為什麼“神十四”飛船需要整流罩和逃逸塔？又有什麼作用？

今年以來，美國航天總計執行了3次入軌級載人飛船發射，其中前2次由“龍”載人飛船執行，先後將總計8名乘員送往國際空間站，第3次由“星際航班”載人飛船執行前往國際空間站的OFT-2無人飛行任務。

“星際航班”飛船與“阿特拉斯5”火箭船箭組合體（OFT-2）

這3次載人飛船發射都有一個共同特點，就是運載火箭都沒有用到整流罩和逃逸塔。同樣是載人飛船，於北京時間5月29日上午從垂直總裝廠房轉運至發射工位的“神舟十四號”則不一樣，整流罩和逃逸塔都用到了，為什麼“神十四”飛船需要整流罩和逃逸塔？又有什麼作用？

整流罩是逃逸系統的配套設計

從設計來看，“神舟”飛船採用了比較傳統的設計，飛船從前至後由軌道艙、返回艙、推進艙組成，但是飛船並不包含關鍵的逃逸系統，而是使用包含逃逸塔在內的外接逃逸系統提供逃逸支援。在現役載人飛船當中，俄羅斯的“聯盟”飛船和美國的“獵戶座”飛船均採用了逃逸塔，可見有塔逃逸依然是世界載人飛船主要選擇之一。

“神舟”飛船的逃逸系統屬於“長二F”火箭的一部分，主要由有塔逃逸和無塔逃逸兩部分組成，其中有塔逃逸部分就是“長二F”火箭頂端的“避雷針”，它的下端連線了“神舟”飛船的軌道艙和整流罩的頂端，並由整流罩提供支撐固定。有塔逃逸部分工作時間為火箭起飛前900秒至起飛後120秒，在塔架和39千米飛行高度以內為“神舟”飛船保駕護航。無塔逃逸部分主要由整流罩柱段上部四周配備的4臺高空逃逸發動機和2臺高空分離發動機組成，工作時間為火箭起飛120秒後至整流罩分離前，在39至110千米的高度為“神舟”飛船保駕護航。

“神舟”飛船有塔逃逸部分

“神舟”飛船無塔逃逸部分

在“神舟”飛船的設計當中，組成其逃逸系統的有塔逃逸和無塔逃逸都需要整流罩作為基本支撐，這使得整流罩也成為了逃逸系統的配套設計。不僅是“神舟”飛船，採用逃逸塔的“聯盟”和“獵戶座”飛船都使用整流罩提供支撐，足見逃逸塔配整流罩也是世界航天領域的通行設計。

整流罩是“神舟”飛船的“飛行衣”和“金鐘罩”

“神舟”飛船未採用低風阻氣動外形，飛行阻力較大。

“神舟”飛船三艙結構整體呈現鈍頭圓柱狀，以這樣的形狀直接在稠密大氣層裡飛行，阻力較大，會增加推進劑消耗，降低火箭的運載效率。

“神舟”飛船部分裝置突出外露，暴露飛行容易被氣動力損壞。

氣動力，是指飛行器與空氣相對運動時，作用在飛行器表面上的壓力、切向力的合力。在地球周圍，100千米以下屬於地球的稠密大氣層，火箭在此區域向太空飛行，會面臨氣動力的考驗，在頂部表現尤為明顯。“神舟”飛船雖然是封閉式飛船，但是也有部分裝置是突出外露的，比如軌姿控發動機，如果讓飛船暴露飛行，高速飛行之下會產生強大的氣動力，容易對軌姿控發動機等裝置造成破壞性影響。同時，強大的氣動力也會對軌道艙和推進艙表面的隔熱衣形成撕扯，也可能造成破壞。

“神舟”飛船需要面對氣動熱炙烤，溫度遠勝在軌執行。

氣動熱即氣動加熱，是指高超音速飛行器在大氣層中飛行時，由於氣體粘性作用，其外表面高速氣流會受到壓縮和摩擦而形成氣動加熱，在飛行器表面產生高溫和溫度梯度，高溫不斷由飛行器外表面向結構內部傳遞，從而導致飛行器外形及結構強度和剛度的改變，對飛行器的正常飛行造成嚴重影響。如果“神舟”飛船暴露飛行，會直面火箭在大氣層內高速飛行產生的氣動加熱作用，溫度會達數百度，遠遠高於航天器在軌執行時高溫200度左右的艙體表面溫度，返回艙自然能夠應對自如，推進艙和軌道艙要經受住炙烤而不被損壞可不容易。

“神舟”飛船需要面對聲震的挑戰。

飛行器突破音障進入超音速飛行後，從最前端起會產生一股圓錐形的音錐（巨大的能量以衝擊波的形式釋放出來），震波聽起來猶如爆炸一般，故稱為音爆或聲爆（即聲震）。聲震產生的影響可不容小覷，高能聲震能夠對航天器造成破壞。火箭在飛行過程中，起飛1分鐘左右即可突破音障，隨之而來就會產生聲震，並會持續數分鐘，直到火箭飛出稠密大氣層。這一階段的“神舟”飛船如果暴露飛行，就無法迴避聲震帶來的巨大沖擊，可能會造成裝置損壞。

針對“神舟”飛船暴露飛行產生的問題，可以透過兩瓣整流罩加以解決。“長二F”火箭為“神舟”飛船設計了特製的整流罩，自下而上分為截錐段、柱段和錐段，整體採用尖頭的低風阻氣動設計，可以降低飛行阻力。透過整流罩將“神舟”飛船包裹其間，能夠最大限度地阻絕火箭飛行過程中氣動力、氣動熱帶來的不利影響。針對聲震問題，“長二F”在整流罩內壁配備了一款“吸音器”——亥姆霍茲共鳴器，由火箭院702所與北京理工大學聯合研製，呈圓筒形，噪聲可以透過上面的小孔進到吸音器腔內，並引起腔內的空氣振動，以此過濾一部分聲音能量，可以減小6至8分貝。透過整流罩和“吸引器”，為“神舟”飛船和航天員有效削弱聲震帶來的影響。

相對於“龍”和“星際航班”等採用高度整合設計的世界新一代載人飛船而言，“神舟”飛船屬於不同的技術流派，一些功能分散在整流罩上，需要整流罩來支撐逃逸系統，提供低風阻氣動外形以降低飛行阻力，需要整流罩包裹來避免氣動力、氣動熱、聲震等嚴酷飛行環境的不利影響。採用經典設計的“神舟”飛船是離不開整流罩和逃逸塔的，經過十三次的發射，“神舟”載人飛船與“長二F”載人火箭的配套設計被證明是擁有高可靠性和高安全性的組合。簡而言之，“神舟”雖是傳統設計，但是好用，高度整合的工作就交給新一代載人飛船吧。

作者：大白高國

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