「黑店」的「空中雜技」——細數空中回收的歷史

科技 04-25

主頁菌說

文中有句說得好「人算不如天算，計劃不如變化」，

發射

阿麗亞娜-5的庫魯發射場罷工愈演愈烈，ULA老司機的宇宙神5發射前又發現故障，導致兩者發射一路推遲。

直接把SpaceX備受關注的首次復用發射推上前台，目前發射時間仍然暫定3月底

，一旦時間正式確定，我們將第一時間通知大家。說起複用，現在可謂是火箭領域超級熱門的一個話題，除了SpaceX的VTVL方案之外，

我們今天來看看著名「黑店」ULA的「聰明回收」到底是咋回事兒。

本文作者：Saturn V

在聯合發射聯盟（ULA）的大手筆「火神」火箭設計圖中，兩台BE-4/AR-1引擎的回收尤為顯眼。

ULA的CEO托里?布魯諾更是以「聰明回收」（Smart Reuse）稱呼，其實言外之意便是獵鷹9的這種讓火箭本體和引擎一起降落的方法是「愚蠢回收」。

的確火箭引擎是整個火箭造價的大頭，ULA因此計劃讓CH-47直升機在空中掛住引擎的降落傘，然後重複使用兩台引擎。一直以昂貴价格和幾乎完美髮射成功率自詡的ULA也突然學起以廉價著稱的SpaceX開始火箭回收降價，不禁讓人覺得這個

「黑店」也有從良的一天

。

和獵鷹9通過引擎二次和三次點火讓整個箭體反向降落的方式不同，

ULA的回收方式頗有些簡單粗暴的感覺。

在第一級引擎熄火後，引擎整體和第一級燃料罐分離(圖中2)，燃料罐自由落體入海洋成為生態系統一部分，引擎則在前端打開充氣減速罩進行超音速階段減速（圖中3）。待引擎模組亞音速後再打開降落傘，

回收直升機只需在引擎掉入海洋之前掛住降落傘即可

（圖中4）。ULA之所以選擇空中回收而不是海面回收，是因為和太空梭的固體燃料火箭不同，

液體燃料引擎若想復用必須保證管線不能受到海水腐蝕。

固體燃料火箭沒有管線之說，純粹填燃料點燃即可，因而頻繁入海並無大礙。

在許多人看來，ULA的空中回收方式頗有些表演雜技的味道。超音速階段的充氣罩已經科幻味十足，最後再來個空中掛降落傘，ULA是不是空中雜技表演看多了？恰恰相反。

ULA的空中回收其實是早已被美國重複使用多次的空中回收方式的改版

，某種意義上這也是托里?布魯諾「聰明回收」的自信來源，因為這畢竟是已經半成熟的技術，不論是技術瓶頸還是風險都要遠低於從零開始研發的SpaceX回收技術。

吾有特殊的回收技巧

以空中掛取方式回收從宇宙返回的人造物體有著悠久的歷史，1960年8月19日一架經過改裝的

C-119運輸機

在夏威夷附近空域

掛住了代號「探索-14」的返回膠囊

，正式開啟了空中回收的歷史。而這個

神秘膠囊

的載荷，

正是堪稱間諜衛星鼻祖的「科羅納」間諜衛星的膠捲

，此次任務也是人類有史以來第一次用衛星進行地面拍攝。由於50年代和60年代攝影技術的限制，早期的間諜衛星以膠捲儲存相片，並需要把膠捲以物理形式送回地面供情報人員分析。鑒於膠捲中涉及大量蘇聯和中國的敏感設施情報，墜落地面或海面容易被一般民眾發現且撞擊會對膠捲造成損傷，刻意封鎖又容易暴露間諜衛星的存在。

美國中央情報局和美國空軍最終決定採用空中回收的方式

，保證膠片儘可能完好無損的同時，悄無聲息地取回。

「科羅納」衛星完整回收流程

和ULA公布的方式非常類似，一架10人機組的運輸機會提前飛往膠囊預計返回空域，兩名遙感操作員會提前計算返回軌道並告知飛行員，隨後在大約50000英尺（15240米）的高度上由機組人員肉眼捕獲。而後操作員開啟尾部艙門並釋放掛鉤，待掛住返回膠囊的降落傘後再由絞盤將整個膠囊連同降落傘一起拉入機艙。回收完畢後運輸機立刻返回珍珠港的希卡姆空軍基地，在那裡早已等待多時的C-141運輸機會將膠囊火速送往位於馬里蘭州米德堡的美國國家安全局總部進行分析。若飛行員未能成功掛住降落傘，

則可派遣船隻回收或乾脆棄之不管，安裝在返回膠囊底部的鹽栓會在兩天後被海水溶解，使得整個膠囊沉入海底，海水的腐蝕會徹底破壞膠捲

。機組為訓練空中回收需要的默契配合，幾乎每天都會空中回收由其他飛機空投下的假目標。

掛住膠囊降落傘的掛鉤特寫

從1959年起至1972年止，「科羅納」間諜衛星總共發射144次，其中102次回收成功，

改造過的C-119和C-130運輸機都先後參與。當然中央情報局對回收成功的定義是膠捲可以讀取，因而不乏有實際物理回收成功但膠捲損壞的案例存在。1961年專門負責研發操縱間諜衛星的

美國國家偵查局（NRO）成立後，「科羅納」間諜衛星根據拍攝技術的先進程度被重新編號為KH-1至KH-4（Key Hole），後續大（臭）名（名）鼎（昭）鼎（著）的「鎖眼」間諜衛星家族至此開始。

一直到數字傳輸圖像的KH-11間諜衛星誕生為止，KH-5至KH-9系列全部延續了「科羅納」的空中膠囊回收，鑒於尚未到50年的解密時限，後續KH系列的回收情況尚不得而知。

HC-130回收KH-7的膠捲膠囊

除去間諜衛星的空中回收外，NASA也曾計劃過空中回收，那便是太陽風粒子探測器「起源號」的返回艙。2001年8月8日發射的「起源號」探測器主要目的是搜集太陽風粒子，以精確計算太陽風和太陽主要成分，

同時亦是NASA在阿波羅計劃後第一次將地外物質帶回地球，以及當時人類帶回的距離地球最遠的物質

。為避免地球磁場對太陽風粒子的污染，起源號探測器在遠離地球磁場的

地日L1拉格朗日點

（想了解這個點的看我們的往期文章啊詳解三體問題的神秘特解-回顧「拉格朗日點」兩百年來的夢幻）

進行樣品採集，採集結束後「起源號」繞道地日L2拉格朗日點以便在美國時間的白天返回地球。

由於擔心返回艙降落時的撞擊和震動會破壞返回艙的完整性，進而污染採集的太陽風粒子，NASA決定採用直升機空中回收的方式。

「起源號」太陽風粒子探測器構造

「起源號」太陽風粒子探測器軌道

計劃中「起源號」會在掠過地球的時候釋放大約600磅（275千克）重的樣品返回艙，預計回收地點為猶他州的UTTR訓練中心。在距離地面33千米時，返回艙開啟減速降落傘，而後在距離地面6.7千米時打開主降落傘以穩定返回艙的下降。在距離地面2.5千米時，改裝過的直升機將用大約5米長的鉤子鉤住主降落傘，若此高度回收失敗，第二架備用直升機將在2千米高度再次嘗試回收。鉤住降落傘後直升機要將返回艙緩慢吊入提前在地面準備好的密封艙，以確保全程無污染。

「起源號」樣品返回艙計劃大氣層再入過程

和「科羅納」膠囊回收相比，「起源號」的樣品返回速度更快且更複雜，頗有些空中特技的味道。NASA想既然是空中特技那何不讓專業的來？於是NASA真的去好萊塢僱傭了兩名直升機特技飛行員來完成空中回收。

二人為此次任務已提前進行了數次模擬掛取，沒有一次失敗。

外加上2.5千米的高度足夠兩架直升機各進行4次回收嘗試，NASA因此對空中回收信心十足。

特技飛行員以假目標訓練空中鉤掛回收

可惜人算不如天算，計劃永遠趕不上變化

。格林尼治標準時間2004年9月8日16:55分，「起源號」釋放的樣品返回艙以11.04千米每秒的速度進入地球大氣層，然而由於返回艙電子組件中加速度計算裝置的設計問題，減速降落傘和主降落傘均沒能按原計劃開啟。

兩位特技飛行員什麼都做不了，只能默默地看著返回艙以86米每秒的速度撞在猶他州圖埃勒縣的沙漠上。

如此猛烈的撞擊造成返回艙破裂，內置樣品儲存膠囊破損，好在沙子鬆軟的質地一定程度上緩和了衝擊，太陽風粒子樣品並沒有外泄。

撞毀在沙漠上的返回艙

不幸中的萬幸是污染太陽風粒子的僅為沙子，沒有液態水混入樣品，且由於太陽風粒子是以晶片附著方式儲存，使得沙子可以與樣品分離。樣品清理工作從9月21日開始，至05年1月便已完成第一塊晶片的處理。對「起源號」返回艙碎片的清理則持續了4周，分析事故原因的同時確保返回艙電池的有毒物質得以妥善處理。

隨後對樣品的解析證明污染並不嚴重，可以完成「起源號」探測器計劃之中的主要科研目標，這也算沒有讓這耗資2億6千萬美金的的科研項目白費。

拯救了「起源號」的太陽風粒子的採集晶片，每一個六邊形晶片均由高純度的藍寶石和金剛石鑲嵌而成，在表面有硅和金塗層。

「起源號」太陽風粒子樣品污染情況的報告PPT

和「科洛娜」衛星返回膠囊以及「起源號」返回艙比，

ULA的兩台引擎雖然體積質量都更大，但回收高度和速度都要遠低於前兩者，就技術難度而言其實挑戰並不大

。與其說用直升機掛住引擎模組降落傘是「空中特技」，倒不如說引擎模組超音速到跨音速階段的充氣氣動減速裝置更有「空中特技」的味道。

這才是真正的「空中特技」

充氣式氣動減速罩的設計最早來源於NASA計劃中降落火星時的減速裝置。由於火星大氣密度低於地球，降落傘的終端速度遠高於安全著陸速度，因而飛行器需要額外的減速裝置。充氣式隔熱罩和傳統的固體隔熱板相比，有著質量輕可摺疊儲存體積小的優勢，同時氣體又是絕佳的隔熱和緩衝材料。

但充氣式對技術要求很高，減速裝置表面材料不僅要有足夠柔性以便在短時間內展開完成充氣，還要足夠耐熱以抵禦超音速時空氣摩擦產生的熱量。

「好奇號」火星車使用的隔熱罩。在進入大氣時此隔熱罩承受了超過7700攝氏度的高溫，比太陽表面還要熱2000餘度。

NASA進行風洞測試的充氣式減速隔熱罩

已研究充氣氣動減速裝置多年的NASA也只在2016年剛剛完成原型設計的風洞測試，距離大氣測試尚有時日，更不用說等比例實際測試了。對於要在地球大氣內使用類似裝置的ULA來說，一級引擎模組的下落速度遠低於進入火星大氣的速度，外加上超音速階段的地球外層大氣較為稀薄，充氣氣動減速裝置或許不需要NASA那樣「高標準嚴要求」，但終歸也是要攻克的一道技術難關。

到底ULA會如何設計這最關鍵的一部分，還要看「火神」火箭後續的情報了。