美国SpaceX公司的载人版“龙”飞船成功返回地球,它的组合伞减速技术比单伞难在哪里?

美国SpaceX公司的载人版“龙”飞船成功返回地球,它的组合伞减速技术比单伞难在哪里?


由网友 魑魅涅槃 提供的答案:

前几天美国SpaceX公司的猎鹰9火箭搭载着自家的载人版龙飞船顺利发射升空,也宣誓着美国继2011年彻底退役航天飞机后,第一次计划从美国本土将航天员发射升空。前天载人版龙飞船顺利溅落在大西洋,可能看过新闻的人会有这样一个疑问,龙飞船使用的降落伞数量怎么这么多啊?我国的神舟飞船和俄罗斯的联盟飞船都只有一个降落伞?那到底伞多还是伞少好啊?其采用的组合伞技术比单伞难吗?又难在呢?




的确在冷战时期,美苏之间的太空争霸竞赛为我们带来了很多太空产物和经历。但是随着冷战的结束,后期美俄等国之间虽然联手展开合作了“国际空间站”项目,但是在2011年美国航天飞机彻底退役后,国际空间站上的航天员换岗任务就全部依靠俄罗斯的联盟飞船了,所以美国也是迫在心头,虽然美国的航天技术很发达,但是奈何没有直接可用的载人航天工具可用,所以在世界上第一家私人航天公司SpaceX成功利用龙飞船将补给物资发射到国际空间站以后,美国就特别希望这家公司能够拿出载人版本的载人飞船,来帮助美国航天员从美国本土重返太空。好在经过多年磨炼,SpaceX的载人版龙飞船终于发射升空并与国际空间站对接,现在龙飞船顺利返回地球也宣誓着美国即将再次获得载人航天能力。




我们看过很多次的神舟飞船返回舱降落新闻后,再看龙飞船的降落视频时,发现都采用的是降落伞减速回收技术,但是区别却很大,比如一个是采用单伞减速、火箭反冲降落在陆地,一个是采用4顶伞直接降落在海面,谁更难呢?首先飞船的返回降落和我们普通的高空跳伞降落区别还是很大的,因为飞船返回时是从距离地球400公里的近地轨道以第一宇宙速度返回地球,在这期间飞船除了要经历超过1500度的高温灼热外,其降落速度也要从7.9km/s减速到最终降落的抵触地面时的1m/s,所以就要求飞船返回系统的减速能力特别强,早前中美俄在载人飞船返回技术上都采用的是更为成熟可靠的降落伞缓冲着陆,中俄采用的是陆地降落的方式,所以返回舱底部有反推火箭,这样做的好处除了因为陆地降落冲击力更大,需要更强的减速技术外,就是返回舱的降落触地速度可以降低最低,以减缓因为降落冲击力对航天员的生命产生伤害。




而降落伞是整个载人飞船返回系统中最核心的,其不仅要具备可以大幅度降低返回舱的降落速度外,还要具备可以控制返回舱姿态稳定的功能,所以对于降落伞的开伞次序和打开时间有严格的要求,正常来说要想大幅度降低返回舱的降落速度,降落伞的面积当然是越大越好了,毕竟开伞面积更大阻力更大。但是在飞船返回地球的过程中,返回舱与大气层摩擦会出现高温和黑障现象,所以降落伞不是从一开始就直接打开的,一般是距离地面15公里左右时才会准备开伞,但是开伞不是说像我们撑的自动雨伞一样唰的就打开了,必须经过引导伞的引导一步一步打开,否则高速降落产生的巨大气流会直接将伞吹破,正常来说越简单的东西可靠性越高,毕竟是载人返回舱,在整个开伞过程中还要做到尽可能的平稳才行,所以在开伞数量上就会有很大的分歧,一般来说单伞的可靠性肯定会比多个伞高的多,毕竟伞数量多了,不光有可靠性的问题,同时伞绳的数量也会成几何倍增长,对于开伞的可靠性要求就更高了,而且伞的数量多也意味着重量更大,但是航天发射有一个定律就是,火箭和飞船的干质量越轻火箭越先进,对于载人飞船也一样,毕竟飞船总重量一定的条件下,飞船质量越轻能装载的物资也就越多,火箭发射成本也就越低。比如我国的神舟飞船使用的是世界上面积最大的降落伞,铺开可达1200平米的单伞,但是重量只有90千克重。而且这个伞还要质量可靠和轻的同时能够耐得住几百度的高温烧灼才行。
其实看以往的飞船返回地球,会发现像我国的神舟飞船、俄罗斯的联盟飞船采用的都是单伞减速设计,而美国曾经在阿波罗登月计划中采用的却是三个减速伞,包括现在美国NASA的猎户座飞船和此次的龙飞船都是多个减速伞的设计,难道是传统习俗吗?其实不是,飞船返回舱采用单伞还是多伞主要是由飞船切入地球轨道的速度决定的,神舟飞船和联盟飞船都是绕地飞船,最高速度一般比第一宇宙速度高一点能维持正常轨道高度即可,所以采用单伞即可,毕竟单伞的可靠性更高。而且有备用伞,所以安全还是有保障的。但是像阿波罗飞船就不一样了,因为其从月球返回地球时一路上都在借助地球引力接近地球,所以其返回地球时的速度要比普通的绕地飞船更高,但是同样其要将触地速度降为零,所以就需要开伞面积更大的降落伞,但是降落伞的面积不是无止境的增长的,开伞面积也会受到加工技术和包伞的限制,而且这么大的伞开伞可靠性也是问题,毕竟伞大了开伞难度更高也是事实。所以这个时候采用多个降落伞来提高总开伞面积就比较简单了,而且开伞可靠性也能保证。就算某个伞没能打开其余伞也能保障飞船的安全降落。但是多个伞组成的组合伞在减速效果上要比单伞低一些,而且多个伞同时开启也会产生相互干扰的问题,这就对开伞系统的准确性和可靠性有更高的要求。所以在龙飞船降落前,马斯克最担心的就是组合伞的可靠性问题,同时这也是中俄返回舱坚持采用单伞的原因。



虽然目前载人版的龙飞船主要是为运行在近地轨道的国际空间站服务,但是从其采用多个组合伞的设计来看,未来很可能也有飞往月球、火星的准备,毕竟早前猎鹰重型火箭首飞目标就是火星,所以从一开始直接采用组合伞也是基于长远角度的战略考虑吧。

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