为什么“神十四”飞船需要整流罩和逃逸塔？又有什么作用？

今年以来，美国航天总计执行了3次入轨级载人飞船发射，其中前2次由“龙”载人飞船执行，先后将总计8名乘员送往国际空间站，第3次由“星际航班”载人飞船执行前往国际空间站的OFT-2无人飞行任务。

“星际航班”飞船与“阿特拉斯5”火箭船箭组合体（OFT-2）

这3次载人飞船发射都有一个共同特点，就是运载火箭都没有用到整流罩和逃逸塔。同样是载人飞船，于北京时间5月29日上午从垂直总装厂房转运至发射工位的“神舟十四号”则不一样，整流罩和逃逸塔都用到了，为什么“神十四”飞船需要整流罩和逃逸塔？又有什么作用？

整流罩是逃逸系统的配套设计

从设计来看，“神舟”飞船采用了比较传统的设计，飞船从前至后由轨道舱、返回舱、推进舱组成，但是飞船并不包含关键的逃逸系统，而是使用包含逃逸塔在内的外置逃逸系统提供逃逸支持。在现役载人飞船当中，俄罗斯的“联盟”飞船和美国的“猎户座”飞船均采用了逃逸塔，可见有塔逃逸依然是世界载人飞船主要选择之一。

“神舟”飞船的逃逸系统属于“长二F”火箭的一部分，主要由有塔逃逸和无塔逃逸两部分组成，其中有塔逃逸部分就是“长二F”火箭顶端的“避雷针”，它的下端连接了“神舟”飞船的轨道舱和整流罩的顶端，并由整流罩提供支撑固定。有塔逃逸部分工作时间为火箭起飞前900秒至起飞后120秒，在塔架和39千米飞行高度以内为“神舟”飞船保驾护航。无塔逃逸部分主要由整流罩柱段上部四周配备的4台高空逃逸发动机和2台高空分离发动机组成，工作时间为火箭起飞120秒后至整流罩分离前，在39至110千米的高度为“神舟”飞船保驾护航。

“神舟”飞船有塔逃逸部分

“神舟”飞船无塔逃逸部分

在“神舟”飞船的设计当中，组成其逃逸系统的有塔逃逸和无塔逃逸都需要整流罩作为基本支撑，这使得整流罩也成为了逃逸系统的配套设计。不仅是“神舟”飞船，采用逃逸塔的“联盟”和“猎户座”飞船都使用整流罩提供支撑，足见逃逸塔配整流罩也是世界航天领域的通行设计。

整流罩是“神舟”飞船的“飞行衣”和“金钟罩”

“神舟”飞船未采用低风阻气动外形，飞行阻力较大。“神舟”飞船三舱结构整体呈现钝头圆柱状，以这样的形状直接在稠密大气层里飞行，阻力较大，会增加推进剂消耗，降低火箭的运载效率。

“神舟”飞船部分设备突出外露，暴露飞行容易被气动力损坏。气动力，是指飞行器与空气相对运动时，作用在飞行器表面上的压力、切向力的合力。在地球周围，100千米以下属于地球的稠密大气层，火箭在此区域向太空飞行，会面临气动力的考验，在顶部表现尤为明显。“神舟”飞船虽然是封闭式飞船，但是也有部分设备是突出外露的，比如轨姿控发动机，如果让飞船暴露飞行，高速飞行之下会产生强大的气动力，容易对轨姿控发动机等设备造成破坏性影响。同时，强大的气动力也会对轨道舱和推进舱表面的隔热衣形成撕扯，也可能造成破坏。

“神舟”飞船需要面对气动热炙烤，温度远胜在轨运行。气动热即气动加热，是指高超音速飞行器在大气层中飞行时,由于气体粘性作用,其外表面高速气流会受到压缩和摩擦而形成气动加热,在飞行器表面产生高温和温度梯度,高温不断由飞行器外表面向结构内部传递,从而导致飞行器外形及结构强度和刚度的改变,对飞行器的正常飞行造成严重影响。如果“神舟”飞船暴露飞行，会直面火箭在大气层内高速飞行产生的气动加热作用，温度会达数百度，远远高于航天器在轨运行时高温200度左右的舱体表面温度，返回舱自然能够应对自如，推进舱和轨道舱要经受住炙烤而不被损坏可不容易。

“神舟”飞船需要面对声震的挑战。飞行器突破音障进入超音速飞行后，从最前端起会产生一股圆锥形的音锥（巨大的能量以冲击波的形式释放出来），震波听起来犹如爆炸一般，故称为音爆或声爆(即声震)。声震产生的影响可不容小觑，高能声震能够对航天器造成破坏。火箭在飞行过程中，起飞1分钟左右即可突破音障，随之而来就会产生声震，并会持续数分钟，直到火箭飞出稠密大气层。这一阶段的“神舟”飞船如果暴露飞行，就无法回避声震带来的巨大冲击，可能会造成设备损坏。

针对“神舟”飞船暴露飞行产生的问题，可以通过两瓣整流罩加以解决。“长二F”火箭为“神舟”飞船设计了特制的整流罩，自下而上分为截锥段、柱段和锥段，整体采用尖头的低风阻气动设计，可以降低飞行阻力。通过整流罩将“神舟”飞船包裹其间，能够最大限度地阻绝火箭飞行过程中气动力、气动热带来的不利影响。针对声震问题，“长二F”在整流罩内壁配备了一款“吸音器”——亥姆霍兹共鸣器，由火箭院702所与北京理工大学联合研制，呈圆筒形，噪声可以通过上面的小孔进到吸音器腔内，并引起腔内的空气振动，以此过滤一部分声音能量，可以减小6至8分贝。通过整流罩和“吸引器”，为“神舟”飞船和航天员有效削弱声震带来的影响。

相对于“龙”和“星际航班”等采用高度整合设计的世界新一代载人飞船而言，“神舟”飞船属于不同的技术流派，一些功能分散在整流罩上，需要整流罩来支撑逃逸系统，提供低风阻气动外形以降低飞行阻力，需要整流罩包裹来避免气动力、气动热、声震等严酷飞行环境的不利影响。采用经典设计的“神舟”飞船是离不开整流罩和逃逸塔的，经过十三次的发射，“神舟”载人飞船与“长二F”载人火箭的配套设计被证明是拥有高可靠性和高安全性的组合。简而言之，“神舟”虽是传统设计，但是好用，高度整合的工作就交给新一代载人飞船吧。

作者：大白高国

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