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

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

整流罩是逃逸系統(tǒng)的配套設(shè)計

從設(shè)計來看，“神舟”飛船采用了比較傳統(tǒng)的設(shè)計，飛船從前至后由軌道艙、返回艙、推進(jìn)艙組成，但是飛船并不包含關(guān)鍵的逃逸系統(tǒng)，而是使用包含逃逸塔在內(nèi)的外置逃逸系統(tǒng)提供逃逸支持。在現(xiàn)役載人飛船當(dāng)中，俄羅斯的“聯(lián)盟”飛船和美國的“獵戶座”飛船均采用了逃逸塔，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(tǒng)屬于“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”，它的下端連接了“神舟”飛船的軌道艙和整流罩的頂端，并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秒至起飛后120秒，在塔架和39千米飛行高度以內(nèi)為“神舟”飛船保駕護(hù)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(fā)動機(jī)和2臺高空分離發(fā)動機(jī)組成，工作時間為火箭起飛120秒后至整流罩分離前，在39至110千米的高度為“神舟”飛船保駕護(hù)航。

在“神舟”飛船的設(shè)計當(dāng)中，組成其逃逸系統(tǒng)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(tǒng)的配套設(shè)計。不僅是“神舟”飛船，采用逃逸塔的“聯(lián)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(lǐng)域的通行設(shè)計。

整流罩是“神舟”飛船的“飛行衣”和“金鐘罩”

“神舟”飛船未采用低風(fēng)阻氣動外形，飛行阻力較大。“神舟”飛船三艙結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)鈍頭圓柱狀，以這樣的形狀直接在稠密大氣層里飛行，阻力較大，會增加推進(jìn)劑消耗，降低火箭的運(yùn)載效率。

“神舟”飛船部分設(shè)備突出外露，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(yùn)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，100千米以下屬于地球的稠密大氣層，火箭在此區(qū)域向太空飛行，會面臨氣動力的考驗(yàn)，在頂部表現(xiàn)尤為明顯?！吧裰邸憋w船雖然是封閉式飛船，但是也有部分設(shè)備是突出外露的，比如軌姿控發(fā)動機(jī)，如果讓飛船暴露飛行，高速飛行之下會產(chǎn)生強(qiáng)大的氣動力，容易對軌姿控發(fā)動機(jī)等設(shè)備造成破壞性影響。同時，強(qiáng)大的氣動力也會對軌道艙和推進(jìn)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(yuǎn)勝在軌運(yùn)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,由于氣體粘性作用,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(chǎn)生高溫和溫度梯度,高溫不斷由飛行器外表面向結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳遞,從而導(dǎo)致飛行器外形及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的改變,對飛行器的正常飛行造成嚴(yán)重影響。如果“神舟”飛船暴露飛行，會直面火箭在大氣層內(nèi)高速飛行產(chǎn)生的氣動加熱作用，溫度會達(dá)數(shù)百度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于航天器在軌運(yùn)行時高溫200度左右的艙體表面溫度，返回艙自然能夠應(yīng)對自如，推進(jìn)艙和軌道艙要經(jīng)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(zhàn)。飛行器突破音障進(jìn)入超音速飛行后，從最前端起會產(chǎn)生一股圓錐形的音錐（巨大的能量以沖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(chǎn)生的影響可不容小覷，高能聲震能夠?qū)教炱髟斐善茐摹；鸺陲w行過程中，起飛1分鐘左右即可突破音障，隨之而來就會產(chǎn)生聲震，并會持續(xù)數(shù)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，就無法回避聲震帶來的巨大沖擊，可能會造成設(shè)備損壞。

針對“神舟”飛船暴露飛行產(chǎn)生的問題，可以通過兩瓣整流罩加以解決?！伴L二F”火箭為“神舟”飛船設(shè)計了特制的整流罩，自下而上分為截錐段、柱段和錐段，整體采用尖頭的低風(fēng)阻氣動設(shè)計，可以降低飛行阻力。通過整流罩將“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(nèi)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(xué)聯(lián)合研制，呈圓筒形，噪聲可以通過上面的小孔進(jìn)到吸音器腔內(nèi)，并引起腔內(nèi)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。通過整流罩和“吸引器”，為“神舟”飛船和航天員有效削弱聲震帶來的影響。

相對于“龍”和“星際航班”等采用高度整合設(shè)計的世界新一代載人飛船而言，“神舟”飛船屬于不同的技術(shù)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(tǒng)，提供低風(fēng)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(yán)酷飛行環(huán)境的不利影響。采用經(jīng)典設(shè)計的“神舟”飛船是離不開整流罩和逃逸塔的，經(jīng)過十三次的發(fā)射，“神舟”載人飛船與“長二F”載人火箭的配套設(shè)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(tǒng)設(shè)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

本文為作者原創(chuàng)，@輕舟一號是文章唯一發(fā)表賬號，如需轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者，并注明出處與作者