11月10日,美國NASA對外宣布稱:其自主研製、試驗的「充氣式再入減速器」著陸試驗取得圓滿成功,充氣隔熱罩在軌展開、並安全降落在預定海域。


而在此之前的2020年5月5日下午,中國首次發射長征5B運載火箭時,就同時搭載了我國「新一代載人飛船試驗船」和「柔性充氣式貨物返回艙試驗艙」,其中新一代載人飛船試驗船安全返回地面取得圓滿成功,柔性充氣式貨物返回艙試驗艙,則在返回的過程中因為降落場地的漂移,在降落過程中發生異常。




也就是說此次美國成功驗證柔性充氣式返回艙技術,著實是從試驗速度上超越了中國,那不禁要問:中美為何搶先發展「柔性返回艙」技術?這種技術為何50年了才得以攻破呢?中國真的被美國超越了嗎?
中美為何搶先發展「柔性返回艙」技術?
航天器要想成功進入預定軌道,就要在星箭分離時,航天器的飛行速度超過第一宇宙速度,所以火箭就要不斷地加速,從而誕生了多級火箭結構。同樣航天器要想脫離軌道,重新返回地面也不是簡簡單單的事情。因為航天器以極高的速度返回地球時,航天器自身會和稠密的大氣層之間產生劇烈摩擦,最終在航天器表面產生上千度的持續高溫燒蝕。

所以從上世紀60年代人類掌握航天器返回技術後的半個多世紀里,在航天器返回隔熱技術方面,人類一直走得是錐形結構+底部隔熱盾+燒蝕降溫塗層技術來保護返回艙安全降落,像我國的神舟載人返回艙、俄羅斯的聯盟號返回艙、美國的阿波羅、載人龍這些載人返回艙,以及一些無人返回艙使用的都是這種傳統、但成熟可靠的航天返回技術。


這種錐形結構+隔熱盾+燒蝕降溫的返回技術雖然成熟可靠,但自身也存在著自重大、成本高、一次性使用等缺點,特別是這類隔熱降溫技術只能保護返回艙順利穿過大氣層,並不能對返回艙的安全著陸產生積極作用。為此返回艙還得內置多個超大面積的減速傘+反衝火箭/氣囊來降低返回艙著陸速度,而這也使得返回艙+反衝火箭+氣囊緩衝結構大量佔據返回艙內部空間的同時,超大面積的減速傘也存在著極易纏繞+著陸後返回艙很可能會被減速傘拽到的風險。



所以美國在上世紀60年代既提出,如果能有一種技術在航天器離開預定軌道,進入大氣層前就主動包裹住返回艙本體,同時利用自身張開更大的體積產生更大的飛行阻力,從而降低返回艙進入大氣層速度和摩擦熱量,並幫助返回艙平穩降落地面的話,之前航天器返回時必須使用的錐形結構、隔熱盾、燒蝕降溫等技術就可以被替代,而這種技術就被稱之為「充氣式柔性返回艙技術」。

其最大的優點除了能夠保護返回艙安全降落地球外,還有一大優勢就是,相比傳統隔熱盾而言,這種全新結構的柔性充氣返回艙不僅對返回艙結構不受任何限制,使得返回艙可以根據航天需求更開放性設計開發外,柔性充氣式返回艙在充氣打開之前,本身就是一個可以收納成體積小巧、重量輕薄的氣囊包,所以體重小和輕,也使得其在本身注重輕和重的航天領域非常有優勢,畢竟航天發射的重量決定了發射成本。而且這種氣囊包打開後就像是一把傘一樣,將返回艙本體牢牢包裹住的同時,傘型結構也使得其再入速度更低、具備重複使用的優點。


特別是當前中美兩國的新一代載人飛船重量超過20噸以上,這麼大的質量如果使用之前隔熱盾+減速傘的回收方式,不光會使得整個載人飛船返回艙結構受限、隔熱性能受阻,同時最關鍵的就是減速傘面積需要更大,但傘數量不能超過4個以上,否則極易發生纏繞,所以這也是中美兩個新一代載人飛船出現後,都急於試驗這種柔性充氣式返回艙的核心原因。


這種技術為何50年了,才得以攻破?
雖然這種柔性充氣式返回艙技術早在上世紀60年代就被提出,但這種看似簡單的充氣氣囊結構研製並不簡單,因為這種充氣式返回艙在進入大氣層之前就要充入大量氣體,如果直接充入空氣肯定不行,畢竟空氣中氧氣含量超過21%,在上千度高溫的大氣層中很容易被引爆,所以只能充入穩定性好的氦氣或者氮氣,但這兩種氣體如何壓縮、且被壓縮情況下,如果短時間內快速充入氣囊很是關鍵。

其次就是這種柔性充氣返回艙在重入大氣層的時候,不光柔性氣囊表面會受到高溫摩擦產生熱量,同時受地球重力和空氣密度增大影響,整柔性充氣返回艙氣囊表面的抗燒蝕能力也要得到進一步提升,至少保證在充入大量氣體後、且與大氣層劇烈摩擦高溫狀態下不會被壓爆是,所以就需要開發一種質地輕、能夠重複使用、且抗熱能力強的高分子複合材料。

所以對於想要研製這種柔性充氣式返回艙的國家而言,除了要解決穩定氣體的快速注入、高分子材料的隔熱降溫、以及氣囊緩衝減震功能外,還要能夠保證其體積小、重量輕、且具備重複使用的功能,所以這也是該技術雖然提出了半個世紀之久,但一直沒能成功實現的原因所在。

中國真的被美國超越了嗎?
如果論柔性可充氣返回艙的研製和試驗進度,美國早在上世紀80年代就曾試驗過,歐空局也曾在本世紀初進行過多次試驗,但無一例外全部失敗,要麼直接在太空未能快速充氣、要麼就是充氣成功,返回失敗。

而我國在2020年隨著長征5B首飛時進行的柔性充氣返回艙試驗艙技術,其最終失敗的原因只是降落地點發生大範圍轉變,在核心的充氣、充入大氣層方面已經取得試驗成功,相信後面稍加改進後,我國再次進行相關試驗取得成功的概率會非常大。

當然現階段美國率先完成這一試驗,並不代表美國就走在了中國前列,超越了中國。當下中美雙方依然處於齊頭並進的狀態,而且美國也只是試驗成功,並沒有真正將其應用到載人飛船返回真實過程中,所以最終誰率先將其應用到實際航天返回中,還得看中美雙方的進展速度來決定。