想象一下，你有600萬美金在空中飛舞，它將會落入大海，你會設(shè)法回收嗎？
想必大家可能已經(jīng)不是很陌生了，這就是Space X公司屢次嘗試回收獵鷹火箭整流罩的故事。而那600萬美金，自然指的就是獵鷹火箭的整流罩了。Space X公司用網(wǎng)捕船，在大海上接了好多次，才成功將“600萬”準(zhǔn)確的接住，順利實現(xiàn)了整流罩回收。很多網(wǎng)友就疑惑了，整流罩難道不是兩個白鐵皮打空殼子嗎？怎么就能價值600萬了？會不會是馬斯克為了收“破爛”故意唬人的？實際上火箭的整流罩并不簡單的是白鐵皮打造的兩個瓜皮殼子，那么為什么火箭的整流罩這么貴呢？下面我們就來看看具體原因：
Space X用網(wǎng)捕船回收整流罩失敗的場景，600萬美金打了水漂
二、為何獵鷹火箭的整流罩值600萬美金？1、減振降噪的需求
我們知道整流罩的里邊是火箭發(fā)射的衛(wèi)星等有效載荷，所以整流罩最基本的作用就是保護(hù)衛(wèi)星免受氣動載荷以及氣動加熱的作用。另外火箭在發(fā)射時，聲波、振動等這些能量是很高的，很多有效載荷對噪聲環(huán)境較敏感，比如具高結(jié)構(gòu)系數(shù)的太陽電池帆板、如大面積柔性天線、大型太陽電池陣、大口徑光學(xué)載荷等等，都很容易被高噪聲與振動的環(huán)境搞報廢。對于載人航天，強(qiáng)噪聲會影響航天員的舒適性，嚴(yán)重時會影響航天員的身體健康。
SpaceX 準(zhǔn)備將跑車送入太空時拍攝的整流罩內(nèi)部圖
因此科學(xué)家們想了各種辦法來降低聲波與振動，比如美國的土星5號在發(fā)射時，四周的水塔會立馬開始朝火箭瘋狂噴水，這主要就是為了降低火箭的噪聲。那么整流罩作為保護(hù)衛(wèi)星的最后一道屏障，自然也要在減小噪聲與震動方面做努力了（減小噪聲與振動的具體方法將在文章后半部分介紹），這就是個技術(shù)活了，無論是研發(fā)，還是生產(chǎn)制造，這方面都需要花費(fèi)大量的成本。
土星5號在發(fā)射時狀況
水塔噴水，降低噪聲
2、調(diào)節(jié)內(nèi)部環(huán)境以及透電磁波的設(shè)計
除此之外，火箭整流罩內(nèi)部還要有專門的監(jiān)測與調(diào)節(jié)溫度、濕度等參數(shù)的儀器，從而保證衛(wèi)星有合適的環(huán)境。另外由于金屬會屏蔽電磁波，而衛(wèi)星需要與地面聯(lián)系，因此整流罩都需要一定的開口，換成其他可以透過電磁波的材料。這些都還是會在很大程度上增加火箭整流罩的成本。實際上，不僅僅是Spacex的獵鷹火箭整流罩貴的嚇人，對于任何國家的火箭來說，整流罩都是比較貴的，一般其成本占整個火箭成本的百分之十左右。
3、整流罩材料與制造工藝的升級換代
早期的火箭整流罩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)多為半硬殼式鋁合金鉚接結(jié)構(gòu)，由蒙皮、桁條、隔框鉚接而成。如美國宇宙神運(yùn)載火箭、歐洲阿里安號運(yùn)載火箭等等。隨著火箭機(jī)構(gòu)設(shè)計以及材料工藝的快速發(fā)展，現(xiàn)代的火箭整流罩普遍使用的是復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)和鋁合金蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)共用的復(fù)合結(jié)構(gòu)如日本H-2運(yùn)載火箭整流罩端部使用的是鋁合金一體成形部件，錐段和筒段均使用的是鋁合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)；美國的大力神運(yùn)載火箭整流罩采用了碳基環(huán)氧蒙皮和鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)。新型復(fù)合材料的使用可以使得火箭整流罩變得更輕，透電磁波性能變得更好，但同時也使得火箭整流罩的造價進(jìn)一步大增。
整流罩殘骸
4、型號多、產(chǎn)量小，無法有效分?jǐn)偝杀?/strong>
另外，目前的火箭整流罩還都是型號種類繁多，不同的火箭，甚至同一個火箭發(fā)射不同的衛(wèi)星載荷都要使用不同的整流罩，各國目前都還沒有形成體系化，而一種型號的火箭整流罩一次畢竟就造那么一個兩個，無法有效的均攤成本，這也是導(dǎo)致整流罩成本高昂的一個重要原因。
運(yùn)載火箭整流罩內(nèi)噪聲環(huán)境主要受兩方面影響：一方面是發(fā)射起飛的最初數(shù)秒，噪聲來源于發(fā)動機(jī)的強(qiáng)烈噴流，環(huán)境極其惡劣；另一方面是火箭飛行的主動段，噪聲來源于周圍的氣動載荷環(huán)境，尤其是在超聲速和最大動壓階段，整流罩外的壓力波動場最大，這些壓力波動場以噪聲與振動的形式傳入結(jié)構(gòu)，而且是寬頻帶、隨機(jī)的。從前文我們知道，火箭整流罩的高額成本很大程度上是用在了吸聲，減振上，那么其具體的吸聲減振措施有哪些呢？
火箭起飛的最初數(shù)秒，發(fā)動機(jī)的強(qiáng)烈噴流造成巨大的噪聲與振動
整流罩的降噪技術(shù)可從是否有控制源方面分為被動（無源）噪聲控制和主動（有源）噪聲控制。被動噪聲控制，技術(shù)手段包括吸聲處理、隔聲處理、使用消聲器、振動的隔離與降低等?？傮w上講，被動噪聲控制方法對中高頻噪聲較為有效，而對低頻噪聲的作用不大或頻段很窄。相比之下，主動噪聲控制特別適合對低頻噪聲振動進(jìn)行控制，但實際飛行中，整流罩內(nèi)噪聲是寬頻帶且隨機(jī)的，要獲得有效的主動降噪效果，主動控制系統(tǒng)也會十分復(fù)雜，需要具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。
1、被動噪聲控制技術(shù)
被動噪聲控制技術(shù)為了改善火箭整流罩內(nèi)的噪聲環(huán)境，科學(xué)家們設(shè)計了多種被動降噪方式，大致可分為吸聲毯、亥姆霍茲共鳴器、聲阻抗失配技術(shù)等。下面分別介紹一下這幾種技術(shù)：
吸聲毯吸聲毯，是火箭整流罩應(yīng)用較早的降噪方法，通常由棉絮、玻璃纖維一類的多孔材料構(gòu)成，可以從隔聲和吸聲兩個方面實現(xiàn)對整流罩的降噪，但吸聲效果占主導(dǎo)作用。吸聲毯的吸聲機(jī)理首先是粘滯性和內(nèi)摩擦作用，由于聲波在材料中傳播時的質(zhì)點(diǎn)振動速度各不相同，使得相鄰質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生相互作用的粘滯力或內(nèi)摩擦力，使聲能轉(zhuǎn)化為熱能；其次是熱傳導(dǎo)效應(yīng)，由于聲波傳播時媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的疏密程度不同，因而媒質(zhì)溫度也各不相同，從而使相鄰質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生了熱量傳遞，使聲能不斷轉(zhuǎn)化為熱能，實現(xiàn)吸聲降噪的效果。但由于質(zhì)量和體積的限制，其有效降噪頻率區(qū)間一般在400Hz以上。
1997年美國計劃使用大力神4型火箭發(fā)射Cassini土星探測器，由于探測器使用的放射性同位素?zé)犭婋娫磳?00Hz和250Hz兩個特定噪聲頻率比較敏感，NASA通過優(yōu)化填充棉絮的厚度和密度以及引入玻璃纖維隔聲層，對原吸聲毯進(jìn)行了改進(jìn)，使其在特定頻率上的降噪效果得到3dB的改善。
整流罩內(nèi)聲場模擬圖
亥姆霍茲共鳴器，是一種單孔共振吸聲結(jié)構(gòu)，由密閉的空腔通過較小的孔頸與外部空間相連而成，當(dāng)聲波入射時，孔頸中的氣柱體在聲波的作用下像活塞一樣做往復(fù)運(yùn)動，與頸壁發(fā)生摩擦使聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏膿p，在共鳴器的固有頻率與外界聲波頻率一致時發(fā)生共振，這時孔頸中空氣柱振幅和振速達(dá)到最大，具有很強(qiáng)的吸聲能力。洛克希德馬丁公司曾采用金屬薄片包覆吸聲泡沫，并在其上陣列多個亥姆霍茲共鳴器組成消聲單元板，鋪設(shè)于整流罩內(nèi)表面，取得良好的降噪效果。
亥姆霍茲共鳴器示意圖
聲阻抗失配，是將整流罩內(nèi)部空間充滿氦氣，利用氦氣和空氣的聲阻抗突變來減小外噪聲的向內(nèi)傳播，從而改善整流罩內(nèi)聲場。試驗得出該方法在全頻率范圍內(nèi)都有良好的降噪效果，整流罩內(nèi)聲場總聲壓級降低10dB左右，但是會引起部分結(jié)構(gòu)的振動增強(qiáng)。
2、主動噪聲控制技術(shù)
主動噪聲控制可分為有源聲控制和結(jié)構(gòu)聲主動控制。與被動控制相比，主動控制適合對空間的低頻噪聲和結(jié)構(gòu)的低頻振動進(jìn)行控制，具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、系統(tǒng)更輕便的特點(diǎn)。有源聲控制在有源聲控制中，前饋式有源聲控制應(yīng)用較為廣泛。
其原理為：初始傳感器采集原噪聲信號，送入主動噪聲控制器中進(jìn)行分析并發(fā)出控制信號，揚(yáng)聲器作為次級聲源發(fā)出一個與原噪聲幅值相等、相位相反的聲波，兩聲波發(fā)生相消干涉，達(dá)到降低噪聲的目的，誤差傳感器可采集未抵消完全的噪聲送入控制器進(jìn)行再控制。
前饋式有源聲控制原理圖
前饋式有源聲控制器在整流罩內(nèi)的安裝位置示意圖
2003年，VALPE-2探空火箭在飛行試驗中采用了自適應(yīng)聲振衰減裝置，其安裝于整流罩頭錐處來控制整流罩內(nèi)低頻噪聲，通過與沒有裝自適應(yīng)聲振衰減裝置的VALPE-1飛行試驗結(jié)果對比得出整流罩內(nèi)噪聲在20~300Hz范圍內(nèi)的總聲壓級減小8.8dB。
當(dāng)然了，在實際操作中，也不會只采用一種方式來降噪減振，一般都是根據(jù)實際情況在實際試驗與計算的基礎(chǔ)上，將多種方式綜合運(yùn)用，以達(dá)到最佳效果。
四、總結(jié)根據(jù)美國NASA的一項統(tǒng)計，大約60%的衛(wèi)星發(fā)射失敗事故是由于運(yùn)載火箭整流罩內(nèi)的振動和噪聲過高而引起的。在著眼于減小火箭振動與噪聲數(shù)量級的同時，做好火箭整流罩的吸聲減振效果對于保護(hù)衛(wèi)星來說也是及其重要的一環(huán)。整流罩也是火箭中一個集成了眾多高新技術(shù)于一身的重要部件，并不是簡簡單單用白鐵皮打造的兩個瓜皮殼子。因此要想降低火箭發(fā)射成本，除了回收火箭芯級以及助推器，回收整流罩自然也是不可或缺的一部分。
（文/云端風(fēng)火）
