Space X 猎鹰火箭的整流罩为何值600万？|火箭发射|猎鹰火箭|火箭|整流罩|探测器|卫星
一、引言
想象一下，
你有600万美金在空中飞舞，
它将会落入大海，
你会设法回收吗？
想必大家可能已经不是很陌生了，这就是Space X公司屡次尝试回收猎鹰火箭整流罩的故事。而那600万美金，自然指的就是猎鹰火箭的整流罩了。Space X公司用网捕船，在大海上接了好多次，才成功将“600万”准确的接住，顺利实现了整流罩回收。很多网友就疑惑了，整流罩难道不是两个白铁皮打空壳子吗？怎么就能价值600万了？会不会是马斯克为了收“破烂”故意唬人的？实际上火箭的整流罩并不简单的是白铁皮打造的两个瓜皮壳子，那么为什么火箭的整流罩这么贵呢？下面我们就来看看具体原因：
Space X用网捕船回收整流罩失败的场景，600万美金打了水漂
二、为何猎鹰火箭的整流罩值600万美金？
1、减振降噪的需求
我们知道整流罩的里边是火箭发射的卫星等有效载荷，所以整流罩最基本的作用就是保护卫星免受气动载荷以及气动加热的作用。另外火箭在发射时，声波、振动等这些能量是很高的，很多有效载荷对噪声环境较敏感，比如具高结构系数的太阳电池帆板、如大面积柔性天线、大型太阳电池阵、大口径光学载荷等等，都很容易被高噪声与振动的环境搞报废。对于载人航天，强噪声会影响航天员的舒适性，严重时会影响航天员的身体健康。
SpaceX 准备将跑车送入太空时拍摄的整流罩内部图
因此科学家们想了各种办法来降低声波与振动，比如美国的土星5号在发射时，四周的水塔会立马开始朝火箭疯狂喷水，这主要就是为了降低火箭的噪声。那么整流罩作为保护卫星的最后一道屏障，自然也要在减小噪声与震动方面做努力了（减小噪声与振动的具体方法将在文章后半部分介绍），这就是个技术活了，无论是研发，还是生产制造，这方面都需要花费大量的成本。
土星5号在发射时状况
水塔喷水，降低噪声
2、调节内部环境以及透电磁波的设计
除此之外，火箭整流罩内部还要有专门的监测与调节温度、湿度等参数的仪器，从而保证卫星有合适的环境。另外由于金属会屏蔽电磁波，而卫星需要与地面联系，因此整流罩都需要一定的开口，换成其他可以透过电磁波的材料。这些都还是会在很大程度上增加火箭整流罩的成本。实际上，不仅仅是Spacex的猎鹰火箭整流罩贵的吓人，对于任何国家的火箭来说，整流罩都是比较贵的，一般其成本占整个火箭成本的百分之十左右。
3、整流罩材料与制造工艺的升级换代
早期的火箭整流罩基础结构多为半硬壳式铝合金铆接结构，由蒙皮、桁条、隔框铆接而成。如美国宇宙神运载火箭、欧洲阿里安号运载火箭等等。随着火箭机构设计以及材料工艺的快速发展，现代的火箭整流罩普遍使用的是复合材料夹层结构和铝合金蜂窝夹芯结构共用的复合结构如日本H-2运载火箭整流罩端部使用的是铝合金一体成形部件，锥段和筒段均使用的是铝合金蜂窝夹层结构；美国的大力神运载火箭整流罩采用了碳基环氧蒙皮和铝蜂窝夹芯结构。新型复合材料的使用可以使得火箭整流罩变得更轻，透电磁波性能变得更好，但同时也使得火箭整流罩的造价进一步大增。
整流罩残骸
4、型号多、产量小，无法有效分摊成本
另外，目前的火箭整流罩还都是型号种类繁多，不同的火箭，甚至同一个火箭发射不同的卫星载荷都要使用不同的整流罩，各国目前都还没有形成体系化，而一种型号的火箭整流罩一次毕竟就造那么一个两个，无法有效的均摊成本，这也是导致整流罩成本高昂的一个重要原因。
三、火箭整流罩的吸声减振的具体措施有哪些？
运载火箭整流罩内噪声环境主要受两方面影响：一方面是发射起飞的最初数秒，噪声来源于发动机的强烈喷流，环境极其恶劣；另一方面是火箭飞行的主动段，噪声来源于周围的气动载荷环境，尤其是在超声速和最大动压阶段，整流罩外的压力波动场最大，这些压力波动场以噪声与振动的形式传入结构，而且是宽频带、随机的。从前文我们知道，火箭整流罩的高额成本很大程度上是用在了吸声，减振上，那么其具体的吸声减振措施有哪些呢？
火箭起飞的最初数秒，发动机的强烈喷流造成巨大的噪声与振动
整流罩的降噪技术可从是否有控制源方面分为被动（无源）噪声控制和主动（有源）噪声控制。被动噪声控制，技术手段包括吸声处理、隔声处理、使用消声器、振动的隔离与降低等。总体上讲，被动噪声控制方法对中高频噪声较为有效，而对低频噪声的作用不大或频段很窄。相比之下，主动噪声控制特别适合对低频噪声振动进行控制，但实际飞行中，整流罩内噪声是宽频带且随机的，要获得有效的主动降噪效果，主动控制系统也会十分复杂，需要具有很强的环境适应性。
1、被动噪声控制技术
被动噪声控制技术为了改善火箭整流罩内的噪声环境，科学家们设计了多种被动降噪方式，大致可分为吸声毯、亥姆霍兹共鸣器、声阻抗失配技术等。下面分别介绍一下这几种技术：
吸声毯吸声毯，是火箭整流罩应用较早的降噪方法，通常由棉絮、玻璃纤维一类的多孔材料构成，可以从隔声和吸声两个方面实现对整流罩的降噪，但吸声效果占主导作用。吸声毯的吸声机理首先是粘滞性和内摩擦作用，由于声波在材料中传播时的质点振动速度各不相同，使得相邻质点间产生相互作用的粘滞力或内摩擦力，使声能转化为热能；其次是热传导效应，由于声波传播时媒质质点的疏密程度不同，因而媒质温度也各不相同，从而使相邻质点间产生了热量传递，使声能不断转化为热能，实现吸声降噪的效果。但由于质量和体积的限制，其有效降噪频率区间一般在400Hz以上。
1997年美国计划使用大力神4型火箭发射Cassini土星探测器，由于探测器使用的放射性同位素热电电源对200Hz和250Hz两个特定噪声频率比较敏感，NASA通过优化填充棉絮的厚度和密度以及引入玻璃纤维隔声层，对原吸声毯进行了改进，使其在特定频率上的降噪效果得到3dB的改善。
整流罩内声场模拟图
亥姆霍兹共鸣器，是一种单孔共振吸声结构，由密闭的空腔通过较小的孔颈与外部空间相连而成，当声波入射时，孔颈中的气柱体在声波的作用下像活塞一样做往复运动，与颈壁发生摩擦使声能转变为热能而耗损，在共鸣器的固有频率与外界声波频率一致时发生共振，这时孔颈中空气柱振幅和振速达到最大，具有很强的吸声能力。洛克希德马丁公司曾采用金属薄片包覆吸声泡沫，并在其上阵列多个亥姆霍兹共鸣器组成消声单元板，铺设于整流罩内表面，取得良好的降噪效果。
亥姆霍兹共鸣器示意图
声阻抗失配，是将整流罩内部空间充满氦气，利用氦气和空气的声阻抗突变来减小外噪声的向内传播，从而改善整流罩内声场。试验得出该方法在全频率范围内都有良好的降噪效果，整流罩内声场总声压级降低10dB左右，但是会引起部分结构的振动增强。
2、主动噪声控制技术
主动噪声控制可分为有源声控制和结构声主动控制。与被动控制相比，主动控制适合对空间的低频噪声和结构的低频振动进行控制，具有环境适应能力强、系统更轻便的特点。有源声控制在有源声控制中，前馈式有源声控制应用较为广泛。
其原理为：初始传感器采集原噪声信号，送入主动噪声控制器中进行分析并发出控制信号，扬声器作为次级声源发出一个与原噪声幅值相等、相位相反的声波，两声波发生相消干涉，达到降低噪声的目的，误差传感器可采集未抵消完全的噪声送入控制器进行再控制。
前馈式有源声控制原理图
前馈式有源声控制器在整流罩内的安装位置示意图
2003年，VALPE-2探空火箭在飞行试验中采用了自适应声振衰减装置，其安装于整流罩头锥处来控制整流罩内低频噪声，通过与没有装自适应声振衰减装置的VALPE-1飞行试验结果对比得出整流罩内噪声在20~300Hz范围内的总声压级减小8.8dB。
当然了，在实际操作中，也不会只采用一种方式来降噪减振，一般都是根据实际情况在实际试验与计算的基础上，将多种方式综合运用，以达到最佳效果。
四、总结
根据美国NASA的一项统计，大约60%的卫星发射失败事故是由于运载火箭整流罩内的振动和噪声过高而引起的。在着眼于减小火箭振动与噪声数量级的同时，做好火箭整流罩的吸声减振效果对于保护卫星来说也是及其重要的一环。整流罩也是火箭中一个集成了众多高新技术于一身的重要部件，并不是简简单单用白铁皮打造的两个瓜皮壳子。因此要想降低火箭发射成本，除了回收火箭芯级以及助推器，回收整流罩自然也是不可或缺的一部分。
（文/云端风火）
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来源：云端风火
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