想象一下，你有600萬美金在空中飛舞，它將會落入大海，你會設法回收嗎？
想必大家可能已經不是很陌生了，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公司用網捕船，在大海上接了好多次，才成功將“600萬”準確的接住，順利實現(xiàn)了整流罩回收。很多網友就疑惑了，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，比如具高結構系數(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，強噪聲會影響航天員的舒適性，嚴重時會影響航天員的身體健康。
SpaceX 準備將跑車送入太空時拍攝的整流罩內部圖
因此科學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），這就是個技術活了，無論是研發(fā)，還是生產制造，這方面都需要花費大量的成本。
土星5號在發(fā)射時狀況
水塔噴水，降低噪聲
2、調節(jié)內部環(huán)境以及透電磁波的設計
除此之外，火箭整流罩內部還要有專門的監(jiān)測與調節(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結構多為半硬殼式鋁合金鉚接結構，由蒙皮、桁條、隔框鉚接而成。如美國宇宙神運載火箭、歐洲阿里安號運載火箭等等。隨著火箭機構設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合材料夾層結構和鋁合金蜂窩夾芯結構共用的復合結構如日本H-2運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構；美國的大力神運載火箭整流罩采用了碳基環(huán)氧蒙皮和鋁蜂窩夾芯結構。新型復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一步大增。
整流罩殘骸
4、型號多、產量小，無法有效分攤成本
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，這也是導致整流罩成本高昂的一個重要原因。
運載火箭整流罩內噪聲環(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)動機的強烈噴流，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構，而且是寬頻帶、隨機的。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)動機的強烈噴流造成巨大的噪聲與振動
整流罩的降噪技術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。總體上講，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行控制，但實際飛行中，整流罩內噪聲是寬頻帶且隨機的，要獲得有效的主動降噪效果，主動控制系統(tǒng)也會十分復雜，需要具有很強的環(huán)境適應性。
1、被動噪聲控制技術
被動噪聲控制技術為了改善火箭整流罩內的噪聲環(huán)境，科學家們設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、聲阻抗失配技術等。下面分別介紹一下這幾種技術：
吸聲毯吸聲毯，是火箭整流罩應用較早的降噪方法，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，但吸聲效果占主導作用。吸聲毯的吸聲機理首先是粘滯性和內摩擦作用，由于聲波在材料中傳播時的質點振動速度各不相同，使得相鄰質點間產生相互作用的粘滯力或內摩擦力，使聲能轉化為熱能；其次是熱傳導效應，由于聲波傳播時媒質質點的疏密程度不同，因而媒質溫度也各不相同，從而使相鄰質點間產生了熱量傳遞，使聲能不斷轉化為熱能，實現(xiàn)吸聲降噪的效果。但由于質量和體積的限制，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熱電電源對200Hz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，對原吸聲毯進行了改進，使其在特定頻率上的降噪效果得到3dB的改善。
整流罩內聲場模擬圖
亥姆霍茲共鳴器，是一種單孔共振吸聲結構，由密閉的空腔通過較小的孔頸與外部空間相連而成，當聲波入射時，孔頸中的氣柱體在聲波的作用下像活塞一樣做往復運動，與頸壁發(fā)生摩擦使聲能轉變?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到最大，具有很強的吸聲能力。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，鋪設于整流罩內表面，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傳播，從而改善整流罩內聲場。試驗得出該方法在全頻率范圍內都有良好的降噪效果，整流罩內聲場總聲壓級降低10dB左右，但是會引起部分結構的振動增強。
2、主動噪聲控制技術
主動噪聲控制可分為有源聲控制和結構聲主動控制。與被動控制相比，主動控制適合對空間的低頻噪聲和結構的低頻振動進行控制，具有環(huán)境適應能力強、系統(tǒng)更輕便的特點。有源聲控制在有源聲控制中，前饋式有源聲控制應用較為廣泛。
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行分析并發(fā)出控制信號，揚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聲振衰減裝置，其安裝于整流罩頭錐處來控制整流罩內低頻噪聲，通過與沒有裝自適應聲振衰減裝置的VALPE-1飛行試驗結果對比得出整流罩內噪聲在20~300Hz范圍內的總聲壓級減小8.8dB。
當然了，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上，將多種方式綜合運用，以達到最佳效果。
四、總結根據(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載火箭整流罩內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/云端風火）
