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火箭啡呤

此條目介紹的是用於保護火箭上所搭載的載荷的啡呤。關於「啡呤」一詞的其他含義，請見「啡呤」。

載荷啡呤（英語：Payload Fairing），簡稱啡呤，是包括運載火箭及導彈在內等一部分火箭產品中箭體結構的重要組成部段，通常位於火箭的頂部[1]。啡呤的主要功能是為太空船等載荷提供良好環境，保護其內部所搭載的載荷在大氣層內飛行時免受氣流、熱環境等有害因素的影響（有時也用於維持火箭內載精密儀器的潔淨室環境[2]）。出於空氣動力學方面的考慮，大部分啡呤都由高強度、輕質、耐高溫，且無線電透波性強的材料製成[1]，同時還被設計為鼻錐狀（通常是錐段和筒段的組合）以為火箭箭體提供良好的氣動外形並降低大氣層飛行階段中的空氣阻力。

藝術家對啡呤分離畫面的設想圖
獵鷹9號蛤殼式啡呤的測試過程，攝於2013年5月27日

一旦火箭飛行至大氣層之外（此時軌道高度一般大於110km），啡呤就會被及時拋棄以減輕全箭重量，這一過程被稱為「啡呤分離」或「拋啡呤」。其中，在拋棄時分成兩半的啡呤類型被稱為蛤殼式啡呤（Clamshell Fairing，因其形似分叉的蛤殼而得名）。 在一些火箭的設計中，啡呤除了載荷本身之外還會將火箭的上層級一同包裹在內，例如擎天神5號、長征一號以及質子M等火箭[3][4]。載荷在啡呤完成分離之後將會完全暴露在外太空並準備與末節火箭分離。啡呤分離是火箭發射過程中的重要動作之一，可直接影響整個發射任務的成敗。

回收和復用 編輯

通常情況下，載荷啡呤在被拋離火箭之後要麼在大氣層中被燒毀，要麼在掉落至海面的過程中被撞擊所損毀，但SpaceX公司自2010年代起就開始嘗試通過啡呤回收計劃來回收它們。2017年3月30日，SpaceX完成了歷史上首次啡呤的成功完好回收[5]。2019年6月25日，SpaceX在獵鷹重型STP-2的發射任務中第二次成功捕獲了完整的啡呤[6]。此後SpaceX開始嘗試重複使用其所回收的啡呤，而後者在每次發射任務中的製造成本為600萬美元。SpaceX的行政總裁埃隆·馬斯克曾表示，在啡呤接觸海水之前將其取回「使翻新變得更加容易」[7]。

雖然在傳統上，啡呤通常要和火箭的主體部分分離並在海上完成回收，但火箭實驗室的中子號火箭將計劃使用與火箭的芯級部分連為一體的啡呤。該集成式啡呤將在一二節火箭的分離瞬間被打開以釋放第二節火箭與載荷，並在分離過程完成後再次關閉，然後在返回地球之時與第一級被一同回收。

因啡呤故障導致的任務失敗 編輯

在某些火箭的設計中，啡呤會在其上層級火箭引擎關機之後完成分離，與之相對的，一些火箭則將啡呤分離的時間設置在了引擎關機之前，火箭穿過稠密大氣之後的窗口內。在以上兩種情況下，啡呤若無法正常分離將可能導致全箭由於質量過大而難以將載荷送入預定軌道。

 
在軌運行中的增強目標對接飛行器，圖中可見其啡呤未完成分離

原計劃用於雙子座9A號載人飛行任務的增強目標對接飛行器（Augmented Target Docking Adapter, ATDA）於1966年6月由擎天神SLV-3火箭成功發射入軌。但當雙子座飛船上的太空人嘗試與其進行交會對接時，他們發現其啡呤並未如預期那般被分離，這使得對接任務無法正常進行下去。觀察發現兩條本應在發射之前就被取下的掛繩仍在，原因事後被確定為工作人員的失誤所致。

20世紀90年代，啡呤引發的故障曾導致長征二號E運載火箭發生多次發射事故[8]。

1999年，由於雅典娜2號運載火箭的啡呤未能正常打開使衛星無法入軌，導致IKONOS-1地球觀測衛星的發射失敗[9]。

2009年2月24日，美國宇航局的在軌碳觀測台（Orbiting Carbon Observatory, OCO）衛星升空後未能成功入軌；事後調查顯示，由於金牛座XL運載火箭的啡呤分離失敗使火箭質量過大，導致其未能產生足夠推力，從而落回地面並最終墜毀於南極洲附近的印度洋海域[10][11]。

類似的情況也發生在了2009年8月25日發射的韓國首枚運載火箭「羅老號」上。在發射過程中，啡呤中的一瓣未能正常分離，導致火箭偏離預定軌道並使衛星未到達穩定軌道[12]。

2011年3月4日，由於軌道科學公司的金牛座XL運載火箭在發射過程中出現的啡呤分離故障，美國宇航局的輝煌號衛星在發射升空後未能入軌，最終墜入印度洋[13]。此次故障是軌道科學公司旗下的金牛座XL火箭啡呤連續第二次出現事故[14]。事後NASA決定將用於發射在軌碳觀測台替補衛星OCO-2的運載火箭由金牛座運載火箭調整為三角洲二號火箭[15]。

2017年8月31日，因PSLV-C39火箭的啡呤未能分離，導致印度的IRNSS-1H衛星無法正常部署。由於啡呤多出的質量，火箭在各節火箭均工作正常的情況下仍無法到達預定軌道。衛星最終在啡呤內部與火箭分離，但被卡在其中無法脫出[16][17]。

2021年8月3日，由中國商業航天公司星際榮耀研發製造的雙曲線一號火箭在發射過程中發生故障。一天後，星際榮耀官方透露失敗原因，稱啡呤在發射中未能正確分離，導致衛星無法到達預定軌道[18]。

2022年2月10日，Astra火箭3.3發射失敗。原因被懷疑是由啡呤分離失敗所造成的故障[19]。

導彈啡呤 編輯

導彈啡呤也被稱為「導彈頭罩」[20]，位於導彈的最前端，是一個用於保持導彈氣動外形並保護其內戰鬥部的結構組件，包含了防熱、承力、透波等在內的諸多功能[21]。以洲際彈道導彈為例，其內部通常裝載有彈頭和動力裝置，在實戰中將由導引系統控制飛行至指定位置後，頭罩與導彈完成分離以在再入大氣層前漏出戰鬥部並飛向目標[20]。

導彈頭罩在結構設計和分離方式上根據不同類型導彈內戰鬥部設計之間的差異而有所不同，如分導式多彈頭設計的洲際彈道導彈在設計上便比單彈頭的導彈要多一個釋放子彈頭的步驟，兩者在發射最初的助推段上一致，但在分離低節火箭並達到所需速度和高度之後，單彈頭的導彈將直接完成分離，而多彈頭的母彈頭（由子彈頭、啡呤和末助推控制系統組成）則會根據預設控制指令先完成拋罩，然後通過末助推控制系統（即末節火箭）依次進行調姿到位後再將子彈頭送至預定位置進行釋放[22]。該過程類似於運載火箭的上層級進行一箭多星變軌時的操作[23][24]。

彈道導彈所用的啡呤在大致功能和結構方面與運載火箭所用的啡呤大同小異，但相較於運載火箭的啡呤，導彈頭罩的整體形狀往往更偏向於圓錐形，體積較之也會更小[25]。基於這種差異，導彈頭罩的分離方式與運載火箭啡呤之間亦存在不同，如一些導彈可能會採取整體式的頭罩，在分離時並不分瓣進行拋棄[26]；另一些導彈啡呤則採用多瓣式設計[27]；而相當一部分導彈將頭罩作為戰鬥部的一部分來設計，在發射後兩者不進行分離[28]（多為單彈頭設計）。此外，鑑於一部分運載火箭為基於中程或洲際彈道導彈改進而來的衍生產物（如長征十一號與東風-31型[29][30]）或者本身就是彈道導彈的衛星發射版本（如R-7彈道導彈），導彈頭罩亦可作為運載火箭的啡呤使用。

  •  
    不同樣式的導彈彈頭和啡呤
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    彈道導彈的飛行過程，其中的第三階段為啡呤分離

製造商 編輯

運載火箭啡呤 編輯

圖集 編輯

參見 編輯

參考文獻 編輯

 
維基共享資源上的相關多媒體資源：載荷啡呤
  1. ^ 1.0 1.1 什么是火箭整流罩？长5B整流罩有何特点？_中国载人航天官方网站. www.cmse.gov.cn. [2023-07-26]. （原始內容存檔於2023-07-26）. 
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