有效載荷整流罩

thumbnail
獵鷹9號蛤殼式整流罩的測試過程，攝於2013年5月27日
有效載荷整流罩（Payload Fairing），簡稱整流罩，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。整流罩的主要功能是為航天器等有效載荷提供良好環境，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）。出於空氣動力學方面的考慮，大部分整流罩都由高強度、輕質、耐高溫，且無線電透波性強的材料製成，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。
一旦火箭飛行至大氣層之外（此時軌道高度一般大於110km），整流罩就會被及時拋棄以減輕全箭重量，這一過程被稱為“整流罩分離”或“拋整流罩”。其中，在拋棄時分成兩半的整流罩類型被稱為蛤殼式整流罩（Clamshell Fairing，因其形似分叉的蛤殼而得名）。 在一些火箭的設計中，整流罩除了有效載荷本身之外還會將火箭的上面級一同包裹在內，例如宇宙神5號、長征一號以及質子M等火箭。有效載荷在整流罩完成分離之後將會完全暴露在外層空間並準備與末級火箭分離。整流罩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。

**回收和複用**
通常情況下，有效載荷整流罩在被拋離火箭之後要麼在大氣層中被燒燬，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整流罩回收計劃來回收它們。2017年3月30日，SpaceX完成了歷史上首次整流罩的成功完好回收。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整流罩。此後SpaceX開始嘗試重複使用其所回收的整流罩，而後者在每次發射任務中的製造成本為600萬。SpaceX的首席執行官埃隆·馬斯克曾表示，在整流罩接觸海水之前將其取回“使翻新變得更加容易”。
雖然在傳統上，整流罩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整流罩。該集成式整流罩將在一二級火箭的分離瞬間被打開以釋放第二級火箭與有效載荷，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。

**因整流罩故障導致的任務失敗**
在某些火箭的設計中，整流罩會在其上面級火箭發動機關機之後完成分離，與之相對的，一些火箭則將整流罩分離的時間設置在了發動機關機之前，火箭穿過稠密大氣之後的窗口內。在以上兩種情況下，整流罩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，圖中可見其整流罩未完成分離
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月由宇宙神SLV-3火箭成功發射入軌。但當雙子座飛船上的宇航員嘗試與其進行交會對接時，他們發現其整流罩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，整流罩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。
1999年，由於雅典娜2號運載火箭的整流罩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。
2009年2月24日，美國宇航局的在軌碳觀測臺（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運載火箭的整流罩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。
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，整流罩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。
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整流罩分離故障，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。此次故障是軌道科學公司旗下的金牛座XL火箭整流罩連續第二次出現事故。事後NASA決定將用於發射在軌碳觀測臺替補衛星OCO-2的運載火箭由金牛座運載火箭調整為德爾塔2號火箭。
2017年8月31日，因PSLV-C39火箭的整流罩未能分離，導致印度的IRNSS-1H衛星無法正常部署。由於整流罩多出的質量，火箭在各級火箭均工作正常的情況下仍無法到達預定軌道。衛星最終在整流罩內部與火箭分離，但被卡在其中無法脫出。
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，稱整流罩在發射中未能正確分離，導致衛星無法到達預定軌道。
2022年2月10日，Astra火箭3.3發射失敗。原因被懷疑是由整流罩分離失敗所造成的故障。

**導彈整流罩**
導彈整流罩也被稱為“導彈頭罩”，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。以洲際彈道導彈為例，其內部通常裝載有彈頭和動力裝置，在實戰中將由制導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。
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，但在分離低級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、整流罩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（即末級火箭）依次進行調姿到位後再將子彈頭送至預定位置進行釋放。該過程類似於運載火箭的上面級進行一箭多星變軌時的操作。
彈道導彈所用的整流罩在大致功能和結構方面與運載火箭所用的整流罩大同小異，但相較於運載火箭的整流罩，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。基於這種差異，導彈頭罩的分離方式與運載火箭整流罩之間亦存在不同，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；另一些導彈整流罩則採用多瓣式設計；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（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）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整流罩使用。

**製造商**

**運載火箭整流罩**
 長征系列運載火箭的整流罩現由中國航天科技集團公司負責研製和生產。- RUAG空間公司，總部位於蘇黎世，是阿麗亞娜系列火箭的整流罩製造商，同時為美國的宇宙神5號運載火箭生產5米直徑的整流罩。- 太空探索技術公司為其旗下的運載火箭型號自產整流罩。- ISRO旗下眾多運載火箭型號的整流罩由印度斯坦航空有限公司負責生產。- 包括H-IIA以及艾普斯龍在內等絕大部分日本運載火箭使用川崎重工業製造的整流罩。

**圖集**
File:Second half of the payload fairing moved around SDO.jpg|完成合罩前的NASA太陽動力學天文臺
File:Atlas V (411) payload fairing.JPG|宇宙神3號火箭的整流罩，其內部載有美國國家偵察局所屬的衛星
File:Falcon 9 FT after fairing jettison.jpg|獵鷹9號火箭整流罩的分離瞬間，其中左上方可見獵鷹9號的二級火箭和完成分離後的兩瓣整流罩；早先分離的一級火箭則位於右下角。
File:Boeing X-37B inside payload fairing before launch.jpg|即將完成合罩的波音X-37B，使用宇宙神5號火箭的整流罩

**參見**
 Sabot- 運載火箭- SpaceX整流罩回收計劃

**參考文獻==