中国新飞船与 SpaceX 飞船相似——原因如下

中国最近公布了计划于 2020 年代用于将人类和货物送入太空的太空舱图纸，其设计看起来十分熟悉。目前开发的所有载人太空舱都具有平顶、倾斜侧面和宽底的特点，看起来就像糖果糖一样。这种形状从何而来？

您可能从将阿波罗宇航员送回地球的飞船上认出了它。除了少数例外，人类的太空飞行自那时以来并没有发生太大变化。如今，联盟号太空舱采用了类似的形状，SpaceX、波音和 NASA 都在设计几乎完全相同的全新航天器。

所有这些飞行器都很相似，因为航天器设计师必须应对三个相互竞争的变量：重量、空间和热量。

“重量是首要问题，”佛罗里达大学航空工程师、新书《载人航天器设计原理》的作者帕斯夸莱·斯福扎说。“一切都必须严格按照重量来设计。”

宇航员需要尽可能多的空间来完成他们的工作并感到舒适。但航天器每增加一磅重量，发射成本就会增加 10,000 美元。为了最大限度地利用空间，航天器设计师喜欢使用球形。这样可以尽可能地容纳更多的内部空间，同时最大限度地减少表面面积——即壁面。

“体重是首要问题。”

但完美的球体是不行的。当航天器以每小时 17 至 25,000 英里的速度返回地球时，它们会穿过空气并产生大量摩擦。摩擦会产生潜在的危险热量，而航天器的形状决定了航天器的温度。

在将物体发射到太空并返回的早期，工程师们曾尝试使用尖头飞行器。这些尖头锥体在减少阻力和高效飞行方面非常有效，但不幸的是，当它们试图重返大气层时，它们会融化。

美国国家航空航天局 (NASA) 航空工程师哈里·朱利安·艾伦 (Harry Julian Allan) 提出了使用像我们今天一样的钝头再入飞行器的想法。

一旦建造完成，猎户座、龙飞船和其他飞船将首先从底部坠入大气层。它们宽阔的底部将在下落过程中遇到空气分子。这些粒子将从飞船上反弹并撞向进入的空气。这在飞船周围形成了一层空气层，这样飞船产生的冲击波就不会触及它。这层空气层保护航天器免受重返大气层的热量影响，并塑造周围的气流。

相比之下，尖端会与冲击波接触，使飞船的最前部暴露在极高的温度下。

同样，狭窄的球体在偏转热量方面表现不佳，但较大的球体又太笨重，无法维持实用重量。因此，结果介于两者之间。航天器设计师为这些航天器设计了一个非常大的球体的圆形底部，但切掉了侧面以减轻不必要的重量。

猎户座工程师斯图尔特·麦克朗说，圆形底座很重要。“如果你把它做成平的，效率就会很低。这就像把一块平板推过水——压力波可能会让它变得非常粗糙和波涛汹涌。”

航天器的侧面逐渐变细，顶部变窄，因为当航天器首先从底部重新进入大气层时，它会以一定角度进入，掠过大气层，而不是垂直降落。倾斜的侧面意味着航天器在掠过大气层时受到摩擦的面积更小，这意味着侧面不需要额外的隔热罩，这会增加航天器的重量。

那么班车怎么样？

退役的航天飞机是“软糖规则”的一个例外。航天飞机本质上是一架飞机，设计为水平降落在跑道上，以便以后可以再次使用。但它仍然遵循与阿波罗启发的航天器相同的规则。航天飞机没有机头先进入大气层。相反，它以一个锐角接近地球，使其宽阔的底部面向大气层——基本上是腹部朝下坠入地球大气层。

水星号和双子座飞船的形状也与软糖形状略有不同。这些飞船更像漏斗状，顶部狭窄，圆柱形，底部呈我们熟悉的锥形。就像阿波罗飞船一样，锥形底部首先进入大气层。细长的部分相当于汽车后备箱的航空航天版。

“如果你要骑自行车出行，但后备箱里没有足够的空间放自行车，你可以把它绑在车顶上，”斯福扎解释道。水星号和双子座号太空飞船也是同样的情况。

然而，斯福扎说：“把所有东西都挂在航天器后面并不是一个好主意。这会带来一些不太好的稳定性问题……随着时间的推移，人们发现阿波罗解决方案确实是最佳的折衷方案。”