在距离地球数万米的茫茫太空,四周是浩瀚宇宙和闪闪繁星,你深吸一口气,一跃而下,然后以超音速穿越大气层,身边掠过无数绚丽的流星……这犹如科幻电影中的情节如今已经变为现实。
2012年10月,奥地利跳伞高手费利克斯·鲍姆加特纳站在3.9万米高的吊舱边缘,纵身一跃,用血肉之躯突破音速,创造了历史。这项惊人大冒险之所以能够成功,除了要归功于鲍姆加特纳的努力和勇气外,与一系列科技武器同样密不可分,例如热气球、加压吊舱、抗压服以及一系列电子设备。
抗压服
3.9万米高的平流层接近真空,气压只有地球的1%。如果跳伞服或头盔在平流层破裂,超低气压将使鲍姆加特纳体液沸腾,危及生命。鲍姆加特纳穿的抗压服有点像航天服的升级版,包括手套、头盔和衣服三部分,重8磅(约3.6千克),从内到外共有4层面料,采用防火、保温和抗压材料制成,承受压力达到3个标准大气压,外表绝缘,也能隔绝极端气温,保护他免遭极端温度的侵害。抗压服上有一个小阀门,用来控制气压大小。由于采用了新材料,在抗压的同时可把水分排出。此外,抗压服可为鲍姆加特纳提供纯氧。
为了让使用者在跳伞过程中更好地控制身体,这种抗压服剪裁得比传统航天服更为贴身;独特角度设计的头盔,是完全根据鲍姆加特纳的头型来设计的;他的手套上还有很多镜子,帮助他在头盔里能拥有更宽广的视野。
胸包内更是设备齐全,它装有一个仪器包,用于记录自由下落时的速度,以确定是否突破音障。下落过程中,鲍姆加特纳借助于随身携带的高清摄影机将画面实时传给控制中心。除了翻滚时外,鲍姆加特纳大部分时间都可以与控制中心进行对话。另外,手腕上的装置可以让他实时监测速度和海拔,护目镜中则装有温度调节器,防止雾霜影响视线。
降落伞系统
在抗压服背后还带有一个类似登山包一样的白色装备,这是降落伞系统。整个降落伞系统包括三个部分,一顶主降落伞,一顶预备降落伞,以及一个小型的应急稳定伞。普通降落伞的大小将近100平方英尺(约9平方米),而这次使用的主降落伞达到270平方英尺(约24平方米)。伞的材质和设计也都十分坚韧稳定,以对抗在降落过程中遭受到的强大冲击波。这让整个装备的重量也达到了日常降落伞包的3倍,约为27千克。
高空跳伞时,当高度较低时,速度受制于大气阻力,而在超过3万米的高空,速度因空气阻力减小而会大幅提高。降落伞的最大承受速度是每小时277千米,因此,鲍姆加特纳必须在自由下落大约5分钟后,进入密度更大的大气层,等速度下降后打开主降落伞。如果下落速度超过每秒35米或者高度较低时,自动防故障装置将打开主降落伞。15分钟后,鲍姆加特纳就能安全降落地面。根据专家测量,他的最大下落速度接近每小时1174千米,不仅打破此前的纪录,同时突破音速(接近每秒690米)。
气流中的冲击波是鲍姆加特纳在完成降落过程中面临的最大挑战,尤其是气流之间相互碰撞产生的干扰。他要依靠自身的控制力,保持头部在前、手臂在侧的三角姿势。一旦他失去控制,冲击波的拖拽作用力会将他的手臂扭断。此外,他还很有可能进入水平螺旋的状态,这一状态如果得不到及时控制,血液会一股脑儿涌向脚底或者大脑,导致致命的后果。
一个微型的应急稳定伞因此而诞生,这也是整套降落伞系统最具创新之处。一旦使用者陷入紧急状态,就可用手套上的小按钮打开这顶小伞,重新让自己回到自由落体状态。更巧妙的是,这顶小伞还可以在开启之后被切断。在普通的降落伞上,应急功能一旦开启就不能被切断,因为它是最后一道保护。
降落伞包两侧还装配有两个氧气罐,能为鲍姆加特纳提供长达10分钟的呼吸所需要的氧气。
由于在自由落体过程中几乎没法回头查看究竟打开哪个降落伞,这3顶伞都有各自的把手,依靠触摸就能打开和切断。把手也经过特别设计,即使戴着手套也能轻松操控。
加压吊舱
如何进入太空边缘,是此次创纪录的跳伞所面临的第一个技术挑战。鲍姆加特纳跳伞高度达到约3.9万米,是商业客机飞行高度的数倍,喷气飞机的飞行高度纪录也不过3.8万米左右。这也就意味着,鲍姆加特纳不可能搭乘飞机进入这一高度。因此,他采取的方式是搭乘由氦气球搭载的吊舱,吊舱的体积与一艘小型太空飞船相当。
吊舱采用玻璃纤维和环氧树脂制造,也是一个加压球,重2900磅(约1315千克),直径约2.4米,它的命运完全由天气掌握。上升过程中,吊舱的压力会增至8个大气压,相当于海平面上空约4876米的大气压。与赛车驾驶室类似,吊舱被一个由铬钼钢管制成的笼形结构环绕,外层使用隔热玻璃纤维壳,让吊舱能够经受住零下56.7摄氏度的低温考验。同时吊舱底部采用铝材料蜂窝结构,以便在降落过程中保护吊舱。在蜂窝结构中设有一次性缓冲垫,它能够经受住8g(重力加速度)的冲击力考验,以确保鲍姆加特纳的升空旅程很轻松。
同温层热气球
技术人员将同温层热气球描述为一个“干洗袋”,它采用塑料薄膜带制成,由聚酯纤维胶带加固,厚度只有0.02毫米。如果将热气球完全铺展开来,面积接近16.2万平方米。发射时,这个装满氦气的气球高度相当于55层楼。上升过程中,热气球不断膨胀,最终所充氦气将达到5万立方米。而此时的热气球高约101米,直径可达130米,接近圆球。热气球所用的氦气能够装满两辆卡车,充气过程接近一个小时。
加拿大导演詹姆斯·卡梅隆曾独自一人潜入海底7英里(约1.1万米),鲍姆加特纳的跳伞高度是这一深度的将近4倍。从地面起飞到进入指定高度,他搭乘的氦气球共用了3个小时。任务完成后,工作人员会通过远程控制把气球的气体泄掉,然后让它返回地球。
加速计
抗压服的手腕部分还安装着重力仪设备即加速计,加速计可以通过感知特定方向的惯性力总量测量出加速度和重力,通常也称之为重力感应装置。
重力感应装置包括感应器、处理器和控制器三个部分。感应器负责侦测存储器的状态,计算存储器的重力加速度值;处理器则对加速度值是否超出安全范围进行判断;而控制器则负责控制将磁头锁定或者释放出安全停泊区。一旦感应器侦测并经处理器判断当前的加速度超过安全值,控制器就会通过硬件控制磁头停止读写工作,并快速归位,锁定在专有的磁头停泊区。这一系列动作会在200毫秒内完成。当感应装置探测到加速度值恢复到正常值范围之后,产品才会恢复工作。
当抗压服上的加速计读数连续6秒超过3.5g(重力加速度)后,这款设备内置的感应器会自动感应,在必要时可自动打开应急稳定伞,起到稳定作用,减小鲍姆加特纳下降的速度,从而防止出现失控旋转。
拍摄设备
一般而言,“谷歌眼镜”的摄影机和天线可用于报道低空跳伞,但由于此次惊人的跳伞高度,需要使用更为复杂先进的成像设备和通信技术。吊舱装有12台摄影机,同时还装有3台高分辨率数码相机。至关重要的电子元件被装在一个加压桶里。
在吊舱上的12台摄影机中,9台被装在抗压服外面充满氮的防护罩内,3台被装在里面。这些摄影机都由地面人员进行远程遥控,共使用3个微波信道,装在里面的3台摄影机(臀部2台,胸部1台)中的任何1台都足以完成现场直播的工作。地面上的工作人员使用联合远程宇航成像和转播系统来跟踪吊舱和鲍姆加特纳的飞行过程。
作为普通人,我们很难想象从距地面近4万米的高度跳向地球将是怎样一种感受。鲍姆加特纳是幸运的,从升空到纵身跳下,再从控制身体姿势、打开降落伞到安全落地,他顺利完成了这项不可思议的挑战。与此同时,也让我们惊叹于科技的巨大力量。
高超音速飞机
高超音速飞机采用的是超音速燃烧冲压发动机,这是一种使用碳氢燃料或液氢燃料的新颖发动机,空气在发动机内的流速始终保持为超音速,飞行速度高达5~16马赫。
冲压发动机由进气道、燃烧室、推进喷管3部分组成。冲压是利用迎面气流进入发动机后减速、提高静压的过程,该过程不需要高速旋转的、复杂的压气机。高速气流经扩张减速,气压和温度升高后,进入燃烧室与燃油混合燃烧,温度为2000~2200摄氏度,甚至更高,经膨胀加速,由喷口高速排出,产生推力。
高超音速飞机目前主要应用于***事。