在電影流浪地球中，主人公劉啟三次使用了一種逃生氣囊球，每次都起到了不同的作用，給人留下了深刻印象，大院er今天帶大家看一看這里面的技術(shù)細(xì)節(jié)。

　　G3逃生氣囊球

　　劉啟房間里貼的救生氣囊設(shè)計(jì)圖紙，應(yīng)該是他自己發(fā)明、CX工廠代工的G3逃生氣囊球——?dú)饽仪虬l(fā)生器原型，作為劉啟的法寶，氣囊球在片中使用了三次，三次都起了大作用。

　　第一次劉啟手動(dòng)啟動(dòng)充氣囊彈飛了黑社會(huì)。

　　逃生氣囊球在收納狀態(tài)體積跟易拉罐近似，單手可操作，劉啟腰間別了三個(gè)這樣的裝置。

　　這里有一個(gè)細(xì)節(jié)：劉啟在手持救生裝置的情況下，充氣展開的結(jié)果是劉啟處在氣囊外邊，并沒有把劉啟包圍住，影片后面劉啟是在氣囊外部點(diǎn)爆氣囊，利用沖擊波壓制黑社會(huì)。

　　第二次使用，是在運(yùn)載車通過峽谷時(shí)，地震導(dǎo)致峭壁上方不斷有碎石墜落，劉啟情急之下打開救生囊，讓達(dá)叔和朵朵進(jìn)去暫時(shí)避險(xiǎn)。由此看出，逃生氣囊球的材料是有一定強(qiáng)度的，能夠頂住碎石沖擊不被劃破。

　　第三次使用是劉啟從高空跳下，利用高超的身體控制能力追上朵朵后打開救生囊，氣囊充氣后直接將兩人裹在氣囊內(nèi)層（注意這個(gè)細(xì)節(jié)與第一次劉啟使用逃生氣囊不同，不排除有不同模式的觸發(fā)開關(guān)或者操作技巧），落地緩沖后，兩人安然無恙，但氣囊很快就被尖銳的運(yùn)載車殘片戳破。

　　順便說一句，對(duì)于劉啟能夠追上朵朵這個(gè)問題，道理很簡(jiǎn)單：兩人的墜落姿勢(shì)不同，朵朵是橫躺姿勢(shì)，而劉啟是跳水姿勢(shì)，阻力比朵朵小很多，所以也存在追上朵朵的可能，其原理類似于高空跳傘運(yùn)動(dòng)。

　　高空跳傘運(yùn)動(dòng)，人們陸續(xù)跳出飛機(jī)后通過身體姿態(tài)調(diào)整，“飛”到一個(gè)水平面上

　　逃生氣囊球的靈感

　　1、汽車安全氣囊與快速充氣

　　從快速充氣的特點(diǎn)來看，一定是依靠化學(xué)反應(yīng)，快速釋放出了緩沖氣體，這一點(diǎn)與家用汽車的安全氣囊毫無二致。

　　氣囊充氣系統(tǒng)與固體火箭助推器的原理相同。安全氣囊系統(tǒng)點(diǎn)燃的是“固體推進(jìn)劑”，后者的燃燒極為迅速，可產(chǎn)生大量氣體為氣囊充氣。隨后，氣囊爆炸般地沖出原始安裝位置，時(shí)速高達(dá)322公里，比眨一下眼睛還要快！1秒之后，氣體通過氣囊上的小孔迅速消散，氣囊收縮，因此乘客又可以自由移動(dòng)。

　　有所不同的是，家用汽車的安全氣囊是靠沖撞觸發(fā)的，而劉啟的氣囊是手動(dòng)觸發(fā)的，而且可以延時(shí)展開（第二次就是劉啟按了開關(guān)之后將救生球扔在空中，然后充氣展開），第三次雖然沒有看到展開的一瞬間，但根據(jù)常理，應(yīng)該是劉啟追上朵朵之后立即手動(dòng)展開氣囊，然后氣囊觸地起到了緩沖的作用。

　　2、太空球與氣囊結(jié)構(gòu)

　　從充氣氣囊的結(jié)構(gòu)來看，雙層球體結(jié)構(gòu)與安全氣囊的單層不同，靈感可以說來自于娛樂項(xiàng)目的太空球，或者叫悠波球，這一產(chǎn)品，成龍大哥在《飛鷹計(jì)劃》中有一段精彩的展示。

　　成龍大哥嫻熟駕馭雙層球囊太空球

　　影片中成龍大哥的悠波球充氣使用的是小瓶裝高壓氣瓶，充氣速度稍慢，氣瓶具有一次性，不可重復(fù)利用。

　　可以說劉啟的救生氣囊跟悠波球的結(jié)構(gòu)幾乎完全一樣，那么關(guān)鍵技術(shù)就在于如何在可穿戴或手持的情況下，快速利用化學(xué)反應(yīng)形成全向包覆的球體結(jié)構(gòu)對(duì)人體進(jìn)行緩沖，這是工程設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，科幻電影自然可以跳過這部分。

　　劉啟的逃生氣囊球，看似簡(jiǎn)單的玩具，通過幾次使用已經(jīng)完全展示了其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：體積小，便于隨身攜帶；快速充氣展開；球體材料具有一定強(qiáng)度，能抵抗小的碎石沖撞；高空墜落時(shí)起緩沖作用。這種充氣展開結(jié)構(gòu)技術(shù)在航天領(lǐng)域也有重要的應(yīng)用，例如——充氣式超低彈道再入系數(shù)減速器。

　　3、充氣式大氣再入減速技術(shù)

　　這是個(gè)什么鬼？別急，我們先從去年埃隆·馬斯克吹過的一個(gè)牛說起。

　　2018年4月15日，伊隆?馬斯克在twitter上透露了這樣的消息：“這聽起來會(huì)很瘋狂，但……SpaceX將嘗試用一個(gè)巨型派對(duì)氣球，把處于軌道速度的火箭上面級(jí)帶回來�！�

　　一般人吹的牛就算了，馬斯克說的一定要重視，因?yàn)楸２积R哪天他就真弄出來了，于是科學(xué)家和工程師們開始了一頓暢想。

　　一個(gè)氣球減速傘的概念圖。圖片來源：Kees Veenenbos

　　馬里蘭大學(xué)教授戴維?埃金（David Akin）對(duì)再入系統(tǒng)的研究已超過20年，他表示，“此前就有人提出過這樣的概念（氣球減速傘），在航天器返回時(shí)釋放一個(gè)巨型氣球，并通過線纜拖在身后。氣球能夠降低彈道系數(shù)，使航天器在更高的大氣層中減速，降低所受到的熱負(fù)荷�！彼�以，再入火箭需要在接近地表之前就降低速度，因?yàn)樵娇拷�地表，大氣層就越厚，產(chǎn)生熱量就越高。

　　“這并非易事�！� 埃金教授認(rèn)為，“要達(dá)到馬斯克的目標(biāo)，即彈道系數(shù)降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，氣球的直徑就必須達(dá)到36米以上，還要由耐高溫織物制成�！�言下之意，就是不靠譜。馬斯克所說的派對(duì)氣球可能只是打個(gè)比喻，上面級(jí)回收更有可能使用的是一種充氣結(jié)構(gòu)減速器。

　　在航天歷史上，曾有過使用充氣結(jié)構(gòu)幫助航天器返回的先例。2000年2月，俄羅斯在其佛蓋特火箭的上面級(jí)上配備了可充氣的再入及降落裝置，可上面級(jí)在落回地面時(shí)恰逢一場(chǎng)暴風(fēng)雪，從此再也沒有被找到。

　　俄羅斯在佛蓋特火箭上面級(jí)上曾經(jīng)測(cè)試過的可充氣再入及降落裝置，左為未充氣的狀態(tài)，右為充氣后的狀態(tài)。

　　圖片來源：space.skyrocket.de

　　NASA針對(duì)火星重載著陸減速器研究的LDSD計(jì)劃也包含了此類的減速器，即可充氣展開氣動(dòng)減速裝置（Supersonic Inflatable Aerodynamic Decelerators，SIAD），并在2014年和2015年各進(jìn)行了一次高空氣球搭載的飛行測(cè)試，并實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，將減速器從3.5馬赫速度降低到了2馬赫。（相關(guān)鏈接：典藏版 | NASA低密度超音速減速器(LDSD)球載飛行試驗(yàn)）

　　SIAD收納狀態(tài)下LDSD飛行測(cè)試裝置外形

　　SIAD展開狀態(tài)下LDSD飛行測(cè)試裝置外形

　　充氣結(jié)構(gòu)可以在不改變飛行器本身重量的情況下快速改變飛行器體積，增加阻力，從而起到減速的作用。我國(guó)的航天工程師們已經(jīng)在該領(lǐng)域取得了不錯(cuò)的成果。

　　2018年5月18日，中國(guó)航天科技集團(tuán)五院508所組織開展了新型充氣式再入減速技術(shù)（IRDT）飛行演示驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)驗(yàn)證了IRDT技術(shù)的工作原理、工作程序和多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，取得圓滿成功。這是我國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行的首次飛行試驗(yàn)。

　　我國(guó)首次完成這一試驗(yàn)，未來航天返回器或?qū)⒉恍璺罒岽蟮�、降落�?/p>

　　返回器充氣前狀態(tài)

　　基于IRDT技術(shù)的返回器，能夠?qū)崿F(xiàn)承載、減速、防熱一體化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)自主離軌、返回、著陸，甚至不再需要傳統(tǒng)返回器必需的防熱大底、降落傘、緩沖氣囊及其必需的附屬設(shè)備，設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。

　　該技術(shù)可應(yīng)用于空間站及科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星試驗(yàn)品和貨物的快速下行、返回，也能為深空探測(cè)器安全著陸提供幫助。

　　4、氣囊緩沖著陸技術(shù)

　　除了再入減速，氣囊緩沖著陸也是充氣式結(jié)構(gòu)在航天領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)重要方向。氣囊緩沖著陸技術(shù)是通過壓縮氣囊內(nèi)氣體做功的方式將著陸的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，分為封閉式和開口式氣囊技術(shù)。封閉式氣囊不會(huì)對(duì)外漏氣，勢(shì)能在彈跳過程中會(huì)還原為動(dòng)能，能量通過內(nèi)部氣孔方式耗散。這種情況適用于對(duì)著陸表面地形了解不清楚、著陸速度具有很大水平分量（風(fēng)速）的情況，例如火星探路者（MPF）和火星漫游者（MER）。

　　開口式氣囊在第一次壓縮時(shí)就開口釋放氣體，允許一部分能量耗散到周邊大氣中。其特點(diǎn)是氣囊總尺寸小，只需要覆蓋著陸體的一個(gè)面，適用于著陸表面地形明確、著陸器不易發(fā)生翻滾的情況，例如地球和月球表面。

　　美國(guó)的“獵戶座”載人再入運(yùn)載工具，采用了開放式充氣緩沖結(jié)構(gòu)：

　　第一代獵戶座充氣緩沖系統(tǒng)采用對(duì)稱8離散嵌套氣囊設(shè)計(jì)，通過主動(dòng)冷氣系統(tǒng)充氣。排氣孔采用主動(dòng)控制開口釋放能量，使著陸器一次性釘在地面。每個(gè)離散氣囊的結(jié)構(gòu)采用雙層大小氣囊嵌套布局，外部的主氣囊起主要緩沖作用，內(nèi)氣囊主要防止載荷觸底碰撞，且停穩(wěn)后提供穩(wěn)定平臺(tái)。

　　獵戶座一代充氣緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　獵戶座二代充氣緩沖結(jié)構(gòu)

　　封閉式氣囊著陸裝置是現(xiàn)代航空航天裝置投放系統(tǒng)采用的一種非常有效的技術(shù)方案，在火星上得到最多的應(yīng)用。1997年“火星探路者（MRF）”和2004年雙胞胎火星車“勇氣”（MER-A,spirit）及“機(jī)遇”（MER-B，Opportunity）的成功著陸是全向封閉式氣囊技術(shù)應(yīng)用的高峰。

　　MPF全向式氣囊

　　MPF氣囊分系統(tǒng)包括氣囊組件、固體推進(jìn)劑氣體發(fā)生器（用于氣囊充氣并在著陸完成前保持氣囊加壓狀態(tài)），以及小型制動(dòng)器（用于著陸后氣囊收縮）。每個(gè)側(cè)氣囊由6個(gè)直徑為1.8m的球形瓣組成。MPF氣囊應(yīng)用Hoechest-Celanese公司生產(chǎn)的Vectran材料，這一種不易磨損的液晶芳香族聚酯纖維。和開口式氣囊靠放氣吸能不同的是，封閉式氣囊沒有閥門，為了避免過多的彈跳，氣囊瓣之間的隔膜開有內(nèi)氣孔，用以提供部分阻尼。

　　為了防止被鋒利巖石刺破，MFR采用了6層改進(jìn)后的vectran織物，當(dāng)然這是有代價(jià)的，氣囊系統(tǒng)的總重達(dá)到了99kg，在影片中，如果作為單人救生氣囊，整天背著99kg的氣囊系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的，所以影片中的逃生氣囊相對(duì)輕薄，看起來類似聚乙烯的材料，但卻出現(xiàn)了被銳物刺破的情況。

　　結(jié)語

　　《流浪地球》影片中劉啟的逃生氣囊的靈感來源于汽車安全氣囊、玩具太空球、充氣式大氣再入減速技術(shù)和氣囊緩沖著陸技術(shù)等，所以硬核科幻細(xì)節(jié)還是經(jīng)得起考驗(yàn)的（當(dāng)然這只是筆者自己的解讀，既然是科幻大片，拽點(diǎn)航天技術(shù)應(yīng)該能加分）。

　　作者單位：中國(guó)科學(xué)院空天信息研究院浮空器研發(fā)中心

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　　文章來自“科學(xué)大院”公眾號(hào)

　　作者：黃宛寧