文章來自“科學大院”公眾號
作者：黃宛寧
在電影流浪地球中，主人公劉啟三次使用了一種逃學生氣囊球，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裡面的技術細節。
G3逃學生氣囊球
劉啟房間裡貼的救生氣囊設計圖紙，應該是他自己發明、CX工廠代工的G3逃學生氣囊球——氣囊球發生器原型，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。
第一次劉啟手動啟動充氣囊彈飛了黑社會。
逃學生氣囊球在收納狀態體積跟易拉罐近似，單手可操作，劉啟腰間別了三個這樣的裝置。
這裡有一個細節：劉啟在手持救生裝置的情況下，充氣展開的結果是劉啟處在氣囊外邊，並沒有把劉啟包圍住，影片後面劉啟是在氣囊外部點爆氣囊，利用衝擊波壓製黑社會。
第二次使用，是在運載車通過峽谷時，地震導致峭壁上方不斷有碎石墜落，劉啟情急之下打開救生囊，讓達叔和朵朵進去暫時避險。由此看出，逃學生氣囊球的材料是有一定強度的，能夠頂住碎石衝擊不被劃破。
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後打開救生囊，氣囊充氣後直接將兩人裹在氣囊內層（注意這個細節與第一次劉啟使用逃學生氣囊不同，不排除有不同模式的觸發開關或者操作技巧），落地緩衝後，兩人安然無恙，但氣囊很快就被尖銳的運載車殘片戳破。
順便說一句，對於劉啟能夠追上朵朵這個問題，道理很簡單：兩人的墜落姿勢不同，朵朵是橫躺姿勢，而劉啟是跳水姿勢，阻力比朵朵小很多，所以也存在追上朵朵的可能，其原理類似於高空跳傘運動。
高空跳傘運動，人們陸續跳出飛機後通過身體姿態調整，“飛”到一個水準面上
逃學生氣囊球的靈感
1、汽車安全氣囊與快速充氣
從快速充氣的特點來看，一定是依靠化學反應，快速釋放出了緩衝氣體，這一點與家用汽車的安全氣囊毫無二致。
氣囊充氣系統與固體火箭助推器的原理相同。安全氣囊系統點燃的是“固體推進劑”，後者的燃燒極為迅速，可產生大量氣體為氣囊充氣。隨後，氣囊爆炸般地衝出原始安裝位置，時速高達322公里，比眨一下眼睛還要快！1秒之後，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。
有所不同的是，家用汽車的安全氣囊是靠衝撞觸發的，而劉啟的氣囊是手動觸發的，而且可以延時展開（第二次就是劉啟按了開關之後將救生球扔在空中，然後充氣展開），第三次雖然沒有看到展開的一瞬間，但根據常理，應該是劉啟追上朵朵之後立即手動展開氣囊，然後氣囊觸地起到了緩衝的作用。
2、太空球與氣囊結構
從充氣氣囊的結構來看，雙層球體結構與安全氣囊的單層不同，靈感可以說來自於娛樂項目的太空球，或者叫悠波球，這一產品，成龍大哥在《飛鷹計劃》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，不可重複利用。
可以說劉啟的救生氣囊跟悠波球的結構幾乎完全一樣，那麽關鍵技術就在於如何在可穿戴或手持的情況下，快速利用化學反應形成全向包覆的球體結構對人體進行緩衝，這是工程設計的細節，科幻電影自然可以跳過這部分。
劉啟的逃學生氣囊球，看似簡單的玩具，通過幾次使用已經完全展示了其技術優點：體積小，便於隨身攜帶；快速充氣展開；球體材料具有一定強度，能抵抗小的碎石衝撞；高空墜落時起緩衝作用。這種充氣展開結構技術在航天領域也有重要的應用，例如——充氣式超低彈道再入系數減速器。
3、充氣式大氣再入減速技術
這是個什麽鬼？別急，我們先從去年埃隆·馬斯克吹過的一個牛說起。
2018年4月15日，伊隆?馬斯克在twitter上透露了這樣的消息：“這聽起來會很瘋狂，但……SpaceX將嘗試用一個巨型派對氣球，把處於軌道速度的火箭上面級帶回來。”
一般人吹的牛就算了，馬斯克說的一定要重視，因為保不齊哪天他就真弄出來了，於是科學家和工程師們開始了一頓暢想。
一個氣球減速傘的概念圖。圖片來源：Kees Veenenbos
馬裡蘭大學教授戴維?埃金（David Akin）對再入系統的研究已超過20年，他表示，“此前就有人提出過這樣的概念（氣球減速傘），在航天器返回時釋放一個巨型氣球，並通過線纜拖在身後。氣球能夠降低彈道系數，使航天器在更高的大氣層中減速，降低所受到的熱負荷。”所以，再入火箭需要在接近地表之前就降低速度，因為越靠近地表，大氣層就越厚，產生熱量就越高。
“這並非易事。” 埃金教授認為，“要達到馬斯克的目標，即彈道系數降低兩個數量級，氣球的直徑就必須達到36米以上，還要由耐高溫織物製成。”言下之意，就是不靠譜。馬斯克所說的派對氣球可能只是打個比喻，上面級回收更有可能使用的是一種充氣結構減速器。
在航天歷史上，曾有過使用充氣結構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上配備了可充氣的再入及降落裝置，可上面級在落回地面時恰逢一場暴風雪，從此再也沒有被找到。
俄羅斯在佛蓋特火箭上面級上曾經測試過的可充氣再入及降落裝置，左為未充氣的狀態，右為充氣後的狀態。
圖片來源：space.skyrocket.de
NASA針對火星重載著陸減速器研究的LDSD計劃也包含了此類的減速器，即可充氣展開氣動減速裝置（Supersonic Inflatable Aerodynamic Decelerators，SIAD），並在2014年和2015年各進行了一次高空氣球搭載的飛行測試，並實現了設計目標，將減速器從3.5馬赫速度降低到了2馬赫。（相關鏈接：典藏版 | NASA低密度超音速減速器(LDSD)球載飛行試驗）
SIAD收納狀態下LDSD飛行測試裝置外形
SIAD展開狀態下LDSD飛行測試裝置外形
充氣結構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。我國的航天工程師們已經在該領域取得了不錯的成果。
2018年5月18日，中國航天科技集團五院508所組織開展了新型充氣式再入減速技術（IRDT）飛行演示驗證試驗。試驗驗證了IRDT技術的工作原理、工作程序和多項關鍵技術，取得圓滿成功。這是我國在該技術領域進行的首次飛行試驗。
我國首次完成這一試驗，未來航天返回器或將不需防熱大底、降落傘
返回器充氣前狀態
基於IRDT技術的返回器，能夠實現承載、減速、防熱一體化設計，可實現自主離軌、返回、著陸，甚至不再需要傳統返回器必需的防熱大底、降落傘、緩衝氣囊及其必需的附屬設備，設計大大簡化。
該技術可應用於空間站及科學試驗衛星試驗品和貨物的快速下行、返回，也能為深空探測器安全著陸提供幫助。
4、氣囊緩衝著陸技術
除了再入減速，氣囊緩衝著陸也是充氣式結構在航天領域應用的一個重要方向。氣囊緩衝著陸技術是通過壓縮氣囊內氣體做功的方式將著陸的動能轉化為勢能，分為封閉式和開口式氣囊技術。封閉式氣囊不會對外漏氣，勢能在彈跳過程中會還原為動能，能量通過內部氣孔方式耗散。這種情況適用於對著陸表面地形了解不清楚、著陸速度具有很大水準分量（風速）的情況，例如火星探路者（MPF）和火星漫遊者（MER）。
開口式氣囊在第一次壓縮時就開口釋放氣體，允許一部分能量耗散到周邊大氣中。其特點是氣囊總尺寸小，只需要覆蓋著陸體的一個面，適用於著陸表面地形明確、著陸器不易發生翻滾的情況，例如地球和月球表面。
美國的“獵戶座”載人再入運載工具，採用了開放式充氣緩衝結構：
第一代獵戶座充氣緩衝系統採用對稱8離散嵌套氣囊設計，通過主動冷氣系統充氣。排氣孔採用主動控制開口釋放能量，使著陸器一次性釘在地面。每個離散氣囊的結構採用雙層大小氣囊嵌套布局，外部的主氣囊起主要緩衝作用，內氣囊主要防止載荷觸底碰撞，且停穩後提供穩定平台。
獵戶座一代充氣緩衝結構設計
獵戶座二代充氣緩衝結構
封閉式氣囊著陸裝置是現代航空航天裝置投放系統採用的一種非常有效的技術方案，在火星上得到最多的應用。1997年“火星探路者（MRF）”和2004年雙胞胎火星車“勇氣”（MER-A,spirit）及“機遇”（MER-B，Opportunity）的成功著陸是全向封閉式氣囊技術應用的高峰。
MPF全向式氣囊
MPF氣囊分系統包括氣囊組件、固體推進劑氣體發生器（用於氣囊充氣並在著陸完成前保持氣囊加壓狀態），以及小型製動器（用於著陸後氣囊收縮）。每個側氣囊由6個直徑為1.8m的球形瓣組成。MPF氣囊應用Hoechest-Celanese公司生產的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氣孔，用以提供部分阻尼。
為了防止被鋒利岩石刺破，MFR採用了6層改進後的vectran織物，當然這是有代價的，氣囊系統的總重達到了99kg，在影片中，如果作為單人救生氣囊，整天背著99kg的氣囊系統是不現實的，所以影片中的逃學生氣囊相對輕薄，看起來類似聚乙烯的材料，但卻出現了被銳物刺破的情況。
結語
《流浪地球》影片中劉啟的逃學生氣囊的靈感來源於汽車安全氣囊、玩具太空球、充氣式大氣再入減速技術和氣囊緩衝著陸技術等，所以硬核科幻細節還是經得起考驗的（當然這只是筆者自己的解讀，既然是科幻大片，拽點航天技術應該能加分）。
作者部門：中國科學院空天信息研究院浮空器研發中心
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