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火箭残骸,到底是怎么处理的?

[ 来源:科普中国-科普融合创作与传播 | 作者:本站 | 发布时间:2019-08-27 | 浏览:1175次 ]

  出品:科普中国

  制作:太空精酿

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  人类航天事业的基石是运载火箭技术,正是一枚枚火箭在轰鸣声中惊天动地起飞,才有了军事、气象、通讯、遥感、导航、科学应用、载人航天和深空探测等多种可能性。但很多人往往忽视了一点:人类受困于强大的地球引力和浓密的大气层影响,火箭运输效率极低,有效载荷仅为总重量的1-5%左右。

  

  人类超级火箭土星五号和它巨大的一级发动机(图源:NASA)

  以人类有史以来最强的登月火箭土星五号为例,它的总重量约为3000吨。第一级总重约2290吨,其中壳体和发动机质量仅为130吨,2160吨都为液氧煤油燃料。发动机工作时间标准流程为165秒,平均每一秒燃烧13.1吨燃料,换算成汽油差不多够一辆百公里油耗10升的小汽车围绕地球赤道开4圈半!

  但它能送到月球的有效载荷仅为45吨重的阿波罗飞船,比重仅为1.5%。如果考虑到真正的有效载荷仅为三位宇航员和有限的科学仪器,这个效率低到令人发指。其余部分几乎都是燃料和火箭残骸。

  

  长三乙结构(图源:中国长城工业集团有限公司)

  中国王牌火箭长征三号乙,是嫦娥探月、北斗卫星导航、天链一号、通讯卫星系列等背后的超级英雄。它总体上能够分为22个部分[1],但是真正有效载荷就只有第2部分:卫星,占火箭总体重量仅为1%左右。

  余下的99%中,除了图中并没有标注出的燃料,其他21个部分都可以叫做同一个名词:火箭残骸!这是我们进行航天事业所必须承受的代价。

  虽然同是残骸,但是我们不一样

  火箭残骸包括很多种类。按照火箭残骸的产生流程,可大致分为如下几个部分:

  1.飞来横祸

  顾名思义,这部分残骸是在火箭发射后不久会重新返回地面,甚至在火箭刚开始呼啸震动时就开始“掉渣/残骸”:这其实往往是保温泡沫或结的冰。

  

  猎鹰9号火箭在发射最开始阶段就掉落“残骸”(图源:SpaceX)

  大气密度很大,这个阶段产生的残骸高度不够、速度很低、因而这些残骸根本没能突破大气。按照火箭推进的原理,所有的火箭几乎都要设计成多级模式,越靠下面的部分越大也越强力(参考上文土星五号的介绍)。这意味着这部分天外飞祸特点是:非常大、非常贵、也非常危险!

  以我国每次载人航天都要使用到的长征2F王牌火箭为例,在发射后约3分钟内,火箭的逃逸塔、助推器、一级火箭、整流罩等重要组成就会相继程序分离,最后分离的整流罩最大高度也仅为100千米左右,引力作用下,它们必然会返回地球。

  由于程序分离时间、分离姿态、气象条件等各不相同,它们的掉落区往往分散且面积巨大。由于历史和技术原因,我国的三大传统发射场酒泉、太原和西昌都位于内陆,每次发射都要着重考虑这一批残骸的破坏力。

  

  长征2F火箭基本结构(图源:开放版权)

  2.“天外来客?”

  随着火箭继续飞行,火箭二级将会继续完成推高航天器轨道的重任,以至于它分离时往往自身动能已经足以环绕地球。但此时轨道高度依然在200千米左右,这里大气虽然稀薄却可以造成足够阻力,火箭二级往往还是会返回地球。

  由于高空大气的情况复杂,火箭二级被抛弃后姿态也无法确定,返回地球的轨迹、时间和冲击大气地点很难预测。2016年6月25日我国首次发射新一代火箭长征七号,火箭二级在太空中自由飞行了一个多月后,于7约27日当地晚间在北美中西部再入大气。

  但我们不必担心火箭二级造成的威胁。它们没有任何防热措施,再入大气时速度大、空气稠密,它们往往变成美丽的流星,焚毁在大气中。

  也有极个别情况火箭二级可能变成“飞来横祸”。历史上最接近二级火箭飞来横祸的是一位叫Lottie Williams的美国人,在1997年她被一个德尔塔-2型火箭二级返回地球时的碎片擦过肩膀。所幸只是轻微擦过,并未受伤,就是吓了一跳。如果再偏一点砸到头上,基本就是必死了。

  

  把她叫做世界上最幸运的人,并不为过(图源:开放版权)

  总体上,人类航天60年来,从未发生过任何环绕地球的火箭残骸或太空垃圾击中人类的案例。

  3.永久的太空垃圾

  对于很多高轨卫星而言,旅程远未结束,运送它们的火箭往往还有第三级、上面级等重要结构。

  例如,我国王牌火箭长三乙可以携带一个远征一号上面级[2],就是靠这个“太空摆渡车”才实现了数次北斗卫星导航系统“一箭双星”任务。请注意,这种一箭双星任务所需要的技术,是远远超过其他“一箭N星”任务的。那些往往是处在同样轨道,火箭只是到站“撒土豆”而已。

  此时卫星被分离时轨道已经非常高,这些火箭残骸注定几乎不可能返回地球大气。以2015年7月25日我国长三乙+远征一号“一箭双星”发射北斗导航卫星(M1S和M2S)为例,直到今天(2019年8月12日)长三乙的第三级仍然飞在近地点382千米、远地点16587千米的大椭圆轨道,而共同升空的远征一号更夸张,它飞在近地点22042千米、远地点27866千米的超级椭圆轨道。到人类灭绝都不可能返回地球[3]!

  事实上,有很多人类航天事业早期发射高轨卫星带来的火箭残骸,直到今天依然在太空漫游。

  而对于很多深空探测任务,目标轨道轻易超过月球的距离,这些火箭残骸已经远到无法追踪了。例如猎鹰重型火箭2018年2月6日首次试射后,它的火箭二级牢牢绑在特斯拉电动车背后,现在已经大概到了相对地球的太阳系另一面了。

  

  地球和猎鹰重型二级这一火箭残骸的相对关系(图源:whereisroadster)

  4.太空事故

  火箭的结构和材料都不是为了在太空中经年累月工作而设计的,这就意味着它们的使用寿命非常短:往往是完成发射任务即可。例如,载人航天用的火箭仅使用10多分钟就任务结束,高轨任务也仅为数小时。

  这就意味着:那些成为长期太空垃圾的火箭残骸,并不稳定。在长期的真空高辐射环境影响下,很容易出现未燃尽燃料泄漏、碰撞甚至结构解体的风险。而这些巨大的太空垃圾一旦解体,可谓是一整个轨道的灾难,影响当前甚至后续的所有任务。

  从某种程度讲,这些难以预测和控制的太空事故,是最恐怖的。

  那么,这么多火箭残骸,该如何处理它们?

  飞来横祸:能回收就回收,回收不起要躲得起!

  火箭一级和整流罩等往往是火箭体积重量最大、最核心也最昂贵的部分,占据火箭总体成本的80%以上,却是最早被扔掉的,非常可惜!而且非常危险。

  处理它们,有效的方式又有三种:

  1、回收。这也是SpaceX、蓝色起源、航天飞机固体助推器和我国新一代火箭设计时考虑的重点因素。目前,SpaceX依靠这个技术声名鹊起,不仅能够依靠一级火箭反推平稳回收,还能利用整流罩降落伞减速滑翔和接驳船大网实现回收,几乎毫不浪费。

  

  SpaceX利用火箭一级回收技术名声大噪(图源:SpaceX)

  2、完全弃用。这是世界主流火箭的主要处理方式,由于传统火箭发动机设计和结构问题,很多火箭根本无法复用,几乎毫无回收价值,最理想的情况反而是丢掉。但仅有靠海的发射场能实现这一完美主义:例如美国的范德堡空军基地、肯尼迪航天中心、卡尔维拉尔角,中国文昌,欧洲法属圭亚那。

  3、尽力减少残骸影响。对于苏联拜科努尔、普列谢茨克,中国酒泉、太原、西昌这些内陆发射场,则不可能避免飞来横祸,但可以大大减小它的影响。例如我国在7月26日长二丙火箭发射遥感30组-05卫星时,给火箭一级的级间段安装了栅格舵,在一级残骸落地过程中起到稳定姿态和减速的效果,大大减少了残骸的可能影响区间,成为世界第二个运用此技术的案例,也为我国未来新一代可回收火箭积累宝贵经验。

  

  装了栅格舵的级间段(图源:航天科技集团)

  “天外来客”,可控再入

  火箭第二级成为残骸时往往已经有能力围绕地球飞行、返回地球状态难以预测、且毕竟还是存在一定风险,当然有必要妥善处理。

  SpaceX在实现一级回收后,曾经努力回收第二级,可是第二级的价值实在有限、且回收距离太远、成本太高,导致最后放弃了此项技术。但这并不意味着第二级就此被抛弃:它的执行任务周期很短,在任务结束后,可以利用剩余燃料,自己冲进大气。由于地球绝大部分表面都是大洋,可以很容易控制它们焚毁并最终残骸落入安全区域,尽力减少潜在威胁。

  

  可以用网捕法清除低轨火箭残骸和报废卫星(图源:ESA)

  而对于已经进入太空、距离地球较近、且一时半会无法返回的火箭残骸,则可以采取人工干扰的方式进行移除。例如采用新一次发射任务,用小型航天器靠近火箭残骸,采用鱼叉法、网捕法、太阳光帆、拖拽法等将其最终拖入大气焚毁[4]。

  虽然人类从未被这个阶段的火箭残骸伤害过,但它们对正常卫星潜在威胁极大,极有可能造就更多新的垃圾。“杞人忧天”还是有必要的。

  永久的太空垃圾:“世界那么大,你们出去看看”

  这个阶段的太空垃圾已经太过遥远,以至于把它们重新带回地球大气的成本实在太高,得不偿失。此时的有效手段就是让它们远离地球附近的宝贵轨道,进入深空。

  这个过程基本只能靠它在完成工作之后自主完成:利用残余的燃料,拼尽一切力量,燃尽最后一滴,尽力逃离地球。

  例如我国在2015年3月30日的长三丙火箭发射北斗I1-S卫星时,远征一号上面级首秀,它在任务成功、将卫星送入轨道后,最后阶段就执行了这么一个命令,拼尽全力远离地球。时至今日,它的轨道距离地球最远点已经达到15万千米!是地球半径的20多倍,根本不可能再与人类相见。

  

  远征一号轨道(图源:stuffin.space)

  只要能杜绝前三类火箭残骸,也就不太可能出现火箭残骸事故造成的新残骸了。

  人类航天事业,是人类科技史上的奇迹,它的方方面面无不闪耀着人类最辉煌的智慧和创造力光芒,即便对于火箭残骸的处理亦是如此。不过,当我们看到火箭残骸的种种处理技术时,更应该对这些蜡炬成灰泪始干的“残骸”保持敬畏:

  是它们牺牲自己,托起了人类一个又一个航天梦想。

  参考文献:

  1.http://cn.cgwic.com/Launchservice/LM3B.html

  2.怡园,远征一号甲——升级版太空摆渡车,《太空探索》2016年7月第7期。

  3.http://www.zarya.info/Diaries/Launches/Launches.php?year=2015

  4.Shan, M., Guo, J., & Gill, E. (2016). Review and comparison of active space debris capturing and removal methods. Progress in Aerospace Sciences, 80, 18-32.