對話航天專家：火箭殘骸從哪里來，又會到哪里去？
發(fā)布時間：2021-05-11
10天之前，搭載中國空間站天和核心艙的長征五號B遙二運(yùn)載火箭，在我國文昌航天發(fā)射場點(diǎn)火升空，天和核心艙與火箭成功分離，進(jìn)入預(yù)定軌道。核心艙就位太空，但火箭殘骸去哪了，引發(fā)關(guān)注。
如今，在火箭殘骸再入大氣層的當(dāng)天，中國載人航天工程辦公室接連發(fā)布兩則公告，先是預(yù)告了火箭末級殘骸再入大氣層的時間和區(qū)域，后是公布了再入大氣層的實(shí)際時間、區(qū)域，以及監(jiān)測分析情況。
近些年，隨著我國航天發(fā)射任務(wù)日益密集，有關(guān)“火箭殘骸都去哪兒了”的問題備受矚目。中青報·中青網(wǎng)記者獨(dú)家對話航天科技集團(tuán)中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院總體設(shè)計部青年設(shè)計師錢航，就相關(guān)問題進(jìn)行了訪談。
記者：火箭殘骸從哪里來，又會到哪里去？
在火箭飛行過程中，掉下來的部分稱之為殘骸。實(shí)際上，火箭殘骸包括很多種類。按照火箭殘骸的產(chǎn)生流程，可大致分為如下幾個部分：
部分殘骸是在火箭發(fā)射后，幾乎馬上就會重新返回地面，甚至在火箭剛開始呼嘯震動時，就開始掉落“殘骸”。這其實(shí)是火箭外部的保溫泡沫或凝結(jié)而成的冰。
不過人們常說的殘骸，更多是指火箭箭體結(jié)構(gòu)的大殘骸，以我國載人航天工程所使用的“神箭”長征二號F運(yùn)載火箭為例，該火箭在發(fā)射后幾分鐘內(nèi)，火箭的逃逸塔、助推器、一級火箭、整流罩等重要組成部分，會相繼按照預(yù)定程序分離，由于上升的高度不高，很快就墜落回地面。
大部分的火箭二級或三級，往往會飛得更高只靠一級飛行就能實(shí)現(xiàn)有效載荷精確入軌的火箭——長征五號B的一級，它們作為末級要將衛(wèi)星送入軌道，實(shí)際上已經(jīng)進(jìn)入了太空。
以長征五號B火箭為例，它的末級位于低地球軌道上，靠近大氣邊緣的氣體足以造成阻力，拖曳著火箭末級，逐漸降低軌道高度，直至再入大氣層。不過，不用擔(dān)心這部分火箭造成的威脅，由于火箭殼體為薄壁結(jié)構(gòu)，在很大的再入速度和沒有任何“防護(hù)”措施的條件下，火箭殘骸通過與大氣劇烈摩擦產(chǎn)生大量的熱，會在天空中焚燒殆盡，變成美麗的流星。
記者：國內(nèi)外火箭入軌級殘骸，一般如何處理？
錢航：國內(nèi)外火箭末級均隨有效載荷進(jìn)入軌道，由于近地軌道高度較低，會在較短時間再入；地球同步轉(zhuǎn)移軌道等高度較高，再入時間一般長達(dá)數(shù)十年，甚至不會再入。
火箭末級與有效載荷分離后，一般通過鈍化措施避免產(chǎn)生空間碎片，包括排出剩余推進(jìn)劑、排出高壓氣瓶內(nèi)的氣體、消耗掉電池的剩余電量等。
末級箭體速度達(dá)到或者接近第一宇宙速度，由于速度和質(zhì)量較大，除非損失較大運(yùn)載能力，否則難以通過改變速度增量方式實(shí)現(xiàn)殘骸的受控再入。針對末級箭體，主要通過軌道監(jiān)測預(yù)警，及時規(guī)避。
記者：火箭殘骸砸中人的概率高嗎？
錢航：從上世紀(jì)70年代到80年代，全球每年約有200個火箭和衛(wèi)星墜落，最近每年也有50個左右。其中大部分在大氣層燃為灰燼，每年只有極少數(shù)航天飛行器的殘余零部件落到地面。
一般來說，航天飛行器零部件殘骸砸中人的概率是極低的，砸中某個特定人員的概率，更是幾十萬億分之一，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于交通事故發(fā)生的概率。航天飛行器應(yīng)達(dá)到一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，即，在墜向地球時砸中地面人員的概率要降至萬分之一以下。
火箭殘骸
錢航：我國三大傳統(tǒng)發(fā)射場——酒泉、太原、西昌都位于內(nèi)陸，每次發(fā)射前提前設(shè)計好殘骸落點(diǎn)，通常會選擇人煙稀少的區(qū)域，有時根據(jù)需要還會前往落點(diǎn)回收火箭殘骸。
我國的新發(fā)射場——文昌航天發(fā)射場位于海邊，是我國第一個濱海發(fā)射場。我國新一代大型中型火箭——長征五號、長征五號B、長征七號、長征八號都在這里發(fā)射。每次發(fā)射這些火箭的殘骸，直接掉到公海里，不會造成威脅。
設(shè)計人員會事先計算出火箭殘骸落海區(qū)域，也會有相關(guān)人員監(jiān)測任務(wù)海區(qū)。
記者：如何進(jìn)行殘骸回收，又如何保證落區(qū)安全？
錢航：火箭發(fā)射前一周，落區(qū)工作組奔赴落區(qū)。落區(qū)多是偏遠(yuǎn)山區(qū)或大漠戈壁，地廣人稀、交通不便。有的地方山高谷深、重巒疊嶂，有的懸崖峭壁、流急灘險，有的黃沙荒漠、連綿不絕。要是遇上連日陰雨，出現(xiàn)塌方和滑坡，更是讓落區(qū)回收工作險象環(huán)生。
每到一個地方，工作組都要召集當(dāng)?shù)毓?、消防、林業(yè)、交通、教育等部門召開動員部署會，落區(qū)工作人員通過廣播、短信、微信等形式將火箭發(fā)射的消息告訴落區(qū)群眾，搞好宣傳動員。落區(qū)工作人員還會挨家挨戶進(jìn)行檢查督導(dǎo)，確保宣傳動員家喻戶曉、人人皆知。
火箭升空前1小時，落區(qū)上空會響起防空警報，工作組將群眾全部疏散到空曠、開闊的場地，確保落區(qū)群眾生命安全?；鸺l(fā)射升空后，做好對空觀察，及時避讓火箭殘骸。
經(jīng)過10多分鐘的等待，火箭殘骸劃過天空，落入提前計算出來的預(yù)定區(qū)域。工作組利用聲音、定位系統(tǒng)、地形圖等預(yù)判落點(diǎn)位置，并通過前方觀察哨確認(rèn)殘骸具體落點(diǎn)，組織人員看管殘骸現(xiàn)場?；厥辗株?duì)趕赴殘骸現(xiàn)場，組織技術(shù)人員將殘骸上的火工品和剩余燃料進(jìn)行清理，然后對殘骸進(jìn)行切割、分解、回收。
火箭殘骸
記者：如何控制火箭殘骸的墜落？
錢航：2020年3月9日，我國用長征三號乙運(yùn)載火箭成功發(fā)射第54顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。在此次任務(wù)中，火箭助推器首次驗(yàn)證了基于降落傘的落區(qū)控制技術(shù)。
當(dāng)長征三號乙運(yùn)載火箭將北斗衛(wèi)星送入太空后，助推器在內(nèi)的火箭殘骸如何處理是發(fā)射任務(wù)中的一個難題。
而在此次任務(wù)中，研制人員給火箭的一個助推器安裝了多個降落傘，在墜落過程中先后展開，成功控制了助推器墜落時的姿態(tài)和方向。以往助推的落區(qū)范圍大概是30×90公里，是2700平方公里。通過翼傘來控制它，落到指定的點(diǎn)，這個面積會大幅縮減。
記者：火箭殘骸能做到全程跟蹤嗎，多久能找到殘骸？
錢航：事實(shí)上，從提出“傘降控制”方案，到這次成功實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)驗(yàn)證，已跨越了10多年時間。難點(diǎn)是“傘怎么打開”。
一個助推器大概有4噸的重量，它分離的時候，速度大概是2000多米每秒，它的姿態(tài)是不受控的，這種情況下怎么把傘打開，并且打開之后使傘不受破壞，是比較難的地方。
要想解決這個問題，就需要找到一個準(zhǔn)確的開傘時機(jī)，讓助推器的角度、速度和姿態(tài)等指標(biāo)，都能滿足開傘的要求。為了準(zhǔn)確地抓住這個時機(jī)，研制人員在助推器上安裝了一套測量裝置，能夠?qū)崟r監(jiān)測到助推器的位置和姿態(tài)。
不僅如此，這套裝置還基于北斗系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜野外山林地區(qū)的精準(zhǔn)定位跟蹤，研制人員5分鐘內(nèi)就精確知道它的落點(diǎn)位置，相當(dāng)于整個再入過程是全程跟蹤的。
這也是我國首次在火箭發(fā)射任務(wù)中實(shí)現(xiàn)殘骸信息的實(shí)時接收、處理和顯示。根據(jù)定位到的落點(diǎn)位置，研制人員在25分鐘之內(nèi)就找到了火箭殘骸。而此前完成這項(xiàng)工作短則需要幾個小時，長則需要數(shù)月。
后續(xù)，研制團(tuán)隊(duì)將在前期搭載試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化方案，不斷提升產(chǎn)品的可靠性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的批量化、低成本生產(chǎn)，進(jìn)而大幅提高火箭殘骸的落區(qū)安全性。
火箭殘骸
記者：我國的運(yùn)載火箭，未來能否做到重復(fù)使用？
錢航：2019年，長征二號丙火箭成功把3顆衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，另外還“低調(diào)地”取得了一項(xiàng)成果，就是實(shí)現(xiàn)了子級火箭的精確落地，簡單來說就是讓火箭的殘骸精確降落在預(yù)定的地點(diǎn)。
這個黑科技又叫“基于柵格舵的落區(qū)精確控制技術(shù)”。雖然我國運(yùn)載火箭是首次運(yùn)用這種技術(shù)，但仍獲得了試驗(yàn)的成功，因此成為世界上第二個掌握這種技術(shù)的國家。
近年來，中國運(yùn)載火箭發(fā)射呈現(xiàn)高強(qiáng)度、高密度的態(tài)勢，僅2020年就發(fā)射了39次，平均每月3次之多。因此火箭殘骸降落帶來的安全問題，越來越受人們關(guān)注。按照慣例，火箭在發(fā)射前會事先劃出一個供火箭殘骸降落的地區(qū)，基本都是選擇一些人煙稀少的地區(qū)，一般長寬約數(shù)十公里的范圍。由此可見，在“柵格舵控制技術(shù)”出現(xiàn)之前，火箭殘骸降落的區(qū)域范圍很大，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了子級火箭的精確落地，將火箭殘骸降落的區(qū)域范圍控制在極小范圍內(nèi)，極大減輕了落區(qū)工作人員避險和搜救的工作量。
航天器的回收技術(shù)早已成熟，如今連火箭助推器的殘骸都能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)回收。這種技術(shù)讓運(yùn)載火箭在未來重復(fù)使用成為可能，除了符合綠色環(huán)保的時代要求，也讓航天發(fā)射的最后一個高危環(huán)節(jié)得到了有效管控。
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