火箭殘骸是怎么處理的

佚名

不久前，在我國長征二號丙運載火箭的一次發(fā)射任務(wù)中，通過火箭上安裝的柵格舵系統(tǒng)，火箭的一子級落點實現(xiàn)了精確控制。這一技術(shù)的突破不僅有助于保障落區(qū)居民安全，還是未來中國火箭可重復(fù)使用的諸多核心技術(shù)之一。

那么，在人類的航天事業(yè)中，過去產(chǎn)生的那么多火箭殘骸都是怎么處理的呢？

人類航天事業(yè)的基石是運載火箭技術(shù)，然而受困于強大的地球引力和濃密的大氣層，火箭的運輸效率極低，有效載荷僅為火箭總重量的1%～5%。

以人類有史以來最強的登月火箭土星五號為例，它的總重量約為3000噸。第一級總重約2290噸，其中殼體和發(fā)動機質(zhì)量僅為130噸，其余2160噸都為液氧煤油燃料。發(fā)動機工作時間標準流程為165秒，平均每秒燃燒13.1噸燃料，換算成汽油差不多夠一輛百公里油耗為10升的小汽車圍繞地球赤道開4.5圈！但它能送到月球的有效載荷僅為45噸重的“阿波羅”飛船，比重僅為1.5%。如果考慮到真正的有效載荷僅為三位宇航員和有限的科學(xué)儀器，這個效率更是低到令人震驚。火箭的其余部分幾乎都是燃料和火箭殘骸。

火箭殘骸的第一部分：能收則收，不能收則躲

火箭殘骸的第一部分，在火箭發(fā)射不久后會重新返回地面，甚至在火箭剛開始呼嘯震動時就開始“掉渣”——這往往是保溫泡沫或水汽結(jié)的冰。

大氣密度很高，這個階段產(chǎn)生的殘骸高度不夠、速度很低，因而這些殘骸根本沒能突破大氣層。按照火箭推進的原理，所有的火箭幾乎都要設(shè)計成多級模式，越靠下面的部分越大、推力也越強。這意味著這部分殘骸的特點是，非常大、非常貴，也非常危險！

以我國每次載人航天都要使用的長征2F王牌火箭為例，在發(fā)射后約3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就會相繼分離，最后分離的整流罩上升的最大高度也僅為100千米左右，在地球引力作用下，它們必然會返回地球。

由于分離時間、分離姿態(tài)、氣象條件等各不相同，它們的掉落區(qū)往往分散且面積巨大。由于歷史和技術(shù)原因，我國的三大傳統(tǒng)發(fā)射場——酒泉、太原和西昌，都位于內(nèi)陸，每次發(fā)射都要著重考慮這一批殘骸的破壞力。

一級火箭和整流罩等往往是體積重量最大、最核心也最昂貴的部分，占火箭總體成本的80%以上，卻是最早被扔掉的，非常可惜，也非常危險。

處理它們，有效的方式有三種：

一是回收。這也是太空探索技術(shù)公司（SpaceX）、藍色起源在研究航天飛機固體助推器和我國新一代火箭設(shè)計時考慮的重點因素。目前，SpaceX依靠這個技術(shù)聲名鵲起。該技術(shù)不僅能夠依靠一級火箭的反推實現(xiàn)平穩(wěn)回收，還能利用整流罩的降落傘減速滑翔和接駁船大網(wǎng)實現(xiàn)回收，幾乎毫不浪費。

二是完全棄用。這是世界主流火箭的主要處理方式，由于傳統(tǒng)火箭發(fā)動機設(shè)計和結(jié)構(gòu)問題，很多火箭根本無法重復(fù)使用，幾乎毫無回收價值，最理想的情況反而是丟掉。但僅有靠海的發(fā)射場能實現(xiàn)這種理想的處理，例如美國的范登堡空軍基地、肯尼迪航天中心、卡納維拉爾角，中國文昌，歐洲法屬圭亞那的基地。

三是盡力減少殘骸影響。蘇聯(lián)拜科努爾、普列謝茨克，中國酒泉、太原、西昌這些內(nèi)陸發(fā)射場，可以大大減少殘骸的影響。例如我國在2019年7月26日“長二丙”火箭發(fā)射遙感三十號05組衛(wèi)星時，給一級火箭的級間段安裝了柵格舵，在一級殘骸落地過程中起到穩(wěn)定姿態(tài)和減速的效果，大大縮小了殘骸的可能影響區(qū)間，成為世界第二個運用此技術(shù)的國家，也為我國未來新一代可回收火箭積累了寶貴經(jīng)驗。在火箭沖向天空的過程中，柵格舵是緊緊貼著火箭的，當(dāng)火箭的一級部分完成使命再入大氣層時，柵格舵正式開始工作，變成火箭殘骸的“翅膀”。在“翅膀”的保駕護航之下，最終火箭殘骸落在設(shè)定的區(qū)域。

火箭殘骸的第二部分：“天外來客”，可控再入

隨著火箭繼續(xù)飛行，二級火箭將會繼續(xù)完成推高航天器軌道的重任，以至它分離時往往自身動能已經(jīng)足以環(huán)繞地球。但此時軌道高度依然在200千米左右，這里大氣雖然稀薄卻可以造成足夠的阻力，二級火箭往往還是會返回地球。

由于高空大氣層的情況復(fù)雜，二級火箭被拋棄后姿態(tài)也無法確定，返回地球的軌跡、時間和沖擊大氣層的地點很難預(yù)測。2016年6月25日，我國首次發(fā)射新一代火箭長征七號，二級火箭在太空中自由飛行了一個多月后，于7月27日晚間在北美中西部再入大氣層。

但我們不必擔(dān)心二級火箭造成的威脅。它們沒有任何防熱措施，再入大氣層時速度快，遇到稠密的空氣，往往會變成美麗的流星，焚毀在大氣層中。

也有極個別情況，二級火箭可能變成“飛來橫禍”。歷史上最接近二級火箭飛來橫禍的是一位叫洛蒂·威廉姆斯的美國人。1997年，她與一個德爾塔-2型二級火箭返回地球的碎片擦肩而過。所幸只是輕微擦過，她被嚇了一跳，如果再偏一點砸到頭上，那就有生命危險了。

二級火箭成為殘骸時往往已經(jīng)有能力圍繞地球飛行，但返回地球時的狀態(tài)難以預(yù)測且存在一定風(fēng)險，當(dāng)然有必要妥善處理。

SpaceX在實現(xiàn)第一級回收后，曾經(jīng)努力回收第二級，可是第二級的價值實在有限，且回收距離太遠、成本太高，于是最后放棄了此項技術(shù)。但這并不意味著第二級就此被拋棄：它執(zhí)行任務(wù)的周期很短，在任務(wù)結(jié)束后，可以利用剩余燃料，自己沖進大氣層。由于地球表面絕大部分是大洋，可以很容易控制它們焚毀或最終落入安全區(qū)域，盡力減少潛在威脅。

而對于已經(jīng)進入太空、距離地球較近且一時半會兒無法返回的火箭殘骸，則可以采取人工干擾的方式進行移除。例如進行新一次發(fā)射任務(wù)，用小型航天器靠近火箭殘骸，采用魚叉法、網(wǎng)捕法、太陽光帆、拖拽法等將其最終拖入大氣層焚毀。

雖然人類從未被這個階段的火箭殘骸傷害過，但它們對在軌衛(wèi)星的潛在威脅很大，極有可能造成更多新的太空垃圾，“杞人憂天”還是有必要的。

火箭殘骸的第三部分：讓出軌道，不復(fù)相見

對很多高軌衛(wèi)星而言，旅程遠未結(jié)束，運送它們的火箭往往還有第三級、上面級等重要結(jié)構(gòu)。

例如，我國王牌火箭“長三乙”可以攜帶一個遠征一號上面級，就是靠這個“太空擺渡車”才實現(xiàn)了數(shù)次北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的“一箭雙星”任務(wù)。衛(wèi)星被分離時軌道已經(jīng)非常高，這些火箭殘骸注定不可能返回地球大氣層。以2015年7月25日我國“長三乙”+遠征一號“一箭雙星”發(fā)射北斗導(dǎo)航衛(wèi)星為例，直到今天“長三乙”的第三級仍然飛在近地點382千米、遠地點16587千米的大橢圓軌道上。而共同升空的遠征一號更夸張，它飛在近地點22042千米、遠地點27866千米的超級橢圓軌道上。估計到人類滅絕它都不可能返回地球！

事實上，有很多早期發(fā)射的高軌衛(wèi)星帶來的火箭殘骸，直到今天依然在太空漫游。

而對于很多深空探測任務(wù)，目標軌道輕易超過月球的距離，這些火箭殘骸已經(jīng)遠到無法追蹤了。例如，獵鷹重型火箭2018年2月6日首次試射后，它的二級火箭牢牢綁在特斯拉電動車背后，現(xiàn)在大概到了相對地球的太陽系另一面。

這個階段的太空垃圾已經(jīng)太過遙遠，以至于把它們重新帶回地球大氣層的成本實在太高，得不償失。此時的有效手段就是讓它們遠離地球附近的寶貴軌道，進入深空。這個過程基本只能在它完成工作之后自主完成：利用殘余的燃料，燃盡最后一滴，盡力逃離地球。

例如我國在2015年3月30日用“長三丙”火箭發(fā)射北斗I1-S衛(wèi)星時，遠征一號上面級首秀，它在任務(wù)成功、將衛(wèi)星送入軌道后，最后階段就執(zhí)行了這么一個命令，拼盡全力遠離地球。時至今日，它的軌道距離地球最遠點已經(jīng)達到15萬千米，是地球半徑的20多倍，根本不可能再與人類相見。

人類航天事業(yè)是人類科技史上的奇跡，它的方方面面無不閃耀著人類最輝煌的智慧和創(chuàng)造力光芒，即便對于火箭殘骸的處理亦是如此。不過，當(dāng)我們看到火箭殘骸的種種處理技術(shù)時，更應(yīng)該對這些“蠟炬成灰淚始干”的殘骸保持敬畏——它們犧牲自己，托起了人類一個又一個航天夢想。