火箭殘骸是怎么處理的

佚名

不久前，在我國(guó)長(zhǎng)征二號(hào)丙運(yùn)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(jí)落點(diǎn)實(shí)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(guó)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(yùn)載火箭技術(shù)，然而受困于強(qiáng)大的地球引力和濃密的大氣層，火箭的運(yùn)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(qiáng)的登月火箭土星五號(hào)為例，它的總重量約為3000噸。第一級(jí)總重約2290噸，其中殼體和發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量?jī)H為130噸，其余2160噸都為液氧煤油燃料。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(huì)重新返回地面，甚至在火箭剛開始呼嘯震動(dòng)時(shí)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(gè)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(jìn)的原理，所有的火箭幾乎都要設(shè)計(jì)成多級(jí)模式，越靠下面的部分越大、推力也越強(qiáng)。這意味著這部分殘骸的特點(diǎn)是，非常大、非常貴，也非常危險(xiǎn)！

以我國(guó)每次載人航天都要使用的長(zhǎng)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(jí)火箭、整流罩等重要組成部分就會(huì)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(huì)返回地球。

由于分離時(shí)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(guó)的三大傳統(tǒng)發(fā)射場(chǎng)——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(jí)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?？上?，也非常危險(xiǎn)。

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(lán)色起源在研究航天飛機(jī)固體助推器和我國(guó)新一代火箭設(shè)計(jì)時(shí)考慮的重點(diǎn)因素。目前，SpaceX依靠這個(gè)技術(shù)聲名鵲起。該技術(shù)不僅能夠依靠一級(jí)火箭的反推實(shí)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(shí)現(xiàn)回收，幾乎毫不浪費(fèi)。

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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)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(jià)值，最理想的情況反而是丟掉。但僅有靠海的發(fā)射場(chǎng)能實(shí)現(xiàn)這種理想的處理，例如美國(guó)的范登堡空軍基地、肯尼迪航天中心、卡納維拉爾角，中國(guó)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(guó)酒泉、太原、西昌這些內(nèi)陸發(fā)射場(chǎng)，可以大大減少殘骸的影響。例如我國(guó)在2019年7月26日“長(zhǎng)二丙”火箭發(fā)射遙感三十號(hào)05組衛(wèi)星時(shí)，給一級(jí)火箭的級(jí)間段安裝了柵格舵，在一級(jí)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(gè)運(yùn)用此技術(shù)的國(guó)家，也為我國(guó)未來新一代可回收火箭積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。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(jí)部分完成使命再入大氣層時(shí)，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(hù)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(jí)火箭將會(huì)繼續(xù)完成推高航天器軌道的重任，以至它分離時(shí)往往自身動(dòng)能已經(jīng)足以環(huán)繞地球。但此時(shí)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(jí)火箭往往還是會(huì)返回地球。

由于高空大氣層的情況復(fù)雜，二級(jí)火箭被拋棄后姿態(tài)也無法確定，返回地球的軌跡、時(shí)間和沖擊大氣層的地點(diǎn)很難預(yù)測(cè)。2016年6月25日，我國(guó)首次發(fā)射新一代火箭長(zhǎng)征七號(hào)，二級(jí)火箭在太空中自由飛行了一個(gè)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?fù)?dān)心二級(jí)火箭造成的威脅。它們沒有任何防熱措施，再入大氣層時(shí)速度快，遇到稠密的空氣，往往會(huì)變成美麗的流星，焚毀在大氣層中。

也有極個(gè)別情況，二級(jí)火箭可能變成“飛來橫禍”。歷史上最接近二級(jí)火箭飛來橫禍的是一位叫洛蒂·威廉姆斯的美國(guó)人。1997年，她與一個(gè)德爾塔-2型二級(jí)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(diǎn)砸到頭上，那就有生命危險(xiǎn)了。

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

SpaceX在實(shí)現(xiàn)第一級(jí)回收后，曾經(jīng)努力回收第二級(jí)，可是第二級(jí)的價(jià)值實(shí)在有限，且回收距離太遠(yuǎn)、成本太高，于是最后放棄了此項(xiàng)技術(shù)。但這并不意味著第二級(jí)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(jìn)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(duì)于已經(jīng)進(jìn)入太空、距離地球較近且一時(shí)半會(huì)兒無法返回的火箭殘骸，則可以采取人工干擾的方式進(jìn)行移除。例如進(jìn)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(gè)階段的火箭殘骸傷害過，但它們對(duì)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(duì)很多高軌衛(wèi)星而言，旅程遠(yuǎn)未結(jié)束，運(yùn)送它們的火箭往往還有第三級(jí)、上面級(jí)等重要結(jié)構(gòu)。

例如，我國(guó)王牌火箭“長(zhǎng)三乙”可以攜帶一個(gè)遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)，就是靠這個(gè)“太空擺渡車”才實(shí)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(shí)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(guó)“長(zhǎng)三乙”+遠(yuǎn)征一號(hào)“一箭雙星”發(fā)射北斗導(dǎo)航衛(wèi)星為例，直到今天“長(zhǎng)三乙”的第三級(jí)仍然飛在近地點(diǎn)382千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)16587千米的大橢圓軌道上。而共同升空的遠(yuǎn)征一號(hào)更夸張，它飛在近地點(diǎn)22042千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)27866千米的超級(jí)橢圓軌道上。估計(jì)到人類滅絕它都不可能返回地球！

事實(shí)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(duì)于很多深空探測(cè)任務(wù)，目標(biāo)軌道輕易超過月球的距離，這些火箭殘骸已經(jīng)遠(yuǎn)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(jí)火箭牢牢綁在特斯拉電動(dòng)車背后，現(xiàn)在大概到了相對(duì)地球的太陽系另一面。

這個(gè)階段的太空垃圾已經(jīng)太過遙遠(yuǎn)，以至于把它們重新帶回地球大氣層的成本實(shí)在太高，得不償失。此時(shí)的有效手段就是讓它們遠(yuǎn)離地球附近的寶貴軌道，進(jìn)入深空。這個(gè)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(guó)在2015年3月30日用“長(zhǎng)三丙”火箭發(fā)射北斗I1-S衛(wèi)星時(shí)，遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)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(gè)命令，拼盡全力遠(yuǎn)離地球。時(shí)至今日，它的軌道距離地球最遠(yuǎn)點(diǎn)已經(jīng)達(dá)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(duì)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(shí)，更應(yīng)該對(duì)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(gè)又一個(gè)航天夢(mèng)想。