對話航天專家:火箭殘骸從哪里來,又會到哪里去?
2021年05月11日 09:46 來源:中國青年報

  零距離本報記者獨家對話航天專家——

  火箭殘骸都去哪兒了

  靴子終于落地了。

  據(jù)中國載人航天工程辦公室消息,2021年5月9日10時24分,長征五號B遙二運載火箭末級殘骸已再入大氣層,落區(qū)位于東經(jīng)72.47°、北緯2.65°周邊海域。經(jīng)監(jiān)測分析,絕大部分器件在再入大氣層過程中燒蝕銷毀。

  10天之前,搭載中國空間站天和核心艙的長征五號B遙二運載火箭,在我國文昌航天發(fā)射場點火升空,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)記者獨家對話航天科技集團中國運載火箭技術(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?

  錢航:運載火箭將衛(wèi)星或飛船發(fā)射送入太空,正是一個自我犧牲的過程。

  在火箭飛行過程中,掉下來的部分稱之為殘骸。實際上,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”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,除非損失較大運載能力,否則難以通過改變速度增量方式實現(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。

  記者:火箭殘骸都需要回收或監(jiān)測嗎?

  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,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。火箭發(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)判落點位置,并通過前方觀察哨確認(rèn)殘骸具體落點,組織人員看管殘骸現(xiàn)場;厥辗株犣s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。

  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,火箭助推器首次驗證了基于降落傘的落區(qū)控制技術(shù)。

  當(dāng)長征三號乙運載火箭將北斗衛(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,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。

  錢航:事實上,從提出“傘降控制”方案,到這次成功實現(xiàn)試驗驗證,已跨越了10多年時間。難點是“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,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,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)中實現(xiàn)殘骸信息的實時接收、處理和顯示。根據(jù)定位到的落點位置,研制人員在25分鐘之內(nèi)就找到了火箭殘骸。而此前完成這項工作短則需要幾個小時,長則需要數(shù)月。

  后續(xù),研制團隊將在前期搭載試驗的基礎(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。

  記者:我國的運載火箭,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”取得了一項成果,就是實現(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。

  這個黑科技又叫“基于柵格舵的落區(qū)精確控制技術(shù)”。雖然我國運載火箭是首次運用這種技術(shù),但仍獲得了試驗的成功,因此成為世界上第二個掌握這種技術(shù)的國家。

  近年來,中國運載火箭發(fā)射呈現(xiàn)高強度、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現(xiàn)精準(zhǔn)回收。這種技術(shù)讓運載火箭在未來重復(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。

  中青報·中青網(wǎng)記者 邱晨輝 來源:中國青年報

編輯:陳少婷