別只惦記火箭上天 殘骸回收也有大講究
來源：新華網(wǎng) 發(fā)布時(shí)間：2020-12-22 09:58:54
專家告訴你，火箭殘骸落區(qū)怎樣選定、殘骸會(huì)帶來什么影響、如何最大限度規(guī)避損失……
別只惦記火箭上天 殘骸回收也有大講究
“火箭殘骸里剩余殘留物、危險(xiǎn)品可能會(huì)形成次生危害，請(qǐng)廣大群眾不要近距離圍觀或接觸殘骸，嚴(yán)禁私自拆卸、拾撿、隱藏、販賣和收購火箭殘骸……”這是西雙版納傣族自治州人民政府12月5日發(fā)布的一則緊急通知。
這則通知針對(duì)的是近期的一次火箭發(fā)射任務(wù)。12月6日11時(shí)58分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，用長征三號(hào)乙運(yùn)載火箭（以下簡稱長三乙火箭）成功發(fā)射高分十四號(hào)衛(wèi)星。上述通知中提示：西雙版納傣族自治州勐海縣勐滿鎮(zhèn)、西定鄉(xiāng)、勐遮鎮(zhèn)、勐阿鎮(zhèn)部分區(qū)域?qū)?zhí)行火箭殘骸落區(qū)任務(wù)，屆時(shí)相關(guān)道路將進(jìn)行管制，請(qǐng)當(dāng)?shù)鼐用癜凑照ㄖ笞龊檬枭⒎雷o(hù)……
火箭殘骸落區(qū)是怎樣選定的，這些殘骸會(huì)帶來什么影響，如何最大限度規(guī)避損失？圍繞這些問題，中國航天科技集團(tuán)一院（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院）的專家向科技日?qǐng)?bào)記者進(jìn)行了介紹。
影響：除了物理打擊，還有爆炸風(fēng)險(xiǎn)
通俗地講，運(yùn)載火箭分離后再入段未采取飛行控制和回收措施的子級(jí)都將可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破裂甚至爆炸，進(jìn)而形成殘骸。
據(jù)中國航天科技集團(tuán)一院長征二號(hào)丙運(yùn)載火箭型號(hào)總體設(shè)計(jì)師李君介紹，國內(nèi)外現(xiàn)役運(yùn)載火箭通常都是多級(jí)火箭，除了與衛(wèi)星相連的末級(jí)火箭，其余結(jié)構(gòu)體包括助推器、子級(jí)乃至整流罩，在發(fā)揮完各自作用后，都會(huì)在火箭飛行的不同階段出現(xiàn)分離、掉落。以12月6日發(fā)射的長三乙火箭為例，其為三級(jí)火箭，捆綁有4枚助推器，能夠產(chǎn)生殘骸的子級(jí)包括助推器、一子級(jí)、二子級(jí)、整流罩等。
火箭殘骸的危害表現(xiàn)在不同方面。
首先，其從天而降，將對(duì)地面形成“物理打擊”，但不同分離部位的“打擊”力度有所不同。例如整流罩，它處于火箭頂端，罩在衛(wèi)星外面，通常是在火箭飛出大氣層后再進(jìn)行分離，分離時(shí)飛行高度超過100公里、速度超過每秒3公里。但整流罩具有殼薄、重量輕、面積大的特點(diǎn)，再入過程中大氣阻力的減速作用顯著，分析和飛行測(cè)量數(shù)據(jù)表明，整流罩再入到距地面10公里左右高度后，下降速度一般不超過每秒百米，落地速度在每秒二三十米左右。夸張點(diǎn)說，只要你身手敏捷，從發(fā)現(xiàn)下墜的整流罩就開始躲避，完全可以避免被直接擊中。
而火箭子級(jí)和助推器掉下來，就不會(huì)這么“客氣”。由于這些結(jié)構(gòu)體均為圓柱形，氣動(dòng)面積較小，內(nèi)部包含發(fā)動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)箱等，總體質(zhì)量較大，因此再入速度快、撞擊威力驚人。李君說，火箭一子級(jí)的落地速度可超過每秒百米。據(jù)報(bào)道，2013年12月2日，長三乙火箭發(fā)射嫦娥三號(hào)探測(cè)器以后，一級(jí)火箭殘骸落在湖南省邵陽市綏寧縣，砸壞了2間民房。好在當(dāng)?shù)靥崆敖M織疏散，沒有造成人員傷亡，受損村民也得到了賠償。
除了高空墜物，火箭子級(jí)里殘留的推進(jìn)劑和高壓氣體也有危害。
李君介紹說，火箭是由箭體結(jié)構(gòu)、增壓輸送系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等組成的復(fù)雜系統(tǒng)，為了確保其中一個(gè)或幾個(gè)環(huán)節(jié)在出現(xiàn)有限偏差狀況下，火箭還能圓滿完成發(fā)射任務(wù)，各級(jí)推進(jìn)劑均會(huì)留出一定的備用量，使用兩種推進(jìn)劑的火箭，推進(jìn)劑至少各有上百千克的備用量。
傳統(tǒng)液體燃料運(yùn)載火箭的一、二級(jí)，所用推進(jìn)劑是四氧化二氮和偏二甲肼。這兩種燃料有如下特點(diǎn)：一是有毒，會(huì)對(duì)土壤、植物、水資源造成污染，達(dá)到一定濃度會(huì)威脅到人身安全；二是容易自燃，兩種燃料一旦接觸就會(huì)燃燒，量多的話甚至?xí)霈F(xiàn)爆炸。當(dāng)火箭子級(jí)以每秒上百米的速度砸到地面時(shí)，“皮薄”的箭體貯箱極易在落地沖擊作用下破裂，原本存放在不同儲(chǔ)箱里的兩種燃料極大概率會(huì)瞬間大面積混合而發(fā)生爆炸。爆炸威力通常很大，可能將重達(dá)600多千克的發(fā)動(dòng)機(jī)崩得很遠(yuǎn)，爆炸聲也可能將幾十米內(nèi)的窗戶玻璃震碎。
若火箭子級(jí)落地時(shí)未出現(xiàn)貯箱破裂導(dǎo)致的爆炸，也不意味著就安全了。火箭飛行中其推進(jìn)劑貯箱內(nèi)通常有2—3個(gè)大氣壓力，甚至更高，若著陸時(shí)貯箱未破裂，將需要很長的時(shí)間來釋放其中的壓力；同時(shí)，火箭子級(jí)還有各種用途不一、壓力不一的氣瓶，譬如控制發(fā)動(dòng)機(jī)擺動(dòng)的伺服機(jī)構(gòu)用氣瓶的壓力高達(dá)21兆帕，約210個(gè)大氣壓。
以上這些便是火箭發(fā)射前要求殘骸落區(qū)進(jìn)行人員疏散、火箭殘骸需要專業(yè)人員處置回收的原因。
偏差：天上十多米，地上幾公里
鑒于火箭殘骸的危險(xiǎn)性，為火箭殘骸設(shè)定落區(qū)是各國進(jìn)行航天發(fā)射時(shí)都要面臨的問題。
由于助推器、一子級(jí)、二子級(jí)、整流罩等結(jié)構(gòu)體是在火箭飛行的不同階段分離，因此一次發(fā)射任務(wù)會(huì)涉及幾個(gè)落區(qū)。
以一級(jí)殘骸落區(qū)為例，李君介紹說，火箭的飛行軌道、箭下點(diǎn)（火箭飛行時(shí)在地面的投影點(diǎn)）、一二級(jí)分離的位置，都是提前精密設(shè)計(jì)好的，結(jié)合分離時(shí)的飛行速度、傾角等參數(shù)，就可以計(jì)算出殘骸的中心落點(diǎn)。但在火箭實(shí)際飛行中，種種不確定因素如載荷質(zhì)量的輕微變化、發(fā)動(dòng)機(jī)推力的細(xì)微變化等，都可能使一二級(jí)分離點(diǎn)有所偏離。
同時(shí)，分離時(shí)的速度、姿態(tài)角等參數(shù)的變化，也會(huì)進(jìn)一步影響落點(diǎn)精度。例如長三乙火箭一子級(jí)從分離到落地大約要經(jīng)過300多秒。如果分離速度存在每秒10多米的誤差，僅此一項(xiàng)就會(huì)讓最終落點(diǎn)偏離預(yù)定范圍好幾公里。此外，傳統(tǒng)火箭的結(jié)構(gòu)體分離后，都是以無控狀態(tài)再入，過程中的姿態(tài)狀況及氣動(dòng)特性等都是不確定的，這也會(huì)形成一定偏差量。
為此，科研人員通過開展大量試驗(yàn)積累數(shù)據(jù)，結(jié)合種種概率來計(jì)算殘骸可能散布的地點(diǎn)，以此劃出落區(qū)的范圍。
李君介紹說，同一型號(hào)火箭，在不同軌道、不同構(gòu)型、不同控制方案等情況下，落區(qū)也不同。比如長征二號(hào)丙火箭在西昌發(fā)射遙感三十號(hào)衛(wèi)星任務(wù)時(shí)，軌道傾角35°，火箭起飛后往東飛。由于我國處于西風(fēng)帶，火箭便是順著高空風(fēng)飛，因而其一級(jí)殘骸落區(qū)大致是個(gè)面積約1200平方公里、飛行方向長、兩側(cè)方向窄的長方形。而在西昌發(fā)射傾角97°左右的太陽同步軌道衛(wèi)星時(shí)，高空風(fēng)主要作用在理論飛行軌道的側(cè)面，將會(huì)導(dǎo)致一子級(jí)殘骸落區(qū)更接近一個(gè)面積略大的正方形?；鸺蛹?jí)由于分離高度更高、速度更快，再入過程的不確定性更大，導(dǎo)致其殘骸落區(qū)范圍也更大一些。
未來：指哪就落哪，“殘骸”可回收
一直以來，航天工作者都在尋找對(duì)策，降低火箭殘骸的威脅。
2019年7月26日，一枚長二丙火箭從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空。這次任務(wù)除了將3顆衛(wèi)星送入軌道，還成功開展了我國首次柵格舵分離體落區(qū)安全控制技術(shù)試驗(yàn)。
此次試驗(yàn)的柵格舵由眾多薄薄的柵格壁鑲嵌在邊框內(nèi)構(gòu)成，安裝在長二丙火箭一子級(jí)上?；鸺l(fā)射升空時(shí)，它緊貼箭體側(cè)壁，在一子級(jí)分離再入階段解鎖、展開，并按指令轉(zhuǎn)動(dòng)控制一子級(jí)的姿態(tài)和飛行軌跡，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)一子級(jí)落點(diǎn)的精確控制。
李君介紹，相比過去一子級(jí)的無控下落，通過柵格舵的控制，一子級(jí)落區(qū)范圍將從上千平方公里縮小到60平方公里左右。
想象一下，假如在西昌發(fā)射火箭，想在種種條件約束下找一塊上千平方公里的無人區(qū)作為落區(qū)，任務(wù)將十分艱巨，而遴選出60平方公里的無人區(qū)就相對(duì)容易多了。
李君說，科研人員正在深入研究，力爭將傳統(tǒng)常規(guī)推進(jìn)劑火箭的落點(diǎn)精度提高到幾平方公里內(nèi)，最終實(shí)現(xiàn)“定點(diǎn)著陸”；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)選擇落點(diǎn)，通過指定哪片區(qū)域就讓火箭落到哪里，來進(jìn)一步消除火箭子級(jí)殘骸對(duì)落區(qū)人民生產(chǎn)、生活的影響。
除落點(diǎn)位置控制外，火箭科研人員還正在研究備用推進(jìn)劑的安全處置策略并已初步得到飛行試驗(yàn)考核驗(yàn)證——火箭子級(jí)在高空再入飛行過程中，將推進(jìn)劑通過發(fā)動(dòng)機(jī)腔向外排放，兩種推進(jìn)劑混合將會(huì)自燃，生成水和氮?dú)獾葻o污染產(chǎn)物，即使這兩種推進(jìn)劑未完全燃燒，由于火箭子級(jí)飛行高度高、對(duì)外排放流量低，它們也會(huì)在空中被自然稀釋掉，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。
隨著我國采用液氧煤油的大中小型運(yùn)載火箭全面投入應(yīng)用，科研人員正全力開展火箭垂直著陸、無損回收技術(shù)和重復(fù)使用技術(shù)的研究。屆時(shí)，分離后再入的子級(jí)也將擺脫“殘骸”的命運(yùn)，再次循環(huán)進(jìn)入到相關(guān)科研試驗(yàn)中。（記者 付毅飛）
責(zé)任編輯：沙莎
