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火箭残骸都去哪儿了

原标题:火箭残骸都去哪儿了

  4月29日,搭载中国空间站天和核心舱的长征五号B遥二运载火箭,在我国文昌航天发射场点火升空。史啸/摄

  长征七号运载火箭飞行状态模拟图,从左至右分别是助推器分离、整流罩分离等瞬间。航天科技集团中国运载火箭技术研究院供图

  靴子终于落地了。

  据中国载人航天工程办公室消息,2021年5月9日10时24分,长征五号B遥二运载火箭末级残骸已再入大气层,落区位于东经72.47°、北纬2.65°周边海域。经监测分析,绝大部分器件在再入大气层过程中烧蚀销毁。

  10天之前,搭载中国空间站天和核心舱的长征五号B遥二运载火箭,在我国文昌航天发射场点火升空,天和核心舱与火箭成功分离,进入预定轨道。核心舱就位太空,但火箭残骸去哪了,引发关注。

  如今,在火箭残骸再入大气层的当天,中国载人航天工程办公室接连发布两则公告,先是预告了火箭末级残骸再入大气层的时间和区域,后是公布了再入大气层的实际时间、区域,以及监测分析情况。

  近些年,随着我国航天发射任务日益密集,有关“火箭残骸都去哪儿了”的问题备受瞩目。中青报·中青网记者独家对话航天科技集团中国运载火箭技术研究院总体设计部青年设计师钱航,就相关问题进行了访谈。

  记者:火箭残骸从哪里来,又会到哪里去?

  钱航:运载火箭将卫星或飞船发射送入太空,正是一个自我牺牲的过程。

  在火箭飞行过程中,掉下来的部分称之为残骸。实际上,火箭残骸包括很多种类。按照火箭残骸的产生流程,可大致分为如下几个部分:

  部分残骸是在火箭发射后,几乎马上就会重新返回地面,甚至在火箭刚开始呼啸震动时,就开始掉落“残骸”。这其实是火箭外部的保温泡沫或凝结而成的冰。

  不过人们常说的残骸,更多是指火箭箭体结构的大残骸,以我国载人航天工程所使用的“神箭”长征二号F运载火箭为例,该火箭在发射后几分钟内,火箭的逃逸塔、助推器、一级火箭、整流罩等重要组成部分,会相继按照预定程序分离,由于上升的高度不高,很快就坠落回地面。

  大部分的火箭二级或三级,往往会飞得更高只靠一级飞行就能实现有效载荷精确入轨的火箭——长征五号B的一级,它们作为末级要将卫星送入轨道,实际上已经进入了太空。

  以长征五号B火箭为例,它的末级位于低地球轨道上,靠近大气边缘的气体足以造成阻力,拖曳着火箭末级,逐渐降低轨道高度,直至再入大气层。不过,不用担心这部分火箭造成的威胁,由于火箭壳体为薄壁结构,在很大的再入速度和没有任何“防护”措施的条件下,火箭残骸通过与大气剧烈摩擦产生大量的热,会在天空中焚烧殆尽,变成美丽的流星。

  记者:国内外火箭入轨级残骸,一般如何处理?

  钱航:国内外火箭末级均随有效载荷进入轨道,由于近地轨道高度较低,会在较短时间再入;地球同步转移轨道等高度较高,再入时间一般长达数十年,甚至不会再入。

  火箭末级与有效载荷分离后,一般通过钝化措施避免产生空间碎片,包括排出剩余推进剂、排出高压气瓶内的气体、消耗掉电池的剩余电量等。

  末级箭体速度达到或者接近第一宇宙速度,由于速度和质量较大,除非损失较大运载能力,否则难以通过改变速度增量方式实现残骸的受控再入。针对末级箭体,主要通过轨道监测预警,及时规避。

  记者:火箭残骸砸中人的概率高吗?

  钱航:从上世纪70年代到80年代,全球每年约有200个火箭和卫星坠落,最近每年也有50个左右。其中大部分在大气层燃为灰烬,每年只有极少数航天飞行器的残余零部件落到地面。

  一般来说,航天飞行器零部件残骸砸中人的概率是极低的,砸中某个特定人员的概率,更是几十万亿分之一,远远低于交通事故发生的概率。航天飞行器应达到一项标准,即,在坠向地球时砸中地面人员的概率要降至万分之一以下。

  记者:火箭残骸都需要回收或监测吗?

  钱航:我国三大传统发射场——酒泉、太原、西昌都位于内陆,每次发射前提前设计好残骸落点,通常会选择人烟稀少的区域,有时根据需要还会前往落点回收火箭残骸。

  我国的新发射场——文昌航天发射场位于海边,是我国第一个滨海发射场。我国新一代大型中型火箭——长征五号、长征五号B、长征七号、长征八号都在这里发射。每次发射这些火箭的残骸,直接掉到公海里,不会造成威胁。

  设计人员会事先计算出火箭残骸落海区域,也会有相关人员监测任务海区。

  记者:如何进行残骸回收,又如何保证落区安全?

  钱航:火箭发射前一周,落区工作组奔赴落区。落区多是偏远山区或大漠戈壁,地广人稀、交通不便。有的地方山高谷深、重峦叠嶂,有的悬崖峭壁、流急滩险,有的黄沙荒漠、连绵不绝。要是遇上连日阴雨,出现塌方和滑坡,更是让落区回收工作险象环生。

  每到一个地方,工作组都要召集当地公安、消防、林业、交通、教育等部门召开动员部署会,落区工作人员通过广播、短信、微信等形式将火箭发射的消息告诉落区群众,搞好宣传动员。落区工作人员还会挨家挨户进行检查督导,确保宣传动员家喻户晓、人人皆知。

  火箭升空前1小时,落区上空会响起防空警报,工作组将群众全部疏散到空旷、开阔的场地,确保落区群众生命安全。火箭发射升空后,做好对空观察,及时避让火箭残骸。

  经过10多分钟的等待,火箭残骸划过天空,落入提前计算出来的预定区域。工作组利用声音、定位系统、地形图等预判落点位置,并通过前方观察哨确认残骸具体落点,组织人员看管残骸现场。回收分队赶赴残骸现场,组织技术人员将残骸上的火工品和剩余燃料进行清理,然后对残骸进行切割、分解、回收。

  记者:如何控制火箭残骸的坠落?

  钱航:2020年3月9日,我国用长征三号乙运载火箭成功发射第54颗北斗导航卫星。在此次任务中,火箭助推器首次验证了基于降落伞的落区控制技术。

  当长征三号乙运载火箭将北斗卫星送入太空后,助推器在内的火箭残骸如何处理是发射任务中的一个难题。

  而在此次任务中,研制人员给火箭的一个助推器安装了多个降落伞,在坠落过程中先后展开,成功控制了助推器坠落时的姿态和方向。以往助推的落区范围大概是30×90公里,是2700平方公里。通过翼伞来控制它,落到指定的点,这个面积会大幅缩减。

  记者:火箭残骸能做到全程跟踪吗,多久能找到残骸?

  钱航:事实上,从提出“伞降控制”方案,到这次成功实现试验验证,已跨越了10多年时间。难点是“伞怎么打开”。

  一个助推器大概有4吨的重量,它分离的时候,速度大概是2000多米每秒,它的姿态是不受控的,这种情况下怎么把伞打开,并且打开之后使伞不受破坏,是比较难的地方。

  要想解决这个问题,就需要找到一个准确的开伞时机,让助推器的角度、速度和姿态等指标,都能满足开伞的要求。为了准确地抓住这个时机,研制人员在助推器上安装了一套测量装置,能够实时监测到助推器的位置和姿态。

  不仅如此,这套装置还基于北斗系统,实现在复杂野外山林地区的精准定位跟踪,研制人员5分钟内就精确知道它的落点位置,相当于整个再入过程是全程跟踪的。

  这也是我国首次在火箭发射任务中实现残骸信息的实时接收、处理和显示。根据定位到的落点位置,研制人员在25分钟之内就找到了火箭残骸。而此前完成这项工作短则需要几个小时,长则需要数月。

  后续,研制团队将在前期搭载试验的基础上,继续改进和优化方案,不断提升产品的可靠性,实现产品的批量化、低成本生产,进而大幅提高火箭残骸的落区安全性。

  记者:我国的运载火箭,未来能否做到重复使用?

  钱航:2019年,长征二号丙火箭成功把3颗卫星送入预定轨道,另外还“低调地”取得了一项成果,就是实现了子级火箭的精确落地,简单来说就是让火箭的残骸精确降落在预定的地点。

  这个黑科技又叫“基于栅格舵的落区精确控制技术”。虽然我国运载火箭是首次运用这种技术,但仍获得了试验的成功,因此成为世界上第二个掌握这种技术的国家。

  近年来,中国运载火箭发射呈现高强度、高密度的态势,仅2020年就发射了39次,平均每月3次之多。因此火箭残骸降落带来的安全问题,越来越受人们关注。按照惯例,火箭在发射前会事先划出一个供火箭残骸降落的地区,基本都是选择一些人烟稀少的地区,一般长宽约数十公里的范围。由此可见,在“栅格舵控制技术”出现之前,火箭残骸降落的区域范围很大,该技术实现了子级火箭的精确落地,将火箭残骸降落的区域范围控制在极小范围内,极大减轻了落区工作人员避险和搜救的工作量。

  航天器的回收技术早已成熟,如今连火箭助推器的残骸都能实现精准回收。这种技术让运载火箭在未来重复使用成为可能,除了符合绿色环保的时代要求,也让航天发射的最后一个高危环节得到了有效管控。

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