零距離本報記者獨家對話(huà)航天專(zhuān)家——
火箭殘骸都去哪兒了
靴子終于落地了。
據中國載人航天工程辦公室消息，2021年5月9日10時(shí)24分，長(cháng)征五號B遙二運載火箭末級殘骸已再入大氣層，落區位于東經(jīng)72.47°、北緯2.65°周邊海域。經(jīng)監測分析，絕大部分器件在再入大氣層過(guò)程中燒蝕銷(xiāo)毀。
10天之前，搭載中國空間站天和核心艙的長(cháng)征五號B遙二運載火箭，在我國文昌航天發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火升空，天和核心艙與火箭成功分離，進(jìn)入預定軌道。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天，中國載人航天工程辦公室接連發(fā)布兩則公告，先是預告了火箭末級殘骸再入大氣層的時(shí)間和區域，后是公布了再入大氣層的實(shí)際時(shí)間、區域，以及監測分析情況。
近些年，隨著(zhù)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(wèn)題備受矚目。中青報·中青網(wǎng)記者獨家對話(huà)航天科技集團中國運載火箭技術(shù)研究院總體設計部青年設計師錢(qián)航，就相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了訪(fǎng)談。
記者：火箭殘骸從哪里來(lái)，又會(huì )到哪里去？
錢(qián)航：運載火箭將衛星或飛船發(fā)射送入太空，正是一個(gè)自我犧牲的過(guò)程。
在火箭飛行過(guò)程中，掉下來(lái)的部分稱(chēng)之為殘骸。實(shí)際上，火箭殘骸包括很多種類(lèi)。按照火箭殘骸的產(chǎn)生流程，可大致分為如下幾個(gè)部分：
部分殘骸是在火箭發(fā)射后，幾乎馬上就會(huì )重新返回地面，甚至在火箭剛開(kāi)始呼嘯震動(dòng)時(shí)，就開(kāi)始掉落“殘骸”.這其實(shí)是火箭外部的保溫泡沫或凝結而成的冰。
不過(guò)人們常說(shuō)的殘骸，更多是指火箭箭體結構的大殘骸，以我國載人航天工程所使用的“神箭”長(cháng)征二號F運載火箭為例，該火箭在發(fā)射后幾分鐘內，火箭的逃逸塔、助推器、一級火箭、整流罩等重要組成部分，會(huì )相繼按照預定程序分離，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(huì )飛得更高只靠一級飛行就能實(shí)現有效載荷精確入軌的火箭--長(cháng)征五號B的一級，它們作為末級要將衛星送入軌道，實(shí)際上已經(jīng)進(jìn)入了太空。
以長(cháng)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(zhù)火箭末級，逐漸降低軌道高度，直至再入大氣層。不過(guò)，不用擔心這部分火箭造成的威脅，由于火箭殼體為薄壁結構，在很大的再入速度和沒(méi)有任何“防護”措施的條件下，火箭殘骸通過(guò)與大氣劇烈摩擦產(chǎn)生大量的熱，會(huì )在天空中焚燒殆盡，變成美麗的流星。
記者：國內外火箭入軌級殘骸，一般如何處理？
錢(qián)航：國內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(huì )在較短時(shí)間再入；地球同步轉移軌道等高度較高，再入時(shí)間一般長(cháng)達數十年，甚至不會(huì )再入。
火箭末級與有效載荷分離后，一般通過(guò)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?jì)鹊臍怏w、消耗掉電池的剩余電量等。
末級箭體速度達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(guò)改變速度增量方式實(shí)現殘骸的受控再入。針對末級箭體，主要通過(guò)軌道監測預警，及時(shí)規避。
記者：火箭殘骸砸中人的概率高嗎？
錢(qián)航：從上世紀70年代到80年代，全球每年約有200個(gè)火箭和衛星墜落，最近每年也有50個(gè)左右。其中大部分在大氣層燃為灰燼，每年只有極少數航天飛行器的殘余零部件落到地面。
一般來(lái)說(shuō)，航天飛行器零部件殘骸砸中人的概率是極低的，砸中某個(gè)特定人員的概率，更是幾十萬(wàn)億分之一，遠遠低于交通事故發(fā)生的概率。航天飛行器應達到一項標準，即，在墜向地球時(shí)砸中地面人員的概率要降至萬(wàn)分之一以下。
記者：火箭殘骸都需要回收或監測嗎？
錢(qián)航：我國三大傳統發(fā)射場(chǎng)--酒泉、太原、西昌都位于內陸，每次發(fā)射前提前設計好殘骸落點(diǎn)，通常會(huì )選擇人煙稀少的區域，有時(shí)根據需要還會(huì )前往落點(diǎn)回收火箭殘骸。
我國的新發(fā)射場(chǎng)--文昌航天發(fā)射場(chǎng)位于海邊，是我國第一個(gè)濱海發(fā)射場(chǎng)。我國新一代大型中型火箭--長(cháng)征五號、長(cháng)征五號B、長(cháng)征七號、長(cháng)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(huì )造成威脅。
設計人員會(huì )事先計算出火箭殘骸落海區域，也會(huì )有相關(guān)人員監測任務(wù)海區。
記者：如何進(jìn)行殘骸回收，又如何保證落區安全？
錢(qián)航：火箭發(fā)射前一周，落區工作組奔赴落區。落區多是偏遠山區或大漠戈壁，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，出現塌方和滑坡，更是讓落區回收工作險象環(huán)生。
每到一個(gè)地方，工作組都要召集當地公安、消防、林業(yè)、交通、教育等部門(mén)召開(kāi)動(dòng)員部署會(huì )，落區工作人員通過(guò)廣播、短信、微信等形式將火箭發(fā)射的消息告訴落區群眾，搞好宣傳動(dòng)員。落區工作人員還會(huì )挨家挨戶(hù)進(jìn)行檢查督導，確保宣傳動(dòng)員家喻戶(hù)曉、人人皆知。
火箭升空前1小時(shí)，落區上空會(huì )響起防空警報，工作組將群眾全部疏散到空曠、開(kāi)闊的場(chǎng)地，確保落區群眾生命安全?；鸺l(fā)射升空后，做好對空觀(guān)察，及時(shí)避讓火箭殘骸。
經(jīng)過(guò)10多分鐘的等待，火箭殘骸劃過(guò)天空，落入提前計算出來(lái)的預定區域。工作組利用聲音、定位系統、地形圖等預判落點(diǎn)位置，并通過(guò)前方觀(guān)察哨確認殘骸具體落點(diǎn)，組織人員看管殘骸現場(chǎng)?；厥辗株犣s赴殘骸現場(chǎng)，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(qián)航：2020年3月9日，我國用長(cháng)征三號乙運載火箭成功發(fā)射第54顆北斗導航衛星。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控制技術(shù)。
當長(cháng)征三號乙運載火箭將北斗衛星送入太空后，助推器在內的火箭殘骸如何處理是發(fā)射任務(wù)中的一個(gè)難題。
而在此次任務(wù)中，研制人員給火箭的一個(gè)助推器安裝了多個(gè)降落傘，在墜落過(guò)程中先后展開(kāi)，成功控制了助推器墜落時(shí)的姿態(tài)和方向。以往助推的落區范圍大概是30×90公里，是2700平方公里。通過(guò)翼傘來(lái)控制它，落到指定的點(diǎn)，這個(gè)面積會(huì )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(qián)航：事實(shí)上，從提出“傘降控制”方案，到這次成功實(shí)現試驗驗證，已跨越了10多年時(shí)間。難點(diǎn)是“傘怎么打開(kāi)”.
一個(gè)助推器大概有4噸的重量，它分離的時(shí)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(kāi)，并且打開(kāi)之后使傘不受破壞，是比較難的地方。
要想解決這個(gè)問(wèn)題，就需要找到一個(gè)準確的開(kāi)傘時(shí)機，讓助推器的角度、速度和姿態(tài)等指標，都能滿(mǎn)足開(kāi)傘的要求。為了準確地抓住這個(gè)時(shí)機，研制人員在助推器上安裝了一套測量裝置，能夠實(shí)時(shí)監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，實(shí)現在復雜野外山林地區的精準定位跟蹤，研制人員5分鐘內就精確知道它的落點(diǎn)位置，相當于整個(gè)再入過(guò)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(shí)現殘骸信息的實(shí)時(shí)接收、處理和顯示。根據定位到的落點(diǎn)位置，研制人員在25分鐘之內就找到了火箭殘骸。而此前完成這項工作短則需要幾個(gè)小時(shí)，長(cháng)則需要數月。
后續，研制團隊將在前期搭載試驗的基礎上，繼續改進(jìn)和優(yōu)化方案，不斷提升產(chǎn)品的可靠性，實(shí)現產(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安全性。
記者：我國的運載火箭，未來(lái)能否做到重復使用？
錢(qián)航：2019年，長(cháng)征二號丙火箭成功把3顆衛星送入預定軌道，另外還“低調地”取得了一項成果，就是實(shí)現了子級火箭的精確落地，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是讓火箭的殘骸精確降落在預定的地點(diǎn)。
這個(gè)黑科技又叫“基于柵格舵的落區精確控制技術(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(gè)掌握這種技術(shù)的國家。
近年來(lái)，中國運載火箭發(fā)射呈現高強度、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(lái)的安全問(wèn)題，越來(lái)越受人們關(guān)注。按照慣例，火箭在發(fā)射前會(huì )事先劃出一個(gè)供火箭殘骸降落的地區，基本都是選擇一些人煙稀少的地區，一般長(cháng)寬約數十公里的范圍。由此可見(jiàn)，在“柵格舵控制技術(shù)”出現之前，火箭殘骸降落的區域范圍很大，該技術(shù)實(shí)現了子級火箭的精確落地，將火箭殘骸降落的區域范圍控制在極小范圍內，極大減輕了落區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(shí)現精準回收。這種技術(shù)讓運載火箭在未來(lái)重復使用成為可能，除了符合綠色環(huán)保的時(shí)代要求，也讓航天發(fā)射的最后一個(gè)高危環(huán)節得到了有效管控。（記者 邱晨輝）
