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別只惦記火箭上天 殘骸回收也有大講究
发稿时间:2020-12-22 09:54   来源: 科技日報

  專家告訴你,火箭殘骸落區怎樣選定、殘骸會帶來什么影響、如何最大限度規避損失……

  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、危險品可能會形成次生危害,請廣大群眾不要近距離圍觀或接觸殘骸,嚴禁私自拆卸、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日發布的一則緊急通知。

  這則通知針對的是近期的一次火箭發射任務。12月6日11時58分,我國在西昌衛星發射中心,用長征三號乙運載火箭(以下簡稱長三乙火箭)成功發射高分十四號衛星。上述通知中提示:西雙版納傣族自治州勐??h勐滿鎮、西定鄉、勐遮鎮、勐阿鎮部分區域將執行火箭殘骸落區任務,屆時相關道路將進行管制,請當地居民按照政府通知要求做好疏散防護……

  火箭殘骸落區是怎樣選定的,這些殘骸會帶來什么影響,如何最大限度規避損失?圍繞這些問題,中國航天科技集團一院(中國運載火箭技術研究院)的專家向科技日報記者進行了介紹。

  影響:除了物理打擊,還有爆炸風險

  通俗地講,運載火箭分離后再入段未采取飛行控制和回收措施的子級都將可能出現結構破裂甚至爆炸,進而形成殘骸。

  據中國航天科技集團一院長征二號丙運載火箭型號總體設計師李君介紹,國內外現役運載火箭通常都是多級火箭,除了與衛星相連的末級火箭,其余結構體包括助推器、子級乃至整流罩,在發揮完各自作用后,都會在火箭飛行的不同階段出現分離、掉落。以12月6日發射的長三乙火箭為例,其為三級火箭,捆綁有4枚助推器,能夠產生殘骸的子級包括助推器、一子級、二子級、整流罩等。

  火箭殘骸的危害表現在不同方面。

  首先,其從天而降,將對地面形成“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,罩在衛星外面,通常是在火箭飛出大氣層后再進行分離,分離時飛行高度超過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,再入過程中大氣阻力的減速作用顯著,分析和飛行測量數據表明,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??鋸堻c說,只要你身手敏捷,從發現下墜的整流罩就開始躲避,完全可以避免被直接擊中。

  而火箭子級和助推器掉下來,就不會這么“客氣”。由于這些結構體均為圓柱形,氣動面積較小,內部包含發動機、儲箱等,總體質量較大,因此再入速度快、撞擊威力驚人。李君說,火箭一子級的落地速度可超過每秒百米。據報道,2013年12月2日,長三乙火箭發射嫦娥三號探測器以后,一級火箭殘骸落在湖南省邵陽市綏寧縣,砸壞了2間民房。好在當地提前組織疏散,沒有造成人員傷亡,受損村民也得到了賠償。

  除了高空墜物,火箭子級里殘留的推進劑和高壓氣體也有危害。

  李君介紹說,火箭是由箭體結構、增壓輸送系統、電氣系統、動力系統等組成的復雜系統,為了確保其中一個或幾個環節在出現有限偏差狀況下,火箭還能圓滿完成發射任務,各級推進劑均會留出一定的備用量,使用兩種推進劑的火箭,推進劑至少各有上百千克的備用量。

  傳統液體燃料運載火箭的一、二級,所用推進劑是四氧化二氮和偏二甲肼。這兩種燃料有如下特點:一是有毒,會對土壤、植物、水資源造成污染,達到一定濃度會威脅到人身安全;二是容易自燃,兩種燃料一旦接觸就會燃燒,量多的話甚至會出現爆炸。當火箭子級以每秒上百米的速度砸到地面時,“皮薄”的箭體貯箱極易在落地沖擊作用下破裂,原本存放在不同儲箱里的兩種燃料極大概率會瞬間大面積混合而發生爆炸。爆炸威力通常很大,可能將重達600多千克的發動機崩得很遠,爆炸聲也可能將幾十米內的窗戶玻璃震碎。

  若火箭子級落地時未出現貯箱破裂導致的爆炸,也不意味著就安全了?;鸺w行中其推進劑貯箱內通常有2—3個大氣壓力,甚至更高,若著陸時貯箱未破裂,將需要很長的時間來釋放其中的壓力;同時,火箭子級還有各種用途不一、壓力不一的氣瓶,譬如控制發動機擺動的伺服機構用氣瓶的壓力高達21兆帕,約210個大氣壓。

  以上這些便是火箭發射前要求殘骸落區進行人員疏散、火箭殘骸需要專業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性,為火箭殘骸設定落區是各國進行航天發射時都要面臨的問題。

  由于助推器、一子級、二子級、整流罩等結構體是在火箭飛行的不同階段分離,因此一次發射任務會涉及幾個落區。

  以一級殘骸落區為例,李君介紹說,火箭的飛行軌道、箭下點(火箭飛行時在地面的投影點)、一二級分離的位置,都是提前精密設計好的,結合分離時的飛行速度、傾角等參數,就可以計算出殘骸的中心落點。但在火箭實際飛行中,種種不確定因素如載荷質量的輕微變化、發動機推力的細微變化等,都可能使一二級分離點有所偏離。

  同時,分離時的速度、姿態角等參數的變化,也會進一步影響落點精度。例如長三乙火箭一子級從分離到落地大約要經過300多秒。如果分離速度存在每秒10多米的誤差,僅此一項就會讓最終落點偏離預定范圍好幾公里。此外,傳統火箭的結構體分離后,都是以無控狀態再入,過程中的姿態狀況及氣動特性等都是不確定的,這也會形成一定偏差量。

  為此,科研人員通過開展大量試驗積累數據,結合種種概率來計算殘骸可能散布的地點,以此劃出落區的范圍。

  李君介紹說,同一型號火箭,在不同軌道、不同構型、不同控制方案等情況下,落區也不同。比如長征二號丙火箭在西昌發射遙感三十號衛星任務時,軌道傾角35°,火箭起飛后往東飛。由于我國處于西風帶,火箭便是順著高空風飛,因而其一級殘骸落區大致是個面積約1200平方公里、飛行方向長、兩側方向窄的長方形。而在西昌發射傾角97°左右的太陽同步軌道衛星時,高空風主要作用在理論飛行軌道的側面,將會導致一子級殘骸落區更接近一個面積略大的正方形?;鸺蛹売捎诜蛛x高度更高、速度更快,再入過程的不確定性更大,導致其殘骸落區范圍也更大一些。

  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星發射中心升空。這次任務除了將3顆衛星送入軌道,還成功開展了我國首次柵格舵分離體落區安全控制技術試驗。

  此次試驗的柵格舵由眾多薄薄的柵格壁鑲嵌在邊框內構成,安裝在長二丙火箭一子級上?;鸺l射升空時,它緊貼箭體側壁,在一子級分離再入階段解鎖、展開,并按指令轉動控制一子級的姿態和飛行軌跡,最終實現對一子級落點的精確控制。

  李君介紹,相比過去一子級的無控下落,通過柵格舵的控制,一子級落區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作為落區,任務將十分艱巨,而遴選出60平方公里的無人區就相對容易多了。

  李君說,科研人員正在深入研究,力爭將傳統常規推進劑火箭的落點精度提高到幾平方公里內,最終實現“定點著陸”;同時,實現在一定范圍內選擇落點,通過指定哪片區域就讓火箭落到哪里,來進一步消除火箭子級殘骸對落區人民生產、生活的影響。

  除落點位置控制外,火箭科研人員還正在研究備用推進劑的安全處置策略并已初步得到飛行試驗考核驗證——火箭子級在高空再入飛行過程中,將推進劑通過發動機腔向外排放,兩種推進劑混合將會自燃,生成水和氮氣等無污染產物,即使這兩種推進劑未完全燃燒,由于火箭子級飛行高度高、對外排放流量低,它們也會在空中被自然稀釋掉,不會對環境造成危害。

  隨著我國采用液氧煤油的大中小型運載火箭全面投入應用,科研人員正全力開展火箭垂直著陸、無損回收技術和重復使用技術的研究。屆時,分離后再入的子級也將擺脫“殘骸”的命運,再次循環進入到相關科研試驗中。(記者 付毅飛)



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