火箭残骸和太空垃圾会不会砸到你

出品：科普我国

制造：太空精酿

监制：我国科学院计算机网络信息中心

人类航天事业的柱石是运载火箭技能，正是一枚枚火箭在轰鸣声中惊天动地起飞，才有了军事、气候、通讯、遥感、导航、科学运用、载人航天和深空勘探等多种或许性。但许多人往往忽视了一点：人类受困于强壮的地球引力和稠密的大气层影响，火箭运送功率极低，有用载荷仅为总分量的1-5%左右。

人类超级火箭土星五号和它巨大的一级发动机（图源：NASA）

以人类有史以来最强的登月火箭土星五号为例，它的总分量约为3000吨。榜首级总重约2290吨，其间壳体和发动机质量仅为130吨，2160吨都为液氧火油燃料。发动机作业时刻规范流程为165秒，均匀每一秒焚烧13.1吨燃料，换算成汽油差不多够一辆百公里油耗10升的小汽车盘绕地球赤道开4圈半！

但它能送到月球的有用载荷仅为45吨重的阿波罗飞船，比重仅为1.5%。假如考虑到真实的有用载荷仅为三位宇航员和有限的科学仪器，这个功率低到令人发指。其余部分简直都是燃料和火箭残骸。

长三乙结构（图源：我国长城工业集团有限公司）

我国主力火箭长征三号乙，是嫦娥探月、斗极卫星导航、天链一号、通讯卫星系列等背面的超级英豪。它整体上能够分为22个部分[1]，但是真实有用载荷就只有第2部分：卫星，占火箭整体分量仅为1%左右。

余下的99%中，除了图中并没有标示出的燃料，其他21个部分都能够叫做同一个名词：火箭残骸！这是咱们进行航天事业全部必要接受的价值。

尽管同是残骸，但是咱们不一样

火箭残骸包含许多品种。依照火箭残骸的发生流程，可大致分为如下几个部分：

1.飞来横祸

望文生义，这部分残骸是在火箭发射后不久会从头回来地面，乃至在火箭刚开端吼叫轰动时就开端“掉渣/残骸”：这其实往往是保温泡沫或结的冰。

猎鹰9号火箭在发射最开端阶段就坠落“残骸”（图源：SpaceX）

大气密度很大，这个阶段发生的残骸高度不行、速度很低、因此这些残骸底子没能打破大气。依照火箭推动的原理，全部的火箭简直都要规划成多级形式，越靠下面的部分越大也越强力（参阅上文土星五号的介绍）。这意味着这部分天外飞祸特点是：十分大、十分贵、也十分危险！

以我国每次载人航天都要运用到的长征2F主力火箭为例，在发射后约3分钟内，火箭的逃逸塔、助推器、一级火箭、整流罩等重要组成就会相继程序别离，终究别离的整流罩最大高度也仅为100千米左右，引力作用下，它们必然会回来地球。

因为程序别离时刻、别离姿势、气候条件等各不相同，它们的坠落区往往涣散且面积巨大。因为前史和技能原因，我国的三大传统发射场酒泉、太原和西昌都坐落内陆，每次发射都要侧重考虑这一批残骸的破坏力。

长征2F火箭底子结构（图源：敞开版权）

2.“天外来客？”

跟着火箭持续飞翔，火箭二级将会持续完结推高航天器轨迹的重担，以至于它别离时往往本身动能现已足以盘绕地球。但此刻轨迹高度仍然在200千米左右，这儿大气尽管淡薄却能够形成满足阻力，火箭二级往往仍是会回来地球。

因为高空大气的状况复杂，火箭二级被丢掉后姿势也无法确认，回来地球的轨迹、时刻和冲击大气地址很难猜测。2016年6月25日我国初次发射新一代火箭长征七号，火箭二级在太空中自在飞翔了一个多月后，于7约27日当地晚间在北美中西部再入大气。

但咱们不用忧虑火箭二级形成的要挟。它们没有任何防热办法，再入大气时速度大、空气稠密，它们往往变成美丽的流星，焚毁在大气中。

也有极个别状况火箭二级或许变成“飞来横祸”。前史上最接近二级火箭飞来横祸的是一位叫Lottie Williams的美国人，在1997年她被一个德尔塔－2型火箭二级回来地球时的碎片擦过膀子。所幸仅仅细微擦过，并未受伤，便是吓了一跳。假如再偏一点砸到头上，底子便是必死了。

把她叫做国际上最走运的人，并不为过（图源：敞开版权）

整体上，人类航天60年来，从未发生过任何盘绕地球的火箭残骸或太空废物击中人类的事例。

3.永久的太空废物

关于许多高轨卫星而言，旅程远未完毕，运送它们的火箭往往还有第三级、上面级等重要结构。

例如，我国主力火箭长三乙能够带着一个远征一号上面级[2]，便是靠这个“太空摆渡车”才完结了数次斗极卫星导航系统“一箭双星”使命。请注意，这种一箭双星使命所需求的技能，是远远超越其他“一箭N星”使命的。那些往往是处在相同轨迹，火箭仅仅到站“撒马铃薯”罢了。

此刻卫星被别离时轨迹现已十分高，这些火箭残骸注定简直不或许回来地球大气。以2015年7月25日我国长三乙+远征一号“一箭双星”发射斗极导航卫星（M1S和M2S）为例，直到今日（2019年8月12日）长三乙的第三级仍然飞在近地址382千米、远地址16587千米的大椭圆轨迹，而一起升空的远征一号更夸大，它飞在近地址22042千米、远地址27866千米的超级椭圆轨迹。到人类灭绝都不或许回来地球[3]！

事实上，有许多人类航天事业前期发射高轨卫星带来的火箭残骸，直到今日仍然在太空周游。

而关于许多深空勘探使命，方针轨迹简单超越月球的间隔，这些火箭残骸现已远到无法追寻了。例如猎鹰重型火箭2018年2月6日初次试射后，它的火箭二级牢牢绑在特斯拉电动车背面，现在现已大约到了相对地球的太阳系另一面了。

地球和猎鹰重型二级这一火箭残骸的相对联系（图源：whereisroadster）

4.太空事端

火箭的结构和资料都不是为了在太空中经年累月作业而规划的，这就意味着它们的运用寿命十分短：往往是完结发射使命即可。例如，载人航天用的火箭仅运用10多分钟就使命完毕，高轨使命也仅为数小时。

这就意味着：那些成为长时间太空废物的火箭残骸，并不安稳。在长时间的真空高辐射环境影响下，很简单呈现未燃尽燃料走漏、磕碰乃至结构崩溃的危险。而这些巨大的太空废物一旦崩溃，可谓是一整个轨迹的灾祸，影响当时乃至后续的全部使命。

从某种程度讲，这些难以猜测和操控的太空事端，是最恐惧的。

那么，这么多火箭残骸，该怎么处理它们？

飞来横祸：能收回就收回，收回不起要躲得起！

火箭一级和整流罩等往往是火箭体积分量最大、最中心也最贵重的部分，占有火箭整体本钱的80%以上，却是最早被丢掉的，十分惋惜！并且十分危险。

处理它们，有用的方法又有三种：

1、收回。这也是SpaceX、蓝色来源、航天飞机固体助推器和我国新一代火箭规划时考虑的要点要素。现在，SpaceX依托这个技能声名鹊起，不只能够依托一级火箭反推平稳收回，还能使用整流罩降落伞减速滑翔和接驳船大网完结收回，简直毫不糟蹋。

SpaceX使用火箭一级收回技能名声大噪（图源：SpaceX）

2、彻底弃用。这是国际干流火箭的首要处理方法，因为传统火箭发动机规划和结构问题，许多火箭底子无法复用，简直毫无收回价值，最理想的状况反而是丢掉。但仅有靠海的发射场能完结这一完美主义：例如美国的范德堡空军基地、肯尼迪航天中心、卡尔维拉尔角，我国文昌，欧洲法属圭亚那。

3、极力削减残骸影响。关于苏联拜科努尔、普列谢茨克，我国酒泉、太原、西昌这些内陆发射场，则不或许防止飞来横祸，但能够大大减小它的影响。例如我国在7月26日长二丙火箭发射遥感30组-05卫星时，给火箭一级的级间段安装了栅格舵，在一级残骸落地进程中起到安稳姿势和减速的作用，大大削减了残骸的或许影响区间，成为国际第二个运用此技能的事例，也为我国未来新一代可收回火箭堆集名贵经历。

装了栅格舵的级间段（图源：航天科技集团）

“天外来客”，可控再入

火箭第二级成为残骸时往往现已有才能盘绕地球飞翔、回来地球状况难以猜测、且究竟仍是存在必定危险，当然有必要妥善处理。

SpaceX在完结一级收回后，从前极力收回第二级，但是第二级的价值真实有限、且收回间隔太远、本钱太高，导致终究扔掉了此项技能。但这并不意味着第二级就此被丢掉：它的执行使命周期很短，在使命完毕后，能够使用剩下燃料，自己冲进大气。因为地球绝大部分外表都是大洋，能够很简单操控它们焚毁并终究残骸落入安全区域，极力削减潜在要挟。

能够用网捕法铲除低轨火箭残骸和作废卫星（图源：ESA）

而关于现已进入太空、间隔地球较近、且一时半会无法回来的火箭残骸，则能够采纳人工搅扰的方法进行移除。例如选用新一次发射使命，用小型航天器接近火箭残骸，选用鱼叉法、网捕法、太阳光帆、拖拽法等将其终究拖入大气焚毁[4]。

尽管人类从未被这个阶段的火箭残骸伤害过，但它们对正常卫星潜在要挟极大，极有或许造就更多新的废物。“杞人忧天”仍是有必要的。

永久的太空废物：“国际那么大，你们出去看看”

这个阶段的太空废物现已过分悠远，以至于把它们从头带回地球大气的本钱真实太高，因小失大。此刻的有用手法便是让它们远离地球邻近的名贵轨迹，进入深空。

这个进程底子只能靠它在完结作业之后自主完结：使用剩余的燃料，拼尽全部力气，燃尽终究一滴，极力逃离地球。

例如我国在2015年3月30日的长三丙火箭发射斗极I1-S卫星时，远征一号上面级首秀，它在使命成功、将卫星送入轨迹后，终究阶段就执行了这么一个指令，拼尽全力远离地球。时至今日，它的轨迹间隔地球最远点现已到达15万千米！是地球半径的20多倍，底子不或许再与人类相见。

远征一号轨迹（图源：stuffin.space）

只要能根绝前三类火箭残骸，也就不太或许呈现火箭残骸事端形成的新残骸了。

人类航天事业，是人类科技史上的奇观，它的方方面面无不闪耀着人类最光辉的才智和创造力光辉，即使关于火箭残骸的处理亦是如此。不过，当咱们看到火箭残骸的种种处理技能时，更应该对这些蜡炬成灰泪始干的“残骸”坚持敬畏：

是它们献身自己，托起了人类一个又一个航天愿望。

参阅文献：

1. http://cn.cgwic.com/Launchservice/LM3B.html

2. 怡园，远征一号甲——升级版太空摆渡车，《太空探究》2016年7月第7期。

3. http://parison of active space debris capturing and removal methods. Progress in Aerospace Sciences, 80, 18-32.