火箭残骸回收的学问

2020-12-25 09:01 来源:科技日报 2115 点击

“火箭残骸里剩余残留物、危险品可能会形成次生危害,请广大群众不要近距离围观或接触残骸,严禁私自拆卸、拾捡、隐藏、贩卖和收购火箭残骸……”这是西双版纳傣族自治州人民政府近日发布的一则紧急通知。这则通知针对的是近期的一次火箭发射任务。火箭残骸落区是怎样选定的,这些残骸会带来什么影响?中国航天科技集团一院(中国运载火箭技术研究院)的专家向读者进行了介绍。

影响:

除了物理打击,还有爆炸风险

通俗地讲,运载火箭分离后再入段未采取飞行控制和回收措施的子级都将可能出现结构破裂甚至爆炸,进而形成残骸。

据中国航天科技集团一院长征二号丙运载火箭型号总体设计师李君介绍,国内外现役运载火箭通常都是多级火箭,除了与卫星相连的末级火箭,其余结构体包括助推器、子级乃至整流罩,在发挥完各自作用后,都会在火箭飞行的不同阶段出现分离、掉落。

火箭残骸的危害表现在不同方面。

首先,其从天而降,将对地面形成“物理打击”,但不同分离部位的“打击”力度有所不同。例如整流罩,其具有壳薄、重量轻、面积大的特点,再入过程中大气阻力的减速作用显著。夸张点说,只要你身手敏捷,从发现下坠的整流罩就开始躲避,完全可以避免被直接击中。

而火箭子级和助推器掉下来,就不会这么“客气”。由于这些结构体均为圆柱形,气动面积较小,内部包含发动机、储箱等,总体质量较大,因此再入速度快、撞击威力惊人。李君说,火箭一子级的落地速度可超过每秒百米。

除了高空坠物,火箭子级里残留的推进剂和高压气体也有危害。

李君介绍说,火箭是由箭体结构、增压输送系统、电气系统、动力系统等组成的复杂系统,为了确保圆满完成发射任务,各级推进剂均会留出一定的备用量。传统液体燃料运载火箭的一、二级,所用推进剂是四氧化二氮和偏二甲肼。这两种燃料是有毒的,会对土壤、植物、水资源造成污染,达到一定浓度会威胁到人身安全;此外它们还容易自燃,两种燃料一旦接触就会燃烧,量多的话甚至会出现爆炸。

若火箭子级落地时未出现贮箱破裂导致的爆炸,也不意味着就安全了。火箭飞行中其推进剂贮箱内通常有2~3个大气压力,甚至更高,若着陆时贮箱未破裂,将需要很长的时间来释放其中的压力;同时,火箭子级还有各种用途不一、压力不一的气瓶,譬如控制发动机摆动的伺服机构用气瓶的压力高达21兆帕,约210个大气压。

以上这些便是火箭发射前要求残骸落区进行人员疏散、火箭残骸需要专业人员处置回收的原因。

偏差:

天上十多米,地上几公里

鉴于火箭残骸的危险性,为火箭残骸设定落区是各国进行航天发射时都要面临的问题。

由于助推器、一子级、二子级、整流罩等结构体是在火箭飞行的不同阶段分离,因此一次发射任务会涉及几个落区。同时,分离时的速度、姿态角等参数的变化,也会进一步影响落点精度。为此,科研人员通过开展大量试验积累数据,结合种种概率来计算残骸可能散布的地点,以此划出落区的范围。

李君介绍说,同一型号火箭,在不同轨道、不同构型、不同控制方案等情况下,落区也不同。比如长征二号丙火箭在西昌发射遥感三十号卫星任务时,轨道倾角35°,火箭起飞后往东飞。由于我国处于西风带,火箭便是顺着高空风飞,因而其一级残骸落区大致是个面积约1200平方公里、飞行方向长、两侧方向窄的长方形。而在西昌发射倾角97°左右的太阳同步轨道卫星时,高空风主要作用在理论飞行轨道的侧面,将会导致一子级残骸落区更接近一个面积略大的正方形。火箭二子级由于分离高度更高、速度更快,再入过程的不确定性更大,导致其残骸落区范围也更大一些。

一直以来,航天工作者都在寻找对策,降低火箭残骸的威胁。随着我国采用液氧煤油的大中小型运载火箭全面投入应用,科研人员正全力开展火箭垂直着陆、无损回收技术和重复使用技术的研究。届时,分离后再入的子级也将摆脱“残骸”的命运,再次循环进入到相关科研试验中。

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