火箭专家解读:大火箭再入“是否受控”是个伪命题

2021-05-19 02:43:02

太湖网

4月29日,我国长征五号B(以下简称长五B)遥二运载火箭搭载“天宫”-2号空间站核心舱“天和”号,于海南岛文昌火箭发射中心升空,并成功入轨。(资料图)

核心提示:

1、“天和”核心舱任务并非是长五B型火箭的首飞,事实上,在2020年5月5日将“天问”探测器送往火星的长五B遥一火箭,才是该型火箭的首飞任务。在一年前,长五B型火箭那巨大的芯级就已经出现在了近地轨道上,并且在173个小时后离轨再入大气层。而在一年前,西方舆论对那次再入的关注却是非常有限的。

2、“受控”还是“失控”并不是运载火箭再入这个话题的关键,真正重要的是“设计”和“预警”这两个部分。

3、中俄在载人航天的发展路径选择上比较接近,都针对载人空间站进行了长期的项目规划和体系建设,火箭残骸风险控制标准也都严格遵循执行。

2021年4月29日11时23分15秒(世界标准时UTC:4月29日3时23分15秒),我国长征五号B(以下简称长五B)遥二运载火箭搭载“天宫”-2号空间站核心舱“天和”号,于海南岛文昌火箭发射中心升空,并成功入轨,揭开了中国新一代空间站建设的序幕。但在随后不久,西方掀起了一股炒作“中国火箭残骸失控威胁”歪风,直到5月9日10时24分,该火箭芯级推进装置在大多部分部件已烧毁的情况下,残骸按照预定计划溅落南印度洋的无人海域,以有力的事实证据印证了我国火箭发射和在航天器再入方面的雄厚实力,也回击了西方媒体不负责任的抹黑言论,我国火箭是如何做到这一点的呢?为此,凤凰网专访了火箭工程师陈亮与陈曙光。以下内容主要来自对两位专家的采访。

一、长五B遥二芯级离轨再入过程始末

天和核心舱任务并非是长五B型火箭的首飞,事实上,在2020年5月5日将“天问”探测器送往火星的长五B遥一火箭,才是该型火箭的首飞任务。(资料图)

长五B火箭是长征五号系列火箭专门用于发射近地轨道载荷的版本,和长征5号火箭采用二级半构型不同的是,长五B遥二采取一级半构型,即火箭推进器级和芯级,在点火起飞阶段,助推器与芯级同时点火,产生推力使火箭离开地面,随后助推器在使火箭达到一定速度后脱离溅落西太平洋,芯级则继续加速,与载荷一同进入地球轨道。

长五B作为一款重型运载火箭,其芯级长度约33米,直径5米,总质量约186吨,其中推进剂约165吨。也就是说,在“天和”空间站核心舱送入预定轨道后,长五B火箭还会在轨道上留下一个足有33米长,至少21吨重的巨大部件。如果说“天和”核心舱是近几年来人类送入轨道的最大航天器,那么长五B遥二芯级就是“第二大”了。这次西方媒体针对长五B遥二芯级再入的舆论风波,主要针对的也正是这一点。

但是,天和核心舱任务并非是长五B型火箭的首飞,事实上,在2020年5月5日将“天问”探测器送往火星的长五B遥一火箭,才是该型火箭的首飞任务。也就是说,在一年前,长五B型火箭那巨大的芯级就已经出现在了近地轨道上,并且在173个小时后离轨再入大气层。而在一年前,西方舆论对这次再入的关注却是非常有限的。个中原因,恐怕只有某些掀起这些舆论风波的媒体才能说得清楚了。

二、离轨再入:说起来容易,做起来难

“受控”还是“失控”并不是运载火箭再入这个话题的关键,因为火箭在完成钝化离开轨道的时候,基本都是无法由地面进行控制的。(资料图)

从长五B两次芯级的再入之中,我们注意到一个有意思的细节,从起飞到再入时间间隔分别为173小时与239小时,有一定差异,但在国际标准上都属于离轨再入周期特别短暂的例子。离轨再入周期短,这是长五B型火箭一个不为人所注意的特点。这个特点的意义是什么呢?这一周期越短暂,对再入时间与地点的预判就越准确。

而完成任务后入轨的火箭部件离轨再入却面临着很大的技术难题。理论上,在地月系引力范围内的一切航天器,在失去动力后再入地球大气层都只是时间问题。但要加速这一进程,还需要采取一定的介入措施。

可是,火箭在与航天器分离后会首先经历一个被称为“钝化”的过程。在这一过程中,推进器会将残存在推进器内部的电能、推进剂、高压气体卸载出来。以防止火箭在再入过程中出现不必要的动作,甚至发生爆炸,在常用轨道上留下太空垃圾,影响后续的航天任务。但也是因为这一系列动作,火箭也会基本失去与地面的通讯能力,也不会对地面遥控做出响应,之后火箭的所有动作都是既定的。这不止是长五B芯级再入时遇到的问题,几乎所有国家的运载火箭的末级(即最终推动载荷进入预定轨道的级段)几乎都不会将宝贵的冲量用于离轨再入(此外,进行这一设计还会极大地增加火箭系统设计的复杂性与风险)。这里还是需要补充一点,大部分高轨火箭的上面级可以通过姿态调整发动机的多次点火完成受控再入或进入“太空坟场”。当然,在轨道钝化的过程中,通过有控制地释放推进器、高压气体的方式,也可以产生一定的控制效果,从而能够主动影响火箭推进器的离轨再入过程。这也是为数不多的离轨再入控制手段。

需要指出的是,虽然在这一轮关于长五B芯级的报道中,很多媒体都注意到了轨道钝化这个过程。但这一过程的主要目标,并不是为了解决残骸再入的问题,而是为了减少太空垃圾,降低火箭发射对近地轨道的影响。换言之,主要是为了“清路”。即便轨道钝化能够产生一定的影响,但也并不足以保证火箭完全在受控状态下再入大气层。

所以,“受控”还是“失控”并不是运载火箭再入这个话题的关键,因为火箭在完成钝化离开轨道的时候,基本都是无法由地面进行控制的。甚至在此之前,火箭所有的自主控制系统也都已经关闭了。火箭完成离轨之后的动作,都会进入不可逆的下降再入轨迹。

运载火箭离轨再入这个话题的关键,在于“设计”和“预警”这两个部分。

长五系列始终遵循严格的火箭残骸风险控制标准,火箭在设计过程中,钝化算法、离轨再入控制执行机构等关键技术要点都要专家评审和质询并进行模拟仿真计算验证,过程极为严格。长五B型火箭在设计之初就已经充分考虑到火箭残骸的处理问题,火箭整体采取了铝合金结构,在再入大气层时,火箭芯级大部分部件会被烧毁,只有极少部分耐高温部件才有可能穿过大气层。

此外,运载火箭的轨道设计,如发射时机的选择、轨道倾角等等,也会对火箭的再入时机与地点造成关键影响,因为宇航飞行中的扰动因素较少,所以,在发射前,再入环节的一些基本的信息就已经能够测算了。在长五B遥二火箭受控飞行过程中,实际飞行轨迹与设计轨迹几乎是完全匹配的。

而在火箭残骸再入的整个过程中,我国还会使用太空探测雷达等空间探测手段,持续监视火箭的运行轨迹,由此可计算获得该火箭的大致落区,一般不会超过几百公里误差。总体而言,落到人口密集区的可能性非常小,据哈佛-史密森学会乔纳森·麦克道尔估计,被再入航天器击中几率约为80亿分之一。而从最终火箭的落区位置来看,达到了发射前的设计目标。

三、中美俄三国的火箭残骸风险控制

中国的火箭残骸处理技术已经达到了世界领先水平,从系统设计、论证、评审、制造、验证流程十分科学合理。(资料图)

一般而言,中小型航天器再入过程中,基本都会烧毁在大气层中。而大型航天器则有较高概率将残骸溅落到地面。而这一类航天器一般都与载人航天有关系。这一领域也正是目前航天大国进行竞争的关键领域。

中俄在载人航天的发展路径选择上比较接近,都针对载人空间站进行了长期的项目规划和体系建设。火箭残骸风险控制标准也都严格遵循执行。我国之前发射的“天宫一号”、“天宫二号”太空实验室,以及苏联/俄罗斯自“礼炮”空间站工程到“和平”空间站的历次发射任务中,相关火箭以及航天器的离轨再入风险控制都经过了漫长的迭代与升级,和平号空间站离轨过程非常完全,达到了全程直播效果。而此前西方媒体一直渲染威胁的我国“天宫一号”、“天宫二号”也都顺利溅落南太平洋的无人海域,从未对居民区造成不良影响。

与中俄相比,美国反而比较缺乏这一方面的经验。

而美国在载人航天的发展路径多次发生巨大更迭。“阿波罗”载人登月计划被叫停后,美国航空航天局用已经生产出的土星五号火箭与登月飞船舱段,发展出了美国的第一个空间站“天空实验室”(Skylab),该航天器重达76.5吨,但在设计时完全没有考虑离轨再入的问题和风险,系统设计也存在巨大缺陷,仅执行三次载人任务后便被废弃,在1979年7月11日在大气中解体,碎片散落到印度洋和西澳大利亚州。随后,美国载人航天工程便转向可完全回收复用的航天飞机。在这一工程思路中,航天飞机在将载荷送入轨道后,就会返回地面。但随着两次代价惨痛的航天发射事故,美国又放弃了这一路线。近年来才重新回到了“复用飞船+复用火箭+空间站”的技术路线上。

而近年来风头正盛的猎鹰九号火箭虽然发射回收技术很成熟,第二级也罕见地设计了离轨再入系统,但在近年来的发射中,该型火箭第二级在完成任务离轨再入时,仍频频发生残骸掉落居民点的情况,最近一次就发生在3月26日的美国西雅图,猎鹰九号第二级的高压气瓶击中了当地的一座农场。而重型猎鹰的残骸回收也不怎么好看,今年发射中,预计9-10天完成残骸再入,实际上花了将近一个月,和我国长五B系列火箭残骸再入的精准预警拉开了明显的差距。

总体来说,中国的火箭残骸处理技术已经达到了世界领先水平,从系统设计、论证、评审、制造、验证流程十分科学合理,在火箭和卫星发射前,都会进行大量模拟仿真和地面试验进行有效性验证,确保每一个部件和程序严格按照预期发挥效能,并且所有设计原则都遵循了国际规范,每一次火箭发射都会把空间碎片再入作为严格审查的内容进行专项攻关。在目前人类的技术水平下,中国航天人已经将这一领域的风险控制到了最低。未来的近两年中,中国载人航天工程还将先后进行十余次重大发射任务,将数百吨载荷送入近地轨道,这样庞大而密集的任务安排,也充分展现了中国航天人的信心与气魄。

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