唐驳虎:外媒热炒中国“火箭失控”,恰好给中国打了广告

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2021年05月09日 23:11:39
来源:唐驳虎

文/凤凰新闻客户端荣誉主笔 唐驳虎

核心提示:

1、火箭发射后再入大气层有两种模式,一种是能控制坠落速度的的受控再入,一种是无控再入。除了SpaceX猎鹰火箭之外,绝大多数火箭都属于后者,包括长征5号B。此前多级火箭一般一级残骸坠海,二三级火箭处于高轨道成为太空垃圾。长5B是世界上唯一一种一级半入轨的重型火箭,拥有较为特殊的工作路径。而且一般而言,无控再入的落点无法精确预测。时间预测差一分钟,落点就能差几百公里。

2、长征5号B芯级较此前的二、三级火箭大,干重约20吨,但相对发射装满几百吨燃料的重量并不大,而且它远非坠入地球的最大航天器。此前的案例包括105吨的美国哥伦比亚号航天飞机空中解体、重76吨的美国天空实验室Skylab坠入大气层部分落入澳大利亚,澳政府顾及盟国颜面没有声张,而是以乱丢垃圾罪名给美国政府开了400美元罚单。此外还有苏联核动力卫星坠落加拿大的案例,苏联赔了300万美元。

3、由于再入大气层的火箭大多会被大气摩擦销毁,所以地球人被太空垃圾砸中的概率很低。但近年来火箭材料升级,新型无控再入事件开始增多,比如猎鹰火箭二级火箭的复合材料氦气罐就多次砸到农牧场。此后SpaceX才为二级火箭设计了受控再入系统并成功运用了近80次。去年中国成功首飞的“遥一箭”也有12米复合材料管道落到科特迪瓦。

4、仔细看欧美等媒体报道,就会发现这次长五火箭再入,实际上是各国媒体对中国航天能力的一次大展示。未来三年长五B再工作三次即可退休。中国也将迅速发展可回收、运力更强大的70吨级超重型火箭,乃至120吨以上的长征九号巨型火箭,到时候就再也没有如今的运力之困,也无需再靠概率避免无控返回问题。随着中国航天更加强大,以独家空间站构建国际共享航天平台,以更先进的航天运载能力塑造实力形象,以往的问题都不再成为问题。

4月29日,中国第一个空间站的核心舱“天和”号由长征5号B遥二(表示第二枚的意思)火箭送入太空,这是中国进入空间站时代的重要一环。

根据中国航天部门提供的监测数据,5月9日北京时间清晨,“长征五号B遥二运载火箭末级”的“残骸”轨道为:倾角41.5°,近地点高度约130km,远地点高度约160km。

预计的再入时间为9日10时12分±15分钟(9时57分~10时27分),再入区域的中心投影点位于东经28.38°,北纬34.43°(希腊克里特岛以东)。

说明一下,这是残骸再入大气层(通常高度是100km)、开始解体烧蚀的点。

受惯性和速度影响,最后少量剩余残骸落到地球表面,理论上还要再往前滑行,前伸2000公里左右。

经监测分析,9日10时24分,残骸已再入大气层,落区位于东经72.47°,北纬2.65°周边海域(也就是马尔代夫岛附近),绝大部分器件在再入大气层过程中烧蚀销毁。

这次火箭再入,引发了国际舆论的一番议论。

其实首先要指出,并不是什么“残骸”,这两个字给人的感觉是火箭出现了意外,但其实不是。

准确说,是火箭发射后剩余的完整空壳,在太空时是完整的。

特殊的技术设计

不少人会问,为什么全世界发射那么多火箭,只说长征五号B的问题,其他国家的火箭没这个问题吗?

据介绍,“该型火箭采用特殊的技术设计”,那么,究竟特殊在哪里?

因为长征五号B是世界上唯一一种一级半入轨的重型火箭。

一般来说,火箭分单级火箭和多级火箭两类,单级火箭就是只靠一级发动机点火就能将载荷送到预定位置,多级则是多级发动机先后燃烧。长五B在一级上捆绑了4个助推器,一般把助推器算作半级,故长五B是一级半火箭。

“半”,指的是4个助推器,每个助推器2台、总共8台YF-100液氧煤油发动机,单台120吨推力,总共能产生960吨的推力。

中间的芯级就是“一级”,用的是2台YF-77液氧液氢发动机,单台50吨(真空70吨)推力,起飞总推力100吨。

液氧煤油发动机能比较方便的做成大推力型号,但是先天的比冲较小。

比冲就是值燃料的利用效率,对靠反冲作用力升空加速的火箭,燃烧单位重量的燃料,能产生多少速度增量。这个各种燃料的先天理论效率是有一定差别的。

液氧液氢发动机在通常的燃料发动机中相对最大,尤其是在真空里更是如此。

当然,数值上的差别也不是太大。在海平面,YF-77、YF-100的比冲分别是310、300,真空比冲分别是430、335。

但这点差别对于宝贵的火箭运力来说,已经非常重要了。

特别是对那些分为一二三级的火箭来说,上面的部分在起飞时是不工作的死重;减重或者效率提升1个点,就相当于下面的一级提升10个点以上。

这对于高轨道、深空发射任务来说,非常重要。所以中、美、欧、日甚至印度的上面级火箭,都是尽量采用液氧液氢发动机。

只有俄罗斯特立独行,虽然也研制出氢氧发动机,但主力火箭采用的却仍是另一种常温储存但是有剧毒的肼类发动机。

液氧液氢发动机也有技术难点。液氢燃料密度低、体积大、储存温度要求很低(-253℃以下),燃料泵转速很高,制造条件苛刻。

但优点也是突出的。

所以上世纪90年代后,欧洲的阿丽亚娜5、美国的德尔塔4、日本的H-2B等火箭,开始连一级火箭也采用大推力的氢氧发动机。

美国的德尔塔4采用了世界上推力最大的氢氧发动机,欧洲的阿丽亚娜5、日本的H-2B则采用了推力超大但是比冲更小的固体助推火箭。

而当时中国也在努力研制自己的大推力的氢氧发动机,也就是50吨级的YF-77(此前只有推力8吨的上面级发动机YF-75)。

经历近20年的研制,终于告成功。在YF-100和YF-77的基础上,研制了新型的长征五号火箭,终于填补了中国航天近50年来重型运载火箭的空白。

特殊的工作路径

通过8台YF-100和2台YF-77的联合工作,产生1060吨的起飞推力,助力800多吨的火箭拔地而起,一路加速飞向太空。

起飞以后170秒,四个液氧煤油的助推器就烧光了,可以扔掉了。

这时火箭的速度、高度都已经达到了一定的层次,但仍不足以入轨,因此助推器就会沿着弹道掉进太平洋里。

但长征五号中间芯级的氢氧发动机虽然推力不大,但是比冲高,对燃料的利用效率高,相当于火箭继续在加速。

长征五号基本型上边,还有一个负责把载荷送入更高轨道(比如36000公里的地球同步轨道或者过渡的转移轨道)的二级。

因此长征五号基本型的一级工作时间400多秒,也没有直接进入近地轨道。

目前除SpaceX的猎鹰火箭之外,几乎所有火箭一级、助推器都无控再入。

但因为一级火箭、助推器速度并不足以达到绕地球飞行的第一宇宙速度,主要受重力的影响,接下来要走的路线也是一个简单的抛物线弹道,所以比较容易设计、控制落点。

当然,一级火箭的落区如果位于陆地上,造成的不幸伤亡也是存在的。

因此,主流的火箭发射场都尽量靠海,一级火箭残骸坠入海洋;再不行就尽量位于人口稀少地区。

而其他把卫星送入高轨道的二、三级火箭,最后一般处于高轨道,成为太空垃圾,坠落的问题也相对较少(但是现在增多了)。

而长征五号B只有一级火箭,直接送载荷进入约400公里高的近地轨道,这需要2台YF-77连续工作破记录的约500秒。

长征五号B的一级火箭从海平面一直燃烧到入轨,芯级燃烧非常长,一直在助推,然后就和载荷(卫星)一起达到了第一宇宙速度,进入了太空。

进入了一个近地点170km、远地点225km的椭圆轨道上。这是一个比较独特的设计。

空间站核心舱自己会在远地点启动火箭发动机,继续加速抬升,进入400km的预定轨道。

而在舱箭分离后,长征五号B的芯级火箭壳体继续停留在这个轨道上。

但这个高度其实并不是完全真空,多多少少有一些空气,会对火箭的芯级产生阻力。

所以火箭壳体也就会越转越慢,越来越低,最终会进入较稠密的大气层,加剧减速,最后掉下来。

所以,经过一周时间,火箭的轨道已经降到了近地点高度约130km,远地点高度约160km。

逐步逼近较稠密的大气层边界,接下来,就是再入大气层了。

再入大气层

有史以来,仅有三种一级半航天器:

那就是美国的航天飞机(固体助推+燃料箱)、苏联的能源号+航天飞机。

这两种都属于巨型航天器,发射总重量近3000吨,搭载的航天飞机载荷近100吨。

它们都是发射到亚轨道差一点的地方,不入轨;航天飞机另用自身燃料完成入轨飞行。

再就只有中国的850吨级、实际近地轨道运载能力只有22吨的长征5B。

芯一级火箭整体入轨,这也是为了充分利用火箭燃料,发挥出全部20多吨的轨道运力。

由于长征5号B空间站舱室已经利用了运能的极限,无法再给它加装一套控制再入的系统,就有了“无控再入”的问题。

而两级半构型(助推级、一级、助推到高轨道的二级)的长征五号基本型的芯一级(注意定义),就没有这个问题。

但在特殊的长征五号B芯一级之外,所有人类发射的火箭1级以上的结构几乎都同样有这个问题。

太空中至今还散布着各国火箭的二三四级,距离地面约400km以内的那些运载火箭壳体、卫星,绝大部分都会再入大气层,只是时间长短问题。

如果重返时还有燃料和速度控制能力,能够加速控制坠落辽阔的南太平洋“航天器坟场”,或像航天飞机降落到跑道上,可称为“受控再入”。

而如果是已无燃料和速度控制能力,只能随大气层阻力减速,称为“无控再入”。另外还有飞船的“升力再入”,介于两者之间。

“无控再入”的落点不是无法预测,而是无法提前精确预测。

这是因为我们对地球高空大气层的了解还很不够,对外层空间物体所受阻力的分析也难以达到完备的程度。

最多能通过不断的观测和跟踪,在它真正再入大气层之前不太长的时间内,计算出它的再入时间窗口(如本次再入的正负±10分钟,共半小时)。

而由于火箭残骸又是以近乎7.9千米/秒的速度运动,再入时间的预测差1分钟,落点就能差几百公里。

国际案例

与此前的大多数重2~4吨的二、三级火箭相比,长征五号B芯一级无疑是大的,它相当于火箭整个粗壮的芯级都是一级火箭结构,长33.2米、直径5米、干重约20吨。

当然,发射时的火箭装满燃料,这几百吨的火箭燃料,才是发射时的主要重量。

火箭就是一个壳体轻薄的空筒,要对比的话,一个完整的可乐铝罐,就是最合适的例子。

当然,火箭的结构质量比例,比铝制可乐罐还要低很多。

但20吨的长征五号B,却远非无控坠入地球的最大航天器。

人类历史上几个较大的无控再入航天器,横轴时间,纵轴吨位。

2003年2月1日,美国哥伦比亚号航天飞机(STS-107)返程时因隔热瓦破损导致空中解体。

长27米、返回重量达105吨的航天器连同7名航天员化为85000个碎片散落在地面上,但也有一个钢结构起落架整体砸到了地面。

1979年7月11日,长25米、重约76吨的美国天空实验室Skylab坠入大气层,它的碎片落在南太平洋和澳大利亚西南部的荒野。

澳大利亚政府顾及盟国颜面,并没有声张这件事,但还是按照环境保护法给美国政府开了400美元的罚单,罪名是乱丢垃圾。而美国政府至今也没有支付这笔罚款。

近年,美国加州的一个音乐人在一个音乐节上公开筹款,观众们凑了400美元,寄给了澳大利亚当地的地方政府。

排名第三的依然和Skylab相关,发射天空实验室的土星五号第二级火箭S-II-513长24.9米、直径10米、干重36.2吨,发射后不久就坠入了大西洋。

接下来就是苏联的礼炮7号与和平号空间站了。再就是1978年1月24日,苏联的核动力雷达海洋监视卫星“宇宙-954号”发射失败失控,坠毁到加拿大西北地区的冰原。

卫星约重3.8吨,找到约65公斤残片,没伤到人和建筑物,但有少量核污染。加拿大要求赔600万美元搜索费用,苏联赔了300万。

1982年,苏联又一颗“宇宙-1402号”核动力海洋监视卫星发射失败失控,卫星分解为三部分,一部分于82年12月30日进入大气层烧毁。

主体部分于1983年1月24日坠落在印度洋,核动力堆芯于2月7日坠落,在南大西洋上空烧毁。

这两起事件才是真正全球瞩目的事件,全球有能力的航天国家都在紧张地观测计算着这两颗卫星的轨迹。

中国航天部门的预报精度相对在全球是最佳的,时间只差4分钟。这段历史曾经广泛宣传过。

因当时对核动力航天器的国际法不完善,随后完善了这方面的国际公约,要求采用核动力的航天器必须具备主动处置的受控措施。

时代变迁

从1960年代到现在,人类大约有15000吨以上的人造航天器残骸从太空落回地球。

但幸运的是,地球表面70%都是海洋,剩下的30%陆地里又有大片地区(如沙漠、高山、冰原、密林)是无人居住的。

另外火箭作为一个金属空心罐,高速(每秒约7公里,相当于20多倍音速)再入大气层后,很快就会剧烈气动加热、解体成碎片,早都不剩什么东西了。

残骸大部分会被大气摩擦销毁,小部分会落入海洋,只有极小概率砸中居民区。

所以地球上生活的人能够被太空垃圾砸中的概率很低。

火箭末级主动再入属于锦上添花,有能力做最好,做不到也不应上升到道德的高度来苛责。

漫天往下掉的东西多了,怎么也轮不到火箭卫星残骸,真正的大头是陨石。

按天文学家的估测,平均每天掉入地球44吨,而且动不动就是几吨陨铁直达地表。

理论上平均每10年就有1人死于陨石。“杞人忧天”也是因为杞国真的遭遇了一轮陨石雨袭击。

当代史上唯一一个确认被陨石砸到的人Ann Hodges,并且还大难不死。1954在美国阿拉巴马州,她在午睡时,一颗陨石穿破天花板并打中收音机再弹到她大腿上,强烈冲击力给她身上留下一片巨大的淤青。

唐驳虎:外媒热炒中国“火箭失控”,恰好给中国打了广告

从轨道返回的人造物体伤人的,历史上最接近(未发生)的只有一位叫做Lottie Williams的美国人。

她在1997年被一个很小的火箭残骸擦过,并未受伤,就是吓了一跳。这个残骸来自德尔塔2型火箭二级,NASA曾经的主力火箭之一。

但非常低的确也不等于〇。尤其随着近年来火箭开始采用耐烧蚀的材料,部件会完整残留下来,新类型的无控重返事件开始增多。

迄今最著名的例子,就是SpaceX了。

2014年12月28日,猎鹰火箭的二级火箭的复合材料氦气罐落在了巴西一个牧场。

2016年9月26日猎鹰9的二级火箭氦气罐落在印尼人口最密集的主岛爪哇岛,砸坏了一个牲口棚。

今年3月26日,另一枚猎鹰9的二级火箭氦气罐,又落在了美国西北部华盛顿州的一个农场。

这枚火箭3月4日执行星链17任务,二级火箭原计划受控离轨,但未能成功,在轨22天后再入地球,一群燃烧的火球划破美国西雅图的夜空,在农场的草地上砸了个浅坑。

SpaceX为了减重,给这个罐子用了耐热的碳纤维材料,基本上烧不掉。另外还有坠海后被冲上岸的。

为此,SpaceX为了降低事故概率,减少舆论压力。近年来在实现猎鹰9号一级火箭回收复用的同时,也为二级火箭设计了受控离轨系统,已经成功运用了近80次。

如果没有这套系统,以SpaceX近年来如此频繁的发射,几乎垄断全球商业航天发射市场的发射量,早就招致无数批评了。

但今年3月的这次事件,仍是受控离轨系统偶发失败的结果。而SpaceX能这么做,还是因为运力-载荷之间的冗余大。

猎鹰9号火箭在一级回收时,近地轨道运力15.7吨,转移轨道7吨,远远超出一般的商业航天发射需求,都是靠“拼单”完成。

所以,猎鹰9号火箭可以有余量设计受控离轨系统。

未来SpaceX还会发展一级、二级均可回收的“星舰”重型发射系统,毕竟这才是可持续航天的发展方向。

未来展望

中国火箭的复合材料用量还很少,但也在逐步提高。所以,类似的事件去年就也已经发生过一次。

2020年5月5日,首枚长征五号B运载火箭(“遥一箭”)成功首飞,把新一代载人飞船的试验船送入太空。

12日北京时间23:33,遥一箭芯级在绕地102圈的飞行后,在大西洋上空再入大气层,少量未烧蚀的残骸落到了非洲西海岸。

其中最大的是一根12米长的复合材料燃料管道,落到了科特迪瓦的博坎达(Bocanda)镇,未造成任何人员财产损失。

按照规划,中国的空间站由一个核心舱(“天和”)和两个实验舱(“问天”、“梦天”)组成。

其中核心舱和实验舱的质量均超过20吨,另一个伴飞的“巡天”光学舱(就是中国的“太空望远镜”)。

目前核心舱已经发射,这三年还有三发长征五号B火箭要发射。实验舱两发,航天望远镜一发,然后长征五号B就退休了。

近地轨道任务,除了空间站没有这么重的载荷。长征五号B火箭的22吨运力的确也用到了极限。

未来中国也将迅速发展可回收、运力更强大的70吨级超重型火箭,乃至120吨以上的长征九号巨型火箭。

那时,就再也没有如今的运力之困了,也无需再靠概率避免无控返回问题。

总体来说这首先是个科学议题,虽然也同时是个舆论议题,但还是可以先把事实部分说清楚了。

实际上,在这次舆论传播中,真的仔细看了各国(包括欧美,也包括相关的第三世界国家)的媒体报道,就会发现这次长五火箭再入,实际上是各国媒体对中国航天能力的一次大展示。

因为之前4月底的发射,报道的并不多,毕竟不是本国事务,沉浸在本国疫情的外国媒体了了。

而这次事件, 很多镜头都是在反复展示长征-5B的大火箭和中国空间站,有的是做3D动画,都是突出大、强、独家。

这次的关注度确实高,#ChineseRocket 热搜里各国网民的持续跟踪、梗图一堆。

随着中国航天更加强大,以独家空间站构建国际共享航天平台,以更先进的航天运载能力塑造实力形象,以往的问题都不再成为问题。

毕竟,这本质上是一个讲实力、讲影响力的世界。

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