火箭残骸，到底是怎么处理的？

　　出品：科普中国

　　制作：太空精酿

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　人类航天事业的基石是运载火箭技术，正是一枚枚火箭在轰鸣声中惊天动地起飞，才有了军事、气象、通讯、遥感、导航、科学应用、载人航天和深空探测等多种可能性。但很多人往往忽视了一点：人类受困于强大的地球引力和浓密的大气层影响，火箭运输效率极低，有效载荷仅为总重量的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，它的总重量约为3000吨。第一级总重约2290吨，其中壳体和发动机质量仅为130吨，2160吨都为液氧煤油燃料。发动机工作时间标准流程为165秒，平均每一秒燃烧13.1吨燃料，换算成汽油差不多够一辆百公里油耗10升的小汽车围绕地球赤道开4圈半！

　　但它能送到月球的有效载荷仅为45吨重的阿波罗飞船，比重仅为1.5%。如果考虑到真正的有效载荷仅为三位宇航员和有限的科学仪器，这个效率低到令人发指。其余部分几乎都是燃料和火箭残骸。

　　长三乙结构（图源：中国长城工业集团有限公司）

　　中国王牌火箭长征三号乙，是嫦娥探月、北斗卫星导航、天链一号、通讯卫星系列等背后的超级英雄。它总体上能够分为22个部分[1]，但是真正有效载荷就只有第2部分：卫星，占火箭总体重量仅为1%左右。

　　余下的99%中，除了图中并没有标注出的燃料，其他21个部分都可以叫做同一个名词：火箭残骸！这是我们进行航天事业所必须承受的代价。

　　虽然同是残骸，但是我们不一样

　　火箭残骸包括很多种类。按照火箭残骸的产生流程，可大致分为如下几个部分：

　　1.飞来横祸

　　顾名思义，这部分残骸是在火箭发射后不久会重新返回地面，甚至在火箭刚开始呼啸震动时就开始“掉渣/残骸”：这其实往往是保温泡沫或结的冰。

　　猎鹰9号火箭在发射最开始阶段就掉落“残骸”（图源：SpaceX）

　　大气密度很大，这个阶段产生的残骸高度不够、速度很低、因而这些残骸根本没能突破大气。按照火箭推进的原理，所有的火箭几乎都要设计成多级模式，越靠下面的部分越大也越强力（参考上文土星五号的介绍）。这意味着这部分天外飞祸特点是：非常大、非常贵、也非常危险！

　　以我国每次载人航天都要使用到的长征2F王牌火箭为例，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分离，最后分离的整流罩最大高度也仅为100千米左右，引力作用下，它们必然会返回地球。

　　由于程序分离时间、分离姿态、气象条件等各不相同，它们的掉落区往往分散且面积巨大。由于历史和技术原因，我国的三大传统发射场酒泉、太原和西昌都位于内陆，每次发射都要着重考虑这一批残骸的破坏力。

　　长征2F火箭基本结构（图源：开放版权）

　　2.“天外来客？”

　　随着火箭继续飞行，火箭二级将会继续完成推高航天器轨道的重任，以至于它分离时往往自身动能已经足以环绕地球。但此时轨道高度依然在200千米左右，这里大气虽然稀薄却可以造成足够阻力，火箭二级往往还是会返回地球。

　　由于高空大气的情况复杂，火箭二级被抛弃后姿态也无法确定，返回地球的轨迹、时间和冲击大气地点很难预测。2016年6月25日我国首次发射新一代火箭长征七号，火箭二级在太空中自由飞行了一个多月后，于7约27日当地晚间在北美中西部再入大气。

　　但我们不必担心火箭二级造成的威胁。它们没有任何防热措施，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。

　　也有极个别情况火箭二级可能变成“飞来横祸”。历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型火箭二级返回地球时的碎片擦过肩膀。所幸只是轻微擦过，并未受伤，就是吓了一跳。如果再偏一点砸到头上，基本就是必死了。

　　把她叫做世界上最幸运的人，并不为过（图源：开放版权）

　　总体上，人类航天60年来，从未发生过任何环绕地球的火箭残骸或太空垃圾击中人类的案例。

　　3.永久的太空垃圾

　　对于很多高轨卫星而言，旅程远未结束，运送它们的火箭往往还有第三级、上面级等重要结构。

　　例如，我国王牌火箭长三乙可以携带一个远征一号上面级[2]，就是靠这个“太空摆渡车”才实现了数次北斗卫星导航系统“一箭双星”任务。请注意，这种一箭双星任务所需要的技术，是远远超过其他“一箭N星”任务的。那些往往是处在同样轨道，火箭只是到站“撒土豆”而已。

　　此时卫星被分离时轨道已经非常高，这些火箭残骸注定几乎不可能返回地球大气。以2015年7月25日我国长三乙+远征一号“一箭双星”发射北斗导航卫星（M1S和M2S）为例，直到今天（2019年8月12日）长三乙的第三级仍然飞在近地点382千米、远地点16587千米的大椭圆轨道，而共同升空的远征一号更夸张，它飞在近地点22042千米、远地点27866千米的超级椭圆轨道。到人类灭绝都不可能返回地球[3]！

　　事实上，有很多人类航天事业早期发射高轨卫星带来的火箭残骸，直到今天依然在太空漫游。

　　而对于很多深空探测任务，目标轨道轻易超过月球的距离，这些火箭残骸已经远到无法追踪了。例如猎鹰重型火箭2018年2月6日首次试射后，它的火箭二级牢牢绑在特斯拉电动车背后，现在已经大概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关系（图源：whereisroadster）

　　4.太空事故

　　火箭的结构和材料都不是为了在太空中经年累月工作而设计的，这就意味着它们的使用寿命非常短：往往是完成发射任务即可。例如，载人航天用的火箭仅使用10多分钟就任务结束，高轨任务也仅为数小时。

　　这就意味着：那些成为长期太空垃圾的火箭残骸，并不稳定。在长期的真空高辐射环境影响下，很容易出现未燃尽燃料泄漏、碰撞甚至结构解体的风险。而这些巨大的太空垃圾一旦解体，可谓是一整个轨道的灾难，影响当前甚至后续的所有任务。

　　从某种程度讲，这些难以预测和控制的太空事故，是最恐怖的。

　　那么，这么多火箭残骸，该如何处理它们？

　　飞来横祸：能回收就回收，回收不起要躲得起！

　　火箭一级和整流罩等往往是火箭体积重量最大、最核心也最昂贵的部分，占据火箭总体成本的80%以上，却是最早被扔掉的，非常可惜！而且非常危险。

　　处理它们，有效的方式又有三种：

　　1、回收。这也是SpaceX、蓝色起源、航天飞机固体助推器和我国新一代火箭设计时考虑的重点因素。目前，SpaceX依靠这个技术声名鹊起，不仅能够依靠一级火箭反推平稳回收，还能利用整流罩降落伞减速滑翔和接驳船大网实现回收，几乎毫不浪费。

　　SpaceX利用火箭一级回收技术名声大噪（图源：SpaceX）

　　2、完全弃用。这是世界主流火箭的主要处理方式，由于传统火箭发动机设计和结构问题，很多火箭根本无法复用，几乎毫无回收价值，最理想的情况反而是丢掉。但仅有靠海的发射场能实现这一完美主义：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，中国文昌，欧洲法属圭亚那。

　　3、尽力减少残骸影响。对于苏联拜科努尔、普列谢茨克，中国酒泉、太原、西昌这些内陆发射场，则不可能避免飞来横祸，但可以大大减小它的影响。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，在一级残骸落地过程中起到稳定姿态和减速的效果，大大减少了残骸的可能影响区间，成为世界第二个运用此技术的案例，也为我国未来新一代可回收火箭积累宝贵经验。

　　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已经有能力围绕地球飞行、返回地球状态难以预测、且毕竟还是存在一定风险，当然有必要妥善处理。

　　SpaceX在实现一级回收后，曾经努力回收第二级，可是第二级的价值实在有限、且回收距离太远、成本太高，导致最后放弃了此项技术。但这并不意味着第二级就此被抛弃：它的执行任务周期很短，在任务结束后，可以利用剩余燃料，自己冲进大气。由于地球绝大部分表面都是大洋，可以很容易控制它们焚毁并最终残骸落入安全区域，尽力减少潜在威胁。

　　可以用网捕法清除低轨火箭残骸和报废卫星（图源：ESA）

　　而对于已经进入太空、距离地球较近、且一时半会无法返回的火箭残骸，则可以采取人工干扰的方式进行移除。例如采用新一次发射任务，用小型航天器靠近火箭残骸，采用鱼叉法、网捕法、太阳光帆、拖拽法等将其最终拖入大气焚毁[4]。

　　虽然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威胁极大，极有可能造就更多新的垃圾。“杞人忧天”还是有必要的。

　　永久的太空垃圾：“世界那么大，你们出去看看”

　　这个阶段的太空垃圾已经太过遥远，以至于把它们重新带回地球大气的成本实在太高，得不偿失。此时的有效手段就是让它们远离地球附近的宝贵轨道，进入深空。

　　这个过程基本只能靠它在完成工作之后自主完成：利用残余的燃料，拼尽一切力量，燃尽最后一滴，尽力逃离地球。

　　例如我国在2015年3月30日的长三丙火箭发射北斗I1-S卫星时，远征一号上面级首秀，它在任务成功、将卫星送入轨道后，最后阶段就执行了这么一个命令，拼尽全力远离地球。时至今日，它的轨道距离地球最远点已经达到15万千米！是地球半径的20多倍，根本不可能再与人类相见。

　　远征一号轨道（图源：stuffin.space）

　　只要能杜绝前三类火箭残骸，也就不太可能出现火箭残骸事故造成的新残骸了。

　　人类航天事业，是人类科技史上的奇迹，它的方方面面无不闪耀着人类最辉煌的智慧和创造力光芒，即便对于火箭残骸的处理亦是如此。不过，当我们看到火箭残骸的种种处理技术时，更应该对这些蜡炬成灰泪始干的“残骸”保持敬畏：

　　是它们牺牲自己，托起了人类一个又一个航天梦想。

　　参考文献：

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

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

　　3.http://www.zarya.info/Diaries/Launches/Launches.php?year=2015

　　4.Shan, M., Guo, J., & Gill, E. (2016). Review and comparison of active space debris capturing and removal methods. Progress in Aerospace Sciences, 80, 18-32.