火箭殘骸和太空垃圾會砸到你嗎?

            2019-08-19 14:39 來源:未知 作者:石家莊生活網1
            火箭殘骸和太空垃圾會砸到你嗎?



            人類航天事業的基石是運載火箭技術,正是一枚枚火箭在轟鳴聲中驚天動地起飛,才有了軍事、氣象、通訊、遙感、導航、科學應用、載人航天和深空探測等多種可能性。但很多人往往忽視了一點:人類受困于強大的地球引力和濃密的大氣層影響,火箭運輸效率極低,有效載荷僅為總重量的1-5%左右。


            人類超級火箭土星五號和它巨大的一級發動機
            以人類有史以來最強的登月火箭土星五號為例,它的總重量約為3000噸。第一級總重約2290噸,其中殼體和發動機質量僅為130噸,2160噸都為液氧煤油燃料。發動機工作時間標準流程為165秒,平均每一秒燃燒13.1噸燃料,換算成汽油差不多夠一輛百公里油耗10升的小汽車圍繞地球赤道開4圈半!

            但它能送到月球的有效載荷僅為45噸重的阿波羅飛船,比重僅為1.5%。如果考慮到真正的有效載荷僅為三位宇航員和有限的科學儀器,這個效率低到令人發指。其余部分幾乎都是燃料和火箭殘骸。


            長三乙結構
            中國王牌火箭長征三號乙,是嫦娥探月、北斗衛星導航、天鏈一號、通訊衛星系列等背后的超級英雄。它總體上能夠分為22個部分[1],但是真正有效載荷就只有第2部分:衛星,占火箭總體重量僅為1%左右。

            余下的99%中,除了圖中并沒有標注出的燃料,其他21個部分都可以叫做同一個名詞:火箭殘骸!這是我們進行航天事業所必須承受的代價。

            雖然同是殘骸,但是我們不一樣

            火箭殘骸包括很多種類。按照火箭殘骸的產生流程,可大致分為如下幾個部分:

            1.飛來橫禍

            顧名思義,這部分殘骸是在火箭發射后不久會重新返回地面,甚至在火箭剛開始呼嘯震動時就開始“掉渣/殘骸”:這其實往往是保溫泡沫或結的冰。


            獵鷹9號火箭在發射最開始階段就掉落“殘骸”(圖源:SpaceX)
            大氣密度很大,這個階段產生的殘骸高度不夠、速度很低、因而這些殘骸根本沒能突破大氣。按照火箭推進的原理,所有的火箭幾乎都要設計成多級模式,越靠下面的部分越大也越強力(參考上文土星五號的介紹)。這意味著這部分天外飛禍特點是:非常大、非常貴、也非常危險!

            以我國每次載人航天都要使用到的長征2F王牌火箭為例,在發射后約3分鐘內,火箭的逃逸塔、助推器、一級火箭、整流罩等重要組成就會相繼程序分離,最后分離的整流罩最大高度也僅為100千米左右,引力作用下,它們必然會返回地球。

            由于程序分離時間、分離姿態、氣象條件等各不相同,它們的掉落區往往分散且面積巨大。由于歷史和技術原因,我國的三大傳統發射場酒泉、太原和西昌都位于內陸,每次發射都要著重考慮這一批殘骸的破壞力。




            隨著火箭繼續飛行,火箭二級將會繼續完成推高航天器軌道的重任,以至于它分離時往往自身動能已經足以環繞地球。但此時軌道高度依然在200千米左右,這里大氣雖然稀薄卻可以造成足夠阻力,火箭二級往往還是會返回地球。

            由于高空大氣的情況復雜,火箭二級被拋棄后姿態也無法確定,返回地球的軌跡、時間和沖擊大氣地點很難預測。2016年6月25日我國首次發射新一代火箭長征七號,火箭二級在太空中自由飛行了一個多月后,于7約27日當地晚間在北美中西部再入大氣。

            但我們不必擔心火箭二級造成的威脅。它們沒有任何防熱措施,再入大氣時速度大、空氣稠密,它們往往變成美麗的流星,焚毀在大氣中。

            也有極個別情況火箭二級可能變成“飛來橫禍”。歷史上最接近二級火箭飛來橫禍的是一位叫Lottie Williams的美國人,在1997年她被一個德爾塔-2型火箭二級返回地球時的碎片擦過肩膀。所幸只是輕微擦過,并未受傷,就是嚇了一跳。如果再偏一點砸到頭上,基本就是必死了。


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