不要只记得火箭残骸回收也很特别

“火箭残骸中残留的残留物和危险品可能会造成二次危害。请不要近距离观看或触摸残骸。严禁私自拆、捡、藏、卖、购火箭残骸……”这是西双版纳傣族自治州人民政府12月5日发布的紧急通知。

这个通知是针对最近的一次火箭发射任务。12月6日11时58分，中国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭成功发射了高芬14号卫星。上述通知建议西双版纳傣族自治州勐海县蒙曼镇、西顶乡、勐哲镇、勐阿镇部分地区开展火箭残骸坠落任务。届时，相关道路将得到控制，要求当地居民按照政府通知要求做好疏散保护.

火箭残骸区是如何选择的，这些残骸会带来什么影响，如何最大限度的避免损失？围绕这些问题，来自中国航天科技集团第一研究院(中国运载火箭技术研究院)的专家向科技日报记者介绍。

影响：除了物理打击，还有爆炸风险

一般来说，运载火箭分离后再入阶段没有飞行控制和回收措施的子级可能会发生结构断裂甚至爆炸，进而形成残骸。

据中国航天科工集团第一研究院长征二号丙运载火箭模型总设计师李俊介绍，目前国内外现役运载火箭通常为多级火箭。除了与卫星相连的末级火箭，其他结构，包括助推器、子级甚至整流罩，在火箭飞行的不同阶段，在发挥各自的作用后，都会分离坠落。以12月6日发射的长山一号火箭为例。这是一枚三级火箭，捆绑了四个助推器。能够产生碎片的子级包括助推器、子级、子级、整流罩等。

火箭残骸的危害表现在不同方面。

首先会在地面形成“物理打击”，但不同的分离部位“打击”强度不同。例如，位于火箭顶部并覆盖卫星的整流罩通常在火箭飞出大气层后分离。分离时飞行高度超过100公里，速度超过每秒3公里。但整流罩具有薄壳、重量轻、面积大的特点，再入时大气阻力的减速效应显著。分析和飞行测量数据表明，再入到离地面10公里左右的高度后，下降速度一般不超过100米/秒，着陆速度约为20-30米/秒。夸张的说，只要你敏捷，找到下落的整流罩就可以避免被直接击中。

当火箭子级和助推器落下时，就不会那么客气了。因为这些结构都是圆柱形的，气动面积小，内部有发动机和贮箱，整体质量大，再入速度快，冲击功率惊人。李俊说，火箭第一级的着陆速度可以超过每秒100米。据报道，2013年12月2日，嫦娥三号探测器被嫦娥二号火箭发射后，一级火箭残骸降落在湖南省邵阳市遂宁县，损毁两栋房屋。幸运的是，当地政府提前组织了疏散，没有造成人员伤亡，受损村民得到了赔偿。

除高空坠物外，火箭子级残留的推进剂和高压气体也是有害的。

李俊说，火箭是由火箭体结构、加压输送系统、电气系统、动力系统等组成的复杂系统。为了保证火箭在一个或几个环节有限偏差的情况下能够顺利完成发射任务，将储备一定数量的各级推进剂。使用两种推进剂的火箭各有至少数百公斤的推进剂储备。

传统液体燃料运载火箭第一级和第二级使用的推进剂是一氧化二氮和偏二甲肼。这两种燃料有以下特点：一是有毒，会污染土壤、植物和水资源，达到一定浓度，会威胁人身安全；第二，容易自燃。两种燃料一旦接触就会燃烧，量大甚至爆炸。当火箭子级以每秒数百米的速度撞击地面时，“薄皮”火箭油箱在落地的冲击下很容易破裂，原本储存在不同油箱中的两种燃料瞬间大面积混合爆炸的概率会很大。爆炸通常威力很大，可能导致600多公斤的发动机在很远的地方坍塌，爆炸也可能震碎几十米内的窗玻璃。

如果火箭子级落地不爆炸，不代表安全。火箭飞行时，推进剂箱内通常有2-3个大气压，甚至更高。如果降落时油箱没有破裂，释放压力需要很长时间；同时，火箭子级还有各种不同用途、不同压力的气瓶。例如，用于控制发动机摆动的伺服机构的气缸压力高达21兆帕，约210个大气压。

这些都是火箭发射前要求人们撤离残骸区，火箭残骸需要专业人员进行处置和回收的原因。

偏差：天上十多米，地上几公里

鉴于火箭残骸的危险性，为火箭残骸设置降落区是各国发射太空时不得不面对的问题。

由于助推器、第一级、第二级、整流罩等结构在火箭飞行的不同阶段是分开的，一次发射任务将涉及几个着陆区。

以一级残骸坠落区域为例，李俊说，火箭的飞行轨道、箭下点(火箭飞行时在地面的投影点)以及一级和二级分离的位置都是事先精确设计的，分离时结合飞行速度和倾角可以计算出残骸的中心坠落点。但是，在火箭的实际飞行中，载荷质量的微小变化、发动机推力的微小变化等各种不确定因素都可能导致第一、第二分离点的偏离。

同时，分离过程中速度、姿态角等参数的变化会进一步影响着着陆点的精度。比如龙三B火箭第一子级分离着陆需要300秒左右。如果分离速度有每秒10米以上的误差，仅这一点就会使最终着陆点偏离预定范围几公里。另外，传统的火箭结构分离后，都是以非受控状态重新进入，过程中的姿态和气动特性是不确定的，也会形成一定的偏差。

为此，研究人员通过进行大量实验积累数据，结合各种概率，计算碎片可能散落的位置，从而得出下落区域的范围。

李俊说，同类型火箭在不同轨道、不同构型、不同控制方案下的着陆区域不同。比如长征二号C火箭在西昌发射遥感卫星30号任务时，轨道倾角为35，火箭起飞后向东飞行。由于我国地处西风带，火箭沿高空风飞行，所以一级残骸区大致呈长方形，面积约1200平方公里，飞行方向较长，两侧方向狭窄。西昌发射倾角约为97的太阳同步轨道时，高空风主要作用在理论飞行轨道的一侧，会导致更接近面积稍大一点的正方形的亚级碎片坠落区。由于分离高度较高，速度较快，再入过程的不确定性较大，导致碎片下落区域范围较大。

未来：指哪就落哪，“残骸”可回收

一直以来，航天工作者都在寻找减少火箭残骸威胁的对策。

2019年7月26日，一枚长C-2火箭从西昌卫星发射中心发射升空。除了将三颗卫星送入轨道之外，这次任务还成功地进行了第一次网格舵安全控制技术试验

根据李俊的说法，与过去儿童失控坠落相比，通过控制网格舵，儿童的坠落面积将从几千平方公里减少到60平方公里左右。

试想一下，如果你在西昌发射火箭，想在各种约束条件下找到几千平方公里的无人区，任务会非常艰巨，选择60平方公里的无人区相对容易。

李俊说，研究人员正在深入研究，努力将传统常规推进剂火箭的精度提高到几平方公里以内，最终实现“定点着陆”；同时可以在一定范围内选择降落点，通过指定让火箭降落在哪个区域，进一步消除火箭亚级碎片对降落区域内人们生产生活的影响。

除了控制着陆位置外，火箭研究人员还在研究备用推进剂的安全处置策略，并已通过飞行试验进行了初步验证。在高空再入飞行中，——火箭子级通过发动机腔体向外排放推进剂。两种推进剂的混合物会自燃，产生水、氮气等无污染的产物。即使两种推进剂没有完全燃烧，由于火箭子级飞行高度高，外排流量低，也会在空气中自然稀释，不会对环境造成危害。

随着我国使用液氧煤油的大、中、小型运载火箭的全面应用，研究人员正在努力研究火箭的垂直着陆、无损回收技术和再利用技术。届时，失散和重返的孩子也将摆脱“残骸”的命运，重新循环进入相关科研实验。