凤凰网专访|火箭工程师陈亮:火箭完成发射后如何再入大气层
军事

凤凰网专访|火箭工程师陈亮:火箭完成发射后如何再入大气层

2021年05月10日 19:08:56
来源:凤凰网航天

凤凰网专访火箭工程师陈亮,详解火箭完成发射之后是如何再入大气层的

凤凰网专访火箭工程师陈亮,详解火箭完成发射之后是如何再入大气层的

对于长征五号B遥二运载火箭末级残骸再入大气层一事,美国航天局(NASA)局长比尔·纳尔逊(Bill Nelson)日前发表声明表示,中国在处理他们的太空残骸方面没有达到负责任的标准。中国外交部也对此进行了回应和解释。凤凰网记者专访火箭工程师陈亮,详解长征五号火箭此次发射后是进行再入的过程,美俄对废弃空间站和火箭残骸的处理方式,以及国际航天发射又是如何处理再入火箭的。

凤凰网记者:从长征五号B遥二火箭发射到完成任务后箭体外壳回落地面,差不多是过了10天时间。这么长时间的降落周期。是否与它的一级半的入轨方式有关系?

陈亮:任何一个入轨级的火箭,如果是打的是LEO轨道(近地环绕轨道),他入轨级的再入过程其实都是差不多的,不会有不会有太大区别。比如说拿长二丙或者说其他的型号,包括中国的,国外的都是如此。如果火箭是二级入轨的,用二级火箭来去打LEO轨道的载荷,或者空间站轨道的载荷的话,它的入轨级都会经历这么一个过程。长征五号B遥二火箭是一级半构型,是芯级直接入轨,它的入轨级也是经历这样过程,这次引起关注的原因主要是入轨级的规模比较大。其实所有火箭都有这个过程。

凤凰网记者:明白。这次整个再入的部件大概有多重?

陈亮:规模上大概是20多吨,官方给出数据21吨,就在这个量级上。

长征五号B遥二火箭发射

长征五号B遥二火箭发射

凤凰网记者:那也就是说它的重量其实和这次打上去的载荷是差不多的?

陈亮:对。一般来说咱们的火箭,包括像长五的二级,或者说是像国外的任何火箭,其实比它二级的规模一般会比较小,一般是几吨这个量级。咱们长五B是一级半构型,所以说入轨级是一级火箭,什么规模就会比较大。像其他的一些火箭,它的一级规模都普遍的比二级要大。比如说长5这样一个800吨规模的火箭。大概一级就有20多吨的重量。然后规模再小一些的火箭,像大家比较熟悉的猎鹰9号火箭,它的一级也是几十吨量级的规模。

凤凰网记者:但它一级没有进入轨道。

陈亮:对,它一级不入轨的,它是一个两级火箭。

阿丽亚娜5火箭

阿丽亚娜5火箭

凤凰网记者:然后阿丽亚娜5(Ariane)是不是也是类似的构想?

陈亮:有点区别,因为阿丽亚娜5(Ariane)的话首先它面向高轨任务,它有二级。所以整个轨道是不太一致的,它的轨道周期,还有离轨的动作之类的其实都不太一样。

凤凰网记者:它比较接近长5对吧?

陈亮:对。更接近于长5。

凤凰网记者:长五B负责低轨的大载荷运输。从这次再入部件的质量上看,这次核心舱相当于是近年来我们人类向太空中发射的最大的载荷对吧?

陈亮:对,没错。

凤凰网记者:这次也应该是在近年来破记录的一个再入重量了。

陈亮:对,当然说第一个引起关注的就是长五B的遥一火箭。从整个轨道等各方面的情况上都是类似的。

凤凰网记者:当时为什么没有引发这种情况?现在西方国家,尤其美国在舆论上造势。在长五遥一的时候是不是没有发生过?

陈亮:可能因为我是这个领域的工作者,我的印象里其实长五遥一再入的时候就引发了一些关注,但是媒体没有这样大肆的炒作,可能有一些其他东西的影响。

但是就问题上,包括整个再入的过程其实是非常相似的,包括航天这个领域的爱好者也好,还有相关机构也好,其实也都一直在关注,其实也是有报道的。只不过可能其他的非航天类的媒体,或者说机构,对这个问题的关注要少一些。

凤凰网记者:就是说大众媒体对此关注之前是不足的。

陈亮:对。

美国太空实验室

美国太空实验室

凤凰网记者:我们见过很多这种大质量航天器的再入,比如说当年的和平号空间站,还有美国在之前发射的空间太空实验室都是近百吨级或者上百吨级的。那么这一次长5B的再入它可能造成的影响范围大概有多大呢?

陈亮:美国的天空实验室当时再入大气层是无控的,因为当时没有控制,是在控制系统完全失效的状态下慢慢落下来,它的坠落周期还比较长。但是像和平号空间站,应该很多人都有印象,它的再入过程是可控的,能够保证再入点,它的落区范围会小一些,大概可能几百公里上千公里,把它落在印度洋里或者太平洋里就可以了。

这次长五B的话,它是在钝化(指火箭与载荷分离后所采取的的一系列无害化操作)的过程中采取了一些动作,包括泄放推进剂等,会产生一些有一定离轨效果的动作。否则他的降轨过程不会这么快。当然他的再入过程其实确实也是无控的,落区范围也是在监控之下的,可以做一些预报。

火箭的一级主体结构是铝合金的,基本上可以确保在再入过程中完全烧毁。而且火箭是一个大空壳,很容易烧毁。如果说假设有的话有一些残骸落在地面上的话,应该是一些它的钢制结构。因为长五的发动机部件和管路输送系统都是低温下工作的,一般采取的是钢制的,这一部分结构可能在再入过程中会留下来。而且这些钢制结构被箭体外壳所保护,经受的这种力和热载荷会小一些,确实有可能会落到地面上。

溅落范围的话有很大的随机性,因为再入段的它的姿态,还有整个在大气层中的飞行过程其实不太好预测的。但是这个范围应该不会说很大。比如说咱们的飞船,再入落区可能是100公里这样一个范围,考虑它有降落伞等等各种影响。像整个火箭的再入也不会说就是散布面积很大,可能偏差在百公里量级。这个当然不太好确定,有很强的随机性。

和平号空间站

和平号空间站

凤凰网记者:明白。在火箭从发射到再入的整个过程中,芯级再入的这个时间点我们会采取哪些干预措施呢?

陈亮:在发射空间站入轨之后,火箭是会采取我刚才说的钝化的过程。就是把箭体上的电放掉,高压气体放掉,推进剂泄出,尽可能的减少对地面和空间环境的影响。这些动作对火箭离轨是有好处的,会产生一定的离轨动作。火箭再入点的大概时间和位置在做离轨动作之初就已经评估过了。咱们按照常规的操作是能计算出来的,会有大概的一个落地范围。上次的长五B遥一也没有落在人口密集区,这个是有考虑的。

当然任何事情都存在概率。残骸落在有人的地方这种概率还是极其低的,当然不能说没有,但是确实是极低的。这一次看还比较顺利,然后落在了印度洋里,应该是没有任何造成任何地面和人员的损失。

礼炮空间站

礼炮空间站

凤凰网记者:当年俄罗斯的礼炮空间站还有后来美国的太空实验室,在无控状态下再入大气层,他们进入北半球人口密集区的风险大吗?

陈亮:空间站的轨道倾角一般来说三十几到四十几度之间。所以说它覆盖的范围可能是会覆盖到北半球的人口密集区。在无控状态下,我们任何可能性都不能排除。但是在无控再入的话,它的随机性非常强,很难说清楚。像太空实验室它失控之后,或者说它退役之后,当他再入的过程其实间隔了很长时间,长时间处在一个无控状态下,这个风险是很高的。

咱们的长五B遥二,它的一个是离轨采取了一定的措施,有一定的效果。另外一方面离轨的周期,离轨的时间其实很短。对它的轨道的预测,对它再入点的预测应该是比较精确的。

在整个离轨钝化方案的设计之初,应该也充分考虑了各方面的影响因素,和各种的影响因素和概率。应该说从这个离轨方案设计上肯定是考虑了尽可能的避免落入北半球的人口密集区。应该是有这方面设计和考虑的,所以说从设计的角度来说,这个概率应该也是非常低的。

如果确实说有很高概率落到人口密集区的话,我想一定会装一些离轨发动机之类的进行有控再入。但是这个代价其实会非常大,而且对整个发射的可靠性影响也比较大。国外一般也不会采取这种措施,包括二级火箭,一般也不会采取这些措施。

凤凰网记者:就是使用动力减速的方式进入再入其实是不可取的?

陈亮:就从技术上这是可行的,但是说带来的可靠性方面,还有运载能力损失方面,代价其实会比较大。而且它本身是离轨的这种措施,它本身也是一个系统独立的系统,它也会有额外的增加系统风险。大家一般通行的措施,不管是国内的国外的,目前大部分火箭更多的时候还是无控再入。前几天正好有一个猎鹰9火箭的二级在美国本土再入了。它的高压气瓶没有烧毁,打到了地面上。应该还是附近有人的地方,打在某个地方的草坪上。

重型猎鹰火箭

重型猎鹰火箭

凤凰网记者:这个事情其实也只是尽量减少风险,但是实际上任何国家都是没有办法完全规避掉风险的?

陈亮:对。其实精确的预示它的再入轨迹,或者说再入的时间点,提供一些风险的预警之类的也会有一些效果。但是因为残骸落入人口密集区的概率实在是非常低,大部分国际通行的做法是不要求,也确实没有采取主动控制的措施。另外一方面其实也没有一个约束性的框架来规范这些事情。

凤凰网记者:国际上在这个事情上也并没有形成一条规范性的框架?

陈亮:对,因为概率确实非常低。大家目前采取的措施也都是这样的,其实没有什么风险。这次觉得这种渲染似乎有一些过分炒作的那种感觉,当然也引起大家关注,也是一个有科普价值的吧。

凤凰网记者:对,是的。我们也想以此为契机,然后再讲一下,毕竟长五B遥二的整个设计和它的轨道任务,其实大家容易把它理解成又一次火箭发射,但其实真的不一样。

美国的太空实验室他们整个再入过程,当时遇到一个出现什么问题了吗?其实说美国一开始没有完全考虑这个事情,对吧?

陈亮:对,可以这么说,他没有太好的规划,不像俄罗斯这样对空间站的任务规划其实做的比较好。天空实验室毕竟它根上有缺陷,就是土星5号改的。它确实规模很大,因为土星五号非常大的。当时美国人其实更多的是想去先有一个空间站。没有太好的规划,我印象中它的空间站的就使用应该只有五批宇航员的样子或者三批我有点记不太清了。服役时间很短,也就是一年多。它废弃之后,很快就是处于一个失控状态。它最后再入过程其实是完全无控的一个状态,并不是说美国人在再入过程中控制出了什么问题,其实就是完全无控一个状态。

凤凰网记者:在设计的时候就没有充分考虑过这个问题。

陈亮:对

凤凰网记者:等于说其实俄罗斯从一开始做礼炮系列空间站的时候,也是认真考虑过这些问题的?

陈亮:对。俄罗斯对整个礼炮空间站计划的计划实施开展有比较长远的规划。包括到后边的和平号空间站,它其实也是包括各种空间任务,包括最后的离轨,还有他之前的延寿计划其实都做了比较详细的规划。和平号空间站的离轨再入过程接近于一个直播的状态,整个计划是实施的非常的完美。

凤凰网记者:这次长五B遥二火箭的发射过程中,在释放载荷之后,它的芯级和地面的测控其实是没有再联系了?

陈亮:对。他离轨之 后应该很快,当然不是说马上,很快它会进入它的钝化过程,钝化过程就要电池放电,然后气瓶要泄压,然后推进剂要泄出。这一系列过程中,比如电池放电之后,火箭就失去了对自身的控制,也无法由地面遥测系统对它进行主动的控制,不会再建立通信关系。但是咱们地面的雷达,包括国内的测控站,还有一些咱们与国外合作的一些测控手段也都会和实时监控的长五B的芯一级的轨道状态。

凤凰网记者:主要提供是预警对吧?

陈亮:对。

凤凰网记者:您能再详细讲一下在芯级在完成任务之后,为了减小对地面的损害所采取的一系列措施吗?

陈亮:这个过程叫做钝化,它其实主要包含三部分,一个是把电池全部消耗掉。

凤凰网记者:这个是为什么呢?

陈亮:电池消耗掉是避免产生多余动作。控制系统在分离之后就把电消耗掉,就不会产生多余的动作。

另外一个是气瓶要先把高压气体给泄出,因为理论上来说,高压气瓶它有可能在轨会发生爆炸,爆炸的话产生碎片,影响会不太好,任何可能性都要排除掉。另外一个是就像猎鹰9这种情况,它的气瓶落回到地面了,如果是一个有高压的容器可能会对地面人员的安全造成一些威胁。再有一个就是推进泄出,这个其实很好理解,就是说推进剂如果是还在还有的话,它就会有可能在空间发生爆炸。

凤凰网记者:防止产生太空垃圾。

陈亮:核心的还是产生太空垃圾。

凤凰网记者:所以钝化过程所采取的一些措施的核心目的是防止产生太空垃圾。因为它所经过轨道应该也是常用的那些轨道对吧?防止堵路。

陈亮:其实LEO轨道没这么紧张。当然我们知道现在的星链卫星非常多。但是你去看整个LEO轨道目前来说还没有那么拥挤.但是一旦产生碎片的话,它的影响范围就会很大。

星链计划

星链计划

凤凰网记者:所以会对各国目前正在建设的低轨星座会有影响?

陈亮:对,但是在LEO产生这些东西很快的会入大气层。即便说没有离轨动作,或者说轨道高度稍微高一些。比如说500公里的SSO(太阳同步)轨道,也是一个低轨,即便是完全没有这种措施,大概一两个月也能够再入。

凤凰网记者:等于说大气层上缘的大气分子依然还是能够会对这些残骸或者部件造成那种减速下坠对吧?

陈亮:对,包括空间站也都是要不断的进行升轨的操作,比如说飞船对接之后会推一把,本身它有轨控发动机也会推一把。

凤凰网记者:我再问一个和商业航天火箭有关的问题,这样一系列的复杂的系统设计,包括发射过程末尾的轨道钝化的一些程序设计,在我们的商业火箭也都是标准程序,对吧?

陈亮:对。钝化过程是大家都一样的,像我们的钝化,比如说像有上面级的这种火箭的话也是类似的手段,像泄压、释放推进剂等一系列的手段。比如说我们的之前的4级火箭,顶上有一个有姿控发动机的,我们就可以相对来说离轨快一些。

因为姿控发动机可以多次点火,我们调整一下姿态,稍微推一下就可以很快的离轨,会方便一些。上面级因为很小,而且他们姿控发动机和长5这种液体火箭的大型的发动机不一样。小的姿控发动机很快的喷一下的,就很容易点火,多次点火,点个几百次上千次都可以的。他能够比较方便的离轨。

但是对于像长征五号还有一些大型火箭。它的主动力没有二次点火的要求,因为他们的主动力再点火的话,需要的资源,需要的推进剂,点火的装置都要复杂很多,而且对整个系统可靠性有不太好的影响。所以说一般不会轻易的为了离轨再点一次火。所以说还是有区别的。

商业火箭都至少我们的是有严格的离轨钝化的设计,这种程序而且也是效率比较高的,能够很快离轨。

凤凰网记者:明白。我记得重型猎鹰火箭应该是出现过它的部件进入太阳轨道的情况,对吧?

陈亮:重型猎鹰现在一般是打高轨道的载荷,还有一个是奔月的任务。像这种的话,它的二级箭体的飞行高度会非常高。这一级的箭体一般进入一个所谓的“太空坟场”这样一个非常非常不太用的,一般用不到的轨道,或者根本就是正常航天器都不会用的一个地方,就待在那儿。等个几百年上千年可能也会慢慢落回来。因为有重力影响,没有能量了,它会慢慢往下落的,这是一种方式。实际上还是有很多航天器的上面级或者说就末级还是在轨道上长期存在的,而且确实也会对轨道安全有影响,这种事情也存在。各国都有大量的这种人类历史上发射的航天器,特别是火箭的末级还是处于一个在轨的状态,还是有很多。

凤凰网记者:等于说长五B采用一级半入轨的方式,其实它是对整个低轨的影响其实是相对比较小的,对吧?

陈亮:应该说很小对,非常小。低轨的应该都不太有风险,因为很快会再入大气层。在不进行离轨制动的情况下,五六百公里高度轨道上的物体可能需要一两个月。三百公里高度轨道的话几天,以天计的这样一个量级的时间,就能够再入大气后烧毁。

凤凰网记者:明白。感谢陈老师了,非常受教,再见。

陈亮:再见。