天上不会掉馅饼，但会掉火箭残骸……
2017/11/24 17:00:00 中国科普博览
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据报道，11月15日凌晨2点46分，湖北恩施市芭蕉乡的上空出现类似影视剧中炸弹掉落的呼啸声，仅仅20秒就出现了“砰”“砰”两次巨响，当地群众非常惊慌。
那么这两个神秘的天外“飞来横祸”到底是什么呢？
揭秘神秘的风云气象卫星家族
事实上，早在这之前的11分钟——凌晨两点35分，中国的“风云三号”D星“乘坐”长征四号丙火箭从山西太原火箭发射基地起飞。这是风云三号的第四颗卫星，也是三号系列中最先进的一颗。而风云系列是一个由风云一号、二号、三号、四号组成的庞大气象卫星家族。
其中，4颗风云一号和4颗风云三号在距离地球表面800-900千米、轨道倾角98.4-99.2度的太阳同步轨道。在这个轨道上它们能与太阳相对地球关系同步，通过固定点上空的当地时间永远是相同的，比如每次通过北京上空时都是北京时间早上12点，这时阳光最好，它们距离地表较近，每100分钟就能绕地球飞行一周，可以提供各种气象的细节。
8颗风云二号和预计4颗风云四号则停留在距离地面35786千米的赤道上空。在这里它们围绕地球转一圈恰好与地球自转完全一样，在地面看来它们就相对实现了完全静止，也因此被叫做地球静止卫星。
今年9月25日，微信的开机画面更换了三天，画面将NASA提供的、视角在非洲南部的《蓝色弹珠》，更改为我国提供的、视角在中国南部赤道的图片，这就是风云四号首颗星的成绩。
微信开机启动画面更换前后对比图 ?来自：新华网
天有不测风云，人有旦夕祸福，了解气象对于任何一个国家农业工业、灾害预警、救援除灾的意义不言自明。而风云系列卫星就是通过风云一号、三号这8颗飞得近、看得清的神行太保，和风云二号、四号这12颗飞得高、看得远的烽火台，共同完成了中国超过960多万平方千米陆地和超过300万平方千米海域的全面气象条件探查。
风云三号发射带来的火箭整流罩
任何一次火箭发射都要征服地球给我们设置的巨大障碍：重力和空气。
为此，一枚火箭必须竭尽全力挣脱地面阻力，当助推器、第一级、第二级乃至更多级燃料用尽时，火箭便迅速将它们扔掉以减少余下的负担。而火箭第一级往往在火箭高度仅仅几十千米处便已扔掉，它们会重新落回地面。部分火箭第二级也会在太空中滑行一段时间后落回地面，不过基本滑出国境并经过了剧烈大气烧蚀。最为宝贵的卫星作为有效载荷毫无疑问将会被放置在火箭最顶部。
挣脱地球不是一件容易的事情，人类的火箭仅仅能以2%-5%的效率运送航天器抵达太空。比如我国最重的长征五号达到880吨，也是目前世界上最强大的火箭之一，但能运送到近地轨道的极限仅为25吨，因此处于火箭顶部的质量一定要精心设计和保护。
同时，稠密的大气也会在火箭运动时增加巨大的空气阻力。人类所恐惧的12级飓风仅仅在32.7～36.9米/秒速度范围内，而火箭面对的却是从静止到7000米/秒级别的巨大速度范围。在地面稠密空气区域，火箭只需要几十秒钟就会达到声速，这将会对装在火箭顶部的卫星造成巨大的冲击力，所以必须由一对叫做火箭整流罩的结构牢牢保护起来。当火箭携带卫星脱离主要地球大气后，整流罩便会被立即抛掉以提高火箭运输效率，并且会在重力作用下返回地球。由于整流罩位于火箭顶部的独特位置，这意味着整流罩必须强度特别高、重量尽量小，造价自然不菲。
长四丙火箭的基本结构，一级火箭和整流罩都会很快落回地面 编辑自：百度百科
这次落在湖北恩施的“飞来横祸”就是保护风云三号的两片巨大的整流罩。它们来自于我国主要用来发射太阳同步轨道卫星的长四丙火箭，两片并在一起形成一个直径3.8米、由4.1米高的圆筒延伸至最终10.7米的巨大类圆锥体。里面足够塞下2辆大型的越野车，每一片的大小实在惊人。
为什么会有“飞来横祸”？
前文提到，一级火箭和整流罩总是在火箭发射阶段很快脱离火箭余下部分。以我国最近一次的神舟十一号载人飞船为例，2016年10月17日早上7时30分31秒，长征2F火箭从酒泉卫星发射中心发射。仅仅121秒后(7时32分32秒)，负责航天员逃生应急的逃逸塔分离，而33秒后(7时33分05秒)，四个助推器和一级火箭将会相继在2秒钟内脱离火箭返回地球。
在距离火箭发射209秒后，火箭已经达到119千米高，超过人类认为的大气边缘、地球和外太空的分界线卡门线(100千米高)。此时的大气密度降到仅为地球表面的一亿分之一，几乎可以忽略不计，这也意味着整流罩将会被迅速扔离火箭。
脱落的逃逸塔、助推器、一级火箭、整流罩基本都处于无控落向地面的状态，因此都成了砸向地面的飞来横祸，这是世界范围内任何一种火箭发射都无法避免的问题，现在没有任何一种技术能全面回收所有的火箭残骸，总有一部分会落到地面。
理想情况下，如果残骸能落入完全无人的区域，比如荒漠和海洋，最为理想。但对于我国而言并不现实，因为我国东部人口稠密地带过多。而东部沿海设立发射基地也存在着国土安全问题，毕竟彼时的中国国力和今天不可同日而语。中国也拥有世界上最多的邻国，这些火箭残骸一旦坠落到日本、朝鲜、韩国、俄罗斯等邻国国土内，也会造成严重的外交问题和不必要的潜在军事冲突。
中国的四大发射场地址 来自：中华网
所以本次风云三号卫星就是从中国最早的三个火箭发射基地之一——太原基地发射，这里主要发射极轨和太阳同步轨道卫星，火箭向南飞，落区在湖北十堰和恩施附近。
其他两个火箭发射基地分别是酒泉发射基地和西昌发射基地。
酒泉发射基地位于内蒙古境内和甘肃交界处，这里一般接受载人航天的发射任务，火箭残骸落区在陕北的榆林地区。
西昌发射基地位于四川山区内，残骸落区在贵州西北部几个市县。只有文昌基地东部面临大海，不必担心残骸问题。
在航天发射前，都需要预估火箭残骸落区范围，制定火箭一级、整流罩的大致落区，一般为30千米宽、50-70千米长的范围。在执行火箭任务时，有关部门会设立暂时的航空禁飞区，地面也会预警和疏散。当残骸被发现时，当地的政府部门和驻军会前往收集和处理。
某卫星发射任务时坠落在农田的巨大整流罩 来自：人民网
但尽管如此，这些落区内还是会有散落的居民点，火箭发射带来的残骸依然会造成一定威胁，我国曾经有过数次火箭残骸对居民造成财产和生命健康损失的案例。由于中国的早期火箭燃料都选用剧毒的四氧化二氮和联氨，这也会对环境造成一定破坏。
苏联/俄罗斯的几个主要发射场也建在内陆中，残骸落区也存在和中国类似的问题。2011年，俄罗斯发射子午线卫星，从西北部的普列谢茨克基地发射时残骸不幸击中民房，实在巧合的是，这条民房所在街道的名字就叫作“宇航员大街”，所幸这栋民房内当时无人，并未造成人员伤亡。
美国地理位置优越，几乎三面环海，且几乎不存在军事威胁，大部分航天发射场都建在海边，残骸落区在完全无人的海上。在执行任务前只需进行短时间的海上航行封锁即可，残骸散落的风险要大大低于我国和俄罗斯。欧空局的主要发射场位于赤道附近、东面临海的法属圭亚那，也不存在残骸落区的问题。
但不管怎样，能够尽力减少火箭残骸对居民的威胁才是下一步航天发展的努力目标。
如何阻止“横祸”继续
发射基地选址
如前文所说，能够在海边建立航天发射场是个很好的解决方案，而我国目前新建的海南文昌航天发射场正是出于此目的。它的位置更加靠南，在火箭发射过程中能借助更多的地球自转速度，这使得对火箭的发射能力要求相较最北的酒泉降低10%左右。
由于它的火箭运输可以经由海运，而不必像三个基地一样受制于公路、铁路隧道大小的问题，这意味着它可以轻松解决直径5米箭体的发射任务，这也是我国长五胖子必须在文昌发射的直接原因。
从央视直播画面中可以看到，在文昌基地首射长征五号时，划定的一级火箭落区和整流罩落区都在茫茫大海上
另一方面，它的残骸落区都处在海南以东的广袤南海海域，完全不必像其他三个内陆发射场一样担心残骸问题。
当然，选择文昌也是我国军事和综合实力强盛的一个重要标志。其实早在50年代就有火箭专家提出在文昌修建火箭发射场，而如今中国人终于依靠如同“下饺子”一般快速崛起的海军舰队和航空母舰，有了坚定保卫自我的能力和决心，文昌才得以在几十年后正式开建。它将极大分流西昌等卫星发射中心的压力，也减少火箭残骸对居民的威胁。
回收技术-不产生残骸
美国的太空探索技术公司(Space-X)为世人展现了绝活般的一级火箭回收技术，通过回收复用，不仅大大降低了火箭发射成本、提高火箭竞争力，也彻底消除了火箭一级残骸的威胁。
Space-X公布的整流罩回收过程效果图 来自：Space-X
而在2017年3月30日的发射任务，Space-X也第一次尝试了价值数百万美元整流罩的回收。当它从100千米高空脱离后，巨大的整流罩在小型喷气发动机的控制下，以类似“打水漂”的方式滑回大气，在最后阶段通过巨大的降落伞进一步减速，让整流罩以极低的冲击力降落。虽然没有做到完全重复使用，但这次难度极高的尝试取得成功也意味着整流罩回收必将成为下一个航天技术发展焦点。
我国目前也已立项，计划研制可重复使用的火箭载具，预计在2020年实现可复用火箭发动机等研制、2025年进行首次全系统测试、并在2030年前后实现可回收火箭产品完全成熟、2035年前后推动实现我国绝大部分火箭的回收利用。
也就是说，彼时中国火箭也能做到火箭一级、整流罩、乃至更多部分成功回收，势必大大降低火箭成本，同时也将彻底告别火箭残骸对我们产生威胁的时代。
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
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本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。
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