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为什么说长征五号失控是伪命题?扒一扒火箭的“前世今生”

过去几天,外媒流行起一个新名词——China’s Out-of-Control Rocket,意为“中国的失控火箭”。

所谓“失控火箭”是指长征五号 B 遥二火箭,即 4 月 29 日将中国空间站“天和核心舱”成功送入预定轨道的运载火箭。

【长征五号 B 遥二火箭点火升空】

外媒给这枚火箭加上“失控”定语的理由是:火箭末级通过再入大气层烧蚀销毁,残骸从天而降,人类的性命安危将会受到威胁。

在 5 月 7 日的例行记者会上,外交部发言人汪文斌对此作了解释:

据我了解,该火箭末级已采用了钝化技术处理,绝大部分器件将在再入过程中烧蚀销毁,对航空活动及地面造成危害的概率极低。

尽管并不清楚残骸是否会造成任何负面影响,NASA 还是就此事对中国进行了强烈谴责。

当地时间 5 月 9 日,NASA 局长 Bill Nelson 在一份声明中表示:

航天国家必须尽量减少太空物体重新进入地球对人类和财产造成的风险,并且最大限度地提高航天任务的透明度。显然,中国在火箭残骸方面没有达到负责任的标准。中国在内的所有航天国家、商业公司实行负责任、透明的任务,确保太空活动安全、稳定、可持续,是至关重要的。

之后中国载人航天工程官方网站发布公告:

经监测分析,2021 年 5 月 9 日 10 时 24 分,长征五号 B 遥二运载火箭末级残骸已再入大气层,落区位于东经 72.47°,北纬 2.65° 周边海域,绝大部分器件在再入大气层过程中烧蚀销毁。

5 月 10 日,外交部发言人华春莹在例行记者会上再次回应:

这几天大家都非常关心中国火箭残骸坠落的问题,前几天美国等一些国家也有一些渲染,但是我们已经看到有关报道,火箭末级已经再入大气层,没有对地面造成危害。

可见,“失控火箭”的说法并不成立。

“失控火箭”说法并不成立

判定长征五号 B 遥二火箭究竟是否“失控”,其实需要了解这样几点事实。

第一,火箭末级再入大气层烧蚀销毁其实是国际通行做法。

据《环球时报》报道,有专家指出火箭残骸失控本身就是伪命题,原因在于:

通常火箭完成载荷运送任务后,在大气层外运行的火箭残骸本身已经失去动力,甚至可能结构都有所损坏,因此不管是飘浮在太空的哪国火箭残骸,都不存在“可控”的概念。

第二,再入时温度高达千余摄氏度,全箭 95% 以上将会被烧灼殆尽,最后留下的也仅仅是那些因设计要求而耐高温的部分。

相关专家表示:

运载火箭通常采用多级结构,体积最大的第一级和助推器往往在大气层内就完成使命自动脱离,由火箭第二级乃至更上面级将载荷送入太空。而长五 B 采用一级半构型,相当于用一级火箭将空间站核心舱直接送入轨道,因此留在太空中的体积的确相当大。但由于其结构“皮薄馅多”,内部燃料在发射时消耗后,剩余的壳体质量并不大,而且以铝合金为主的壳体很容易在大气层中焚毁。

第三,说中国违反国际空间法、相关行为不负责任等等,并不合理。

据航天博主“归零工作室 RTZT”介绍:

我国火箭自长征四号甲之后所研的,末级都严格遵守国际钝化条例:储箱残余液体放光,增压气瓶多余气体放光,蓄电池剩余能量放光(俗称“三排”)。

我国新一代运载火箭系列中,基本具有国际标准化组织(International Standard Organization)制定的指导性文件-ISO27875 与 ISO20893 中所说的钝化系统,还在末级储箱置有排放转向装置,既排空了燃料,又钝化了轨道,这也符合ISO中所述的末级离轨容许“经济和技术上的可接受性”(Economic and technical acceptability)。

火箭的前世今生

谈及火箭,我们可以将目光拉回至 60 年前。

当地时间 1961 年 4 月 12 日上午 9 时 7 分,苏联航天员 Yuri Gagarin 乘坐东方 1 号宇宙飞船从拜科努尔发射场起航,在最大高度为 301 公里的轨道上绕地球一周,历时 108 分钟完成了世界上首次载人宇宙飞行,人类进入太空的愿望得以实现。

随后 60 年里,人类实现了月面行走,各国航天器被送往水星、金星、火星……太空探索如火如荼进行着,人类对宇宙的认知不断拓宽——当然,航天领域一次次的巨大飞跃,离不开火箭科学的发展。

基于上述长征五号 B 遥二火箭牵涉出相关舆论的背景,在此对火箭的发展做一次简要科普(注:以下内容部分编译自 Interesting Engineering 网站文章)。

如今我们眼中至关重要的火箭科学,实际上“出身卑微”。

火箭的使用最早可能要追溯到宋朝,随后于 13 世纪传至欧洲和中东。那时,火箭基本上是装着火药的管子,主要功能是用可怕的噪音和爆发力来恐吓敌人。此后,火箭被用于各种各样的军事目的,例如包围防御工事、城墙等。

据了解,单词 rocket(火箭)来源于意大利语 rocchetta(小纺锤,因为它们在形状上与用于固定纺车上的线的装置相似),17 世纪早期开始出现在英文文本中。

18 世纪晚期,迈索尔王国(位于今印度西南部卡纳塔克邦一带)发明了“迈索尔火箭”,主要目的仍是军用,通过压缩火药和铁箱将当时的火箭射程从 90 米左右增至 1830 米。

1861 年,第一个提出使用火箭进入太空旅行的人出现——苏格兰天文学家、数学家、牧师 William Leitch 在名为《上帝在天堂的荣耀》的书中阐述了人类最终命运在于太空的信念,虽然观念在当时可谓超前,但有着一定的宗教色彩。

19 世纪起,火箭终于沾上了科学的边。

科学家们开始认真地把火箭的基本原理提炼成数学公式(后来被称为“火箭方程”,由多位科学家各自独立推导而成)。

“火箭方程”实际上要归功于现代宇宙航行学奠基人、苏联火箭专家 Konstantin Tsiolkovsky(康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基)。

1903 年,他发表了一篇题为《用反应机器探索外太空》的论文。论文认为,火箭的发展将使人类太空飞行成为可能。他不仅提出了火箭发动机工作的数学公式,他画出的原理图也为现代火箭设计奠定了基础。

1912 年,美国物理学家 Robert Goddard 也独立开发了一个火箭方程,随后法国工程师 Robert Esnault-Pelterie 和德国奥地利物理学家 Hermann Oberth 分别在 1913 年、1920 年导出了相同的方程。

Konstantin Tsiolkovsky、Robert Goddard 、 Robert Esnault-Pelterie 和 Hermann Oberth 四人被共同称为现代火箭和航天之父。

这之后,现代火箭从理论走向实践。

1926 年,Robert Goddard 通过将固体推进剂转换为液体推进剂,并在高压燃烧室安装超音速拉伐尔喷管(de Laval nozzle,指一个中间收缩、不对称沙漏状的管子),建造了第一枚现代火箭。

1942 年 10 月,纳粹德国设计出了 V2 火箭,它是世界上最早投入实战使用的弹道导弹,也是人类航天运载火箭的最早雏形。

二战后,纳粹德国的技术成为东西方阵营的抢夺焦点,双方早期火箭都有鲜明的 V2 火箭特征。

苏联方面,Sergei Korolev 被任命为研制远程弹道导弹的首席设计师,在德国火箭科学家的帮助下,于 1957 年研制出 R-7 弹道导弹,即世界上第一个洲际弹道导弹,之后 R-7 家族火箭不断发展。

美国方面,40 年代末、50 年代初由美国国家航空咨询委员会(NACA)监督相关研发工作,后来在 1958 年 7 月 28 日,时任总统德怀特·戴维·艾森豪威尔(Dwight David Eisenhower)签署了《美国国家航空航天法》,创建 NASA,并接管了 NACA 的工作。

双方的竞争无疑加快了火箭技术发展,随后阿波罗时代、航天飞机时代先后到来,包括中国在内的众多国家也开始了自己的太空计划。

而我们如今正在经历的,则是商业太空时代。

不论是老牌的洛克希德·马丁、波音、诺斯罗普·格鲁曼,还是新兴的 Blue Origin、SpaceX 和美国联合发射联盟(ULA),商业航天离不开火箭科学的飞跃。

放眼未来,小行星采矿、太空旅行也许会成为司空见惯的事情,人类对宇宙的认知自然还会不断拓宽。

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