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火箭残骸和太空垃圾会不会砸到你?

火箭残骸和太空垃圾会不会砸到你?

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

人类航天事业的基石是运载火箭技术,正是一枚枚火箭在轰鸣声中惊天动地起飞,才有了军事、气象、通讯、遥感、导航、科学应用、载人航天和深空探测等多种可能性。但很多人往往忽视了一点:人类受困于强大的地球引力和浓密的大气层影响,火箭运输效率极低,有效载荷仅为总重量的1-5%左右。

人类超级火箭土星五号和它巨大的一级发动机(图源:NASA)

以人类有史以来最强的登月火箭土星五号为例,它的总重量约为3000吨。第一级总重约2290吨,其中壳体和发动机质量仅为130吨,2160吨都为液氧煤油燃料。发动机工作时间标准流程为165秒,平均每一秒燃烧13.1吨燃料,换算成汽油差不多够一辆百公里油耗10升的小汽车围绕地球赤道开4圈半!

但它能送到月球的有效载荷仅为45吨重的阿波罗飞船,比重仅为1.5%。如果考虑到真正的有效载荷仅为三位宇航员和有限的科学仪器,这个效率低到令人发指。其余部分几乎都是燃料和火箭残骸。

长三乙结构(图源:中国长城工业集团有限公司)

中国王牌火箭长征三号乙,是嫦娥探月、北斗卫星导航、天链一号、通讯卫星系列等背后的超级英雄。它总体上能够分为22个部分[1],但是真正有效载荷就只有第2部分:卫星,占火箭总体重量仅为1%左右。

余下的99%中,除了图中并没有标注出的燃料,其他21个部分都可以叫做同一个名词:火箭残骸!这是我们进行航天事业所必须承受的代价。

虽然同是残骸,但是我们不一样

火箭残骸包括很多种类。按照火箭残骸的产生流程,可大致分为如下几个部分:

1.飞来横祸

顾名思义,这部分残骸是在火箭发射后不久会重新返回地面,甚至在火箭刚开始呼啸震动时就开始"掉渣/残骸":这其实往往是保温泡沫或结的冰。

猎鹰9号火箭在发射最开始阶段就掉落"残骸"(图源:SpaceX)

大气密度很大,这个阶段产生的残骸高度不够、速度很低、因而这些残骸根本没能突破大气。按照火箭推进的原理,所有的火箭几乎都要设计成多级模式,越靠下面的部分越大也越强力(参考上文土星五号的介绍)。这意味着这部分天外飞祸特点是:非常大、非常贵、也非常危险!

以我国每次载人航天都要使用到的长征2F王牌火箭为例,在发射后约3分钟内,火箭的逃逸塔、助推器、一级火箭、整流罩等重要组成就会相继程序分离,最后分离的整流罩最大高度也仅为100千米左右,引力作用下,它们必然会返回地球。

由于程序分离时间、分离姿态、气象条件等各不相同,它们的掉落区往往分散且面积巨大。由于历史和技术原因,我国的三大传统发射场酒泉、太原和西昌都位于内陆,每次发射都要着重考虑这一批残骸的破坏力。

长征2F火箭基本结构(图源:开放版权)

2."天外来客?"

随着火箭继续飞行,火箭二级将会继续完成推高航天器轨道的重任,以至于它分离时往往自身动能已经足以环绕地球。但此时轨道高度依然在200千米左右,这里大气虽然稀薄却可以造成足够阻力,火箭二级往往还是会返回地球

由于高空大气的情况复杂,火箭二级被抛弃后姿态也无法确定,返回地球的轨迹、时间和冲击大气地点很难预测。2016年6月25日我国首次发射新一代火箭长征七号,火箭二级在太空中自由飞行了一个多月后,于7约27日当地晚间在北美中西部再入大气。

但我们不必担心火箭二级造成的威胁。它们没有任何防热措施,再入大气时速度大、空气稠密,它们往往变成美丽的流星,焚毁在大气中。

也有极个别情况火箭二级可能变成"飞来横祸"。历史上最接近二级火箭飞来横祸的是一位叫Lottie Williams的美国人,在1997年她被一个德尔塔-2型火箭二级返回地球时的碎片擦过肩膀。所幸只是轻微擦过,并未受伤,就是吓了一跳。如果再偏一点砸到头上,基本就是必死了。

把她叫做世界上最幸运的人,并不为过(图源:开放版权)

总体上,人类航天60年来,从未发生过任何环绕地球的火箭残骸或太空垃圾击中人类的案例。

3.永久的太空垃圾

对于很多高轨卫星而言,旅程远未结束,运送它们的火箭往往还有第三级、上面级等重要结构。

例如,我国王牌火箭长三乙可以携带一个远征一号上面级[2],就是靠这个"太空摆渡车"才实现了数次北斗卫星导航系统"一箭双星"任务。请注意,这种一箭双星任务所需要的技术,是远远超过其他"一箭N星"任务的。那些往往是处在同样轨道,火箭只是到站"撒土豆"而已。

此时卫星被分离时轨道已经非常高,这些火箭残骸注定几乎不可能返回地球大气。以2015年7月25日我国长三乙+远征一号"一箭双星"发射北斗导航卫星(M1S和M2S)为例,直到今天(2019年8月12日)长三乙的第三级仍然飞在近地点382千米、远地点16587千米的大椭圆轨道,而共同升空的远征一号更夸张,它飞在近地点22042千米、远地点27866千米的超级椭圆轨道。到人类灭绝都不可能返回地球[3]!

事实上,有很多人类航天事业早期发射高轨卫星带来的火箭残骸,直到今天依然在太空漫游。

而对于很多深空探测任务,目标轨道轻易超过月球的距离,这些火箭残骸已经远到无法追踪了。例如猎鹰重型火箭2018年2月6日首次试射后,它的火箭二级牢牢绑在特斯拉电动车背后,现在已经大概到了相对地球的太阳系另一面了。

地球和猎鹰重型二级这一火箭残骸的相对关系(图源:whereisroadster)

4.太空事故

火箭的结构和材料都不是为了在太空中经年累月工作而设计的,这就意味着它们的使用寿命非常短:往往是完成发射任务即可。例如,载人航天用的火箭仅使用10多分钟就任务结束,高轨任务也仅为数小时。

这就意味着:那些成为长期太空垃圾的火箭残骸,并不稳定。在长期的真空高辐射环境影响下,很容易出现未燃尽燃料泄漏、碰撞甚至结构解体的风险。而这些巨大的太空垃圾一旦解体,可谓是一整个轨道的灾难,影响当前甚至后续的所有任务。

从某种程度讲,这些难以预测和控制的太空事故,是最恐怖的。

那么,这么多火箭残骸,该如何处理它们?

飞来横祸:能回收就回收,回收不起要躲得起!

火箭一级和整流罩等往往是火箭体积重量最大、最核心也最昂贵的部分,占据火箭总体成本的80%以上,却是最早被扔掉的,非常可惜!而且非常危险。

处理它们,有效的方式又有三种:

1、回收。这也是SpaceX、蓝色起源、航天飞机固体助推器和我国新一代火箭设计时考虑的重点因素。目前,SpaceX依靠这个技术声名鹊起,不仅能够依靠一级火箭反推平稳回收,还能利用整流罩降落伞减速滑翔和接驳船大网实现回收,几乎毫不浪费。

SpaceX利用火箭一级回收技术名声大噪(图源:SpaceX)

2、完全弃用。这是世界主流火箭的主要处理方式,由于传统火箭发动机设计和结构问题,很多火箭根本无法复用,几乎毫无回收价值,最理想的情况反而是丢掉。但仅有靠海的发射场能实现这一完美主义:例如美国的范德堡空军基地、肯尼迪航天中心、卡尔维拉尔角,中国文昌,欧洲法属圭亚那。

3、尽力减少残骸影响。对于苏联拜科努尔、普列谢茨克,中国酒泉、太原、西昌这些内陆发射场,则不可能避免飞来横祸,但可以大大减小它的影响。例如我国在7月26日长二丙火箭发射遥感30组-05卫星时,给火箭一级的级间段安装了栅格舵,在一级残骸落地过程中起到稳定姿态和减速的效果,大大减少了残骸的可能影响区间,成为世界第二个运用此技术的案例,也为我国未来新一代可回收火箭积累宝贵经验。

装了栅格舵的级间段(图源:航天科技集团)

"天外来客",可控再入

火箭第二级成为残骸时往往已经有能力围绕地球飞行、返回地球状态难以预测、且毕竟还是存在一定风险,当然有必要妥善处理。

SpaceX在实现一级回收后,曾经努力回收第二级,可是第二级的价值实在有限、且回收距离太远、成本太高,导致最后放弃了此项技术。但这并不意味着第二级就此被抛弃:它的执行任务周期很短,在任务结束后,可以利用剩余燃料,自己冲进大气。由于地球绝大部分表面都是大洋,可以很容易控制它们焚毁并最终残骸落入安全区域,尽力减少潜在威胁。

可以用网捕法清除低轨火箭残骸和报废卫星(图源:ESA)

而对于已经进入太空、距离地球较近、且一时半会无法返回的火箭残骸,则可以采取人工干扰的方式进行移除。例如采用新一次发射任务,用小型航天器靠近火箭残骸,采用鱼叉法、网捕法、太阳光帆、拖拽法等将其最终拖入大气焚毁[4]。

虽然人类从未被这个阶段的火箭残骸伤害过,但它们对正常卫星潜在威胁极大,极有可能造就更多新的垃圾。"杞人忧天"还是有必要的。

永久的太空垃圾:"世界那么大,你们出去看看"

这个阶段的太空垃圾已经太过遥远,以至于把它们重新带回地球大气的成本实在太高,得不偿失。此时的有效手段就是让它们远离地球附近的宝贵轨道,进入深空。

这个过程基本只能靠它在完成工作之后自主完成:利用残余的燃料,拼尽一切力量,燃尽最后一滴,尽力逃离地球。

例如我国在2015年3月30日的长三丙火箭发射北斗I1-S卫星时,远征一号上面级首秀,它在任务成功、将卫星送入轨道后,最后阶段就执行了这么一个命令,拼尽全力远离地球。时至今日,它的轨道距离地球最远点已经达到15万千米!是地球半径的20多倍,根本不可能再与人类相见。

远征一号轨道(图源:stuffin.space)

只要能杜绝前三类火箭残骸,也就不太可能出现火箭残骸事故造成的新残骸了。

人类航天事业,是人类科技史上的奇迹,它的方方面面无不闪耀着人类最辉煌的智慧和创造力光芒,即便对于火箭残骸的处理亦是如此。不过,当我们看到火箭残骸的种种处理技术时,更应该对这些蜡炬成灰泪始干的"残骸"保持敬畏:

是它们牺牲自己,托起了人类一个又一个航天梦想。

参考文献:

1. http://cn.cgwic.com/Launchservice/LM3B.html

2. 怡园,远征一号甲——升级版太空摆渡车,《太空探索》2016年7月第7期。

3. http://www.zarya.info/Diaries/Launches/Launches.php?year=2015

4. Shan, M., Guo, J., & Gill, E. (2016). Review and comparison of active space debris capturing and removal methods. Progress in Aerospace Sciences, 80, 18-32.

hat is beauty, and is it in the eye of the beholder?

什么是“美”,“美”的标准是否因人而异?

E.g. “情人眼里出西施” Beauty lies in the eyes of beholder.

From our earliest days we appreciate beauty. Research has shown babies spend longer looking at adults with smooth skin, big eyes and full lips.

在我们小的时候,我们就会欣赏“美”。研究现实baby会更喜欢看那些皮肤光滑、大眼睛和嘴唇丰满的成年人。

Many scientists think that far from being a matter of personal taste, there are universal rules for beauty, patterns that beautiful people have in common, something that can even be measured.

很多科学家认为,“美”绝不仅仅是个人品味的问题,有很多放之四海皆准的特征是那些长相美丽的人都共同拥有的,甚至这些特征可以被量化。

Beauty is not passport, but is VISA, it expires. And if you've built your life on your beauty, when you grow old, you start to think about plastic surgery.

美丽,不是护照,而是会过期的签证(这个讲的太有道理了)。如果你曾靠美丽活着,那当你老去,你就会开始考虑整形手术了。

It came from George Orwell, who once remarked, "After the age of forty, a man is responsible for his face." In other words, when you grow older, your face begins to show what sort of person you are because whatever your habitual expressions are, they start etching themselves onto your face. Allowing this happen maybe what people mean by the phrase "growing older gracefully".

乔治.奥韦尔曾说:“40岁之后,是我们自己决定了自己的长相。”也就是说,但你慢慢变老,你的面部就开始展现出你到底是什么样的人,因为不管你习惯性的表情是什么,他们都会刻出现在你的脸上。也许这就是这句话“优雅地老去”的真谛。

内容来源:bbc纪录片《五官的奥秘》

https://v.qq.com/x/page/c0164lm2gbe.html

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本篇推文主创简介

美化排版|小泳

国产之光并起,华为、魅族等国产新机抢闸苹果逐鹿智能手机市场



因为,就在苹果新品发布之前,华为、魅族等国产手机商纷纷抢闸上线新品。 这无疑是一场国产之光欲群起,与新iPhone争抢用户的大战。

原文链接:

http://dy.163.com/v2/article/detail/EOO7BUER0521B16K.html


2

周鸿祎宣布360退出手机业务,年销量曾高达千万,性价比比小米高



在我们的认知中,360旗下的杀毒软件和电脑、手机管家是我们熟悉的软件,但我们可能不知道的是,360还曾有过手机业务,曾经也是风靡一时,不过如今,360已经宣布了取消手机业务,退出手机行业。 在前几天,360举行了政企安全新战略发布会上,在此次发布会上,周鸿祎宣布了360正式确认退出手机业务,为曾经的360手机业务划上了一个不完美的句号。

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http://dy.163.com/v2/article/detail/EOOFV4540511TUI7.html


3

黑客不攻击微信钱包的原因正式被确认,望大家相互转告!



确实在一定程度上改变了我们的生活规则,在便利的同时我们也有一些担心,尤其是对于一些个人信息的泄露事件时有曝出,使得我们对于这些事件不得不重新思考,如果只是普通的个人信息,大家只要注意防范就可以了,但是如果泄露的是你的银行卡、支付账号的密码等信息的话,那么损失可就大了。

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看完 OPPO Reno2 的四摄 决定扔掉手中的旧手机



解析 OPPO Reno2四摄参数,OPPO Reno2后置四摄镜头,其中4800万像素的主摄像头采用索尼 IMX586 感光元件,1/2.0英寸感光面积,大底就是 OPPO Reno2 出色的拍摄素质的基础。 此外,OPPO Reno2 配置 F/1.7超大光圈,拥有6P镜头 ,暗光条件下运用四合一的像素聚合技术,提升夜间感光能力,并且配备了 OIS 光学防抖,解决手抖星人的拍照难题。

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“网易+百度+阿里”联军VS腾讯音乐?联姻背后故事如何精彩?



乃至整个文娱行业在内的TMT板块都出现了剧烈震荡。 有心人记得,阿里收购网易考拉的消息最早是在8月11日传出风声,当时媒体圈和内部人士都是半信半疑。

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手机连接是Wifi还是WLAN?还好及时,否则要吃大亏



你手机连接是Wifi还是WLAN? 还好知道及时,否则会吃大亏,WLAN是无线局域网 ,利用射频技术来构成空中通信连接的局域网络,对网络来说是一种网络模式;对手机来说是一种功能,相当于电脑的无线网卡。

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“懂行”人都选的这三款手机,已跌到白菜价!



随着科技的不断更新,手机更新速度也是逐步增快,市面上的手机满目玲琅,该如何选择呢? 下面我们就一起看看“懂行”的人都选择哪三款已跌到白菜价的手机。

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求求你们放过我刚买的5G手机吧,空有5G之名,没有5G之实



最近关于5G愈演愈烈,三大运营商都在抓紧建设5G基站,新浪网在前两天有这样的一则新闻,说的是2019年,我国预计在50个城市,假设超过5万个5G基站。 说真的,大家还是别闹了,放过刚刚购买的5G手机吧,现在就是一摆设空有5G之名,没有5G之实。

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