为什么说长征五号失控是伪命题?扒一扒火箭的“前世今生”
過去幾天,外媒流行起一個新名詞——China's Out-of-Control Rocket,意為“中國的失控火箭”。
所謂“失控火箭”是指長征五號 B 遙二火箭,即 4 月 29 日將中國空間站“天和核心艙”成功送入預定軌道的運載火箭。
【長征五號 B 遙二火箭點火升空】
外媒給這枚火箭加上“失控”定語的理由是:火箭末級通過再入大氣層燒蝕銷毀,殘骸從天而降,人類的性命安危將會受到威脅。
在 5 月 7 日的例行記者會上,外交部發言人汪文斌對此作了解釋:
據我了解,該火箭末級已采用了鈍化技術處理,絕大部分器件將在再入過程中燒蝕銷毀,對航空活動及地面造成危害的概率極低。
盡管并不清楚殘骸是否會造成任何負面影響,NASA 還是就此事對中國進行了強烈譴責。
當地時間 5 月 9 日,NASA局長 Bill Nelson 在一份聲明中表示:
之后中國載人航天工程官方網站發布公告:
經監測分析,2021 年 5 月 9 日 10 時 24 分,,落區位于東經 72.47°,北緯 2.65° 周邊海域,絕大部分器件在再入大氣層過程中燒蝕銷毀。
5 月 10 日,外交部發言人華春瑩在例行記者會上再次回應:
可見,“失控火箭”的說法并不成立。
判定長征五號 B 遙二火箭究竟是否“失控”,其實需要了解這樣幾點事實。
據《環球時報》報道,有專家指出火箭殘骸失控本身就是偽命題,原因在于:
通常火箭完成載荷運送任務后,在大氣層外運行的火箭殘骸本身已經失去動力,甚至可能結構都有所損壞,因此不管是飄浮在太空的哪國火箭殘骸,都不存在“可控”的概念。
相關專家表示:
運載火箭通常采用多級結構,體積最大的第一級和助推器往往在大氣層內就完成使命自動脫離,由火箭第二級乃至更上面級將載荷送入太空。而長五 B 采用一級半構型,相當于用一級火箭將空間站核心艙直接送入軌道,因此留在太空中的體積的確相當大。但由于其結構“皮薄餡多”,內部燃料在發射時消耗后,剩余的殼體質量并不大,而且以鋁合金為主的殼體很容易在大氣層中焚毀。
據航天博主“歸零工作室 RTZT”介紹:
我國火箭自長征四號甲之后所研的,末級都嚴格遵守國際鈍化條例:儲箱殘余液體放光,增壓氣瓶多余氣體放光,蓄電池剩余能量放光(俗稱“三排”)。
我國新一代運載火箭系列中,基本具有國際標準化組織(International Standard Organization)制定的指導性文件-ISO27875 與 ISO20893 中所說的鈍化系統,還在末級儲箱置有排放轉向裝置,既排空了燃料,又鈍化了軌道,這也符合ISO中所述的末級離軌容許“經濟和技術上的可接受性”(Economic and technical acceptability)。
談及火箭,我們可以將目光拉回至 60 年前。
當地時間 1961 年 4 月 12 日上午 9 時 7 分,蘇聯航天員 Yuri Gagarin 乘坐東方 1 號宇宙飛船從拜科努爾發射場起航,在最大高度為 301 公里的軌道上繞地球一周,歷時 108 分鐘完成了世界上首次載人宇宙飛行,人類進入太空的愿望得以實現。
隨后 60 年里,人類實現了月面行走,各國航天器被送往水星、金星、火星......太空探索如火如荼進行著,人類對宇宙的認知不斷拓寬——當然,航天領域一次次的巨大飛躍,離不開火箭科學的發展。
基于上述長征五號 B 遙二火箭牽涉出相關輿論的背景,在此對火箭的發展做一次簡要科普(注:以下內容部分編譯自Interesting Engineering 網站文章)。
火箭的使用最早可能要追溯到宋朝,隨后于 13 世紀傳至歐洲和中東。那時,火箭基本上是裝著火藥的管子,主要功能是用可怕的噪音和爆發力來恐嚇敵人。此后,火箭被用于各種各樣的軍事目的,例如包圍防御工事、城墻等。
18 世紀晚期,邁索爾王國(位于今印度西南部卡納塔克邦一帶)發明了“邁索爾火箭”,主要目的仍是軍用,通過壓縮火藥和鐵箱將當時的火箭射程從 90 米左右增至 1830 米。
1861 年,第一個提出使用火箭進入太空旅行的人出現——蘇格蘭天文學家、數學家、牧師 William Leitch 在名為《上帝在天堂的榮耀》的書中闡述了人類最終命運在于太空的信念,雖然觀念在當時可謂超前,但有著一定的宗教色彩。
19 世紀起,火箭終于沾上了科學的邊。
科學家們開始認真地把火箭的基本原理提煉成數學公式(后來被稱為“火箭方程”,由多位科學家各自獨立推導而成)。
1903 年,他發表了一篇題為《用反應機器探索外太空》的論文。論文認為,火箭的發展將使人類太空飛行成為可能。他不僅提出了火箭發動機工作的數學公式,他畫出的原理圖也為現代火箭設計奠定了基礎。
1912 年,美國物理學家 Robert Goddard 也獨立開發了一個火箭方程,隨后法國工程師 Robert Esnault-Pelterie 和德國奧地利物理學家 Hermann Oberth 分別在 1913 年、1920 年導出了相同的方程。
Konstantin Tsiolkovsky、Robert Goddard、Robert Esnault-Pelterie和 Hermann Oberth 四人被共同稱為現代火箭和航天之父。
1926 年,Robert Goddard通過將固體推進劑轉換為液體推進劑,并在高壓燃燒室安裝超音速拉伐爾噴管(de Laval nozzle,指一個中間收縮、不對稱沙漏狀的管子),建造了第一枚現代火箭。
二戰后,納粹德國的技術成為東西方陣營的搶奪焦點,雙方早期火箭都有鮮明的 V2 火箭特征。
蘇聯方面,Sergei Korolev 被任命為研制遠程彈道導彈的首席設計師,在德國火箭科學家的幫助下,于 1957 年研制出R-7 彈道導彈,即世界上第一個洲際彈道導彈,之后R-7 家族火箭不斷發展。
美國方面,40 年代末、50 年代初由美國國家航空咨詢委員會(NACA)監督相關研發工作,后來在 1958 年 7 月 28 日,時任總統德懷特·戴維·艾森豪威爾(Dwight David Eisenhower)簽署了《美國國家航空航天法》,創建 NASA,并接管了 NACA 的工作。
雙方的競爭無疑加快了火箭技術發展,隨后阿波羅時代、航天飛機時代先后到來,包括中國在內的眾多國家也開始了自己的太空計劃。
不論是老牌的洛克希德·馬丁、波音、諾斯羅普·格魯曼,還是新興的 Blue Origin、SpaceX 和美國聯合發射聯盟(ULA),商業航天離不開火箭科學的飛躍。
放眼未來,小行星采礦、太空旅行也許會成為司空見慣的事情,人類對宇宙的認知自然還會不斷拓寬。
總結
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