29年來最大墜落事件!中國長征五號B 遺骸該如何處置?——《科學月刊》

  • 黃楓台/美國俄亥俄州立大學工程力學博士。專長為衛星軌道分析與太空資訊分析,目前負責太空產業推動工作。

太空時代的來臨雖拓展人們的視野,但火箭發射過程及報廢衛星所造成的太空垃圾卻也引發許多安全問題,而近期中國長征五號 B 的殘骸墜落事件,又讓各界開始討論太空殘骸的處置。太空垃圾可分為無控制與可控制兩種類型。無控制的殘骸需隨時監控,並預測可能的墜落位置;而可控制的太空垃圾在經過規劃後,可順利掉落在位於南太平洋中心的太空墳場。

太空垃圾分布示意圖。位於地球靜止軌道上的環狀帶、位於近地軌道上的雲狀帶為兩個主要的分布帶。圖:WIKI

節節推進!衛星與太空船的發射過程

發射衛星或是太空船,要靠發射載具一節一節火箭的推進、脫離、再推進及再脫離,逐步加速至進入軌道所需速度,再與最後一節火箭分離後進入軌道。多節火箭的尺寸與重量,通常是第一節火箭最大,第二節次之,而後逐漸變小。

除非像是 SpaceX 的獵鷹 9 號(Falcon 9)第一節火箭可以回收再使用,一般來說,發射載具前幾節的火箭在發射過程中,會在燃料燃燒完畢後先行脫離墜落到預先規劃的區域,而最後一節火箭則會達到軌道運行的速度,成為另類的人造衛星或太空垃圾在太空中繞地球運行。為避免最後一節火箭變成太空垃圾,有些火箭會在與衛星分離後,再進行一次反向推進控制,使火箭速度小於入軌速度,返回地球燒毀於大氣層中。

SLC-40上的獵鷹9號全推力型運載火箭,載有執行CRS-8任務的天龍號太空船。圖:WIKI

長征五號 B 的火箭結構、任務與結果

長征五號是中國為了探月、載人及太空站任務所研製的最大型發射載具,運載能力可將大於 22 噸的衛星送入低地球軌道,也能將重達 14 噸的衛星送入地球同步轉移軌道(geostationary transfer orbit, GTO,〔註〕)。

長征五號的外型分為兩種形式,一種是兩節火箭外加四個輔助推進器的長征五號發射載具,另一種則是一節火箭外加四個輔助推進器的長征五號 B 型發射載具。根據資料顯示,長征五號的第一節火箭高度為 31.7 公尺,直徑 5 公尺,總重 182.4 噸,燃料重量 165.3 噸,而僅有火箭的結構體也有約 17 噸,可說是一個龐然大物。

今(2020)年 5 月 5 日,於海南島文昌基地發射的長征五號 B 發射載具搭載兩項酬載,包含新一代載人太空船試驗艙及柔性充氣式貨物返回艙試驗艙。在火箭升空約三分鐘後,四具輔助推進器分離掉入海中,並持續利用第一節火箭推進,在發射八分鐘後分離,酬載與第一節火箭本身皆進入低地球軌道。

由於公開資料沒有顯示最後入軌道高度,根據 5 月 9 日的美國追蹤資料顯示,火箭正在高度 152~270 公里間的橢圓軌道上繞地球運行。在此高度且沒有進行額外軌道維持的情形下,由於大氣阻力的影響,火箭會在幾天內返回地球。最後該節火箭殘骸經確認在 5 月 11 日太平洋時間 8 點 33 分,掉落在非洲西岸的大西洋與象牙海岸。

與長征五號 B 相比,2018 年墜落地球的中國天宮一號太空站,尺寸長 10.4 公尺,最大直徑 3.35 公尺,重量約 8.5 噸,跟長征五號第一節火箭相比算是小巫見大巫。也難怪哈佛大學-史密松天體物理學中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)的天文學家麥克道威爾(Jonathan McDowell)表示:「長征五號第一節火箭是自 1991 年 39 噸重的禮炮七號(Salyut-7)以來,重返大氣層的最大失控物體。」

2020 年 5 月 5 日 長征五號 B 火箭首飛成功

甚麼是太空墳場?低地球軌道太空垃圾的處置方式

自 1957 年發射第一顆人造衛星迄今,人造的太空垃圾包括停止任務的衛星、入軌火箭、火箭與衛星等碎片已超過 1 萬 7 千個,主要分布在 3 萬 6 千公里的地球同步軌道及 1000 公里以下的低地球軌道。

為了保護人類對於太空使用的永續性,有兩種建議各國對於任務結束的衛星的處置方式。若是地球同步軌道衛星,可以將衛星送到離地球更遠的地方;而在低地球軌道的衛星,則可以讓衛星減速降低軌道高度,使衛星能在 25 年內落到大氣層中燃燒掉。然而對於低地球軌道上的大型太空垃圾,因為進入大氣層後,仍有未燃燒完全的部分殘骸將會掉到地球表面,進而可能對人類產生危害,也因此每當有大型太空垃圾掉回地球時,總會引起各太空大國的注意,發布最新軌道運作的情形。

重返地球的太空垃圾可分為無控制與可控制兩類。對於無控制的太空垃圾,雖然可以透過地面雷達追蹤與數值模擬預測最後掉落位置,提前預警避免造成更大傷害,但是太空垃圾的表面積可能因滾動而不斷變化,再加上太陽活動導致大氣密度改變的不確定性,使得預測重返的地球時間會有誤差。若以飛行速度每秒 7.5 公里的太空殘骸為例,當預測重新進入地球大氣層時間有一分鐘的誤差,則可能造成掉落的位置出現約 450 公里的差距。

對於可控制的太空垃圾,在地面的操作人員則可以規劃一個人煙罕至的區域,讓太空垃圾掉落,此地點稱為太空墳場。太空墳場又稱為尼莫點(Point Nemo),正式名稱為海洋難抵極(Oceanic Pole of Inaccessibility),或是南太平洋無人居住區(South Pacific Ocean Uninhabited Area)。

尼莫點是地球表面距離陸地最偏遠的地點,位於南太平洋中央的海面上,與最近的陸塊相隔 2688 公里(圖一)。尼莫點是由加拿大測量工程學家盧卡泰拉(Hrvoje Lukatela)在 1992 年所發現,他以法國小說《海底兩萬哩》(Twenty Thousand Leagues Under the Sea)中的角色尼莫船長命名,其中的尼莫(Nemo)是拉丁語「無人」的意思。

圖一:位於南太平洋中央的太空墳場尼莫點,尼莫點是地球上距離陸地最遙遠的位置,與最近的陸地迪西島相隔約 2688 公里。

依據報導,目前大約有 250~300 件太空垃圾被棄置在太空墳場,迄今為止,從太空掉落到地球的最大物體是 2001 年的俄羅斯和平號太空站(Mir)的太空實驗室,重量高達 120 噸。

小心頭頂!大型太空垃圾從天降

中國目前規劃在 2021 年和 2022 年還要再發射至少三次長征五號 B 火箭,酬載分別為天和號核心艙、問天號實驗艙及夢天號實驗艙,因此未來幾年還會有幾次不受控制的大型太空垃圾再入地球。雖然臺灣面積不大,被掉落的大型太空垃圾波及機會不高,但是國人還是要提高警覺,避免「禍從天降」。

〔註〕地球同步轉移軌道是衛星要從較低高度的軌道,移動到 3 萬 6 千公里高的地球同步軌道的一種軌道。

延伸閱讀

  1. Stephen Clark, U.S. military tracking unguided re-entry of large Chinese rocket, Spaceflight Now, 2020.
  2. Moinak Pal, Massive Chinese rocket falls back to Earth; biggest once since Salyut 7 Space Station fell in 1991, Times Now, 2020.
  3. Point Nemo, Earth’s watery graveyard for spacecraft, Phys.org, 2020.

 

〈本文選自《科學月刊》2020年 8月號〉

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