出品：科普中國
製作：太空精釀
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
人類航天事業的基石是運載火箭技術，正是一枚枚火箭在轟鳴聲中驚天動地起飛，才有了軍事、氣象、通訊、遙感、導航、科學應用、載人航天和深空探測等多種可能性。但很多人往往忽視了一點：人類受困於強大的地球引力和濃密的大氣層影響，火箭運輸效率極低，有效載荷僅為總重量的1-5%左右。
人類超級火箭土星五號和它巨大的一級發動機（圖源：NASA）
以人類有史以來最強的登月火箭土星五號為例，它的總重量約為3000噸。第一級總重約2290噸，其中殼體和發動機質量僅為130噸，2160噸都為液氧煤油燃料。發動機工作時間標準流程為165秒，平均每一秒燃燒13.1噸燃料，換算成汽油差不多夠一輛百公裡油耗10升的小汽車圍繞地球赤道開4圈半！
但它能送到月球的有效載荷僅為45噸重的阿波羅飛船，比重僅為1.5%。如果考慮到真正的有效載荷僅為三位太空人和有限的科學儀器，這個效率低到令人髮指。其餘部分幾乎都是燃料和火箭殘骸。
長三乙結構（圖源：中國長城工業集團有限公司）
中國王牌火箭長徵三號乙，是嫦娥探月、北鬥衛星導航、天鏈一號、通訊衛星系列等背後的超級英雄。它總體上能夠分為22個部分[1]，但是真正有效載荷就只有第2部分：衛星，佔火箭總體重量僅為1%左右。
餘下的99%中，除了圖中並沒有標註出的燃料，其他21個部分都可以叫做同一個名詞：火箭殘骸！這是我們進行航天事業所必須承受的代價。
雖然同是殘骸，但是我們不一樣
火箭殘骸包括很多種類。按照火箭殘骸的產生流程，可大致分為如下幾個部分：
1.飛來橫禍
顧名思義，這部分殘骸是在火箭發射後不久會重新返回地面，甚至在火箭剛開始呼嘯震動時就開始「掉渣/殘骸」：這其實往往是保溫泡沫或結的冰。
獵鷹9號火箭在發射最開始階段就掉落「殘骸」（圖源：SpaceX）
大氣密度很大，這個階段產生的殘骸高度不夠、速度很低、因而這些殘骸根本沒能突破大氣。按照火箭推進的原理，所有的火箭幾乎都要設計成多級模式，越靠下面的部分越大也越強力（參考上文土星五號的介紹）。這意味著這部分天外飛禍特點是：非常大、非常貴、也非常危險！
以我國每次載人航天都要使用到的長徵2F王牌火箭為例，在發射後約3分鐘內，火箭的逃逸塔、助推器、一級火箭、整流罩等重要組成就會相繼程序分離，最後分離的整流罩最大高度也僅為100千米左右，引力作用下，它們必然會返回地球。
由於程序分離時間、分離姿態、氣象條件等各不相同，它們的掉落區往往分散且面積巨大。由於歷史和技術原因，我國的三大傳統發射場酒泉、太原和西昌都位於內陸，每次發射都要著重考慮這一批殘骸的破壞力。
長徵2F火箭基本結構（圖源：開放版權）
2.「天外來客？」
隨著火箭繼續飛行，火箭二級將會繼續完成推高太空飛行器軌道的重任，以至於它分離時往往自身動能已經足以環繞地球。但此時軌道高度依然在200千米左右，這裡大氣雖然稀薄卻可以造成足夠阻力，火箭二級往往還是會返回地球。
由於高空大氣的情況複雜，火箭二級被拋棄後姿態也無法確定，返回地球的軌跡、時間和衝擊大氣地點很難預測。2016年6月25日我國首次發射新一代火箭長徵七號，火箭二級在太空中自由飛行了一個多月後，於7約27日當地晚間在北美中西部再入大氣。
但我們不必擔心火箭二級造成的威脅。它們沒有任何防熱措施，再入大氣時速度大、空氣稠密，它們往往變成美麗的流星，焚毀在大氣中。
也有極個別情況火箭二級可能變成「飛來橫禍」。歷史上最接近二級火箭飛來橫禍的是一位叫Lottie Williams的美國人，在1997年她被一個德爾塔－2型火箭二級返回地球時的碎片擦過肩膀。所幸只是輕微擦過，並未受傷，就是嚇了一跳。如果再偏一點砸到頭上，基本就是必死了。
把她叫做世界上最幸運的人，並不為過（圖源：開放版權）
總體上，人類航天60年來，從未發生過任何環繞地球的火箭殘骸或太空垃圾擊中人類的案例。
3.永久的太空垃圾
對於很多高軌衛星而言，旅程遠未結束，運送它們的火箭往往還有第三級、上面級等重要結構。
例如，我國王牌火箭長三乙可以攜帶一個遠徵一號上面級[2]，就是靠這個「太空擺渡車」才實現了數次北鬥衛星導航系統「一箭雙星」任務。請注意，這種一箭雙星任務所需要的技術，是遠遠超過其他「一箭N星」任務的。那些往往是處在同樣軌道，火箭只是到站「撒土豆」而已。
此時衛星被分離時軌道已經非常高，這些火箭殘骸註定幾乎不可能返回地球大氣。以2015年7月25日我國長三乙+遠徵一號「一箭雙星」發射北鬥導航衛星（M1S和M2S）為例，直到今天（2019年8月12日）長三乙的第三級仍然飛在近地點382千米、遠地點16587千米的大橢圓軌道，而共同升空的遠徵一號更誇張，它飛在近地點22042千米、遠地點27866千米的超級橢圓軌道。到人類滅絕都不可能返回地球[3]！
事實上，有很多人類航天事業早期發射高軌衛星帶來的火箭殘骸，直到今天依然在太空漫遊。
而對於很多深空探測任務，目標軌道輕易超過月球的距離，這些火箭殘骸已經遠到無法追蹤了。例如獵鷹重型火箭2018年2月6日首次試射後，它的火箭二級牢牢綁在特斯拉電動車背後，現在已經大概到了相對地球的太陽系另一面了。
地球和獵鷹重型二級這一火箭殘骸的相對關係（圖源：whereisroadster）
4.太空事故
火箭的結構和材料都不是為了在太空中經年累月工作而設計的，這就意味著它們的使用壽命非常短：往往是完成發射任務即可。例如，載人航天用的火箭僅使用10多分鐘就任務結束，高軌任務也僅為數小時。
這就意味著：那些成為長期太空垃圾的火箭殘骸，並不穩定。在長期的真空高輻射環境影響下，很容易出現未燃盡燃料洩漏、碰撞甚至結構解體的風險。而這些巨大的太空垃圾一旦解體，可謂是一整個軌道的災難，影響當前甚至後續的所有任務。
從某種程度講，這些難以預測和控制的太空事故，是最恐怖的。
那麼，這麼多火箭殘骸，該如何處理它們？
飛來橫禍：能回收就回收，回收不起要躲得起！
火箭一級和整流罩等往往是火箭體積重量最大、最核心也最昂貴的部分，佔據火箭總體成本的80%以上，卻是最早被扔掉的，非常可惜！而且非常危險。
處理它們，有效的方式又有三種：
1、回收。這也是SpaceX、藍色起源、太空梭固體助推器和我國新一代火箭設計時考慮的重點因素。目前，SpaceX依靠這個技術聲名鵲起，不僅能夠依靠一級火箭反推平穩回收，還能利用整流罩降落傘減速滑翔和接駁船大網實現回收，幾乎毫不浪費。
SpaceX利用火箭一級回收技術名聲大噪（圖源：SpaceX）
2、完全棄用。這是世界主流火箭的主要處理方式，由於傳統火箭發動機設計和結構問題，很多火箭根本無法復用，幾乎毫無回收價值，最理想的情況反而是丟掉。但僅有靠海的發射場能實現這一完美主義：例如美國的範德堡空軍基地、甘迺迪航天中心、卡爾維拉爾角，中國文昌，歐洲法屬蓋亞那。
3、盡力減少殘骸影響。對於蘇聯拜科努爾、普列謝茨克，中國酒泉、太原、西昌這些內陸發射場，則不可能避免飛來橫禍，但可以大大減小它的影響。例如我國在7月26日長二丙火箭發射遙感30組-05衛星時，給火箭一級的級間段安裝了柵格舵，在一級殘骸落地過程中起到穩定姿態和減速的效果，大大減少了殘骸的可能影響區間，成為世界第二個運用此技術的案例，也為我國未來新一代可回收火箭積累寶貴經驗。
裝了柵格舵的級間段（圖源：航天科技集團）
「天外來客」，可控再入
火箭第二級成為殘骸時往往已經有能力圍繞地球飛行、返回地球狀態難以預測、且畢竟還是存在一定風險，當然有必要妥善處理。
SpaceX在實現一級回收後，曾經努力回收第二級，可是第二級的價值實在有限、且回收距離太遠、成本太高，導致最後放棄了此項技術。但這並不意味著第二級就此被拋棄：它的執行任務周期很短，在任務結束後，可以利用剩餘燃料，自己衝進大氣。由於地球絕大部分表面都是大洋，可以很容易控制它們焚毀並最終殘骸落入安全區域，盡力減少潛在威脅。
可以用網捕法清除低軌火箭殘骸和報廢衛星（圖源：ESA）
而對於已經進入太空、距離地球較近、且一時半會無法返回的火箭殘骸，則可以採取人工幹擾的方式進行移除。例如採用新一次發射任務，用小型太空飛行器靠近火箭殘骸，採用魚叉法、網捕法、太陽光帆、拖拽法等將其最終拖入大氣焚毀[4]。
雖然人類從未被這個階段的火箭殘骸傷害過，但它們對正常衛星潛在威脅極大，極有可能造就更多新的垃圾。「杞人憂天」還是有必要的。
永久的太空垃圾：「世界那麼大，你們出去看看」
這個階段的太空垃圾已經太過遙遠，以至於把它們重新帶回地球大氣的成本實在太高，得不償失。此時的有效手段就是讓它們遠離地球附近的寶貴軌道，進入深空。
這個過程基本只能靠它在完成工作之後自主完成：利用殘餘的燃料，拼盡一切力量，燃盡最後一滴，盡力逃離地球。
例如我國在2015年3月30日的長三丙火箭發射北鬥I1-S衛星時，遠徵一號上面級首秀，它在任務成功、將衛星送入軌道後，最後階段就執行了這麼一個命令，拼盡全力遠離地球。時至今日，它的軌道距離地球最遠點已經達到15萬千米！是地球半徑的20多倍，根本不可能再與人類相見。
遠徵一號軌道（圖源：stuffin.space）
只要能杜絕前三類火箭殘骸，也就不太可能出現火箭殘骸事故造成的新殘骸了。
人類航天事業，是人類科技史上的奇蹟，它的方方面面無不閃耀著人類最輝煌的智慧和創造力光芒，即便對於火箭殘骸的處理亦是如此。不過，當我們看到火箭殘骸的種種處理技術時，更應該對這些蠟炬成灰淚始幹的「殘骸」保持敬畏：
是它們犧牲自己，託起了人類一個又一個航天夢想。
參考文獻：
1. http://cn.cgwic.com/Launchservice/LM3B.html
2. 怡園，遠徵一號甲——升級版太空擺渡車，《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.