- 評論
文章專區
2020-08-01自太空落下 從長征五號B看太空殘骸墜落
608 期
Author 作者
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。
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。
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。」
該如何處置低地球軌道的太空垃圾？
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。
而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 Paci c 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。
小心來自頭頂的大型太空垃圾
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, https://reurl.cc/Kka53m, 2020.
2. Moinak Pal, Massive Chinese rocket falls back to Earth; biggest once since Salyut 7 Space Station fell in 1991, Times Now, https://reurl.cc/GV3vjp, 2020.
3. Point Nemo, Earth's watery graveyard for spacecraft, Phys.org, https://reurl.cc/E79y6g, 2020.