【軍事博評】William:天宮一號撞擊地球真會釀成巨災?

2017-09-04 13:46:40
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

2017-09-20 tiangong

自從去年中國宣佈天宮一號於今年下半年或明年初重返大氣層後,天宮一號的消息就成為傳媒及網絡間間歇性的話題。然而,部份媒體會誇大天宮一號帶來的「危機」,以求搏取讀者注意。事實上,天宮一號重返大氣層究竟是什麼一回事?對人類的影響究竟有多大?

討論問題前,我們必須搞清楚「天宮一號」是什麼。天宮一號長10.4米、最大直徑3.35米、重量約8.5噸,預期壽命兩年,雖然被人稱作太空站,但就大小、自持能力及任務特性而言,她只是個作為未來太空站組件的試驗倉,內部空間遠比其他太空站狹窄,物資亦只能供太空人逗留兩個星期;另外,這個太空站亦欠缺燃料補給裝置,故無論變軌還是調整姿勢都存在次數限制,而且相當多燃料已經用在發射時的自力調升軌道階段。

在2011年至2013年期間,天宮一號已進行三次航天任務(一次模擬,兩次載人),軌道亦作過數次調整,而和其他低軌道衛星與太空站一樣,其軌道上仍有空氣粒子,可對太空船本身造成阻力,故會處於緩慢衰退軌道上,高度亦會緩緩下降,所以到一定時間後,就要啟動火箭上升回原有軌道。

至2016年中,中國航天部門宣佈已對天宮一號終止了數據連接,並預期它最早於2017年下半年進入地球大氣層燒毀,部分輿論及國內航天討論區對此有兩個猜測,其一,是燃料已經用盡,無力再調節軌道;其二,是天宮一號的數據傳輸或控制系統可能已損毀,亦無力再調節軌道。這也難怪,三年都丟空沒人打理,連小修理都無法達成,而且日積月累之下,宇宙射線會對電子元件及電路構成嚴重損害。

坊間對於天宮一號重返大氣層事件似乎有很多誤解,最主要的有兩個:一,撞擊地球時會造成大災難;二,它搭載的有毒物質會嚴重污染地球,造成生態災難。但事實是否是這樣?

一、天宮一號墜地會造成嚴重破壞?

要了解這點,先要知道每年都有數以億計的小隕石掉進地球大氣圈,並在大氣層中摩擦燒毀,成為流星。當然,平均每年都至少有一個較大型的隕石/小行星進入地球大氣圈。這類型的隕石由幾噸都幾十噸不等,高速墜入地球大氣層後亦會因熱失控而在大氣層中爆炸燒盡,餘下的往往只有一定數量的小碎石,落到地面。例如近年比較出名的近地小行星2008TC3,有80噸重,墜落大氣層後在半空爆炸,研究人員只收集到600塊合共10公斤的碎片。

如要造成地面上比較嚴重的破壞,隕石一定要有足夠的質量,才能支持其進入大氣層後不會燒毀,例如著名的2013年車里雅賓斯克撞擊事件中的隕石大約重8000噸,它在大約20公里的高空中爆炸並形成衝擊波,同時亦有較大塊的殘骸撞擊地面,造成比較嚴重的破壞(一個6米闊的隕石坑)。

18eqjph3umeakjpg 2013年俄羅斯車里雅賓斯克撞擊事件造成的隕石坑

回到人類的飛行器,曾重返大氣層而比起天宮一號重的至少有20個,包括和平號太空站(質量120噸)、天空實驗室(77噸)、入軌失敗的蘇聯驗證型大型戰鬥衛星極地(40噸)、7個禮砲太空站(各18-20噸)、5個TKS軍用載人飛船(17噸),以及5個為國際太空站補給及運離廢物的貨運飛船ATV(墜落大氣層時16至19噸)。

他們的質量最少都是天宮一號兩倍,然而除頭三位有稍大塊碎片落到地面或海面外,其他的都幾乎「燒乾燒淨」。雖然有人指以上飛船大部分都是「可控墜落」(即重返大氣層前調整軌道及墜落區域),而天宮一號可能已經失控,然而以天宮一號區區8.5噸質量而言,要「燒乾燒淨」只會十分容易。

回看大部分外國較嚴謹的航空航天雜誌或網站,都不太在意天宮一號墜地造成什麼破壞。他們比較關心的是天宮一號比較硬的部件,例如引擎等,未必在進入大氣層時完全燒毀,進而有較大碎片墜落地面。然而過去的照片均顯示,天宮一號的姿勢是以引擎向著前進方向的,亦即是說,在墜落大氣層時這位置可能會承受最高熱力,加上天宮一號沒有熱盾構造,沒辦法減緩空氣激波對於機體結構的加熱,故是有可能首當其衝被完全燒毀。

二、聯氨問題會毒害人類?

被部分中文媒體稱為「生態大災難」的聯氨(N2H4),主要作為變軌火箭及姿勢制禦用小型噴嘴的推進劑。聯氨在衛星及載人航天中十分常見,因為可常溫儲存且十分穩定之餘,混合氧化劑後即可猛烈燃燒,毋需點火,連帶空間用推進裝置都可造得更簡單。

網上已可輕易查到聯氨的毒性,問題是,天宮一號上的聯氨是否足夠造成所謂「生態災難」?其實一切都是「劑量」的問題。

天宮一號只有8.5噸,燃料箱所載聯氨質量未知(如果比例和禮砲太空站一樣,可能是900公斤),然而它是以自己動力由180公里軌道上升至軌道高度380公里,比禮砲太空站的軌道還高100公里,燃料耗用其實已十分驚人,加上三次任務及定時調整軌道,而且據專家分析過,2015年12月時天宮一號做過大幅度的軌道躍升,一躍回到395公里的軌道。

天宮一號在故障前,應該已經剩下不多的聯氨(甚至可能已經用完),而且又無補給設施,這三年亦無人打理,可能還漏走一部分(禮砲太空站在無人狀態時曾發生過類似事故),究竟能餘下多少聯氨呢?

另一方面,聯氨會在高溫下燃燒分解,亦即是說,重返大氣層的高熱足以將殘餘聯氨燒乾燒淨!前述天宮一號的引擎噴口應是正對前進方向,重返大氣層時亦應是首當其衝,承受最高溫度的。加上燃料箱結構也是比較脆弱的部分,故很可能在重返大氣層時就會燒毀了。

太空發展史上,基本沒發生過因為聯氨未燒盡而降到地面,並對人類構成威脅的情況,而且那丁點聯氨在大氣層擴散開來的話,早就完全稀釋了。

回顧過去,穿梭機挑戰者號未進入上層大氣已爆炸、哥倫比亞號返回時爆炸,極地衛星的入軌燃料於再入大氣層時也丁點未用,她們上面仍搭載大量聯氨(聯氨不但是穿梭機的姿勢制禦引擎推進劑之一,也是穿梭機助推火算的起動燃料,而哥倫比亞號返回時,姿勢制禦引擎中的聯氨也未用完),重量也不會少,但有沒有釀成眾人口中的生態大災難?

Challenger_explosion 1986年1月28日穿梭機挑戰者號爆炸

所以,當媒體沸沸嚷嚷之時,你會發現外國科學雜誌和專家沒有幾個理會聯氨問題。美國國防部在某段時間曾大肆宣傳過聯氨墜地可能造成重大影響,但那次似乎是個特例(註1)。另方面,人類太空發展歷史上發生過的生態污染,亦和聯氨毫無關係(註2)。

由現有資料及航天基礎知識可知,天宮一號墜落大氣層基本上只能造成很小問題,實在沒必要杞人憂天,甚至借故誇大危機而令其他沒有什麼科學或航天知識的市民產生不安及不滿的情緒,徒增混亂。

(註1) 美軍2008年大肆宣傳用飛彈擊毀失控偵察衛星USA-193,以「防範可能出現的聯氨威脅」,因為那東西根本是新衛星,它在離開火箭自行進入高軌道前已經故障,無法啟動自己的引擎,而由於預期使用壽命較高,上面搭載達450公斤聯氨。然而,部分人認為美軍是想找個藉口測試其標準3 blk1型反彈道導彈的精確打擊與反低軌道衛星的能力,並回應較早時中國進行的反衛星實驗,甚至有人認為美軍不想衛星科技落入其他敵對國家之手,才決定擊落衛星。

(註2):事實上,比較可能造成廣泛環境影響(可不是生態災難)的軌道物件墜落地球事件只有一種,就是核動力衛星墜落!搭載超小型核反應堆的衛星大約在1960年代由美國及蘇聯開始發展,但由於核電池及光伏板技術的進步,美國很早就脫離這個領域。然而蘇聯仍致力研究在衛星上裝備超小型熱離子核反應堆,為當年尚在研發中的神話系統(衛星代號US-A,是一種雷達海洋偵測衛星系統)提供更強大的電力,借以搜索海面上的美軍航母戰鬥群。

這東西性能還是不錯的,然而由於需部署在十分低的軌道(220-280公里),可靠性較差,設計壽命亦大約只有半年至一年(事實上因為200來公里軌道的空氣密度仍然較高,阻力較大,絕大部分US-A型衛星運作都不足4個月就重返大氣層了)。US-A型衛星原可在壽命終結時將載有30公斤高濃縮鈾235燃料的反應堆射上450公里以上的半永久軌道,然而若火箭發生故障,反應堆就有可能伴隨衛星掉落大氣層了。

事實上,類似事件發生了三次,分別是1973年4月第8號US-A衛星(那個衛星連火箭在高空大氣層爆炸了,沒進入軌道,故也沒有編號)、1978年的「宇宙954號」,與1983年的「宇宙1402號」。由於反應堆用的金屬與鈾燃料的密度及耐熱度更高,結構強度也比引擎更高,能挺過大氣層的高熱甚至不會被完全燒毀,令含高輻射的碎片有機會在低大氣層中散播,甚至掉到地上,造成一定程度的核污染,78年「宇宙954號」墜落加拿大西北部地區就是這種情況。

發佈於 軍事博評
By 2017-09-04

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