3月20日8時31分，探月工程四期鵲橋二號中繼星由長征八號遙三運載火箭在中國文昌航天發射場成功發射升空。新華社圖片
火箭助推器分離示意圖。資料圖片
近日，探月工程四期鵲橋二號中繼星在中國文昌航天發射場成功發射升空。長征八號遙三運載火箭飛行24分鐘後，星箭分離，將鵲橋二號中繼星送入預定地月轉移軌道。
在火箭發射的過程中，我們經常能聽到“分離”這個詞，比如“助推器分離”“整流罩分離”“船艦分離”，等等。一枚火箭造價不菲，為什麼又會在發射過程中“分離”出許多結構呢？
今天，我們就來聊一聊火箭“分離”的秘密。
火箭越飛越快的秘密
其實，火箭在升空過程中分離部分結構也是“不得已而為之”。
要實現宇宙航行，火箭的速度至少要達到第一宇宙速度，即每秒7.91千米。
讓我們先做一個假設。如果把巨大的運載火箭做成單級，那麼，全部推進劑只能貯存在這一級火箭的貯箱內。這樣，不但要增加貯箱的容積，還要因為承受推進劑增多而加厚貯箱箱壁，進而導致貯箱重量增加。火箭飛行過程中，貯箱會越來越空。空出的貯箱殼體成為無用的質量，而推進劑釋放出來的能量不僅要加速衛星或飛船，還要加速這部分無用的空貯箱。貯箱越重，加速空貯箱所耗費的推進劑就越多。這樣會導致火箭最終無法達到第一宇宙速度。
對此，早在1903年，俄國火箭專家齊奧爾科夫斯基就提出了一個著名的“理想火箭方程”。他推導出：提高火箭的輸送能力，要麼提高推進劑的能量，要麼減輕火箭的結構重量。齊奧爾科夫斯基提出，可以建造“用完一級扔一級”的多級火箭，同時實現這兩個目的。而這一設想，已經成為現實。
從20世紀開始，為了能讓火箭順利升空，各國大多采用多級火箭。多級火箭由很多“節”組成，每一“節”都是一個單級火箭，它們有自己的發動機、推進劑、控制系統和伺服機構。這些單級火箭串聯或並聯起來，就組成了多級火箭。
不論是中國的長征二號F運載火箭，還是美國的戰神火箭、歐洲的阿麗亞娜火箭，世界上許多國家的火箭，大多采用三級結構。第一級點火後，推動火箭升到一定高度。燃料燒盡後，火箭的第一級脫落，與此同時，第二級開始點火。這樣，火箭燒完一級就脫落一級，越飛越輕，速度也越來越快，直至衝出大氣層，飛向太空。
那麼，火箭的級數是不是越多越好呢？並不是這樣的。火箭級數越多，需要連接和分離的結構就越多，這樣會增加火箭結構質量並降低其可靠性。而且火箭分級超過一定的次數後，對於提高速度的作用就越來越不明顯。因此，目前火箭大多不會超過四級。
分離全靠空中“爆炸”
火箭的每一次空中分離，都靠“爆炸”實現。
所謂“爆炸”，是指爆炸螺栓內部裝填炸藥，工作時會發生爆炸並炸斷螺栓，使連接斷開從而實現相應結構分離的過程。
以長征二號F運載火箭為例，在飛行時，它要先後實現逃逸塔分離、助推器分離、級間分離、整流罩分離和船箭分離等幾個步驟。
逃逸塔分離——逃逸塔在火箭的最前部。它的作用是，在起飛前900秒到起飛後的160秒之間，如果發生意外，就可以帶着火箭的返回艙和軌道艙脫離，從而幫助航天員迅速逃離險境。
助推器分離——助推器是一種小型火箭發動機，它的作用是使火箭迅速飛離發射器並加速到預定的發射速度。長征二號F運載火箭上捆綁着4個助推器，每個助推器與一子級之間有前、後兩個連接點。當助推器接到分離指令，助推器上的分離小火箭先點火，隨後，爆炸螺栓和藥圈組件同時引爆，使前、後連接點斷開解鎖，4個助推器借助分離火箭的推力離開火箭。
級間分離——級間分離的作用是，拋掉推進劑耗盡的下面級，以確保剩餘部分能夠以更高的效率繼續加速升空。長征二號F運載火箭在實現級間分離時，控制系統同時發出一、二級分離和二級發動機點火指令，級間分離面上的爆炸螺栓同時引爆，使級間連接解除，已點火的二級發動機推動火箭加速向前飛行。此時，二級發動機噴出的高速燃氣流噴射在一級氧化劑箱前底上，一級火箭飛行速度隨之降低並逐漸離開火箭。
整流罩分離——在火箭發射過程中，為了保護飛船不受外界環境侵害和降低空氣阻力，火箭設計師為它套上了一個“罩子”，即整流罩。然而，火箭進入大氣層後，整流罩會劇烈振動，並給火箭施加額外的阻力。這時候，就不得不分離整流罩以提高火箭的運行效率。整流罩與箭體的分離過程，也叫拋罩過程。整流罩有一個橫向分離面和一個縱向分離面。火箭飛行一段時間後，整流罩橫向分離面上的爆炸螺栓起爆，橫向分離面被解鎖。隨後，整流罩的縱向分離面通過機械鎖解除連接。此時，整流罩縱向分離面兩側的壓縮分離彈簧向外推動兩個半罩，使它們繞着橫向分離面上的挂鉤式鉸鏈旋轉。轉到一定角度時挂鉤式鉸鏈自動脫鉤，兩個半罩就會向外側拋出。
船箭分離——當火箭的最後一級將飛船送入預定軌道後，火箭的使命已基本完成。為了使飛船能夠獨立在軌道上運行，確保火箭的最後一級不對飛船産生影響，需要將飛船與運載火箭進行分離。船箭分離系統由船箭鎖緊裝置、壓縮分離彈簧、反推火箭和側推火箭組成。分離時，控制系統發出分離指令，船箭鎖緊裝置的2個爆炸螺栓同時引爆，包帶兩端解鎖，船箭分離面解鎖。24根係留彈簧立刻將兩條包帶拉到飛船支架上，再由4組限位彈簧限制包帶橫向運動，防止包帶碰撞飛船。與此同時，4組壓縮分離彈簧推動飛船加速離開二子級箭體，而二子級上的反推火箭和側推火箭則會減慢二子級箭體的飛行速度，並將它推離飛船軌道，以保證飛船與二子級箭體之間的安全分離。
在一系列複雜的“爆炸”後，飛船就可以順利達到第一宇宙速度，飛離地球，衝向太空。
掉落的殘骸何去何從
通常情況下，火箭在發射過程中被分離出來的結構，會根據其重量、速度和高度等，分別掉落到發射&附近、墜落區和大氣層這三個地方。
在火箭發射時，有細心的觀眾會發現火箭在剛剛呼嘯震動時就開始“掉渣”。這些主要是火箭外部的保溫泡沫，在火箭發射時，會掉到發射&附近。當然，這些保溫泡沫並不會對地面造成太大的影響。
火箭發射後幾分鐘內，火箭的逃逸塔、助推器、一級火箭、整流罩等重要組成部分，會相繼分離。由於再入速度相對較低，有些殘骸會回到地面預定範圍內。
近年來，火箭發射頻次越來越高。火箭殘骸降落帶來的安全問題，也越來越受人們關注。按照慣例，火箭在發射前會事先劃出一個供火箭殘骸降落的地區，基本都是選擇一些人煙稀少的地區，一般長寬約十公里的範圍。火箭殘骸掉落後，會由專人進行回收處理。
2019年，長征二號丙火箭成功把3顆衛星送入預定軌道。這次發射還取得了一項成果，即實現了子級火箭的精確落地。簡單來説，就是讓火箭的殘骸精確降落在預定的地點。這項科技又叫“基於柵格舵的落區精確控制技術”。這次試驗的成功，讓中國成為世界上第二個掌握這種技術的國家。“柵格舵控制技術”出現後，火箭殘骸降落的區域範圍可以控制在極小範圍內，極大減輕了落區工作人員避險和搜救的工作量。
也許會有人擔心，火箭殘骸掉落下來會不會砸傷人？事實上，從20世紀70年代到現在，每年約有幾百枚火箭的殘骸掉落，但至今從未發生過一起傷人事件。火箭砸傷人的概率，要遠低於被隕石砸中。
火箭的一些部分，如二級或三級火箭，會飛得更高。當它們完成任務後，由於大氣層邊緣附近的氣體足以引起阻力，一部分殘骸會逐漸降低軌道高度，直到重新進入大氣層。在大氣層中，這些部分會因為摩擦而燃燒掉，形成流星般的景象，最終化為灰燼。
當然還有一部分火箭子級，會停留在地球軌道上，變成“太空垃圾”。為了避免火箭殘骸佔用有限的軌道資源、影響太空環境，我國的火箭設計師們會通過受控離軌的方式進行處理。即利用火箭子級剩餘燃料和部分發動機控制箭體脫離原本的運行軌道，向地球靠攏，最終在進入大氣層的過程中焚燬殆盡。
近年來，隨着航天科技的不斷發展，航天器的回收技術日益成熟。這種技術讓運載火箭在未來重復使用成為可能。可重復使用火箭是未來太空探索的重要發展方向之一，具有低成本、高效率、更加綠色環保等優勢。當然，要實現這些目標，還有許多技術難題等待攻克。（郎子聰 本報記者 王凌碩）
