近年來(lái)，全球運(yùn)載火箭發(fā)射數(shù)量急速增加，從2017年的91次已經(jīng)攀升至2023年的233次，增加了兩倍多。隨著一次次點(diǎn)火升空，人類不斷嘗試書寫航天領(lǐng)域的新篇章，運(yùn)載火箭對(duì)于地球環(huán)境的影響也越來(lái)越受到大眾的關(guān)注。日前，國(guó)務(wù)院發(fā)布《2024-2025年節(jié)能降碳行動(dòng)方案》，這讓很多人開(kāi)始重新認(rèn)識(shí)航天熱潮與節(jié)能降碳的關(guān)系。如何守護(hù)這顆藍(lán)色星球，讓航天與環(huán)保同行？

火箭發(fā)射對(duì)環(huán)境到底有什么影響？

火箭尤其是使用常溫燃料火箭在發(fā)射過(guò)程中產(chǎn)生的毒氣、廢氣、廢棄物等確實(shí)會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定影響。點(diǎn)火升空的瞬間，火箭推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的熊熊火焰會(huì)產(chǎn)生許多不同的排放物。

在這些物質(zhì)中，氮氧化物、硫化物和一氧化碳直接對(duì)人體有害；氯、氧化鋁和氮氧化物則會(huì)破壞臭氧層，自1996年以來(lái)一直受到嚴(yán)格監(jiān)測(cè)和限制。二氧化碳、氮氧化物會(huì)吸收更多的熱量，被視為一種溫室氣體。此外，硫化物和氮氧化物還會(huì)導(dǎo)致酸雨，對(duì)各種生物不利。

在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的尾氣中含有氯、氧化鋁，是航天活動(dòng)產(chǎn)生的特有污染物，由于是已知的“臭氧殺手”，最早受到航天界的關(guān)注。

火箭發(fā)射尾氣中的煙塵對(duì)臭氧層也有著重大的影響�；鸺�穿過(guò)平流層，其尾氣煙塵在此的停留時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2到3年，是人類唯一能直接在平流層產(chǎn)生氣溶膠污染的方式。

排放問(wèn)題不是運(yùn)載火箭對(duì)環(huán)境的唯一影響。由于大多數(shù)火箭是一次性使用的，其生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的溫室氣體排放也會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響，墜落于地球表面的廢棄零件如固體燃料殘骸、火箭碎片等也會(huì)在海洋或陸地上產(chǎn)生污染。

火箭發(fā)射的環(huán)保進(jìn)階之路

當(dāng)然，航天科研人員并不會(huì)對(duì)此坐視不管。

如果你看過(guò)火箭發(fā)射的直播畫面，可能會(huì)注意到，在其升空的一剎那，發(fā)射平臺(tái)會(huì)在幾十秒內(nèi)有大量白色水霧噴涌而出。水的使用不僅僅是作用于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻、保護(hù)發(fā)射臺(tái)和降噪，同時(shí)也是為了滿足環(huán)保的需求�；鸺�發(fā)射后，發(fā)射臺(tái)上往往會(huì)殘留有許多灰塵和化學(xué)物質(zhì)，采用大量的水通過(guò)沖洗和清理的方式，可防止其對(duì)環(huán)境造成進(jìn)一步的污染，也有助于下一次發(fā)射的順利進(jìn)行。

科研人員還會(huì)利用催化還原、吸附等方法對(duì)火箭發(fā)射產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行處理。2002年神舟三號(hào)發(fā)射時(shí)，酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心首次將航天發(fā)射場(chǎng)推進(jìn)劑廢氣處理系統(tǒng)投入使用，將火箭推進(jìn)劑加注時(shí)產(chǎn)生的廢氣輸送到凈化裝置中，與燃燒劑進(jìn)行混合燃燒，使有毒廢氣得到凈化。

為了徹底消除常溫推進(jìn)劑火箭在發(fā)射過(guò)程中產(chǎn)生的毒氣，我國(guó)正在用新一代使用清潔低溫推進(jìn)劑火箭淘汰常溫推進(jìn)劑火箭。比如長(zhǎng)征七號(hào)就是在長(zhǎng)征二號(hào)F火箭的基礎(chǔ)上，把箭上的四氧化二氮/偏二甲肼常溫推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)換成液氧/煤油低溫推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)。替換的好處不僅帶來(lái)推進(jìn)劑綠色環(huán)保，還提高了火箭運(yùn)載能力、降低了推進(jìn)劑成本、為今后的可重復(fù)使用進(jìn)行了鋪墊。

2021年5月29日，搭載著天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船的長(zhǎng)征七號(hào)遙三運(yùn)載火箭在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火發(fā)射。細(xì)心的人們會(huì)發(fā)現(xiàn)，這一次火箭點(diǎn)火的瞬間，“大力水手”長(zhǎng)征七號(hào)的尾部沒(méi)有出現(xiàn)因四氧化二氮不充分燃燒而形成的紅色“煙霧”，取而代之的是如同棉花糖般的白“煙”。

圖片來(lái)源：新華社（琚振華 攝）

發(fā)射一枚火箭，需要耗費(fèi)高品質(zhì)的燃料來(lái)提供動(dòng)力。為了進(jìn)一步綠色化，生產(chǎn)燃料的方式也要“可再生”。目前，航天技術(shù)上，火箭通常采用碳?xì)淙剂献鳛橥七M(jìn)劑的液體，通過(guò)蒸汽重整法生產(chǎn)，它的原理是將天然氣、石油等碳?xì)浠�合物與水蒸氣反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣和二氧化碳，還會(huì)產(chǎn)生一氧化碳這樣的副產(chǎn)品。如果通過(guò)電解法，利用太陽(yáng)能和風(fēng)能產(chǎn)生的電力分解水產(chǎn)生氫氣，產(chǎn)出的“綠氫”將更加清潔。歐洲、日本的一些公司甚至還使用從牛糞中提取的液化生物甲烷作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料。

朱雀二號(hào)領(lǐng)航：商業(yè)航天走向綠色可持續(xù)

火箭推進(jìn)劑是決定火箭能力的關(guān)鍵因素，推進(jìn)劑在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中快速燃燒，幫助實(shí)現(xiàn)火箭升空、加速和改變軌道，推進(jìn)劑的性能直接影響火箭的推力和速度。

目前主流使用的大多是液氧/煤油推進(jìn)劑火箭，成本較低、比沖較高，但易積碳、結(jié)焦。液氫/液氧推進(jìn)劑盡管比沖很高，燃燒產(chǎn)物也很干凈，但由于密度過(guò)低，造成火箭體積過(guò)大，目前難以在基礎(chǔ)級(jí)單獨(dú)大規(guī)模使用。

液氧/甲烷推進(jìn)劑，因其燃燒效率高、綠色環(huán)保、成本低、易制取等特點(diǎn)，正逐漸被世界各國(guó)認(rèn)為是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑的理想材料之一。

液氧是氧氣的液態(tài)形式，它能為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提供充足的氧化劑；甲烷是僅次于氫氣的清潔度第二高的化合物，不僅燃燒穩(wěn)定，而且?guī)缀醪划a(chǎn)生積碳，這使得發(fā)動(dòng)機(jī)的回收復(fù)用變得更加容易。

但液氧/甲烷火箭的研制并非易事，它涉及發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、材料選擇、燃料存儲(chǔ)等多個(gè)方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。在世界范圍內(nèi)，液氧甲烷火箭已進(jìn)入快速研制發(fā)展期，中國(guó)科研工作者同樣在不斷創(chuàng)造突破。

2023年7月12日，我國(guó)的朱雀二號(hào)遙二運(yùn)載火箭成功入軌，這是全球首枚成功入軌的液氧/甲烷火箭，也是國(guó)內(nèi)民商航天首款基于自主研制的液體發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)成功入軌的運(yùn)載火箭，這一里程碑式的事件標(biāo)志著我國(guó)綠色航天邁出了更加堅(jiān)實(shí)的一步。

朱雀二號(hào)遙二運(yùn)載火箭發(fā)射成功。圖片來(lái)源：新華社（汪江波 攝）

上文提到，火箭的制造本身也會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳和污染。如果火箭能夠重復(fù)使用，就可以在火箭的生命周期內(nèi)分散這些制造排放，并大大降低其上天的成本。作為朱雀二號(hào)的下一步，同樣使用液氧/甲烷推進(jìn)劑的朱雀三號(hào)可重復(fù)使用火箭也在穩(wěn)步推進(jìn)中。2024年1月19日，朱雀三號(hào)可復(fù)用火箭完成首次大型垂直起降飛行試驗(yàn)，火箭計(jì)劃于2025年具備首飛能力。

為了進(jìn)一步支撐我國(guó)未來(lái)大型航天任務(wù)需求，我國(guó)還開(kāi)展了200噸級(jí)全流量補(bǔ)燃循環(huán)液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)研制工作。目前已經(jīng)完成發(fā)動(dòng)機(jī)方案論證，成功完成了火炬點(diǎn)火器熱試、燃?xì)獍l(fā)生器縮尺件熱試及推力室縮尺件熱試考核。

人類向往浩瀚蒼穹，渴望揭開(kāi)宇宙深處的奧秘。而在這個(gè)過(guò)程中，不僅要追求科技的進(jìn)步，更要將綠色理念深深植根于航天探索的每一個(gè)環(huán)節(jié)。我們有理由相信，科技的力量能夠讓宇宙探索之路更加清潔、可持續(xù)，在星辰大海間，讓我們留下人類智慧與文明的印記，更留下對(duì)自然敬畏與保護(hù)的永恒承諾。

作者：北京宇航系統(tǒng)工程研究所高級(jí)工程師于遠(yuǎn)航 

審核：全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩 

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