推进剂类型、再入过程与羽流反应对航天飞行大气影响的角色

《Earth's Future》：The Role of Propellant Type, Re-Entry, and Plume Reactions in the Atmospheric Impacts of Spaceflight

　　

研究人员利用开源数据构建了2022年航天飞行活动的四维排放清单，涵盖再入过程与羽流化学反应的影响，并通过GEOS-Chem化学传输模型评估其对平流层成分及辐射强迫的作用。结果表明，航天飞行排放导致全球柱臭氧年均减少85.6 mDU（毫多布森单位），净辐射强迫达4.1 mW/m2。其中87.7%的臭氧损耗由再入过程释放的氮氧化物（NOx）驱动；纳入羽流化学反应后，全球臭氧损耗降低17.1%，辐射强迫减少29.1%。在不同推进剂类型中，固体推进剂对臭氧损耗的单位载荷影响最大，每吉克有效载荷造成48.3 mDU的减少；而RP-1（火箭级煤油）燃料火箭对辐射强迫的贡献最高，每吉克有效载荷达1.9 mW/m2。研究结果强调，需综合考虑并精确模拟再入排放、发动机羽流反应及其相互作用。

随着航天产业近几十年的快速增长，年度发射率自2005年以来增长超过两倍，在轨航天器数量翻倍至约2900颗。卫星巨型星座、太空旅游及可重复使用助推器的发展将进一步推高发射与再入频率。尽管早期研究认为航天排放因总量较小而对环境影响可忽略，但其排放跨越大气各层，在高空的更长寿命及对臭氧层的直接影响使其潜在危害被低估。既往估算存在局限，例如未充分考虑再入排放、羽流化学反应对不同推进剂排放的修正作用，且对未来推进剂转变（如甲烷火箭的兴起）的环境效应缺乏量化。为此，研究人员针对2022年全球航天活动，首次系统纳入再入排放与羽流化学，量化其对大气成分与气候的影响，相关成果发表于《Earth's Future》。

为实现上述目标，研究人员采用以下关键技术方法：首先构建2022年航天飞行四维排放清单，覆盖186次发射与472个再入物体，整合五种主流推进剂（RP-1、液氢LH₂、偏二甲肼UDMH、固体燃料、液甲烷LCH₄，后者因排放谱缺失未计入）的燃烧排放与再入热致NO_x排放；其次引入羽流尺度化学反应模型，修正发动机喷管出口至高空扩散过程中的污染物形态转化；最终将清单输入GEOS-Chem高性能化学传输模型（版本14.3.0，搭载UCX平流层-对流层统一化学扩展模块），结合MERRA-2气象场与RRTMG辐射传输方案，模拟排放对臭氧柱、平流层物质质量及顶界辐射强迫（TOA RF）的影响，并设置无羽流反应、无再入排放及单一推进剂排除等多组对照情景。

研究结果如下：

3.1 航天飞行排放清单

2022年全球航天推进剂总消耗量为61.9吉克，其中RP-1占比70.5%，其次为UDMH（9.6吉克）、固体燃料（5.5吉克）与LH₂（3.2吉克）。排放高度集中于北半球（99%），美国与中国分别贡献总排放的64.3%与21.8%。再入过程贡献了83.9%的NO_x排放（总量3.5吉克），主要来自火箭箭体与卫星解体（占比86%）。羽流反应使黑碳（BC）排放降低66.8%，NO_x排放降低7.1%，同时改变氯物种形态（HCl减少，原子氯Cl与分子氯Cl₂增加）。

3.2 大气成分变化

2022年航天排放导致全球柱臭氧净减少85.6 mDU，北极地区峰值损耗达200 mDU。臭氧损耗主要由NO_x-奇氧（O_x）催化循环驱动，再入排放贡献了87.7%的总损耗。羽流反应的纳入使臭氧损耗预测值降低12.5 mDU。单位推进剂质量的臭氧损耗排序为：固体推进剂（-2.7 mDU/吉克·年）> RP-1（+0.12 mDU/吉克·年）> UDMH（+0.04 mDU/吉克·年）> LH₂（-0.1 mDU/吉克·年），其中正值为臭氧增加。固体推进剂的高损耗与其释放的氯化物（Cl_x）相关，但未考虑氧化铝颗粒的异相反应可能低估其实际影响。

3.3 辐射强迫

净非二氧化碳辐射强迫为4.1 mW/m²，其中黑碳（BC）贡献8.2 mW/m²（正强迫，增温），臭氧变化贡献-2.6 mW/m²（负强迫，降温），水汽贡献-1.4 mW/m²。BC的单位质量辐射效率高于既往研究，因其59%的排放位于平流层（寿命更长、气候效应更强）。单位推进剂质量的净辐射强迫排序为：RP-1（+0.1 mW/m²/吉克）> UDMH（+29 μW/m²/吉克）> LH₂（-0.1 mW/m²/吉克）> 固体推进剂（-31 μW/m²/吉克）。再入排放虽主导臭氧损耗，但其辐射强迫仅占-0.2 mW/m²，因损耗集中在高层平流层，辐射效应较弱。

3.4 局限性

研究未计入无法定位的再入物体（低估再入质量17%）、氧化铝颗粒的辐射与化学作用、受控再入的剩余推进剂燃烧，且羽流反应参数依赖老旧火箭测量数据，现代发动机的高温高效特性可能改变反应路径。此外，模型未考虑BC的自抬升效应与甲烷反馈循环，可能低估长期影响。

结论部分指出，航天飞行排放已产生可量化的平流层臭氧损耗与辐射强迫，再入过程与羽流化学是关键驱动因素。固体推进剂单位质量的臭氧损耗最高，而RP-1因高BC排放成为辐射强迫的主要贡献者。未来需加强对再入排放、新型推进剂（如液甲烷）羽流特征及氧化铝气溶胶效应的观测与建模，以支持航天产业的可持续环境管理。