德國弗勞恩霍夫高頻物理及雷達技術研究所拍攝的天宮一號墜落前畫面 | 圖源：Fraunhofer
2018年4月2日8時15分左右，中國航天首個目標飛行器和空間實驗室「天宮一號」在全面完成使命任務兩年後，再入大氣層，幻化成一道絢爛，散落在了南太平洋。
天宮一號最後的幾個月裡到底經歷了些什麼呢？
撰文 | 林厚源
熱層大氣
地表上空大約80到800千米的大氣層被稱為熱層大氣（thermosphere），在這裡有美麗的極光，也有自由奔放的低軌道太空飛行器。
圖1 地球大氣層分布示意圖 圖源 | liberaldictionary
熱層大氣的大氣密度非常低，如太空飛行器常在的350km軌道高度，大氣密度大約在10-11~10-12kg/m3量級，比地面小了十幾個數量級。在這種密度下，大氣已經不再被當作流體，而可以當作一群自由的分子——自由分子流（free molecular flow）。
被低估了的影響
然而，對於航天活動來說，這些稀疏的氣體分子不可被忽視。他們的數量仍然很龐大，每秒大約會有1020個氣體分子撞上高速運動中的太空飛行器，降低太空飛行器的運動速度從而影響它的軌道。天宮一號就是這樣被氣體分子給撞到地上來的。
圖2 天宮一號在2016年結束任務之後的平均軌道高度變化圖
實際上，熱層大氣對太空飛行器軌道影響的計算非常複雜，甚至於它在大學考試的考題中都從來沒有出現過。一個經典的大氣阻力公式如下:
可以看到它主要與阻力係數Cd、迎風投影面積A、太空飛行器速度v和大氣密度ρ相關。雖然熱層大氣的阻力作用廣為人知，但其實可能還是被低估了。
天宮一號「遭遇」了什麼？
2017年底，科學家們預測退休的天宮一號即將返回大氣層。這個事情在當時受到國際社會的廣泛關注，畢竟一個幾噸重的東西從天上掉下來，就算砸不到小朋友，砸到花花草草也是不好的。因此，科學家們開始對天宮一號再入大氣層的時刻、位置、再入過程是否解體等數據進行測定和估算，其中它的軌道和姿態是被重點監測的參數。
在對天宮一號姿態監測的過程中，科學家們發現它姿態變得不穩定，而且開始旋轉了。後續的監測進一步發現，天宮一號的轉動周期在3個月裡從400秒降低到了250秒，它居然在加速旋轉！這是一個不可思議的現象，就像一個陀螺扔到天上它越轉越快了，一架直升機擺在廣場它自己起飛了！
圖3 天宮一號的旋轉
這裡不是《走近科學》，一切都得有合理的解釋。於是，有科學家盯著天宮一號的旋轉狀態的動圖，開了個腦洞：已知大氣密度隨著高度的增加而減小，那麼撞擊天宮一號靠近地球一端的大氣分子數量，會略微大於遠端的數量，因此，近端受力會大於遠端，從而產生與自旋方向相同的力矩，導致旋轉加速。
圖4 姑且稱為分子撞擊差異說
巧合還是必然？
這粗聽起來不太靠譜，就像我去青海出現了高原反應時，有人告訴我趕緊趴在地上就可以吸到更多的氧氣。WHAT？！
但是，還真有科學家去分析了一下。他們用高層大氣密度模型算出天宮一號所在位置的密度梯度（即遠近端密度差），然後與天宮一號的轉速進行了比對，發現二者有很強的相關性。
圖5 轉速（黑）與大氣密度梯度（紅）關係
從上圖還可以估計這個力矩的量級。從2017年12月1日到2018年2月1日，轉速增加約0.2°/s，結合轉動慣量則可估算得角動量的變化率ΔH /Δt ~ 5×10-6 kg·m2/s2。
再利用前文的經典大氣阻力公式，取阻力係數Cd ~ 2，衛星迎風投影面積為A ~ 10 m2，衛星速度v ~ 8×103 m/s，密度梯度取2018年1月1日附近的值dρ ~ 3×10-16 kg/m4，可求得間隔L ~ 5 m處作用力的差值ΔF產生的力矩T ~ LΔF ~ 5×10-6 kg·m2/s2。
天吶，居然能湊出兩個一模一樣的數字！這個近10噸重的大傢伙，竟然真的是因為腳上比頭上多撞上了一些氣體分子導致它越轉越快！隱藏的幕後推手終於被發現了？
沒那麼簡單
當然，沒那麼簡單。比如，熱層大氣密度並不是一成不變的，它會隨著地球的周日變化、季節變化以及太空飛行器所處的空間位置等因素而變化，同時也會因太陽輻射和地磁場擾動變化以及低層大氣波動而發生劇烈變化。
目前，通過數值仿真計算去完整揭開這位幕後推手的「作案」手法並不順利，其中涉及到很多模型參數，已不單單是天體力學的研究範圍，還涉及空氣動力學、分子熱力學和高層大氣學等多個學科的交叉，需要多領域的科學家共同解決這個問題。
作者簡介
林厚源 中國科學院紫金山天文臺空間目標與碎片觀測研究中心 副研究員。
主編：毛瑞青
輪值主編：朱聽雷
編輯：王科超、高娜