一文讀懂:天宮一號無控返回大氣層 以最絢爛的方式回家

2021-01-17 騰訊網

據中國載人航天工程辦公室發布,經北京航天飛行控制中心和有關機構監測分析,4月2日8時15分左右,天宮一號目標飛行器已再入大氣層,再入落區位於南太平洋中部區域,絕大部分器件在再入大氣層過程中燒蝕銷毀。

天宮一號是中國研發的一個目標飛行器,目的是作為其他飛行器的接合點,為中國太空實驗室計劃的實驗性軌道飛行器,於2011年9月29日21時16分3.507秒發射升空。

天宮一號的升空,標誌著我國邁入載人航天工程「三步走」戰略的第二步第二階段,換言之,這標誌著我國已經擁有建立初步空間站,即短期無人照料的空間站的能力。

此後3年裡,天宮一號先後與神舟八號、神舟九號、神舟十號飛船交會對接,系統驗證了自動交會對接、人控/手動交會對接等關鍵支撐技術,讓我國成為世界上第三個自主掌握空間交會對接技術的國家。2016年3月16日,這個戰功赫赫的「中國造」全面完成使命,正式終止數據服務。

天宮在太空軌道上運行,為什麼會重返大氣層?

不少人可能覺得衛星離地面數百公裡,位於太空之中,因此可以不受阻力的長時間甚至永久圍繞地球運行,準確的說其實並不是這樣的。

我們這裡所說的大氣層主要指的是稠密大氣層,是個人為定義的概念,國際航空聯合會定義100公裡的高度為卡門線,將其作為大氣層和太空的界線。而實際上地球大氣層是一個逐漸過渡的結構,在地面上方1000多公裡的高度仍然有稀薄的大氣或者是大氣粒子。因此近地衛星工作的高度雖然已經超過300公裡,但依然會受到極為稀薄大氣層的微小阻力,但這些微小阻力累計後對軌道的影響就很大。

地球大氣層結構示意圖,可見地球衛星運行的軌道並非是絕對的真空區域

圖為天宮一號幾次軌道維持記錄,運行一段時間後就需要加速提升軌道高度。

飛行器一旦長時間不加速,軌道高度就會逐漸降低,降的越低大氣阻力也就越大,最終墜入稠密大氣層。

天宮無控再入大氣層難準確預測,也是因為變量太多

還有人可能覺得,現在有極為精確的雷達能探測飛行器的基本參數,還有超級計算機輔助,準確計算無控飛行器載入大氣層應該並不難,實際上也並不是這樣。

一方面100公裡以上的大氣層並不均勻,變化多端,人們難以精確得知某一區域某一時刻的的大氣層詳細數據,這就為計算增加了誤差。

還有另一個比較麻煩的問題就是無控飛行器的姿態複雜。據德國弗勞恩霍夫高頻物理和雷達技術研究所的雷達影像,天宮在軌道上是在旋轉飛行的,這也是受到稀薄大氣持續影響的結果,因此飛行器不同時間姿態的受力又不同,因此哪怕有強大的計算機也難以利用這些參數,模擬出準確趨勢,只能得出一個大致數據並且有相當大的誤差。

雷達拍到的近期天宮一號圖像,可見姿態在快速變化,一邊旋轉一邊飛行

天宮一號的威脅非常非常非常小

西方有些媒體,幾個月前就借天宮返回大氣層這件事炒作,這真是杞人憂天,目的不純。

實際上過去60年以來,我們大約經歷過6000種不同的失控人造太空物返回地球的情況,大多是廢棄的衛星和火箭的上半部分。砸到人身上的情況只有一例,但並沒有對那個人導致多大傷害。

而大部分天宮一號的「各種器官」都會在大氣層的燃燒過程中消失,只有大約20%-40%的構件有存活的概率落到地球上,大海,尤其是南太平洋很可能是它的主要「埋葬地」。

再者,以史為鑑可以說是最好的說明,統計一下歷史上大型飛行器無控返回大氣層的數據,比天宮一號大幾倍甚至十幾倍的設備都沒造成影響,一個天宮一號又有什麼風險可說?

天宮一號相比此前無控墜入大氣層的那些龐然大物要小得多,因此威脅也更低。

經過科學計算,被天宮一號的碎片砸中的概率是1.2萬億分之一,比被閃電擊中的概率還要低一億倍。

天宮將以最絢爛的方式回家

天宮返回大氣層時隨著大氣密度增加將與空氣產生劇烈摩擦,大部分結構也在熾熱中被燒掉,由於天宮一號由大量各種元素材料構成,因此燃燒時產生的顏色也不盡相同,場面將十分絢爛。

天宮一號已經成功落幕,但中國航天空間站的建設進程才剛剛開始……

飛行器載入大氣層解體過程圖示

上圖為飛行器載入大氣層解體過程圖示,首先是外部太陽能電池板首先被稠密大氣層剝離,隨後主體結構在高溫中解體,最後大部分碎片在上千公裡時速下與大氣層劇烈摩擦燒毀。

圖為歐洲太空總署的ATV-1飛船墜入大氣層時解體

歐洲太空總署的ATV-1飛船墜入大氣層時解體,劇烈的高溫下各類材料發出多種光芒,可以說這是一種十分絢麗多彩的落幕。

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    >再見,天宮一號!所以,所有像天宮一號這類的人類載人太空飛行器,最終都會緩慢回到地球懷抱。天宮一號之前有沒有太空垃圾落回地球對人類造成威脅?從1971年到1991年,蘇聯7個重達18.5~19.8噸的禮炮系列空間站先後返回地球,都成功焚毀在大氣中。
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  • 天宮一號墜落!歡迎回家!
    ,絕大部分器件在再入大氣層過程中燒蝕銷毀。天宮一號是做什麼的?2011年9月29日,「天宮一號」在酒泉衛星發射中心發射升空,飛行器全長10.4米,最大直徑3.35米,重8.5噸,由實驗艙和資源艙構成,設計壽命兩年。在預定壽命完成後,為進一步檢驗飛船長期在軌運行與測控能力,天宮一號繼續超期服役,一直到2016年3月16日,天宮一號目標飛行器正式終止數據服務,全面完成了其歷史使命。
  • 官方公布天宮一號再入大氣層預計時間
    經北京航天飛控中心和專業機構分析,預計天宮一號再入大氣層的時間在2018年3月31日至4月4日之間。後續,中國載人航天工程官方網站將每日發布有關監測預報信息。    作為我國第一個目標飛行器,天宮一號在其太空旅途將盡之際再一次走近公眾視野:前不久,部分外媒有關「天宮一號已失控並將撞向地球,對地面造成安全威脅」的說法一時間甚囂塵上。我國多位航天專家對此回應道:天宮一號一旦「受控」墜落,剩餘殘骸將落入指定海域,不會危害地面。    天宮一號2011年9月29日發射升空。
  • 天宮一號墜落前畫面(組圖)
    據中國載人航天工程辦公室官網報導,天宮一號預計北京時間4月2日再入大氣層,屆時它「不會像科幻電影中描述的那樣,惡狠狠地砸向地球,而是在奔向地球的過程中,化成一身絢爛,划過美麗星空」。圖為德國弗勞恩霍夫高頻物理及雷達技術研究所拍攝到的天宮一號畫像。
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