科技日報解讀天宮一號墜落 :被碎片砸到概率低於萬億分之一

2020-11-26 澎湃新聞
德國弗勞恩霍夫高頻物理及雷達技術研究所上周拍攝到的天宮一號在270公裡高度畫像。視覺中國 圖

在太空飛行了6年半的天宮一號回來了。4月2日,它再次飛越祖國上空,經過了北京、上海、南京、廣州、香港……8時15分左右,它重新進入大氣層,化作無數碎片,在天空中留下了一道道流星,最後落入南太平洋中部區域。用這種方式,它跟鄉親父老完成了永別,落葉歸根。

公元1076年的中秋節,宋代詩人蘇軾通宵歡飲,寫下了《水調歌頭·明月幾時有》,詞中唱道:「明月幾時有,把酒問青天。不知天上宮闕,今夕是何年……」2011年9月29日,中秋節過後不久,天宮一號這座印著五星紅旗的「宮闕」,轟轟烈烈地進入了太空,為中國航天史留下了濃墨重彩的篇章。

超出計劃的跨越發展

2011年9月29日19時,漠北酒泉雲淡風輕,金秋落日的餘暉灑在高高聳立的發射塔架上。中國載人航天工程總設計師周建平輕舒一口氣,緩緩從指揮席起身,走到指揮樓的露天平臺,遙望著佇立在不遠處塔架上的長徵二號F運載火箭和天宮一號。2小時後,他將指揮一次超出載人航天工程「三步走」戰略原本計劃的發射,思緒又回到從前……

2003年,航天員楊利偉完成我國首次載人航天飛行後,中國載人航天工程第一階段任務圓滿收官。第二階段的核心任務是空間交會對接,我國最早制定的方案是將神舟飛船軌道艙改造後留軌飛行,作為目標飛行器與後續飛船進行無人、載人空間交會對接。這個方案已比航天大國早期的交會對接試驗方法邁進了一大步,且技術風險較小。

然而航天人經過科學分析和深入評估,認為我國完全具備進一步跨越發展的條件,於是建議中央調整原來的計劃安排,直接發射8噸級的目標飛行器,兼做空間實驗室,一併實現自動交會對接、手動交會對接、中長期太空駐留的目標。

首次新增撓性慣性測量組合、首次使用迭代制導技術、首次採用馮·卡門曲線整流罩……面對全新的技術和設備,7000餘名參研參試人員夜以繼日。8次火箭總檢查,234種故障預案處置演練,在不到20天裡全部一次性順利通過……

這才有了當天21時36分,天宮一號的準確入軌。

天宮一號的控制系統、能源系統、動力系統……從裡到外、從大件到細節,使用了超過80%的新設備新技術,遠高於新研航天飛行器不超過30%新技術的慣例。

中國載人航天工程航天員系統副總設計師黃偉芬說:「天宮一號是航天員的『太空之家』,在那裡我國航天人創造了諸多首次——首次手控交會對接、女航天員首飛、首次太空授課等。神舟九號、十號任務航天員在天宮一號裡度過了難忘的太空時光。」

2013年6月25日早上,神舟十號乘組3名航天員仔細地查看了天宮一號每一個角落。最後離開的指令長聶海勝在完成狀態確認後,與已經進入飛船軌道艙的張曉光、王亞平一起,向天宮一號敬禮告別。

在軌運行期間,天宮一號幫助我國突破和掌握了空間交會對接技術、組合體控制技術;驗證了在軌中長期飛行的生命保障技術,完成了多項航天醫學實驗;開展空間環境探測、地球環境監測,提供應用數據服務……2016年3月16日,它正式終止數據服務,全面完成使命,進入軌道衰減期。

預測「天宮」歸期是門技術活

在近地軌道運行的大型太空飛行器,使命結束後會受地球大氣環境阻力影響而離軌衰降。在軌道高度250公裡以上時,軌道大氣屬於自由分子流,太空飛行器姿態相對穩定,軌道衰減率約為平均每天百米量級;當軌道介於250公裡至100公裡之間時,大氣處於自由分子流向熱成層稀薄流過渡的區域,密度顯著增強,氣動阻力迅速增加,軌道衰減會加速;當軌道高度降至100公裡以下,太空飛行器再入稠密大氣層,受氣動力和力矩急劇增加影響,其將解體並燒蝕。

天宮一號的歸期一直備受關注。近一年多,中國載人航天工程官網持續定期發布其軌道狀態,全球多家機構也在跟蹤天宮一號的動態,預測它何時再入大氣層。然而,這種預測實在是門技術活,變數多,難度大。直至今年3月上旬,各機構預測的再入時間跨度仍達半個月左右。

航天專家、中國航天科工集團二院研究員楊宇光向科技日報記者介紹,按現在的技術,通常只能在最後2小時才能確定空間物體的再入時間,主要原因是高層大氣阻力的影響難以估計。他說,高層大氣的密度會受多種因素影響,例如不同高度、經緯度,不同季節乃至一天中的不同時段,大氣密度都會變化。這些變化尚有規律可循,如果出現劇烈太陽活動,會造成高層大氣密度成倍增加,有時甚至能增長上百倍。

歐空局太空殘骸辦公室4月1日宣稱,天宮一號墜落時間可能在4月2日7點30分±7小時。據中國載人航天工程辦公室4月2日發布,2日6時20分,天宮一號運行在平均高度約132.75公裡的軌道上(近地點高度約130.9公裡、遠地點高度約134.6公裡、傾角約42.7度),預計再入時間為4月2日8時42分(最早時間8時24分,最晚時間9時01分),再入區域中心點位於西經40.4度,南緯27.4度。

被碎片砸到的概率低於萬億分之一

對於天宮一號的告別,有人傷感,也有人擔心。近年來,不斷有外媒稱天宮一號會對地面環境及安全造成威脅。

記者了解到,中國駐聯合國(維也納)代表團數次在致秘書長的普通照會中提及天宮一號。在2018年3月26日的照會中稱,經進一步計算覆核,天宮一號在再入過程中絕大部分結構部件將燒蝕銷毀,對航空活動和地面人員、設施造成危害的概率極低。

哈佛大學天文學家喬納森·麥克道爾估計,天宮一號只有100至200千克的殘骸會落到陸地或海洋。更有專家認為,天宮一號僅重8.5噸,且沒有熱防護設計,基本會在大氣層中燒蝕殆盡。

實際上,人類歷年所有的載人航天任務,都伴隨著飛船殘骸的返回。比如我國神舟飛船和俄羅斯聯盟飛船均由推進艙、服務艙、返回艙等構成,只有經過特殊保護的返回艙能安全著陸,其他部分都會在空中焚毀。而俄羅斯進步號、中國天舟號等貨運飛船,也都會整體返回大氣焚毀。例如每年國際空間站任務都會焚毀大約4艘重達7噸的進步號;我國的天舟一號返回重量與天宮一號接近,已經在2017年9月22日返回地球並完全焚毀;歐洲曾經的ATV貨運飛船重達10噸,在總共5次任務中全部焚毀在大氣中,日本6艘重10噸的HTV貨運飛船也是如此。

即使是質量更大的太空飛行器返回,也沒有出現過碎片擊中人類的記錄。從1971年到1991年,蘇聯7個重達18.5噸至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;1979年,美國重達77.1噸的天空實驗室再入大氣,事後僅在地表發現了幾十個碎片。2001年,俄羅斯重達129.7噸的和平號空間站,在一艘貨運飛船輔助下墜落於南太平洋,雖然應該有碎片,但至今未被發現。從20世紀60年代到現在,大約有15000噸以上的人造太空飛行器殘骸落回地球。英國廣播公司4月1日稱,天宮一號在史上失控墜落物體中重量排名約第50位。

最驚險的記錄發生在1997年,一塊落入地球的美國火箭第二級碎片,與一位名叫洛蒂·威廉士的美國人擦肩而過。

鑑於地球表面70%是海洋,太空飛行器殘餘碎片落向人口密集地區的概率極低,擊中人類的概率更是微乎其微。有專家計算,這一概率低於萬億分之一,比中美國威力球彩票大獎的機率還要小百萬倍。有數據顯示,每小時有2萬顆隕石的流星雨爆發時,普通人被砸到的概率是7億分之一;人一生中被雷劈的概率則為1.2萬分之一。雪梨大學航空航天學院空間工程執行總監霍姆斯更是表示:「你今天穿過雪梨一條馬路被汽車撞倒的可能性,比被天宮一號擊中的可能性大得多。」

相比之下,太空飛行器再入這種事,真的沒必要擔憂。

(原題為《天宮一號「落葉歸根」》)

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