天宮一號(hào)“撞”地球

前不久，天宮一號(hào)完成了它的使命，光榮退役。2018年4月2日8時(shí)15分左右，天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器再入大氣層，再入落區(qū)位于南太平洋中部區(qū)域，絕大部分器件在再入大氣層過(guò)程中燒蝕銷毀。這是近十年來(lái)落入地球大氣層的最大物體，因此引起了世界各地的廣泛關(guān)注。

作為中國(guó)首個(gè)目標(biāo)飛行器和空間實(shí)驗(yàn)室，天宮一號(hào)主要肩負(fù)四項(xiàng)任務(wù)：與神舟系列飛船完成空間交會(huì)對(duì)接飛行試驗(yàn)；保障航天員在軌短期駐留期間的生活和工作；進(jìn)行一系列空間實(shí)驗(yàn)；初步建立短期載人、長(zhǎng)期無(wú)人獨(dú)立可靠運(yùn)行的空間實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為建造空間站積累經(jīng)驗(yàn)。

天宮一號(hào)可是飛行器中的“英雄”，它本來(lái)的設(shè)計(jì)壽命為兩年，但卻服役了近五年。一起來(lái)回顧天宮一號(hào)的精彩時(shí)刻吧。

2011年9月29日21時(shí)16分03秒，天宮一號(hào)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，飛行器全長(zhǎng)10.4m，最大直徑3.35m，由實(shí)驗(yàn)艙和資源艙構(gòu)成 。

2011年11月3日，天宮一號(hào)與神舟八號(hào)飛船成功對(duì)接，中國(guó)由此成為世界上第三個(gè)自主掌握空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)的國(guó)家。

2012年6月18日，天宮一號(hào)與神舟九號(hào)飛船成功實(shí)現(xiàn)自動(dòng)交會(huì)對(duì)接，中國(guó)3位航天員首次進(jìn)入在軌飛行器。

2013年6月13日，天宮一號(hào)與神舟十號(hào)飛船順利完成了自動(dòng)交會(huì)對(duì)接，并合體飛行13天。在這期間，3名宇航員在天宮一號(hào)中進(jìn)行了科學(xué)實(shí)驗(yàn)等活動(dòng)。

2013年6月26日，飛行了15天的神舟十號(hào)飛船返回地球，天宮一號(hào)也圓滿完成了任務(wù)。

完成了4項(xiàng)既定任務(wù)之后，天宮一號(hào)轉(zhuǎn)入拓展任務(wù)飛行階段繼續(xù)工作：開展航天技術(shù)試驗(yàn)、對(duì)地遙感應(yīng)用和空間環(huán)境探測(cè)； 驗(yàn)證低軌長(zhǎng)壽命載人航天器設(shè)計(jì)、制造、管理、控制等相關(guān)技術(shù)；獲取大量有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息和應(yīng)用成果，為空間站的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和載人航天成果的應(yīng)用推廣積累重要經(jīng)驗(yàn)。

要知道，在太空環(huán)境下，受真空、輻射等環(huán)境因素影響，維持飛行器的壽命是個(gè)難題。而即便超額完成任務(wù)，天宮一號(hào)的狀態(tài)也一直很好，所有設(shè)備都正常。

2016年3月16日，超期服役兩年半的天宮一號(hào)（已在軌工作1630天）正式終止了數(shù)據(jù)服務(wù)。自停止使用以來(lái)，天宮一號(hào)空間站的高度一直在緩速下降，最終脫離軌道在大氣層中燒毀。

很多人注意到一個(gè)頗有意思的問(wèn)題：天宮一號(hào)的再入點(diǎn)與全球航天機(jī)構(gòu)之前的預(yù)測(cè)都相去甚遠(yuǎn)，它似乎和科學(xué)家們開了個(gè)大玩笑。為什么預(yù)測(cè)精確的墜落時(shí)間和地點(diǎn)那么困難？

牛頓定律告訴我們，衛(wèi)星是以圓形或橢圓形軌道圍繞地球運(yùn)行的。但在較低的軌道高度上（1000km以下），情況要復(fù)雜得多。這是因?yàn)樵谶@個(gè)高度，飛船或衛(wèi)星會(huì)受到極稀薄的大氣的阻滯作用。這種作用會(huì)降低飛船運(yùn)行速度，從而使其軌道高度進(jìn)一步下降。

像空間站這樣的大型航天器自由再入大氣層時(shí)，落點(diǎn)預(yù)測(cè)是一個(gè)世界難題。它在這個(gè)過(guò)程中會(huì)受到很多因素的影響，包括大氣密度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、太陽(yáng)黑子活動(dòng)、風(fēng)向、航天器形狀和進(jìn)入時(shí)的角度等。例如大氣層密度在不同的高度是不斷變化的，而且有時(shí)候變化非常大。此外，航天器在墜落過(guò)程中的姿態(tài)是頭向前還是尾向前、太陽(yáng)電池翼是否展開等，隨機(jī)性比較大，對(duì)航天器落點(diǎn)的影響也很大。

對(duì)天宮一號(hào)再入大氣層范圍的預(yù)測(cè)失誤其實(shí)只是科學(xué)家再次被這道難題“絆倒”。1979年7月11日，美國(guó)空間站“天空實(shí)驗(yàn)室”墜地時(shí)，原來(lái)預(yù)計(jì)墜至非洲，實(shí)際卻落到澳大利亞。2012年1月15日俄羅斯“火衛(wèi)-土壤”探測(cè)器墜落前，俄羅斯和美國(guó)曾先后預(yù)報(bào)它將墜入印度洋和大西洋，但最后它卻掉到太平洋智利海岸附近。

在天宮一號(hào)重返大氣層之前，各航天機(jī)構(gòu)仍在不斷修改可能的重返時(shí)間和地點(diǎn)。美國(guó)航天研究公司預(yù)測(cè)，天宮一號(hào)可能落在非洲附近，后又改為落入太平洋。該公司高級(jí)技術(shù)人員安德烈·亞伯拉罕承認(rèn)，對(duì)預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)缺乏信心，因?yàn)楹教炱髦胤荡髿鈱拥臅r(shí)間和地點(diǎn)取決于隨時(shí)在變化的太陽(yáng)黑子活動(dòng)強(qiáng)度和航天器翻滾情況等。歐洲航天局則表示，高能粒子流將使高層大氣密度增加，這也會(huì)引起天宮一號(hào)再入點(diǎn)的變化。

有人質(zhì)疑，同樣是再入大氣層的航天器，為何洲際彈道導(dǎo)彈的軌跡預(yù)測(cè)就靠譜得多，以至于可以用反導(dǎo)系統(tǒng)精準(zhǔn)攔截？實(shí)際上，洲際導(dǎo)彈通常有較大的再入角和彈道彎度以及規(guī)則的彈頭形狀。而天宮一號(hào)外形不規(guī)則，還會(huì)發(fā)生翻滾，并隨著與空氣不斷摩擦，軌道飛行高度逐漸降低，這些靠現(xiàn)有的軟件是很難精確模擬的，因此要想精確地預(yù)測(cè)天宮一號(hào)的墜落時(shí)間和地點(diǎn)非常困難。

既然墜落時(shí)間和地點(diǎn)難以精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，為什么天宮一號(hào)一定要落回地球？

自從蘇聯(lián)發(fā)射人類第一顆人造衛(wèi)星斯普特尼克1號(hào)以來(lái)，世界各國(guó)執(zhí)行了超過(guò)4000次發(fā)射任務(wù)，大部分廢棄航天器并沒(méi)有被回收，而是變成了太空垃圾。

太空飄浮著大約1.7億件太空垃圾，其中僅2.2萬(wàn)件是可追蹤到的。這些小到人造衛(wèi)星碎片、漆片、粉塵，大到整艘飛船殘骸的太空垃圾時(shí)刻都在威脅著價(jià)值7000億美元的太空設(shè)備的安全。

為了減緩太空垃圾的增速，目前，部分運(yùn)行在近地軌道的大型航天器退役后，國(guó)際通行的做法是讓其受控墜落到南太平洋一處距離大陸最偏遠(yuǎn)的深海區(qū)——尼莫點(diǎn)，那里因?yàn)椤奥裨帷绷酥T多航天器而被稱為“航天器墳場(chǎng)”。俄羅斯的和平號(hào)空間站、進(jìn)步號(hào)系列飛船，美國(guó)的康普頓伽馬射線望遠(yuǎn)鏡等都?jí)嬄溆诖恕?/p>

天宮一號(hào)當(dāng)然不是人類歷史上第一個(gè)墜落地球的大型航天器。事實(shí)上，根據(jù)美國(guó)宇航局的統(tǒng)計(jì)，在過(guò)去50多年中，平均每天都有一個(gè)有正式編號(hào)的航天器或其碎片墜落地球。當(dāng)然，絕大部分組件都會(huì)被焚毀，而即便落到地面上，擊中居民的概率也幾乎為零，歷史上從未發(fā)生過(guò)與此相關(guān)的嚴(yán)重傷亡事件。

歷史上比較有名的失控墜落的航天器有哪些？

造成國(guó)際轟動(dòng)較大的要數(shù)1978年蘇聯(lián)核動(dòng)力衛(wèi)星“宇宙954”的失控墜落事件。這是一顆核動(dòng)力衛(wèi)星，上面裝有大量放射性物質(zhì)，它在加拿大上空燃燒解體，破碎成數(shù)以百計(jì)的碎塊，其中一些還相當(dāng)大。核反應(yīng)堆也立即解體，大量核燃料噴濺而出，污染了整顆衛(wèi)星，擴(kuò)散到大氣中，并使所有衛(wèi)星部件都沾染了強(qiáng)烈的放射性。

大量放射性物質(zhì)和衛(wèi)星碎片散落到加拿大西北地區(qū)阿爾伯塔省和薩斯喀徹溫省的一片狹長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)，污染帶綿延近600km。萬(wàn)幸的是，這里主要是廣袤的苔原和冰原，人跡罕至。

事故發(fā)生后，美國(guó)和加拿大聯(lián)合實(shí)施了代號(hào)為“晨光行動(dòng)”的大規(guī)模核污染清理行動(dòng)。但即便如此，仍然只找到并清理了一小部分的污染物，要想完全清除這次事故產(chǎn)生的核污染短期內(nèi)是根本做不到的。

僅僅過(guò)了一年，質(zhì)量超過(guò)70t的美國(guó)“天空實(shí)驗(yàn)室”空間站發(fā)生故障，失控墜落，大量殘骸撒落在澳大利亞西部荒原之中。受到前一年蘇聯(lián)“宇宙954”事件的影響，當(dāng)時(shí)世界各大媒體都報(bào)道了這一事件。但由于“天空實(shí)驗(yàn)室”上沒(méi)有核燃料，這次事件本身未造成太大的環(huán)境影響，但砸到了幾棟小屋，并砸死了一頭牛。事后，澳大利亞向美國(guó)要求賠償時(shí)遭遇了拖延，直到30年后才由美國(guó)民間組織籌款支付。

禮炮七號(hào)是蘇聯(lián)時(shí)代的一座空間站，其質(zhì)量接近20t，在1991年2月7日，這座空間站的命運(yùn)同樣以失控墜落告終，大量殘骸墜落在南美洲阿根廷境內(nèi)。