天宮一號即將重回地球

艾麥樂?編譯)這個月底,或者下個月初,天宮一號將重返地球大氣層,像一顆火流星一樣燃燒殆盡,至少大部分會如此。

最大的問題是,它會在什么時間,墜落在什么地點。可惜,對此我們無法作出準確的預測。最可能的日期是4月1日,但確切時間還不好說——正因為如此,我們無法推測它掉回大氣層的具體地點。

同樣,我們也不清楚會有多少東西掉落到地表,不過好消息是,天宮一號的絕大部分會在空中燃盡。而且,它不太可能在陸地上空再入大氣層,更不用說掉落在人口稠密的區域了。

確實有些人在過分擔心這件事情,需要澄清的是,作為個人來說,被來自天宮一號的碎片擊中的可能性極小,遠低于被雷霹中的幾率。所以,不如去擔心一些其他的事情,比如在浴缸里滑倒之類的。

天宮一號的模擬圖。圖片來源:中國國家航天局

天宮一號使命完成

天宮一號是中國的首個空間站試驗飛行器,于2011年發射升空,進入距離地面超過350公里的低地球軌道。它長約10米,由服務艙和實驗艙構成:服務艙裝有太陽能板提供電源,并配有發動機用來維持天宮一號的軌道高度;實驗艙則配有對接接口,可以讓艙天員在其中短期駐留。

天宮一號迎來過3次訪客,第一次是無人的神舟八號飛船,然后是載人的神舟九號和十號飛船,都與天宮一號進行過多次對接試驗。這些試驗給未來中國更大的空間站的建造和運行積累了寶貴的經驗。

雖然已經算是太空,但在低地球軌道上,仍然是有空氣存在的,只不過極其稀薄。然而,航天器環繞地球的軌道速度將近8千米/秒,就算是再稀薄的空氣,也會產生阻力。這會讓航天器損失能量,降低軌道高度,必須要定期點火加速才行。天宮一號的服務艙攜帶了足夠的燃料,可以用來點火并抬升軌道。

2016年3月,中國國家航天局宣布,天宮一號在完成各項在軌試驗后,其歷史任務已經完成,并終止了數據連接。從那時起,天宮一號就再沒有進行過軌道維持。如今,它的軌道最低處距離地面只有大約235公里,最高處也只有大約250公里。

《人民日報》對于天宮一號完成任務即將回家的報道。圖片來源:中國航天科技集團網站

難以預測

天宮一號掉得越低,遇到的空氣就越稠密,速度就會掉得更快。具體速度取決于大量難以建模的變量,比如地球大氣層不同高度的空氣密度(這會受到太陽活動的影響而發生變化),天宮一號迎風面的形狀等等。

正因為如此,對于它最終墜落的預測只能估計一個大概。在2017年底,人們預測它最快可能會在3月初重返大氣層,不過目前的預測逐漸移到了4月初。不過,目前預測的墜落時間,跨度仍然長達10天。想要縮小時間窗口,唯一的辦法就是等著看天宮一號接下來的軌道會如何變化。

天宮一號可能墜落在北緯43度到南緯43度之間的任意地點。圖片來源:ESA

天宮一號的軌道與地球的赤道有一個大約43度的傾角,因此理論上來說,它有可能在北緯43度到南緯43度之間的任何地方墜入地球大氣層。這基本上已經涵蓋大半個地球了!不過,這片區域大都被水覆蓋(包括太平洋、大西洋和印度洋),而且絕大多數陸地也都人跡罕至。

確實,這片區域也有許多人口稠密的地區,不過別忘了,相對于巨大的地球來說,這些地區其實都很小很小。天文學家Jonathan McDowell通過計算指出,對于這片區域里的任意地點,天宮一號墜落在那里的幾率都極低。在這片區域的最北端和最南端,幾率會稍高一些,因為天宮一號在 高緯度地區上空飛行的時間要更久一些。但就算如此,這一幾率也仍然極低。

所有這些不確定性,導致我們不知道天宮一號會墜落在哪里。不要忘記,它的運動速度很快。預測墜落的時間差上一分鐘,就意味著墜落的地點會偏離大約500公里!而我們現在甚至不知道它會在哪一天重返大氣層,所以現在來猜它會掉落在哪里,實在是為時過早。

場面壯觀

如果天宮一號墜入地球大氣層,又會發生什么呢?

隨著再入地球大氣層,天宮一號的溫度會升高。這主要是因為它高速闖進了大氣層,快速壓縮了運行前方的空氣,而壓縮空氣溫度就會升高。隨著它降到一定的高度,這些熱量會把天宮一號加熱到開始發光的程度。氣動壓力也會撕扯天宮一號,最終它會瓦解甚至燃燒殆盡。

天宮一號上有大量易碎的部件,最終都會完全燃盡。奇怪的是,哪些東西會留存下來,卻很難講。非常致密而且高熔點的東西,往往會在再入大氣層時留存下來。不過,一些非常輕的東西也會留存下來,因為大氣阻力很快就減慢了它們的速度,讓它們根本就沒有機會燃燒起來。在以往的類似事例中,空燃料罐是最常見的“幸存者”。不過,天宮一號的燃料罐里應該還有剩余燃料沒有用盡,這會讓燃料罐變得更沉,也更有可能會在空中燃盡。

或許,剩余燃料還會導致燃料罐爆炸,這是一件好事,會產生更多表面積更大的較小碎片,讓天宮一號更容易完全燃盡。總之,具體過程會相當復雜。

2014年,國際空間站上的宇航員拍到了天鵝座貨運飛船再入地球大氣層的場景。圖片來源:NASA

無論如何,天宮一號墜落的場面都會非常壯觀。每年都有大量衛星和航天器再入地球大氣層,我們已經看到了越來越多這樣的視頻和照片,甚至還有在國際空間站上拍到的。它會像一顆緩慢移動的火流星,閃著耀眼的光芒,拖著一條長長的尾焰,尾焰里還有火花閃現,一些較小的亮點也會拖著各自的尾巴伴隨在它左右,那是從它身上掉落下來的碎片。

在大多數情況下,大型航天器的墜落都是受控的,以便讓沒有燃盡的碎片落入太平洋,這是地球上最大的一片無人區。雖然我很想看到天宮一號再入大氣層的視頻,但我也同樣希望天宮一號剛好墜落在廣袤的太平洋上,哪怕完全沒有人會看到它!這會把天宮一號墜落的風險降到最低,雖然這個風險本來就已經很低了。(編輯:Steed

The End

發布于2018-03-09, 本文版權屬于果殼網(guokr.com),禁止轉載。如有需要,請聯系果殼

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Phil Plait

美國天文學家,著名天文博客The Bad Astronomy博主

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