[科普中国]-天宫一号“落叶归根”

在太空飞行了6年半的天宫一号回来了。4月2日，它再次飞越祖国上空，经过了北京、上海、南京、广州、香港……8时15分左右，它重新进入大气层，化作无数碎片，在天空中留下了一道道流星，最后落入南太平洋中部区域。用这种方式，它跟乡亲父老完成了永别，落叶归根。公元1076年的中秋节，宋代诗人苏轼通宵欢饮，写下了《水调歌头·明月几时有》，词中唱道：“明月几时有，把酒问青天。不知天上宫阙，今夕是何年……”2011年9月29日，中秋节过后不久，天宫一号这座印着五星红旗的“宫阙”，轰轰烈烈地进入了太空，为中国航天史留下了浓墨重彩的篇章。超出计划的跨越发展2011年9月29日19时，漠北酒泉云淡风轻，金秋落日的余晖洒在高高耸立的发射塔架上。中国载人航天工程总设计师周建平轻舒一口气，缓缓从指挥席起身，走到指挥楼的露天平台，遥望着伫立在不远处塔架上的长征二号F运载火箭和天宫一号。2小时后，他将指挥一次超出载人航天工程“三步走”战略原本计划的发射，思绪又回到从前……2003年，航天员杨利伟完成我国首次载人航天飞行后，中国载人航天工程第一阶段任务圆满收官。第二阶段的核心任务是空间交会对接，我国最早制定的方案是将神舟飞船轨道舱改造后留轨飞行，作为目标飞行器与后续飞船进行无人、载人空间交会对接。这个方案已比航天大国早期的交会对接试验方法迈进了一大步，且技术风险较小。然而航天人经过科学分析和深入评估，认为我国完全具备进一步跨越发展的条件，于是建议中央调整原来的计划安排，直接发射8吨级的目标飞行器，兼做空间实验室，一并实现自动交会对接、手动交会对接、中长期太空驻留的目标。首次新增挠性惯性测量组合、首次使用迭代制导技术、首次采用冯·卡门曲线整流罩……面对全新的技术和设备，7000余名参研参试人员夜以继日。8次火箭总检查，234种故障预案处置演练，在不到20天里全部一次性顺利通过……这才有了当天21时36分，天宫一号的准确入轨。天宫一号的控制系统、能源系统、动力系统……从里到外、从大件到细节，使用了超过80%的新设备新技术，远高于新研航天飞行器不超过30%新技术的惯例。中国载人航天工程航天员系统副总设计师黄伟芬说：“天宫一号是航天员的‘太空之家’，在那里我国航天人创造了诸多首次——首次手控交会对接、女航天员首飞、首次太空授课等。神舟九号、十号任务航天员在天宫一号里度过了难忘的太空时光。”2013年6月25日早上，神舟十号乘组3名航天员仔细地查看了天宫一号每一个角落。最后离开的指令长聂海胜在完成状态确认后，与已经进入飞船轨道舱的张晓光、王亚平一起，向天宫一号敬礼告别。在轨运行期间，天宫一号帮助我国突破和掌握了空间交会对接技术、组合体控制技术；验证了在轨中长期飞行的生命保障技术，完成了多项航天医学实验；开展空间环境探测、地球环境监测，提供应用数据服务……2016年3月16日，它正式终止数据服务，全面完成使命，进入轨道衰减期。预测“天宫”归期是门技术活在近地轨道运行的大型航天器，使命结束后会受地球大气环境阻力影响而离轨衰降。在轨道高度250公里以上时，轨道大气属于自由分子流，航天器姿态相对稳定，轨道衰减率约为平均每天百米量级；当轨道介于250公里至100公里之间时，大气处于自由分子流向热成层稀薄流过渡的区域，密度显著增强，气动阻力迅速增加，轨道衰减会加速；当轨道高度降至100公里以下，航天器再入稠密大气层，受气动力和力矩急剧增加影响，其将解体并烧蚀。天宫一号的归期一直备受关注。近一年多，中国载人航天工程官网持续定期发布其轨道状态，全球多家机构也在跟踪天宫一号的动态，预测它何时再入大气层。然而，这种预测实在是门技术活，变数多，难度大。直至今年3月上旬，各机构预测的再入时间跨度仍达半个月左右。航天专家、中国航天科工集团二院研究员杨宇光向科技日报记者介绍，按现在的技术，通常只能在最后2小时才能确定空间物体的再入时间，主要原因是高层大气阻力的影响难以估计。他说，高层大气的密度会受多种因素影响，例如不同高度、经纬度，不同季节乃至一天中的不同时段，大气密度都会变化。这些变化尚有规律可循，如果出现剧烈太阳活动，会造成高层大气密度成倍增加，有时甚至能增长上百倍。欧空局太空残骸办公室4月1日宣称，天宫一号坠落时间可能在4月2日7点30分±7小时。据中国载人航天工程办公室4月2日发布，2日6时20分，天宫一号运行在平均高度约132.75公里的轨道上（近地点高度约130.9公里、远地点高度约134.6公里、倾角约42.7度），预计再入时间为4月2日8时42分（最早时间8时24分，最晚时间9时01分），再入区域中心点位于西经40.4度，南纬27.4度。被碎片砸到的概率低于万亿分之一对于天宫一号的告别，有人伤感，也有人担心。近年来，不断有外媒称天宫一号会对地面环境及安全造成威胁。记者了解到，中国驻联合国（维也纳）代表团数次在致秘书长的普通照会中提及天宫一号。在2018年3月26日的照会中称，经进一步计算复核，天宫一号在再入过程中绝大部分结构部件将烧蚀销毁，对航空活动和地面人员、设施造成危害的概率极低。哈佛大学天文学家乔纳森·麦克道尔估计，天宫一号只有100至200千克的残骸会落到陆地或海洋。更有专家认为，天宫一号仅重8.5吨，且没有热防护设计，基本会在大气层中烧蚀殆尽。实际上，人类历年所有的载人航天任务，都伴随着飞船残骸的返回。比如我国神舟飞船和俄罗斯联盟飞船均由推进舱、服务舱、返回舱等构成，只有经过特殊保护的返回舱能安全着陆，其他部分都会在空中焚毁。而俄罗斯进步号、中国天舟号等货运飞船，也都会整体返回大气焚毁。例如每年国际空间站任务都会焚毁大约4艘重达7吨的进步号；我国的天舟一号返回重量与天宫一号接近，已经在2017年9月22日返回地球并完全焚毁；欧洲曾经的ATV货运飞船重达10吨，在总共5次任务中全部焚毁在大气中，日本6艘重10吨的HTV货运飞船也是如此。即使是质量更大的航天器返回，也没有出现过碎片击中人类的记录。从1971年到1991年，苏联7个重达18.5吨至19.8吨的礼炮系列空间站先后返回地球，都成功焚毁在大气中；1979年，美国重达77.1吨的天空实验室再入大气，事后仅在地表发现了几十个碎片。2001年，俄罗斯重达129.7吨的和平号空间站，在一艘货运飞船辅助下坠落于南太平洋，虽然应该有碎片，但至今未被发现。从20世纪60年代到现在，大约有15000吨以上的人造航天器残骸落回地球。英国广播公司4月1日称，天宫一号在史上失控坠落物体中重量排名约第50位。最惊险的记录发生在1997年，一块落入地球的美国火箭第二级碎片，与一位名叫洛蒂·威廉姆斯的美国人擦肩而过。鉴于地球表面70%是海洋，航天器残余碎片落向人口密集地区的概率极低，击中人类的概率更是微乎其微。有专家计算，这一概率低于万亿分之一，比中美国威力球彩票大奖的几率还要小百万倍。有数据显示，每小时有2万颗陨石的流星雨爆发时，普通人被砸到的概率是7亿分之一；人一生中被雷劈的概率则为1.2万分之一。悉尼大学航空航天学院空间工程执行总监霍姆斯更是表示：“你今天穿过悉尼一条马路被汽车撞倒的可能性，比被天宫一号击中的可能性大得多。”相比之下，航天器再入这种事，真的没必要担忧。