编者按:

2011年9月29日,天宫一号发射成功。在轨期间的种种“壮举”,打破了自上世纪60年代以来,苏美两国在全世界对载人航天对接技术近50年的垄断。


自2016年起我国中止数据连接后,天宫一号进入最终返回地球阶段,预计将在2018年2月份前后返回地球 。


天宫一号的“坠毁”对我们的生活有威胁吗?有可能“击中”城市吗?这么说吧,“人类航天已经开展了60年,还从未出现过一例在轨航天器返回地球时造成人员伤亡的案例。天宫一号造成损失的概率应该还远低于你连续随机买号而连中彩票头奖的概率。”


自2015年起,彼时已在轨4年的天宫一号就不断被各路“媒体”渲染要坠毁甚至可能“击中”某些重要城市。直到最近刚过去的2018年元旦,又来了一波新的宣传攻势。只能说,这个“高级谣言”实在是太过精致,差一点就能让人相信了。谣言止于智者,就让我们来好好解读下吧。

 

某外媒渲染的天宫一号可能坠落区,其实就是天宫一号轨道(倾角43°)的运行地面轨迹


1.  天宫一号的辉煌

 

天宫一号是我国2011年9月29日发射升空的第一个目标飞行器(实验性空间站),它也标志着我国迎来载人航天工程第二阶段的最大进展:“突破航天员出舱活动技术、空间飞行器的交会对接技术。”

 

天宫一号目标飞行器 ©中国航天科技集团

 

也就是说,天宫一号的定位主要是作为目标飞行器服务于后续的神舟飞船,实现技术验证。

 

2011年11月3日,天宫一号与无人飞船神舟八号成功对接,实现中国首次无人航天器交会对接,14日再次成功。中国突破了地面控制下的航天器交会对接技术。

 

2012年6月18日,与载人飞船神舟九号成功对接,这是中国首次载人航天器交会对接,28日再次对接。中国突破了航天器自动交会对接和航天员手动控制下的交会对接技术。

 

持续51分钟直播状态的太空授课,要知道天宫一号接近90分钟就围绕地球一周,当它相对于我们“躲在”地球背后时,实现实时通信的技术可不简单

 

2013年6月13日,与载人飞船神舟十号成功自动对接,随后再次实现手动对接。当然这次试验最大的成就之一是王亚平的空间授课直播,全面展现了中国的天链通信技术。

 

2. 天宫一号有多重要?

 

时任中共中央总书记胡锦涛等全部九位中央政治局常委,全程观看了天宫一号发射过程,温家宝总理还专程来到了火箭发射基地现场观看。

 

技术方面,就这么说吧, 天宫一号在载人航天对接技术上的突破,打破了苏美两国自上世纪60年代以来在全世界近50年的垄断。中国甚至还是全球第二个能实现空间授课的国家,这所需的天链通信乍听起来简单,但目前只有美国和中国玩得动。

 

结束了神舟十号任务以后,天宫一号的所有目标就已全部达成,没有进一步的安排,这也符合它预先设计的仅两年的寿命(2013年底结束)。但是天宫一号超期服役到了2016年3月才正式宣布中断数据连接。天宫一号将会逐渐坠回地球。彼时,天宫二号即将发射(2016年9月15日),中国开始全力准备新任务。

 

可以说, 天宫一号大大超出了预期,是中国载人航天历史上划时代的丰碑。

   

 

但不可否认,目前的天宫一号的确是个被弃用的航天器残骸,虽然我们心里不愿意承认,但它现在的状态更接近于一个名词:太空垃圾。

 

地球上方太空碎片艺术效果图 ©ESA

 

一般来说,绕地球飞行的无用人造物体都是太空垃圾,具体有很多种。


●航天发射活动抛弃的负重:比如多级火箭的第二级、第三级、上面级等,它们不像在火箭发射过程中前10多分钟内就很快被抛落的第一级、助推器、整流罩、逃逸塔等,而会开始环绕地球并在稀薄大气作用下返回地球。这对任何一枚人类火箭都是如此,Space-X的火箭回收也仅仅针对火箭发射后几分钟之内就被抛落的第一级而已。


●寿终正寝的航天器。毫无疑问,任何一个航天器都有自己的寿命,天宫一号就属于此类。


●导弹反卫星试验和太空垃圾碰撞产生新垃圾。

 

目前估计,一共有1.7亿个直径小于1厘米的太空垃圾在绕地飞行,有67万个1~10厘米直径大小以及2.9万个尺寸更大的太空垃圾。

 

3. 该怎么应对各种太空垃圾呢?

 

对于飞在低到中高轨的太空垃圾,比如600~39600千米高乃至各种大椭圆轨道,目前完全无法处理。 尤其是报废的导航卫星和通信卫星基本都处在20000和39600千米高的轨道,这些垃圾差不多将和地球同时灭亡。

 

例如我国于1970年发射的第一颗人造地球卫星东方红一号,至今仍位于435 X 2041的大椭圆轨道,几乎不受地球大气影响,已经飞行了48年的轨道依然稳定,甚至受到太阳和月球的轨道摄动还有远离地球的趋势,基本上到人类灭亡都不会回来。

 

 天宫一号的轨道高度变化图,可以看到轨道高度一旦缺乏控制就会在空气作用下逐渐降低。自2016年起我国中止数据连接后,天宫一号进入最终返回地球阶段,预计将在2018年2月份前后返回地球 。(图片来自Space-track.org)

 

而对包括天宫一号在内的位于200~600千米高度的航天器,都会受到地球稀薄大气的影响而缓慢坠回地球。历史上,美国的航天飞机可以主动移除太空垃圾,但也只在1984年回收两颗入轨失败的昂贵通信卫星的任务中展示过,成本实在太高!

 

而在航天飞机退役后,人类基本就依赖伟大的大自然了。


所以,所有像天宫一号这类的人类载人航天器,最终都会缓慢回到地球怀抱。


4. 天宫一号之前有没有

太空垃圾落回地球对人类造成威胁?

 

从1971年到1991年,苏联7个重达18.5~19.8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吨的天空实验室返回地球,在地表发现了几十个碎片。

 

2001年苏联/俄罗斯重达129.7吨的和平号空间站,在一艘货运飞船的辅助下坠落在南太平洋,应该有碎片但人类未发现。

 

天宫一号和和平号大致尺寸对比图

 

除此之外,人类历年所有的载人航天任务,都伴随着飞船残骸的返回。比如中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,但只有经过特殊保护的返回舱是能安全着陆的,其它部分都会在空中焚毁。

 

而对于俄罗斯进步号、中国天舟号货运飞船等,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,返回重量达10吨,在总共5次任务中也全部焚毁在大气中。而日本的6艘返回重量10吨的HTV货运飞船也是如此。

 

除了人造的太空垃圾,地球每天还在接受太阳系内星际物质的无意“拜访”,这个级别大约是每天100吨,有时候还不经意来一个大的。举个例子,2017年10月4日中秋节晚上云南香格里拉上空有一颗与大气摩擦产生能量相当于450吨TNT炸药爆炸的火流星,直到现在也没有发现任何残渣/陨石,基本上是全部焚毁了。

 

最大的威胁来自人类每年大约八十多次的航天发射,这些发射至少带来了八十多个围绕地球飞行的火箭第二级和其它级。它们单个的重量可以达到十几吨乃至到土星五号火箭夸张的40吨 。这意味着大概有一半左右执行低轨发射任务的火箭残骸(停留在距离地球较近的轨道)在围绕地球一定圈数后重返地球,它们无法完全焚毁也不能主动控制,可以说是对人类真正的“巨大威胁”。

 

但即便如此,迄今也没有击中过人类的记录。

 

整个人类历史上,仅有名为Lottie Williams的美国人在1997年跟一块落入地球的美国火箭第二级碎片擦肩而过(未击中)。 

 

5. 哪里是传说中的航天器坟场?

 

对于返回地球的废弃航天器,由于受到诸多因素影响的大气密度无法精确预测、返回过程中遭受到的震动和冲击力巨大,因此在高速运动时几乎不可能通过主动的动力来实现实时控制 。

 

而那些能够正常返回的航天器能幸存通过地球大气的过程着实不易:不仅要做好复杂的热防护,底部覆盖满能隔热2000多摄氏度的材料;而且还要调整好姿态返回。单单返回角度这一项就要求极为严苛,例如联盟飞船和神舟飞船要求再入轨迹角度在1.5°左右,航天飞机也要求在5.5~6.9°。稍有偏差,就意味着即便是经过了复杂热防护的返回舱也会被焚毁。


实际上,载人航天器在返回过程中,其实围绕地球转了半圈,和大家想象中的降落过程完全不同。即便靠近地面,还需要降落伞和反推火箭继续工作来减速。

 

航天飞机的返回也要瞄准角度才行 ©NASA

 

在世界范围内,废弃航天器(不同于有巨大翼面的航天飞机或者受到保护且带有降落伞等装置的返回舱)精确落点的预测都是个顶级难题。更何况天宫这种形状不规则且毫无防护的废弃航天器,基本只能大概划分一个巨大的潜在残骸落区。目前人类最常用的落区是巨大的南太平洋,这里几乎没有人类生存。当然,即便是划定残骸落区,也只能尽力提前控制(发动机剩余燃料最后工作)让航天器落到这里,甚至也不意味着一定会有残骸会坠落下来。

 

南太平洋是个巨大的航天器坟场 ©dailmail.co.uk

 

实际情况如何,说是听天由命也不夸张。比如当年美国巨大的天空实验室就落到了澳大利亚大陆上,但残骸数量极其有限,要知道这可是个70多吨庞然大物的坠毁。而更大的重达130吨的和平号空间站,则在一艘货运飞船不断辅助下才擦着新西兰的北部落回南太平洋,单单是它空中解体后燃烧的轨迹就延续了超过1000千米。它的绝大部分都在空中焚毁,在茫茫大洋中也无法确定残余碎片的情况。这毕竟是人类历史上最大的一块空间垃圾的返回,付出一艘货运飞船的代价也是值得的。

 

6. 天宫一号到底会不会砸中地面呢?

 

天宫一号长约10.4米、直径最大3.35米,仅重8.5吨,返回时重量应该更小。比起上述那些老大哥们可谓是“小不点”了。

 

因此,对于天宫一号的体型、质量、初始设计(没有热防护)而言, 可以说即便精确瞄准、调整好角度都几乎不可能幸存过返回大气的过程,它甚至远不如一个执行过任务的火箭第二级和更高级威胁大。有些任务火箭第二级等飞的较低,大气无法全部处理掉它们,它们的轨迹完全无法准确预测。

 

但正如前文所说,由于天宫一号的返回过程受到很多因素决定,几乎没有办法预测它解体后是否一定能烧完,以及万一存在残骸的话到底会落在哪里,这换作是任何国家,也都无法做到。我国早在去年就向联合国大会汇报过我国正在持续密切跟踪监视天宫一号的实时动态,并报告了造成损失的概率很低。

 

中国驻联合国(维也纳)代表团2017年5约4日致秘书长的普通照会

 

这个很低的概率是个什么概念呢?

 

人类航天已经开展了60年,还从未出现过一例在轨航天器返回地球时造成人员伤亡的案例。天宫一号造成损失的概率应该还远低于你连续随机买号而连中彩票头奖的概率。

 

中国能明文说,可以说这个负责任大国的态度还是没毛病的。

 

而这么多外界媒体如此杞人忧天,可能主要是由于天宫一号是人类航天史上在50多年内第一个打破美苏(俄)载人航天垄断的选手吧。

 

本文由科普中国融合创作出品,太空精酿团队制作,中国科学院计算机网络信息中心监制。“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。



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