天宮一號預計今日墜毀,為何說出事概率是一萬億分之一?
失效航天器都是在大氣中燒毀的,少數會有碎片,但從來沒有砸到過人。
世界協調時4月1日21時30分,北京時間4月2日5時30分,這是北美防空司令部預測的中國飛船“天宮一號”再入大氣層的時間,地點估計是在南半球的智利附近。
其他機構的預測也在這個時間點附近,誤差大約在24小時以內。
過去半年至一年,包括中國航天飛行控制中心,歐空局,北美防空司令部等機構都在追蹤天宮一號的的飛行軌跡,因為它自從2016 年3 月21 日設備失效任務結束之后,在近地軌道稀薄大氣的影響下,墜入大氣層燒毀是注定的,也是所有失效航天器的固定銷毀步驟。
在過去一個月內,國際航天機構都發布了多次預報通報天宮一號的墜落路徑。
歐空局多次通告稱,天宮一號將在3 月底4 月初以不受控狀態再入大氣層。
歐空局旗下的研究機構利用TIRA 雷達生成了天宮一號的雷達圖像,顯示它正在不斷旋轉的狀態飛行,事實上失去控制。
歐空局拍攝的天宮一號雷達圖像中國航天部門避開了“不受控”這個描述,在聲明中表示天宮一號的任務在2016 年超期完成之后結束,正在按計劃再入大氣燒毀,也給出了4 月初的再入預測時間。
實際上,在燃料和電力耗盡之后,天宮一號事實上是以不受控的方式飛行的,不過這個規模的飛船理論上會在大氣中完全焚毀,剩余碎片擊中地面人員是數學上的小概率事件。
實際上過去有幾萬個航天器再入大氣層,一個砸中人的都沒有。
天宮一號的主要功能是測試對接技術,這是建設太空站必要的天宮一號是中國于2011 年9 月29 日發射的大型飛船,中國稱為“目標飛行器”,因為它的主要功能就是在軌飛行,可以簡單理解成小型的太空站。
2011、2012、2013 年,中國分別發射了神州八、九、十號飛船,先后與天宮一號對接,驗證了軌道對接技術,宇航員也從神舟飛船進入了天宮一號,執行了太空授課等任務。
天宮一號和神舟飛船對接的模型/Wikipedia軌道對接是在太空中建設長期運行的太空站的必要技術。
目前全世界能夠將人送進近地軌道的飛船系統有中國的“神舟”系列和俄羅斯的“聯盟-TM”系列飛船,它們都是卡車大小的小型飛行器,設計在軌時間一般約為一周。
這種飛船空間比較小,主要功能是運輸,不具備人員駐扎在太空的條件。
目前外層空間唯一有常駐人類的空間站,是美國、歐洲、俄羅斯、日本等多個國家聯合建設運營的國際空間站,呼號ISS。
在過去,曾有美國的“天空實驗室”,蘇聯的“禮炮”“和平號”等多個空間站在太空運行,其中“和平號”在軌運行15 年,是國際空間站發射之前唯一長期運行的太空站。
能夠滿足長期住人的功能,是空間站和飛船的核心區別。
在空間站上,必須有完整的空氣、廢水循環系統,還需要具有足夠大的空間將船員工作、睡覺和私人時間分開,以及必須有附加的洗浴、衛生設備,還得有足夠的空間存儲水和食物。
“和平號”空間站/Wikipedia同時,太空站的對接艙口需要對接載人飛船和貨運飛船,完成人員更替、食品和水的運輸、垃圾的卸載、軌道維持等等功能。
目前,中國發射了天宮一號和二號兩個“目標飛行器”,計劃在2018 到2020 年之間發射一個類似的“天和”核心艙,未來在這個基礎上對接更多艙室,建設有人常駐的“中國空間站”。
和平號空間站退役之后,也是再入大氣層燒毀的1986 到2001 年之間,地球軌道上唯一運行的長期有人空間站是蘇聯/俄羅斯的“和平”號。
從1986 年核心艙發射開始,和平號是分成很多次發射,在太空中各個艙室像搭積木一樣對接,最終形成完成功能的。
和平號空間站在1996 年完成7 次發射之后,建設完成重129 噸,長寬高在20 到30 米之間,相當于6 到10 層樓;內部加壓艙室350 立方米,相當于一套120 平方米使用面積民房的全部內部空間。
和平號可以支持3 名遠征隊員常駐,最高可以短期駐扎6 人。
在這期間,和平號使用“聯盟”號和美國的航天飛機運送人員,利用“進步”號貨運飛船運送貨物和卸載垃圾。
目前在軌運行的“國際空間站”作為和平號的接替者,比和平號更大更完善。
2011 年建設完成之后,國際空間站重419 噸,寬度超過100 米,加壓艙930 立方米,幾乎相當于三個和平號那么大。
功能也遠比和平號更完善。
建設完成的國際空間站/Wikipedia和平號原來計劃的使用壽命是5 年,在獲得國際合作之后多次延長,最終決定2000 4 月4 日最終任務結束之后,在受控狀態下再入大氣燒毀:和平號太大了,沒辦法保證在再入大氣的過程中完全焚毀,為了避免傷及地面人員,最后一艘“進步-M”貨運飛船充當減速火箭,多次點燃推進器降低和平號的軌道。
在2001 年3月23日UTC 時間05:08 分點燃發動機22分鐘持續減速,最終讓它在UTC 時間5 點44 分于人煙稀少的南太平洋上空再入,可能產生的碎片墜入大海。
和平號再入時的燃燒的軌跡/Wikipedia 天宮一號體積較小,大概率會在大氣中燒干凈天宮一號重8 噸,長10 米,接近一輛載重卡車的大小。
理論上來說,比它重16 倍的和平號都可以燃燒殆盡,天宮一號的產生碎片額概率很小。
事實上,航天器再入大氣層最難的部分就是如何保證不燒掉。
以地球來說,大氣層是絕佳的保護層。
進入地球大氣的絕大部分物體都會在大氣阻力和空氣動力加熱下破碎成碎塊,加速燃燒成灰燼。
肉眼可見的流星,就是在大氣中燃燒的隕石留下的痕跡。
對于人造物體而言,因為發動機等結構可能比天然物體更為致密,統計結果顯示,重新進入的衛星中大約10-40% 的物體質量可能會到達地球表面。
但因為地球表面積大部分是水,又有相當一部分陸地區域人煙稀少,一個人被人造物體砸中的概率小于1 萬億分之一。
如果人類需要一個航天器平安抵達地面,比如彈道導彈彈頭、載人飛船、科研飛船返回艙等,需要一系列技術手段來完成。
冷戰時期美國洲際導彈的雙曲線錐體彈頭外殼/Wikipedia以彈道導彈為例,當一枚導彈發射進入太空,經過飛行抵達攻擊目標附近,經過火箭發動機的調整就會以幾乎垂直的角度進入大氣。
導彈的彈頭會設計成雙曲線錐體,用來盡量避免大氣的影響,同時采用塑料、樹脂、碳纖維等隔熱材料保護,保證它能穿過大氣,達到攻擊地點。
以載人飛船為例,再入大氣的技術手段就復雜一些。
載人飛船的體積比彈道導彈的彈頭更大,除了要保證它不在大氣中燒毀,還需要設計成空氣動力學外形,利用大氣減速,以保證在接近地面的時候足夠慢,以打開降落傘最終落地。
NASA 獵戶座飛船再入的藝術圖一般的載人飛船,比如神州和聯盟號都是罐裝的船體,底部會安裝碳纖維、樹脂做成的燒蝕材料,同時做成特殊的形狀。
再入大氣時,飛船會以特定的角度進入大氣,保證大頭朝上的狀態來減速。
電影《地心引力》的最后,有載人飛船返回艙返回地面的詳細鏡頭,同時可以看到其他沒有設計返回功能的艙段在大氣中燒毀的場景。
最特殊的是美國的航天飛機。
航天飛機比一般的飛船大的多,它除了在底部安裝熱保護瓦片之外,還需要以大氣切線方向呈-5.5 到6.9 度的精確角度進入大氣,航天飛機會用底部面對空氣,機頭上揚,像打水漂一樣劃過天空。
大型航天器會有碎片落在地面,但目前沒有砸到過人人類歷史上發生在再入階段最嚴重的航天事故是哥倫比亞號航天飛機,2003 年2 月1 日,美國哥倫比亞號航天飛機在執行完成STS-107 任務之后,返回地面時失事。
在1 月16 日發射時,燃料箱上一片泡沫脫落,砸中了機翼上的隔熱瓦導致損壞。
正常發射中,這種泡沫通常都會脫落,但從未發生過損壞航天飛機的事故。
當2 月1 日任務結束時,航天飛機在美國東部時間8 點15 分脫離軌道開始再入。
8 點48 分,左翼前緣上傳感器記錄了過高的溫度:在正常情況下,隔熱瓦外表面在空氣動力學加熱下會達到1370 攝氏度的高溫,但機身的鋁合金結構會被隔熱瓦保護。
但損壞的隔熱瓦導致熾熱的氣體進入機翼結構。
8點53分,航天飛機抵達美國西海岸,距地面70 公里,時速超過23 倍音速,此時機翼溫度超過1540 攝氏度。
地面有人看到航天飛機上有碎片開始掉落。
8點54分到8點59分,地面有人陸續看到有很多的碎片掉落,同時航天飛機機身上出現了不同尋常的閃光。
正常情況下,航天飛機會以明亮的紅熾狀態進入大氣,但是亮度穩定。
同時航天飛機的傳感器開始出現度數異常。
8點59分32秒,地面指揮中心接收到了來自宇航員的最后一聲通信,任務指揮官只說了一句“收到”,之后信號消失。
之后航天飛機的主液壓系統開始報錯,飛機開始不可抑制的偏航。
9點00分開始,地面開始觀察到航天飛機從頭部開始解體,變成大量的碎塊。
理論上來說,宇航員在這之后還能生存幾十秒,但一切都無濟于事了。
9點05分航天飛機發出一聲巨響化作更多碎片。
哥倫比亞號在STS-107 任務后解體墜毀/USA Today最終,哥倫比亞號和7名宇航員變成了40000多個碎片,落在美國境內。
碎片沒有造成地面傷亡。
哥倫比亞號產生大量碎片的原因,在于它功能完好的穿過了高層大氣,飛機解體發生在70 公里以下的范圍,這時飛機的時速已經從最高的23 倍音速降低至20 倍音速以下,大氣的動力燃燒效果已經變弱。
目前,天宮一號因為不受控,墜落的時間將完全取決于它與高層大氣的對抗。
北美防空司令部預測,它會在北京時間4 月2 日5 時左右在智利海岸附近開始再入;歐空局的預測時間更晚,稱會在北京時間4月2日12時左右,于澳大利亞東海岸附近開始再入。
北美防空司令部對天宮一號再入的軌道預測屆時,地面應該會觀察到再入的光芒。
目前預測的區域都位于南半球,中國境內不可見。
但如果天宮一號在北半球再入,軌道會接近中國領空,屆時發出的光芒可能能被肉眼觀察到。