专家顾问:国家空间天气监测预警中心首席预报员 薛炳森
采访人:中国气象报记者 卢健
2018年4月2日8时15分左右,殡仪一条龙 殡葬殡葬服务殡葬 4008341834中国航天员的首个“太空之家”“天宫一号”再入大气层,并在随后永入南太平洋中部区域。
在太空工作4年半、之后缓慢降轨2年,绝大部分器件在再入大气层过程中烧蚀销毁,回归海洋……在对“天宫一号”最后故事的关注中,也让人不禁好奇,航天器绚烂过后,都将归于何处?
入海为安
“天宫一号”于2011年9月29日在酒泉卫星发射中心发射升空,先后与“神舟”八号、九号、十号飞船进行6次交会对接任务,为探索和验证我国空间飞行器的交会对接技术、解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题立下了汗马功劳。
2016年3月16日,“天宫一号”全面完成使命,与所有航天器一样,它开始为“退休”做准备。
一般来说,作为轨道高度500公里以下航天器,它们多会落入地球。而把它们带下来的,是大气的摩擦力和地球的引力。
航天器在太空中能够绕地球运行,是因为地球引力给了它们一个离心力。然而,它们所在的轨道,并不是真正的真空。在距离地面上千公里的地方依然存在稀薄的大气,尤以500公里以下明显。这些大气带来的阻力,会让航天器的速度越来越慢,离心力减小,进而轨道半径越来越小。
此前,在“天宫一号”4年半的工作时间里,为了维持它300多公里的工作高度,就需要每隔一段时间,通过它自身的推进器加速,抬高轨道。当它全面完成使命,地面不再对其进行轨道控制,它的高度会逐渐下降,最终坠入地球大气烧毁。
从开始下降到坠落的时间是多久?这与航天器原始轨道高度有关,也与这期间的空间天气等有关。假如航天器工作时的轨道高度在500公里左右,它的下降周期一般需要两到三年;而对于342公里轨道高度上的“天宫一号”,这里的大气密度大约是500公里上的几十倍,因此阻力也大一些,所以它用了两年时间就走完了整个下降过程。此外,如果偶遇太阳风暴引发地磁暴,底层大气就会加热、膨胀,航天器所在的轨道大气密度增加,也会让它们的回归脚步变得更为急促。
可以说,航天器们来到太空时,能够为人类提供服务而受到热烈欢迎,而当它们落入地球时,却也并不需要过分担心安全问题。每年约有100吨报废卫星、失控飞船和发射过的火箭上面级落入地球大气层燃烧,对航空活动以及地面造成危害的概率很低。此外,航天器的坠落区域也多为海洋。遥远的南太平洋尼莫点附近,号称地球最寂寞之境,是退休的人造航天器最佳的落入区域。据说,这片海底“公墓”安葬着260多个航天器残骸。
永留太空
与“天宫一号”等低轨道航天器选择归入地球不同,轨道高度500公里以上的航天器一般会永留天空。
随着轨道高度的增加,航天器所在的大气密度会越来越小。到了500公里以上时,密度就已经非常小了。理论上说,这个轨道高度之上的航天器即便地面不再对其进行控制,仍然可以自由自在地沿着原轨道飞行。曾经那些具有重要历史意义的航天器,比如我国第一颗卫星“东方红”一号、我国第一代极轨气象卫星“风云一号”如今依然在各自的轨道上绕地球运行。
不过从1957年世界上第一颗卫星进入太空开始,70年的时间里,已有4000颗左右卫星留在了太空中,让近地轨道和地球同步轨道渐渐成为了航天稀缺资源。所以后面来到太空的航天器,如有余力,一般会努力给后来者挪出地方。一些卫星在即将退休之前,会启动预案,将自己推离工作轨道,或者降低轨道,或者升高轨道。而它们进入的新轨道,即所谓的“坟墓轨道”。比如此前我国第一代静止气象卫星“风云二号”寿命结束后,身上携带的“小火箭”喷出最后的火焰,将它平静地推入更高轨道。
即便有的航天器服役完成后坠入地球大气烧毁,有的进入“坟墓轨道”,但“太空高速路”还是慢慢开始拥挤起来了。虽然现在密度尚不够大,相撞可能性不大,但是如果不积极控制太空垃圾的数量,将来航天器依然会有频繁相撞的可能。实际上,2009年美、俄卫星相撞并产生2000多个大碎片,也敲响了警钟。
目前,根据国际公约,卫星发射国不能让运载火箭的残骸留在太空,特别是二级火箭,可以让它们通过自身携带的剩余燃料喷射火焰,降低速度,自然坠毁。
甚至于,各个国家也正在积极研究空间碎片的主动清除技术,比如发射一颗小卫星,用机械手或者网兜捕获空间碎片,一起坠入地球烧毁。花费一颗卫星的成本来做“太空清洁”,是否成本过于高昂?这或许是一个时间才能给予回答的问题。