天宫一号即将坠落 航天器再入问题知多少?

据中国载人航天工程办公室最新发布,2018年3月18日,天宫一号运行在平均高度约233.8公里的轨道上(近地点高度约227.3公里、远地点高度约240.4公里、倾角约42.65度,平均高度比17日降低2.1公里),姿态稳定,形态未发生异常。

3月19日,天宫一号目标飞行器(TG-1)的轨道参数(航天爱好者网提供)如图。此前ESA预测,天宫一号的再入时间段为:3月30日~4月6日。

天宫一号每日轨道参数:http://www.spaceflightfans.cn/the-weekly-operating-state-of-the-spacecraft/tiangong-1-orbital-status

低地球轨道运行的大型航天器,如空间实验室、货运飞船、空间站等,服役期满、使命结束后,会因低地球大气环境阻力而离轨衰降,当其轨道高度低于120km,将面临再入坠毁处置问题。航天器离轨到再入过程是一个轨道高度和能量逐渐降低、连续变化的过程。这个过程可以划分为两个阶段:轨道衰降阶段再入损毁阶段

在轨道衰降阶段,航天器仍然能够环绕地球、以螺旋形椭圆轨道飞行,但在稀薄空气动力、地球重力、磁场力等外力的持续作用以及太阳活动的间歇性影响下,航天器的飞行轨道高度逐渐降低,机械能也逐渐减少,一边飞行一边向地表稠密大气层靠近。轨道衰降的过程通常很漫长,这一缓慢过程易受太阳磁暴、空间粒子等干扰影响,因此存在随机性。比如当航天器的轨道足够高时,甚至观测不到明显的轨道衰降,这时,失效的航天器将成为长期威胁其他航天器安全的太空垃圾。但在另外一些情况下,航天器轨道高度会逐渐缓慢地下降,随着轨道高度的降低,轨道衰降的速度也越来越快。当轨道高度和能量衰降到一定程度时,航天器不能够再继续环绕地球飞行,会进入稠密大气层。

航天器进入稠密大气层,即进入了再入损毁阶段。这一阶段时间历程较确定,一般几十分钟结束。航天器在大气剧烈摩擦阻力作用下,机械能急剧减小,摩擦生热使航天器金属结构(合金材料)变形失效熔融、复合材料热解烧蚀损毁,在气动热、力、减速过载等综合作用下,发生剧烈破坏解体现象。解体后残骸继续高速飞行并继续多次破坏解体,在这个过程中,大部分结构被超高速气动加热,发生热化学氧化反应燃烧分解,但仍然可能有部分难熔残骸或碎片、再凝固氧化物到达地面。航天器的残骸形式(包括残骸速度、质量、几何特性、材料组成等)及其空间散布主要由航天器本身的结构材料特性、航天器再入点的速度(包括大小和方向)、姿态以及再入过程中的大气环境等因素共同决定。特别是残骸的空间散布区域位于地球上的经纬度位置,由航天器再入点位置决定,而该空间区域的长度、宽度范围等由再入时刻速度、姿态和航天器自身特性决定,需通过计算建模分析得到。航天器如以很小轨道倾角再入或再入过程中发生首次、二次解体高度较高,则航天器再入飞行时间较长,气动力/热对航天器损毁充分,能到达地面的残留物碎片就会所剩无几。

(文章来源:国际太空)

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