天宮一號“回家”為何充滿懸念

前段時間，我國第一個空間目標(biāo)飛行器“天宮一號”在陸續(xù)完成既定科學(xué)任務(wù)后，最終落入被稱為“航天器墳場”的南太平洋中部區(qū)域。在此之前，國內(nèi)外許多航天科技工作者曾多次預(yù)測“天宮一號”隕落時間和地點，但大都與實際結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。那么，究竟是什么力量使得“天宮一號”不斷下降直至最后隕落？

我們知道，地球四周環(huán)繞著我們賴以生存的大氣層，從低到高依次為對流層、平流層、臭氧層、中間層和熱層等。由于重力和擴(kuò)散等作用，大氣密度隨著高度的上升而迅速下降。我們通常所說的低軌道航天器一般運行在距離地面100—1000千米高度范圍，該范圍被稱為熱層區(qū)域。研究表明，距離地面200千米高度處的大氣密度相當(dāng)于地面的百億分之一，400千米高度處僅為地面的千億分之一。

千萬不要小瞧這些不起眼的熱層大氣。由于低軌道航天器的運動速度一般在每秒7千米以上，加之長時間的累積，大氣密度引起的阻力效應(yīng)，正是低軌道航天器軌道高度逐漸降低的秘密所在。一般而言，距地面400千米處航天器軌道高度每天衰減大約幾百米，200千米以下軌道高度每天減少量可達(dá)5千米以上。因此，熱層大氣密度對低軌道航天器軌道預(yù)報、姿態(tài)控制、空間對接、壽命設(shè)計及再入大氣層等都有顯著影響。

當(dāng)然，熱層大氣密度并不是一成不變的，它與地面天氣一樣隨季節(jié)和位置等因素變化，還受到太陽輻射和地磁場擾動的顯著影響。例如，太陽活動活躍時，增強(qiáng)的紫外波段輻射能量可以使熱層大氣密度比太陽平靜期間增加幾十倍，可導(dǎo)致400千米處航天器軌道高度每天的衰減量從幾百米增加到幾千米。地球磁場擾動時，大量能量會注入到熱層區(qū)域，大氣密度在1至2小時內(nèi)可增加一倍以上，進(jìn)而對低軌道航天器的精密定軌和軌道預(yù)報產(chǎn)生極大影響。如2000年7月10日至15日，太陽爆發(fā)引起的地磁擾動造成國際空間站高度短期內(nèi)下降了15千米，最終不得不主動變軌，以使其保持在預(yù)定軌道高度上。

正是由于熱層大氣密度自身存在復(fù)雜的時空變化，并且受到來自太陽和地磁活動的強(qiáng)烈影響，因此很難對其進(jìn)行精確預(yù)報。大量研究表明，現(xiàn)有的熱層大氣密度預(yù)報誤差一般在15%以上，并且這種預(yù)報誤差會隨著時間的推移而不斷增大。這也解釋了許多航天器的“回家之旅”為何充滿了懸念。