天宫一号将坠毁 砸中人的概率是有多少?

天宫一号将坠毁 砸中人的概率是有多少?

  世界协调时4月1日21时30分,北京时间4月2日5时30分,这是北美防空司令部预测的中国飞船“天宫一号”再入大气层的时间,地点估计是在南半球的智利附近。其他机构的预测也在这个时间点附近,误差大约在24小时以内。

  

  过去半年至一年,包括中国航天飞行控制中心,欧空局,北美防空司令部等机构都在追踪天宫一号的的飞行轨迹,因为它自从2016年3月21日设备失效任务结束之后,在近地轨道稀薄大气的影响下,坠入大气层烧毁是注定的,也是所有失效航天器的固定销毁步骤。

  在过去一个月内,国际航天机构都发布了多次预报通报天宫一号的坠落路径。欧空局多次通告称,天宫一号将在3月底4月初以不受控状态再入大气层。欧空局旗下的研究机构利用TIRA雷达生成了天宫一号的雷达图像,显示它正在不断旋转的状态飞行,事实上失去控制。

  

  欧空局拍摄的天宫一号雷达图像

  中国航天部门避开了“不受控”这个描述,在声明中表示天宫一号的任务在2016年超期完成之后结束,正在按计划再入大气烧毁,也给出了4月初的再入预测时间。实际上,在燃料和电力耗尽之后,天宫一号事实上是以不受控的方式飞行的,不过这个规模的飞船理论上会在大气中完全焚毁,剩余碎片击中地面人员是数学上的小概率事件。实际上过去有几万个航天器再入大气层,一个砸中人的都没有。

  天宫一号的主要功能是测试对接技术,这是建设太空站必要的

  天宫一号是中国于2011年9月29日发射的大型飞船,中国称为“目标飞行器”,因为它的主要功能就是在轨飞行,可以简单理解成小型的太空站。2011、2012、2013年,中国分别发射了神州八、九、十号飞船,先后与天宫一号对接,验证了轨道对接技术,宇航员也从神舟飞船进入了天宫一号,执行了太空授课等任务。

  

  天宫一号和神舟飞船对接的模型/Wikipedia

  轨道对接是在太空中建设长期运行的太空站的必要技术。目前全世界能够将人送进近地轨道的飞船系统有中国的“神舟”系列和俄罗斯的“联盟-TM”系列飞船,它们都是卡车大小的小型飞行器,设计在轨时间一般约为一周。这种飞船空间比较小,主要功能是运输,不具备人员驻扎在太空的条件。

  目前外层空间唯一有常驻人类的空间站,是美国、欧洲、俄罗斯、日本等多个国家联合建设运营的国际空间站,呼号ISS。在过去,曾有美国的“天空实验室”,苏联的“礼炮”“和平号”等多个空间站在太空运行,其中“和平号”在轨运行15年,是国际空间站发射之前唯一长期运行的太空站。

  能够满足长期住人的功能,是空间站和飞船的核心区别。在空间站上,必须有完整的空气、废水循环系统,还需要具有足够大的空间将船员工作、睡觉和私人时间分开,以及必须有附加的洗浴、卫生设备,还得有足够的空间存储水和食物。

  

  “和平号”空间站/Wikipedia

  同时,太空站的对接舱口需要对接载人飞船和货运飞船,完成人员更替、食品和水的运输、垃圾的卸载、轨道维持等等功能。

  目前,中国发射了天宫一号和二号两个“目标飞行器”,计划在2018到2020年之间发射一个类似的“天和”核心舱,未来在这个基础上对接更多舱室,建设有人常驻的“中国空间站”。

  和平号空间站退役之后,也是再入大气层烧毁的

  1986到2001年之间,地球轨道上唯一运行的长期有人空间站是苏联/俄罗斯的“和平”号。从1986年核心舱发射开始,和平号是分成很多次发射,在太空中各个舱室像搭积木一样对接,最终形成完成功能的。

  和平号空间站在1996年完成7次发射之后,建设完成重129吨,长宽高在20到30米之间,相当于6到10层楼;内部加压舱室350立方米,相当于一套120平方米使用面积民房的全部内部空间。和平号可以支持3名远征队员常驻,最高可以短期驻扎6人。

  在这期间,和平号使用“联盟”号和美国的航天飞机运送人员,利用“进步”号货运飞船运送货物和卸载垃圾。

  目前在轨运行的“国际空间站”作为和平号的接替者,比和平号更大更完善。2011年建设完成之后,国际空间站重419吨,宽度超过100米,加压舱930立方米,几乎相当于三个和平号那么大。功能也远比和平号更完善。

  

  建设完成的国际空间站/Wikipedia

  和平号原来计划的使用寿命是5年,在获得国际合作之后多次延长,最终决定2000年4月4日最终任务结束之后,在受控状态下再入大气烧毁:和平号太大了,没办法保证在再入大气的过程中完全焚毁,为了避免伤及地面人员,最后一艘“进步-M”货运飞船充当减速火箭,多次点燃推进器降低和平号的轨道。在2001年3月23日UTC时间05:08分点燃发动机22分钟持续减速,最终让它在UTC时间5点44分于人烟稀少的南太平洋上空再入,可能产生的碎片坠入大海。

  

  和平号再入时的燃烧的轨迹/Wikipedia

  天宫一号体积较小,大概率会在大气中烧干净

  天宫一号重8吨,长10米,接近一辆载重卡车的大小。理论上来说,比它重16倍的和平号都可以燃烧殆尽,天宫一号的产生碎片额概率很小。

  事实上,航天器再入大气层最难的部分就是如何保证不烧掉。

  以地球来说,大气层是绝佳的保护层。进入地球大气的绝大部分物体都会在大气阻力和空气动力加热下破碎成碎块,加速燃烧成灰烬。肉眼可见的流星,就是在大气中燃烧的陨石留下的痕迹。

  对于人造物体而言,因为发动机等结构可能比天然物体更为致密,统计结果显示,重新进入的卫星中大约10-40%的物体质量可能会到达地球表面。但因为地球表面积大部分是水,又有相当一部分陆地区域人烟稀少,一个人被人造物体砸中的概率小于1万亿分之一。

  如果人类需要一个航天器平安抵达地面,比如弹道导弹弹头、载人飞船、科研飞船返回舱等,需要一系列技术手段来完成。

  

  冷战时期美国洲际导弹的双曲线锥体弹头外壳/Wikipedia

  以弹道导弹为例,当一枚导弹发射进入太空,经过飞行抵达攻击目标附近,经过火箭发动机的调整就会以几乎垂直的角度进入大气。导弹的弹头会设计成双曲线WM分分彩app锥体,用来尽量避免大气的影响,同时采用塑料、树脂、碳纤维等隔热材料保护,保证它能穿过大气,达到攻击地点。

  以载人飞船为例,再入大气的技术手段就复杂一些。载人飞船的体积比弹道导弹的弹头更大,除了要保证它不在大气中烧毁,还需要设计成空气动力学外形,利用大气减速,以保证在接近地面的时候足够慢,以打开降落伞最终落地。

  

  NASA猎户座飞船再入的艺术图

  一般的载人飞船,比如神州和联盟号都是罐状的船体,底部会安装碳纤维、树脂做成的烧蚀材料,同时做成特殊的形状。再入大气时,飞船会以特定的角度进入大气,保证大头朝上的状态来减速。电影《地心引力》的最后,有载人飞船返回舱返回地面的详细镜头,同时可以看到其他没有设计返回功能的舱段在大气中烧毁的场景。

  最特殊的是美国的航天飞机。航天飞机比一般的飞船大的多,它除了在底部安装热保护瓦片之外,还需要以大气切线方向呈-5.5到6.9度的精确角度进入大气,航天飞机会用底部面对空气,机头上扬,像打水漂一样划过天空。

  大型航天器会有碎片落在地面,但目前没有砸到过人

  人类历史上发生在再入阶段最严重的航天事故是哥伦比亚号航天飞机,2003年2月1日,美国哥伦比亚号航天飞机在执行完成STS-107任务之后,返回地面时失事。

  在1月16日发射时,燃料箱上一片泡沫脱落,砸中了机翼上的隔热瓦导致损坏。正常发射中,这种泡沫通常都会脱落,但从未发生过损坏航天飞机的事故。

  当2月1日任务结束时,航天飞机在美国东部时间8点15分脱离轨道开始再入。8点48分,左翼前缘上传感器记录了过高的温度:在正常情况下,隔热瓦外表面在空气动力学加热下会达到1370摄氏度的高温,但机身的铝合金结构会被隔热瓦保护。但损坏的隔热瓦导致炽热的气体进入机翼结构。WM分分彩app

  8点53分,航天飞机抵达美国西海岸,距地面70公里,时速超过23倍音速,此时机翼温度超过1540摄氏度。地面有人看到航天飞机上有碎片开始掉落。

  8点54分到8点59分,地面有人陆续看到有很多的碎片掉落,同时航天飞机机身上出现了不同寻常的闪光。正常情况下,航天飞机会以明亮的红炽状态进入大气,但是亮度稳定。同时航天飞机的传感器开始出现度数异常。

  8点59分32秒,地面指挥中心接收到了来自宇航员的最后一声通信,任务指挥官只说了一句“收到”,之后信号消失。之后航天飞机的主液压系统开始报错,飞机开始不可抑制的偏航。

  9点00分开始,地面开始观察到航天飞机从头部开始解体,变成大量的碎块。理论上来说,宇航员在这之后还能生存几十秒,但一切都无济于事了。9点05分航天飞机发出一声巨响化作更多碎片。

  

  哥伦比亚号在STS-107任务后解体坠毁/USA Today

  最终,哥伦比亚号和7名宇航员变成了40000多个碎片,落在美国境内。碎片没有造成地面伤亡。哥伦比亚号产生大量碎片的原因,在于它功能完好的穿过了高层大气,飞机解体发生在70公里以下的范围,这时飞机的时速已经从最高的23倍音速降低至20倍音速以下,大气的动力燃烧效果已经变弱。

  目前,天宫一号因为不受控,坠落的时间将完全取决于它与高层大气的对抗。北美防空司令部预测,它会在北京时间4月2日5时左右在智利海岸附近开始再入;欧空局的预测时间更晚,称会在北京时间4月2日12时左右,于澳大利亚东海岸附近开始再入。

  

  北美防空司令部对天宫一号再入的轨道预测

  届时,地面应该会观察到再入的光芒。目前预WM分分彩测的区域都位于南半球,中国境内不可见。但如果天宫一号在北半球再入,轨道会接近中国领空,届时发出的光芒可能能被肉眼观察到。