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天宮一號預測重返區域,為什麼和實際差半個地球?

  「一切預測都是猜測。」這句經常被用於金融投資領域的話,最近不幸在追求精益求精,萬無一失的航天領域應驗了。

  4月2日上午,中國載人航天工程辦公室官網發布公告稱,北京航天飛行控制中心和有關機構監測分析,4月2日8時15分左右,天宮一號目標飛行器已再入大氣層,再入落區位於南太平洋中部區域,絕大部分器件在再入大氣層過程中燒蝕銷毀。

  有意思的是,天宮一號和人類開了個玩笑。和同一天早些時候中國載人航天工程辦公室官網發布的天宮一號再入預測區域相比,最終的再入區域差了一個大洋的距離。而國外的航天機構的預測更不靠譜。人們或許會問,人們對彈道導彈落點的推算那麼準確,相關機構為什麼對天宮一號重返大氣層的區域預測卻差了十萬八千里呢?

  我們先來看看理想與現實的距離。

  4月2日,在宣布天宮一號重返大氣層前,載人航天辦公室官網就天宮一號的狀態、再入時間和地點發布了兩次公告。

  

天宮一號預測重返區域,為什麼和實際差半個地球?

  第一次公告指出,4月2日5時,天宮一號運行在平均高度約138.8公里的軌道上,預計再入時間為4月2日8時49分(最早時間8時11分,最晚時間9時33分),再入區域中心點位於西經19.4度,南緯10.2度。這個地點位於南大西洋,非洲和南美洲中間。

  

天宮一號預測重返區域,為什麼和實際差半個地球?

  4月2日中國載人航天工程辦公室第一次公告預測的再入區域。

  大約一個小時后,大概覺得有什麼不妥,該官網發布了第二個公告,對預測進行了修正。

  

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  第二個公告預計再入時間為4月2日8時42分(最早時間8時24分,最晚時間9時01分),再入區域中心點位於西經40.4度,南緯27.4度。這個經緯度仍然位於南大西洋,靠近巴西的西南方海岸。

  

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  4月2日中國載人航天工程辦公室第二次公告預測的再入區域。

  但是,兩個小時后,天宮一號最終從南太平洋中部再入,和這兩次預測地點距都有一萬公里以上的距離。有意思的是,從時間上來看,第一次預測還較為準確

  國外的航天機構同樣沒有預測准。歐洲航天局31日的預測認為,天宮一號再入時間是美國東部時間4月1日下午7時25分左右(北京時間4月2日晨)到4月2日晨,再入位置位於北緯43度到南維43度的「任意地點」(嗯,這一點他確實說對了),很有可能西南歐上空。如下圖,這個區域很廣闊。”只能提前4個小時預測到后一個小時的情況。一個小時意味著它能繞地球跑一圈,”歐洲太空署太空碎片研究室負責人克雷格(Holger Krag)說,”即使這樣也能把很多國家甚至大洲排除在降落地點之外。”當時他們認為唯一可以確定的是,天宮不會在南北緯43度以外的區域墜落。它的墜落區域限定在了地中海和澳大利亞塔斯馬尼亞州(Tasmania)之間。

  

天宮一號預測重返區域,為什麼和實際差半個地球?

  歐洲航天局和美國的非營利機構Aerospace Corp預測,再入位置位於北緯43度到南維43度的「任意地點」(圖中綠色和黃色部分),如果不畫蛇添足的說「很有可能西南歐上空」,那這個預測就圓滿了。

  台灣媒體稱,北美防空司令部(NORAD)31日表示,「天宮一號」預估會於1日上午「墜落地球」,大概位置為北緯33.8度、東經115.8度,這裡正好是安徽省與河南省的交界處。此後,美國空軍第18航天控制聯隊預測,天宮一號將在東部時間4月1日晚8時49分在大西洋重返。都錯了!

  

天宮一號預測重返區域,為什麼和實際差半個地球?

  BBC引用的這張圖顯示,歐洲航天局的預測的可能重返區域比較大。

  不過,美國人還是很會吹牛的。天宮一號重返后,美國太空司令部消息指出,天宮一號在北京時間4月2日8點16分於太平洋上方重返大氣層,範圍大致與先前外界預測的「北緯43度和南緯43度之間」相符(好像很準的樣子),確認沒有大型殘骸。

  這種重大事件自然也少不了宇宙大國韓國的參與。韓國科技信息部2日表示,據觀測,中國載人空間試驗平台——天宮一號將於8時47-54分許穿過韓國上空,提醒公眾在這一時段盡量不要外出。韓國媒體2日稱,天宮一號最快將於當天上午9時10分落地,墜落地點可能是南大西洋。結果證明,更不靠譜!

  另外,在天宮一號即將重返的這幾天,各大航天機構頻繁修改可能的重返時間和地點。

  

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  天宮一號和美國空間實驗室和蘇聯禮炮空間站的對比圖。

  美國加州非營利性航天研究公司Aerospace Corp在美國東部時間31日早些時候則預測,天宮一號4月1日晚上7點半重返,下降點在非洲附近。稍後,該公司認為天宮一號應該落入太平洋。該公司的高級技術人員Andrew Abraham說,對預測的數據沒有太大的信心,它可能會移動並改變。「哪怕我們只離開一分鐘,它就會移動數百英里。」它仍然有高度的不確定性。

  相比之下,人們對彈道導彈的再入的預測就相對精準的多。那為啥天宮一號回歸的區域那麼不好算呢?

  

天宮一號預測重返區域,為什麼和實際差半個地球?

  外媒製作的天宮一號重返大氣層想想圖。

  我們首先要知道,什麼叫重返。一般來說,100公里高的卡門線是大氣層內外的人為分界線。但是,大氣層並不是一下子消失的。因此,失控航天器墜入地面的過程較複雜。當失控航天器飛行軌道降低到120千米左右高度時,由於大氣密度較大,所以其軌道高度會迅速降低再入大氣層,並在氣動熱和氣動力的作用趨向於解體。這個過程與大氣密度、磁場強度,太陽黑子活動、風向、航天器形狀、姿態和角度有關。天宮一號再入前在100多公里的軌道上運行,外形又不是很規則,還會發生翻滾,與空氣摩擦,阻力增大,其飛行高度逐漸降低。這些都是現有的軟體和演算法很難精確模擬的。這時候由於速度仍然高達22倍音速,真是失之毫釐,謬以萬里啊。

  

天宮一號預測重返區域,為什麼和實際差半個地球?

  美國航天司令部在天宮一號重返后發布的公告部分截圖,其實也是馬後炮。

  當航天器距地面100千米的高度時,其太陽電池翼、大型天線等航天器本體表面的大型裝置將在大氣阻力作用下率先撕裂,與航天器本體分離。當航天器離地面80千米時,由於航天器與大氣層的劇烈摩擦,使航天器的溫度進一步升高,航天器本體結構也開始解體。解體后形成的碎片大部分在與大氣層摩擦產生的高溫中燒盡。美國航天網站認為,天宮一號散落區域長2000公里,寬70公里,從再入到碎片落地要20小時。

  

天宮一號預測重返區域,為什麼和實際差半個地球?

  美國航天網站製作的天宮一號碎片散落區域範圍圖。

  BBC說,眾多不確定性意味著只有到接近天宮一號飛行終點的時候才能做出確定的判斷(事實證明也不準)。美國人就說,重返的時間和地點,取決於太陽的活動和空間站的翻滾。歐洲航天局(ESA)則表示,高能粒子流將使得高層大氣密度增加,這也會引起天宮一號再入點的變化。

  

天宮一號預測重返區域,為什麼和實際差半個地球?

  歐洲航天局之前預測的再入時間和軌道高度。

  實際上,之前美國的「天空實驗室」、俄羅斯「火衛一-土壤」墜落時,地球人的預測墜落區域和實際墜落區域也都差了一個大洋或者一個大洲的距離。

  相比之下,洲際導彈彈頭通常有較大的再入角和彈道彎度,能很快穿過大氣層,砸向目標區,而且彈頭形狀規則,有的還帶有修正系統,這都是天宮沒法比的。

  關鍵是,導彈是可控的。