天宮一號“撞”地球

前不久，天宮一號完成了它的使命，光榮退役。2018年4月2日8時15分左右，天宮一號目標飛行器再入大氣層，再入落區位于南太平洋中部區域，絕大部分器件在再入大氣層過程中燒蝕銷毀。這是近十年來落入地球大氣層的最大物體，因此引起了世界各地的廣泛關注。

作為中國首個目標飛行器和空間實驗室，天宮一號主要肩負四項任務：與神舟系列飛船完成空間交會對接飛行試驗；保障航天員在軌短期駐留期間的生活和工作；進行一系列空間實驗；初步建立短期載人、長期無人獨立可靠運行的空間實驗平臺，為建造空間站積累經驗。

天宮一號可是飛行器中的“英雄”，它本來的設計壽命為兩年，但卻服役了近五年。一起來回顧天宮一號的精彩時刻吧。

2011年9月29日21時16分03秒，天宮一號在酒泉衛星發射中心發射升空，飛行器全長10.4m，最大直徑3.35m，由實驗艙和資源艙構成 。

2011年11月3日，天宮一號與神舟八號飛船成功對接，中國由此成為世界上第三個自主掌握空間交會對接技術的國家。

2012年6月18日，天宮一號與神舟九號飛船成功實現自動交會對接，中國3位航天員首次進入在軌飛行器。

2013年6月13日，天宮一號與神舟十號飛船順利完成了自動交會對接，并合體飛行13天。在這期間，3名宇航員在天宮一號中進行了科學實驗等活動。

2013年6月26日，飛行了15天的神舟十號飛船返回地球，天宮一號也圓滿完成了任務。

完成了4項既定任務之后，天宮一號轉入拓展任務飛行階段繼續工作：開展航天技術試驗、對地遙感應用和空間環境探測； 驗證低軌長壽命載人航天器設計、制造、管理、控制等相關技術；獲取大量有價值的數據信息和應用成果，為空間站的建設、運營和載人航天成果的應用推廣積累重要經驗。

要知道，在太空環境下，受真空、輻射等環境因素影響，維持飛行器的壽命是個難題。而即便超額完成任務，天宮一號的狀態也一直很好，所有設備都正常。

2016年3月16日，超期服役兩年半的天宮一號（已在軌工作1630天）正式終止了數據服務。自停止使用以來，天宮一號空間站的高度一直在緩速下降，最終脫離軌道在大氣層中燒毀。

很多人注意到一個頗有意思的問題：天宮一號的再入點與全球航天機構之前的預測都相去甚遠，它似乎和科學家們開了個大玩笑。為什么預測精確的墜落時間和地點那么困難？

牛頓定律告訴我們，衛星是以圓形或橢圓形軌道圍繞地球運行的。但在較低的軌道高度上（1000km以下），情況要復雜得多。這是因為在這個高度，飛船或衛星會受到極稀薄的大氣的阻滯作用。這種作用會降低飛船運行速度，從而使其軌道高度進一步下降。

像空間站這樣的大型航天器自由再入大氣層時，落點預測是一個世界難題。它在這個過程中會受到很多因素的影響，包括大氣密度、磁場強度、太陽黑子活動、風向、航天器形狀和進入時的角度等。例如大氣層密度在不同的高度是不斷變化的，而且有時候變化非常大。此外，航天器在墜落過程中的姿態是頭向前還是尾向前、太陽電池翼是否展開等，隨機性比較大，對航天器落點的影響也很大。

對天宮一號再入大氣層范圍的預測失誤其實只是科學家再次被這道難題“絆倒”。1979年7月11日，美國空間站“天空實驗室”墜地時，原來預計墜至非洲，實際卻落到澳大利亞。2012年1月15日俄羅斯“火衛-土壤”探測器墜落前，俄羅斯和美國曾先后預報它將墜入印度洋和大西洋，但最后它卻掉到太平洋智利海岸附近。

在天宮一號重返大氣層之前，各航天機構仍在不斷修改可能的重返時間和地點。美國航天研究公司預測，天宮一號可能落在非洲附近，后又改為落入太平洋。該公司高級技術人員安德烈·亞伯拉罕承認，對預測的數據缺乏信心，因為航天器重返大氣層的時間和地點取決于隨時在變化的太陽黑子活動強度和航天器翻滾情況等。歐洲航天局則表示，高能粒子流將使高層大氣密度增加，這也會引起天宮一號再入點的變化。

有人質疑，同樣是再入大氣層的航天器，為何洲際彈道導彈的軌跡預測就靠譜得多，以至于可以用反導系統精準攔截？實際上，洲際導彈通常有較大的再入角和彈道彎度以及規則的彈頭形狀。而天宮一號外形不規則，還會發生翻滾，并隨著與空氣不斷摩擦，軌道飛行高度逐漸降低，這些靠現有的軟件是很難精確模擬的，因此要想精確地預測天宮一號的墜落時間和地點非常困難。

既然墜落時間和地點難以精準預測，為什么天宮一號一定要落回地球？

自從蘇聯發射人類第一顆人造衛星斯普特尼克1號以來，世界各國執行了超過4000次發射任務，大部分廢棄航天器并沒有被回收，而是變成了太空垃圾。

太空飄浮著大約1.7億件太空垃圾，其中僅2.2萬件是可追蹤到的。這些小到人造衛星碎片、漆片、粉塵，大到整艘飛船殘骸的太空垃圾時刻都在威脅著價值7000億美元的太空設備的安全。

為了減緩太空垃圾的增速，目前，部分運行在近地軌道的大型航天器退役后，國際通行的做法是讓其受控墜落到南太平洋一處距離大陸最偏遠的深海區——尼莫點，那里因為“埋葬”了諸多航天器而被稱為“航天器墳場”。俄羅斯的和平號空間站、進步號系列飛船，美國的康普頓伽馬射線望遠鏡等都墜落于此。

天宮一號當然不是人類歷史上第一個墜落地球的大型航天器。事實上，根據美國宇航局的統計，在過去50多年中，平均每天都有一個有正式編號的航天器或其碎片墜落地球。當然，絕大部分組件都會被焚毀，而即便落到地面上，擊中居民的概率也幾乎為零，歷史上從未發生過與此相關的嚴重傷亡事件。

歷史上比較有名的失控墜落的航天器有哪些？

造成國際轟動較大的要數1978年蘇聯核動力衛星“宇宙954”的失控墜落事件。這是一顆核動力衛星，上面裝有大量放射性物質，它在加拿大上空燃燒解體，破碎成數以百計的碎塊，其中一些還相當大。核反應堆也立即解體，大量核燃料噴濺而出，污染了整顆衛星，擴散到大氣中，并使所有衛星部件都沾染了強烈的放射性。

大量放射性物質和衛星碎片散落到加拿大西北地區阿爾伯塔省和薩斯喀徹溫省的一片狹長區域內，污染帶綿延近600km。萬幸的是，這里主要是廣袤的苔原和冰原，人跡罕至。

事故發生后，美國和加拿大聯合實施了代號為“晨光行動”的大規模核污染清理行動。但即便如此，仍然只找到并清理了一小部分的污染物，要想完全清除這次事故產生的核污染短期內是根本做不到的。

僅僅過了一年，質量超過70t的美國“天空實驗室”空間站發生故障，失控墜落，大量殘骸撒落在澳大利亞西部荒原之中。受到前一年蘇聯“宇宙954”事件的影響，當時世界各大媒體都報道了這一事件。但由于“天空實驗室”上沒有核燃料，這次事件本身未造成太大的環境影響，但砸到了幾棟小屋，并砸死了一頭牛。事后，澳大利亞向美國要求賠償時遭遇了拖延，直到30年后才由美國民間組織籌款支付。

禮炮七號是蘇聯時代的一座空間站，其質量接近20t，在1991年2月7日，這座空間站的命運同樣以失控墜落告終，大量殘骸墜落在南美洲阿根廷境內。