世界性難題：為何預測「天宮一號」的墜落點如此困難？

在太空中飛行了六年多的天宮一號，已經於北京時間4月2日早上8點15分左右再入大氣層，1分鐘後未燒毀的殘骸墜落南太平洋，沒有造成任何的危害。

在此之前，許多外媒著重用「失控」一次詞來渲染這次的航天器再入事件以達到吸睛目的。隨著天宮一號的墜落，這樣的新聞或許終於得以消停。但那些媒體或許並不知道的是，所謂的「失控」再入，其實是目前全世界航天科學家所面臨的難題。

天宮一號墜落地球的藝術構想圖。| 圖片來源： 中國載人航天工程辦公室

為什麼再入航天器的墜落位置會如此難以預測？拿這次的天宮一號來說，在一年多以前，專家就意識到將會發生這樣的情況，只是在確切的時間方面一直存在很大的不確定性。然而，隨著空間站軌道高度的下降，這種不確定性也逐漸減小，到後來我們可以確定它會在幾天內脫軌。

與預測的相似，8.5噸重的航天器的絕大部分器件在穿過大氣層時被燃燒瓦解，只有極少數殘骸落回到地球。或許有人不禁要問，為何我們有能力精確控制一些航天器，例如遠在405公里之外的羅塞塔號飛船，卻無法預測出只高於我們頭頂200公里的天宮一號的墜落時間和地點呢？

這到底難在哪？

牛頓定律告訴我們，假設地球重力是影響衛星的唯一的力，那麼衛星能以完美的圓形或橢圓軌道繞地球運行，周而復始的重複它們的路徑。但是，這並不適用於低海拔區域，因為地球大氣會影響衛星的移動：一種與衛星速度相反的力——空氣動力學阻力（空氣阻力）會讓衛星的運動軌道變成一個朝向地球表面的向下螺旋。

由空氣阻力導致的螺旋再入軌跡。| 圖片來源：Michael P. Kleiman, 377th Air Base Wing Public Affairs

理論上，我們可以完美地計算阻力來預測衛星墜落路徑。這可以通過一個取決於衛星速度（v）、大氣的密度（ρ）、與衛星形狀及它相對於氣流方向的數值參數（C）、和物體面積（A）的公式來完成。這個公式為：D = ?×ρ×C×A×v2，從中不難看出為何阻力難以精確計算。

我們可以很容易就準確地測量出航天器的運行速度v，但是其他參數都具有很大的不確定性，因此很難在事先確定天宮一號的墜落路徑。

天宮一號。| 圖片來源：TMRO/youtube

首先，隨著海拔的升高，大氣密度逐漸下降。尤其是在高海拔區域，大氣密度會受到許多不可預測的因素影響，其中最顯著的影響就來自太陽活動。太陽磁場活動導致輻射量和帶電粒子的釋放量隨周期增加和減少，它們與地球的電離層相互作用，從而改變電離層的大氣密度。雖然太陽活動可通過觀測太陽黑子數量進行監測，但是即便我們可以監測太陽活動周期，它們的活動水平也發生著無法預測的變化，從而導致大氣密度的變化不可預測。

另一個參數 C 也同樣難以確定。對於汽車或飛機這樣的運載工具，我們可以通過運用理論或計算流體動力學對 C 進行估算，再在風洞中通過實驗測量。可是像天宮一號這樣的航天器有著非常複雜的外形，並且會不受控制的顛簸翻滾，導致係數 C 會不斷地變化。

還一個重要影響因素是在再入過程的最後階段，衛星的機體會解體並燃燒，這讓公式中的每一項都進一步變得不確定。

這些因素合起來導致要對衛星的墜落路徑和區域進行預測幾乎變得不可能。也就是說，我們最多可以根據衛星軌道的傾角進行粗略地計算，以預測可能的墜落範圍。

根據之前科學家所掌握的關於天宮一號的軌道信息，他們預測出再入區域在赤道以南或以北42.8度的緯度範圍內。而據今天早上的消息確認，天宮一號最終墜入了南太平洋的中部區域。

天宮一號的預測墜落區域帶（綠）。| 圖片來源：Aerospace Corporation

其實，由於地球軌道周圍積聚了越來越多的衛星碎片，對於在軌道上運行的航天器都是一種潛在危險。為了防止這種積聚持續加劇，空間碎片協調委員會建議在近地軌道運行的衛星要在完成任務後的25年內重新進入地球大氣層。因此，當這些航天器再入大氣並墜毀時，避免對地球上的人類和其他物種造成威脅一事變得越來越重要。

那麼，未來科學是否能夠幫助我們對此進行精準地預測？

雖然一直以來，關於大氣阻力的模型和實驗數據在不斷地得到改善，但它們仍不可能達到準確預測墜落點所需的精確度。

相反，對於未來的衛星來說，更需要的或許是將再入行動的設計列為它們航空任務的一個關鍵部分。例如通過使用阻力帆或推進器等設備來完成主動和受控的再入過程，這樣可以大大削弱不確定性帶來的威脅，並能確保衛星在大氣中可以燃燒殆盡，並同時遵循事先精心計算好的軌跡運行。

再者，我們也可以對衛星進行設計和測試，以便當它們再入時能以理想的方式解體，從而並且不會對地球造成任何威脅。這種想法其實並非首創，在汽車設計中就有類似的概念，被稱為「為死亡而設計」的形變控制，目的就在於保護交通事故中的乘客。

相信我們總會有辦法讓這個再入過程變得更安全、更可預測。但即使航天器的再入仍無法得到控制或預測，我們也不必擔心被它擊中。因為被它擊中的概率實在太低太低，幾乎為零。

編譯：二宗主

參考來源：

https://theconversation.com/tiangong-1-crash-why-its-so-hard-to-predict-where-space-debris-will-land-and-what-can-be-done-about-it-94053

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