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预测航天器坠落地点难在哪?

拿前几天坠落的天宫一号来说,在一年多以前,专家就意识到将会发生这样的情况,只是在确切的时间方面一直存在很大的不确定性。然而,随着空间站轨道高度的下降,这种不确定性也逐渐减小,到后来我们可以确定它会在几天内脱轨。

或许有人不禁要问,为何我们有能力精确控制一些航天器,例如远在约4亿公里之外的罗塞塔号飞船,却无法预测出只高于我们头顶200公里的天宫一号的坠落时间和地点呢?

牛顿定律告诉我们,假设地球重力是影响卫星的唯一的力,那么卫星能以完美的圆形或椭圆轨道绕地球运行,周而复始地重复它们的路径。但是,这并不适用于低海拔区域,因为地球大气会影响卫星的移动:一种与卫星速度相反的力——空气动力学阻力(空气阻力)会让卫星的运动轨道变成一个朝向地球表面的向下螺旋。

▲天宫一号坠落地球的艺术构想图(图片来源 : 中国载人航天工程办公室)

理论上,我们可以完美地计算阻力来预测卫星坠落路径。这可以通过一个取决于卫星速度(v)、大气的密度(ρ)、卫星形状及它相对于气流方向的数值参数(C)、物体面积(A)的公式来完成。这个公式为:D = 1/2×ρ×C×A×v2,从中不难看出为何阻力难以精确计算。

我们可以很容易就准确地测量出航天器的运行速度v,但是其他参数都具有很大的不确定性,因此很难在事先确定天宫一号的坠落路径。

首先,随着海拔的升高,大气密度逐渐下降。尤其是在高海拔区域,大气密度会受到许多不可预测的因素影响,其中最显著的影响就来自太阳活动。太阳磁场活动导致辐射量和带电粒子的释放量随周期增加和减少,它们与地球的电离层相互作用,从而改变电离层的大气密度。虽然太阳活动可通过观测太阳黑子数量进行监测,但是即便我们可以监测太阳活动周期,它们的活动水平也发生着无法预测的变化,从而导致大气密度的变化不可预测。

另一个参数C也同样难以确定。对于汽车或飞机这样的运载工具,我们可以通过运用理论或计算流体动力学对C进行估算,再在风洞中通过实验测量。可是像天宫一号这样的航天器有着非常复杂的外形,并且会不受控制的颠簸翻滚,导致系数C会不断地变化。

还一个重要影响因素是在再入过程的最后阶段,卫星的机体会解体并燃烧,这让公式中的每一项都进一步变得不确定。

本文来自:北京科技报
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