航天器的再入仍无法得到控制或预测，我们也不必担心被它击中。因为被它击中的概率实在太低，几乎为零。

编译/二宗主 编辑/陈永杰 

供图/视觉中国(除署名外)

中国载人航天工程官方网站4月2日发布公告：4月2日8时15分左右，天宫一号目标飞行器已再入大气层，再入落区位于南太平洋中部区域，绝大部分器件在再入大气层过程中烧蚀销毁。在宣布天宫一号重返大气层前，载人航天工程官网就天宫一号的状态、再入时间和地点发布过两次公告。而两次预测的地点距最终再入的南太平洋有相当大的距离，甚至第一次预测的结果还更为准确。

国外航天机构也对天宫一号进行预测，但却“离题万里”。欧洲航天局3月31日的预测认为，天宫一号再入时间是北京时间4月2日晨，再入位置位于北纬43度到南纬43度的任意地点，很有可能在西南欧上空。

天宫一号的再入点与全球航天机构之前的预测都相去甚远，它似乎和科学家们开了个大玩笑。为什么预测的误差会这么大呢?其实是目前全世界航天科学家所面临的难题。

预测航天器再入大气层难度有多大?

为什么再入航天器的坠落位置会如此难以预测?拿这次的天宫一号来说，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。

与预测的相似，8.5吨重的航天器的绝大部分器件在穿过大气层时被燃烧瓦解，只有极少数残骸落回到地球。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。

这些因素合起来导致要对卫星的坠落路径和区域进行预测几乎变得不可能。也就是说，我们最多可以根据卫星轨道的倾角进行粗略地计算，以预测可能的坠落范围。

根据之前科学家所掌握的关于天宫一号的轨道信息，他们预测出再入区域在赤道以南或以北42.8度的纬度范围内。而据4月2日早上的消息确认，天宫一号最终坠入了南太平洋的中部区域。

由于地球轨道周围积聚了越来越多的卫星碎片，对于在轨道上运行的航天器都是一种潜在危险。为了防止这种积聚持续加剧，空间碎片协调委员会建议在近地轨道运行的卫星要在完成任务后的25年内重新进入地球大气层。当这些航天器再入大气并坠毁时，避免对地球上的人类和其他物种造成威胁一事变得越来越重要。

▲德国弗劳恩霍夫高频物理及雷达技术研究所上周拍摄到的天宫一号在270公里高度画像

为什么有些飞行器永不坠落？

“简单来说，可以看飞行器的速度是否满足第一宇宙速度。”谈及天宫一号坠落的原因，北京师范大学天文系高健副教授介绍，从研究两个质点在万有引力作用下的运动规律出发，人们通常把航天器达到环绕地球、脱离地球和飞出太阳系所需要的最小发射速度，分别称为第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度。

“太空飞行器如果要绕着地球飞行，发射速度至少达到第一宇宙速度。”高健说，如果发射低于这个速度，就不能绕着地球运行，如果高于这个速度，轨道就会更高，如果高于第二宇宙速度，太空飞行器就会脱离地球。对于天宫一号来说，最初发射上天，速度是要超过第一宇宙速度的，而现今其绕地球运行的速度已经降低，甚至低于第一宇宙速度了。

说到让天宫一号速度降低的原因，高健说，是大气阻力对于低轨人造天体的作用造成的。天宫一号是运行轨道较低的人造天体。轨道较低的人造天体在运行的时候因距离地球比较近，地球外层大气对于天宫一号低轨的人造天体会产生较大作用。

而这种作用就如同我们在迎风跑步的时候感受到的空气阻力一般，天宫一号在飞行过程中也会受到外层大气的阻力作用。正是这样，天宫一号不断受到来自大气的阻力，运行速度越来越低，导致其轨道高度也越来越低，轨道形状也越来越扁，最终将会进入内层大气，落到地表上。

“虽然在这样的高度，空气已经极其稀薄，导致的空气阻力已经极小。但就是这样的极小的阻力，还是会对飞行器产生积少成多的影响，使飞行器螺旋式下落。”南京大学与加州大学伯克利分校博士研究生王善钦说，这是所有近地轨道卫星和飞行器都要面对的问题。

为解决这个问题，飞行器自身必须携带燃料或者液体，通过启动发动机或者将液体喷发为气体，将飞行器反推到更高的轨道。“但是飞行器上面存储的燃料是有限的，每次‘变轨’消耗一些燃料，最终必然把燃料消耗干净，然后飞行器就再也无法通过提高轨道高度，而只能不断螺旋式下落。”王善钦说，在过去多年来，已经有多个飞行器因为消耗完燃料或推进液体而结束寿命，有的已经坠落地球。

▲4月1日9 时，Heaven.com网站上显示的天宫一号轨道

那星星为什么不会坠落?我们通常所说的星星，一般指肉眼可见的宇宙中的星体，包含了各种行星和恒星等。行星通常指自身不发光，环绕着恒星的天体，如我们生存的地球以及水星、金星、火星、木星等。

开普勒行星第一运动定律指出，在太阳的引力作用下，行星在不同的椭圆轨道上绕太阳运行。它们在各自轨道上的运行速度都满足其相对于太阳的“第一宇宙速度”，因此不会撞到太阳上;而且这些行星的椭圆轨道之间都相距很远，运行轨迹并不交叉，所以也不会有相撞的危险。而距离我们更遥远的恒星，太阳引力对它们的作用微乎其微，自然也不会受到影响。

而如旅行者一号、二号等无动力飞行器，最开始发射的时候就是要脱离地球引力，脱离太阳系，接近第三宇宙速度，所以这些无动力飞行器的初始速度也非常高，轨道高度自然很高，超过地球大气的覆盖范围，因此这些飞行器的运行并不会受到大气阻力的作用。如果失去控制，也基本上会如同旅行者一号一样，在宇宙空间中继续运动，不会掉落地表。

王善钦解释，在飞出太阳系的过程中，它们也受到宇宙尘埃的阻力，但宇宙尘埃的密度远远小于地球上空的空气阻力的密度，因此它们受到的阻力作用可以忽略不计，没有什么可以降低它们的速度，因此会永远在宇宙中运动下去。

未来能否进行精准的预测？

虽然一直以来，关于大气阻力的模型和实验数据在不断地得到改善，但它们仍不可能达到准确预测坠落点所需的精确度。

相反，对于未来的卫星来说，更需要的或许是将再入行动的设计列为它们航空任务的一个关键部分。例如通过使用阻力帆或推进器等设备来完成主动和受控的再入过程，这样可以大大削弱不确定性带来的威胁，并能确保卫星在大气中可以燃烧殆尽，并同时遵循事先精心计算好的轨迹运行。

再者，我们也可以对卫星进行设计和测试，以便当它们再入时能以理想的方式解体，并且不会对地球造成任何威胁。这种想法其实并非首创，在汽车设计中就有类似的概念，被称为“为死亡而设计”的形变控制，目的就在于保护交通事故中的乘客。

今后总会有办法让再入过程变得更安全、更可预测。但即使航天器的再入仍无法得到控制或预测，我们也不必担心被它击中。因为被它击中的概率实在太低，几乎为零。

打捞天宫一号，有必要吗?

天宫一号发射质量约8.5吨，和一辆校车的个头相当。当它在大气层中高速飞行时，绝大部分都会被烧蚀销毁，最终只有少量碎片落入地球表面。按照美国“太空”网站的分析，天宫一号从再入到碎片落地的过程中，残骸可能会分布在纵向2000公里、横向数十公里的区域内。

不少网友也担心，天宫一号的碎片是否可能被其他国家打捞起来，以供研究和评估呢？接受采访的专家表示，天宫一号是中国的第一个空间目标飞行器，主要用于验证空间站相关技术。从技术上看，它和目前在轨的国际空间站仍然有差距。另外，天宫一号内部大量有价值的设备都被烧毁，剩下的主要是熔点高的材料和零部件，研究价值不大。

当然，有些国家也能通过打捞航天器的建造材料等，分析出中国建造天宫一号时的技术水平，从而推算出中国当前的技术进展。但寻找这些碎片非常困难。之前对于这类航天器的碎片，罕见有打捞的报道。苏联和平号空间站当年坠落地球后，曾有糖果公司宣称，愿意用同等重量的糖果交换打捞的碎片，结果一颗糖果也没有送出去。■

（本文部分文字来自 “原理”和“带你去看耿耿星河”微信公众号）

TIPS：

我拍下了天宫一号最后的“身影”

撰文/刘允(天文教师、青蜜科技联合创始人)

北京时间4月1日5：25分左右，已经在太空遨游6年多的天宫一号，又一次飞临北京上空，只不过这次有可能是在北京最后一次见到这位“太空老兵”。

▲4月1日，刘允在北京亚运村拍摄 的天宫一号轨迹，图中红圈内的轨迹 正是天宫一号。下方是四环边的奥体中心（供图/刘允）

4月1日4：30分，闹钟把我从睡梦中叫醒，第一反应其实有点紧张。因为头一天的天气预报今早有雾，很是担心影响到“捕捉”天宫一号。不过还好，冲到阳台上，牧夫座的大角星还是能看见的。按照预报今天天宫的亮度能有-0.7等，比通常接近0等的大角星还要亮很多，能看到大角星，天宫一号也就不成问题。

5点多，相机、脚架都已经调试好，就等着天宫一号出现。5：22分左右，相机已经开始定时拍摄。

5：25，一颗亮点如约出现在西沉的月亮上方，亮度超过大角星，并快速地向东飞去。由于满月的干扰，加上薄雾，天宫一号看起来并没有想象中那么亮，不过在清晨微亮的天空中认出它的身影完全没有问题。

因为所处的阳台窗户朝正西方向，不一会儿这位太空老兵就消失在我的视野里。而一直在拍照的相机，已经记录下这一过程。有三张照片捕捉到天宫一号的身影——几道还算显著的轨迹，每条曝光约1.7秒。相比明亮的满月及下方四环的路灯，天宫一号的身影要黯淡许多。