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刚刚,天宫一号坠落了,而中国空间站即将腾飞

吃葡萄不吐皮吃葡萄不吐皮 2018-04-02 11:00:50
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来源:DeepTech深科技

经北京航天飞行控制中心和有关机构监测分析,北京时间今早 8 时 15 分左右,在太空中飞行了六年半的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,结束它的历史使命。

而与此同时,就在几天之前,中国新一代空间站的核心舱已对外首次公开,预计将在 2020 年前后利用长征 5B 火箭发射升空,之后再经过几十次的发射组装,中国就将迎来属于自己的“空间站时代”。可以说,此时此刻的这一时间点就像预定好的巧合串联起了中国空间站事业的崛起历程。

何为航天器再入?

自从人类在 1957 年发射了第一颗人造地球卫星之后,宇宙空间就开始变得热闹起来了。直到今日,人类已经发射了近万颗航天器,其中约有 90% 都是人造卫星,而这些航天器大部分都分布在距离地表 300km~1000km 的近地轨道上。而在这些航天器完成工作任务、寿命到期后,它们就会在万有引力的作用下不断脱离原本运行的轨道,因轨道衰减而逐渐向地球靠拢,最终在进入大气层的过程中焚毁殆尽。

具体而言,航天器从进入大气层到最终解体总共分为三个步骤:大型设备的分离解体、航天器的解体、碎片烧尽。结合地面测控系统和对进入大气层航天器的参数了解,我们是可以对这些重返地球的“小家伙”的轨道进行粗略的测量和掌控的。

1、大型设备的分离解体

目前国际公认的大气层的高度为距离地球表面 100 公里的卡门线,而当坠落的航天器开始降到这一高度时,安装在航天器外部的太阳电池板、大型天线等设备就会开始被逐渐浓厚的大气所阻隔撕扯。在强大的阻力和剧烈的气动摩擦中,上述这些部件会从航天器的主体结构上不断脱落,不过,值得注意的是,这些部件绝大部分最终都不会降落到地面,它们的结局就是在大气层中被烧蚀掉。

2、航天器的解体

随着坠落航天器高度的进一步降低,在到达距地面约 80 公里的高空时,剩余的航天器收到气动摩擦和气动热的作用会越来越明显,在高温和大气阻力的双重作用之下,航天器的主体将会发生严重的解体,内外部设备将会分离,解体后的碎片会在坠落的过程中被持续地烧蚀加热。如果航天器在经历这一阶段的过程中依然携带有剩余的燃料,那么由此引发的爆炸将会进一步加快航天器的解体和燃烧的速度。

图丨欧空局的ATV货运飞船进入大气层解体

3、碎片烧尽

解体后的航天器碎片继续下落,它们继续受到气动热和气动力的双重作用而不断燃烧融化,其中绝大部分都会在到达地表之前消耗殆尽,不会对人类产生影响。只有两类碎片最终会落在地面上,一是少量难以被烧蚀掉的部件;二是一些质量较小的碎片,它们在烧尽前就已经将速度降到很低,最终飘落到地面。

相比较于此前 15——20 吨的礼炮系列空间站、美国 77 吨的天空实验室以及 140 吨的和平号空间站,这次坠落的天宫一号重量约 8.5 吨,称不上什么“庞然大物”,所以就更不会对人类造成什么危害或影响了。

图丨和平号空间站

事实上,从 20 世纪 60 年代到现在,共计约有 15000 吨以上的航天器残骸坠落回地球,但从未伤害到人口密集地区的居民。历史上坠落残骸距离人类最近的一次还算得上是 1997 年美国火箭的第二机碎片坠落,当时是与俄克拉荷马市的 Lottie Williams 擦肩而过,所幸并没有击中,当事人也没有受伤。

图丨Lottie Williams和与她擦肩而过的碎片

根据粗略的估算,普通人一生中被雷劈的可能性是 1.2 万分之一,在流星雨爆发的时间段,每小时约有 1000~20000 颗陨石落向地球,在这种情况下,普通人被 200g 以上的陨石砸中的概率只是 7 亿分之一,而相较之下,普通人被天宫一号这样的航天器碎片所击中的概率仅有大到一百万分之一,小到一万亿分之一,简直是比中彩票的几率还要渺茫。

砌筑天宫

1992 年 9 月,我国确定了载人航天“三步走”的发展战略:

第一步,发射载人飞船,建成初步配套的试验性载人飞船工程,开展空间应用实验;

第二步,突破航天员出舱活动技术、空间飞行器的交会对接技术,发射空间实验室,解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题;

第三步,建造空间站,解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。

随着神舟五号和神舟六号飞行任务的成功,标志工程第一步任务目标的实现。而神舟七号飞行任务的成功,标志着我国掌握了航天员空间出舱活动关键技术。

图丨神舟5号中的杨利伟

2011 年 9 月 29 日 21 时 16 分 03 秒,天宫一号目标飞行器从酒泉卫星发射中心发射升空,在在轨运行的 1630 天里,天宫一号不但完成了既定使命任务,还超出原本两年的设计寿命,实际在轨四年半,超期服役并开展多项拓展技术试验。2016 年 3 月 16 日,天宫一号目标飞行器正式终止数据服务,全面完成了历史使命。

作为我国首个自主研制的载人空间试验平台,天宫一号全长 10.4 米,最大直径 3.35 米,内部有效使用空间约 15 立方米。2011 年 11 月 3 日,天宫一号与神舟八号飞船成功完成我国首次空间飞行器自动交会对接任务,并进行了二次自动交会对接。在此之后,天宫一号出色地完成了与另外两艘神舟飞船 4 次交会对接的使命。

天宫一号与神舟八号和神舟九号交会对接任务的成功,标志着我国突破和掌握了自动和手动控制交会对接技术,成为世界上第三个独立掌握航天器空间交会对接技术的国家;神舟十号飞行任务是工程第二步第一阶段任务的收官之战。

图丨天宫二号

2016 年 9 月 15 日 22 时 04 分 09 秒,我国又发射了天宫二号空间实验室,这也是中国第一个真正意义上的空间实验室。空间实验室是开展空间试验活动的载人航天飞行器,在规模上要小于空间站,是空间站的雏形。天宫二号采用实验舱和资源舱两舱构型,全长 10.4 米,最大直径 3.35 米,太阳翼展约 18.4 米,重 8.6 吨,设计在轨寿命 2 年。2016 年 10 月 19 日 3 时 31 分,神舟十一号飞船与天宫二号自动交会对接成功。

由于天宫一号和天宫二号的优异表现,我国已经取消了原本将发射的天宫三号计划,准备直接建造“天宫”空间站,而前不久首次对外曝光的空间站核心舱则是我国载人航天“三步走”战略的第三步——建造空间站的关键起点,这个核心舱一共布了 300 多个传感器,测量 900 多路信号。根据了解,中国空间站整体呈 T 字构型,由一个核心舱和两个实验舱组成,每个舱的重量都在 20 吨以上,它可以同时对接两艘载人飞船(“神舟”号飞船)、一艘货运飞船(“天舟”号飞船)。等到 2022 年整个空间站投入全面运营之后,其重量将会达到接近 100 吨。

图丨建成后的天宫空间站(概念)

中国载人空间站整体名称及各舱段和货运飞船共 5 个名称具体如下:

载人空间站命名为“天宫”,代号“TG”;

核心舱命名为“天和”,代号“TH”;

实验舱Ⅰ命名为“问天”,代号“WT”;

实验舱Ⅱ命名为“梦天”,代号“MT”;

货运飞船命名为“天舟”,代号“TZ”。

随着我国空间站时代的即将到来,航天员已全面开展空间站任务训练,第三批航天员选拔工作已经准备就绪。

商业化来袭,全球空间站迎来新气息

近年来,各种成功的商业航天公司已经拉近了大众与太空之间的距离。而除了 SpaceX 之类的火箭发射和其与 OneWeb 那样雄心勃勃的太空星座计划之外,各种“软硬兼施”的空间站项目也备受瞩目,其中就以毕格罗宇航公司(Bigelow Aerospace)的充气式空间站最为知名。

图丨毕格罗团队

毕格罗宇航公司是由美国旅馆业大亨 Robert T. Bigelow 于 1999 年创建,目前共有 Genesis、BEAM 和 B330 三款产品。同传统空间站相比,充气式空间站具有重量轻、折叠效率高、展开可靠、工程实施方便等优点,是未来解决空间站扩展舱体、大型空间居住舱建造问题的有效途径之一。

图丨Robert T. Bigelow

2016 年 4 月,毕格罗公司的试验可扩展模块 BEAM 经由 SpaceX 被运送至国际空间站,展开为期两年的测试,根据了解,BEAM 充气展开后能提供 16 立方米的空间。目前为止,BEAM 在轨道上的表现还算不错,其辐射屏蔽性能相较于传统铝制模块也是有过之而无不及。这意味着毕格罗公司接下来可以将其真正的大体积空间站模块 B330 送入太空了。

与 BEAM 的狭小拘谨不同,B330 内部空间有 330 立方米,约占整个国际空间站的三分之一。毕格罗公司已经组装了几个不同的 B330 全尺寸原型,并在对其进行质量测试。与此同时,毕格罗公司还与美国联合发射同盟公司(United Launch Alliance,ULA)达成合作,准备用他们的宇宙神-5 火箭(Atlas V)将 B330 送入太空。

图丨B330剖视图

前不久,毕格罗公司又有了进一步的消息,他们拆分出了一家名叫 BSO 的商业航天公司,目的是为正在开发的充气式空间站提供销售、运营和客户服务支持。根据毕格罗公司 CEO 毕格罗的介绍,随着国际空间站在 2025~2028 年结束运营,近地轨道的空间站业务将迎来一轮新的高潮,而民营企业将在其中扮演重要的角色。

为了抓住这个契机,毕格罗公司准备打造一个庞大的太空综合体,首批项目为 B330-1 和 B330-2,预计发射时间为 2021 年。为实现这一目标,BSO 还计划在佛罗里达州或阿拉巴马州建立一座新的制造工厂。

而我国也在开展类似的充气式空间站的研发项目,中国航天科技集团公司五院总体部已经顺利完成了充气式太空舱结构水压试验。掌握了充气式太空舱的设计、工艺方法,并完成了直径 2 米、长度近 4 米的舱体结构研制工作。

除了毕格罗之外,还有一家名为 Axiom Space 的公司则计划基于国际空间站打造一座更加传统的铝制舱段空间站。打造此商业空间站需耗成本 15 亿美元,远远低于国际空间站的 1000 亿美元成本,根据规划,该商业空间站预计将在 2024 年完工,届时国际空间站将停止使用。

图丨Axiom Space空间站(概念)

当然,除了这种商业公司的计划之外,美国官方的空间站也没有停止。美国国内曾有些人提出将国际空间站转交给商业公司运营,目前看来,这一可能性依旧存在。今年 2 月 12 日,特朗普政府公布 2019 财年预算案,其中为 NASA 拨款高达 199 亿美元。

根据此次的预算内容中,有两个征兆已经非常明显:首先是国际空间站转向“私有化”,其次是特朗普政府针对月球计划的支持。NASA 将持续推进名为“月球轨道平台门户”(Lunar Orbit Platform-Gateway)的月球轨道空间站的建造计划,以替代掉之前提出的“深空之门”(Deep Space Gateway)空间站。

图丨月球轨道平台门户(概念)

再放眼全球,除美国以外,俄罗斯也有在国际空间站退役以后建造自己的空间站的计划,除了不靠谱的“和平 2 号”之外,他们还提出了被称为俄罗斯轨道站(ROS)的空间站计划,它以科学号多用途实验舱、节点舱以及科学能源模块等三个舱段为核心。但以目前俄罗斯的国内状况而言,他们独立自主扛起 ROS 的可能性并不大,或许与美国一起参与到地月空间站项目更为现实。

当然,欧洲在这方面也不太会落下,德国航天局曾公布名为 Orbital-Hub 的空间站设计方案,它以欧空局的空间站技术为基础,加上毕格罗公司的 B330 充气舱扩充居住空间,外带舱外载荷扩展,设计也十分巧妙。这样看来,我们的天宫未来并不会孤单。

图丨未来的概念空间站

如果上述大大小小的空间站计划都能如期进行的话,那我们头顶这片天空将会迎来前所未有的热闹场景,借助商业的力量,越来越多的普通乘客都有可能会实现他们的太空旅行梦想。在更遥远的未来,这些在近地轨道运行的数量众多的大型空间站将成为人类前往火星和深空的跳板,帮助我们探索更远的星际。


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