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天宫一号“回家”为何充满悬念?热层大气预报存误差

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2018-5-31 10:17:03 来源:城市新闻资讯网

  天宫一号“回家”为何充满悬念

  前段时间,我国第一个空间目标飞行器“天宫一号”在陆续完成既定科学任务后,最终落入被称为“航天器坟场”的南太平洋中部区域。在此之前,国内外许多航天科技工作者曾多次预测“天宫一号”陨落时间和地点,但大都与实际结果相差甚远。那么,究竟是什么力量使得“天宫一号”不断下降直至最后陨落?

  我们知道,地球四周环绕着我们赖以生存的大气层,从低到高依次为对流层、平流层、臭氧层、中间层和热层等。由于重力和扩散等作用,大气密度随着高度的上升而迅速下降。我们通常所说的低轨道航天器一般运行在距离地面100—1000千米高度范围,该范围被称为热层区域。研究表明,距离地面200千米高度处的大气密度相当于地面的百亿分之一,400千米高度处仅为地面的千亿分之一。

  千万不要小瞧这些不起眼的热层大气。由于低轨道航天器的运动速度一般在每秒7千米以上,加之长时间的累积,大气密度引起的阻力效应,正是低轨道航天器轨道高度逐渐降低的秘密所在。一般而言,距地面400千米处航天器轨道高度每天衰减大约几百米,200千米以下轨道高度每天减少量可达5千米以上。因此,热层大气密度对低轨道航天器轨道预报、姿态控制、空间对接、寿命设计及再入大气层等都有显著影响。

  当然,热层大气密度并不是一成不变的,它与地面天气一样随季节和位置等因素变化,还受到太阳辐射和地磁场扰动的显著影响。例如,太阳活动活跃时,增强的紫外波段辐射能量可以使热层大气密度比太阳平静期间增加几十倍,可导致400千米处航天器轨道高度每天的衰减量从几百米增加到几千米。地球磁场扰动时,大量能量会注入到热层区域,大气密度在1至2小时内可增加一倍以上,进而对低轨道航天器的精密定轨和轨道预报产生极大影响。如2019-10-20至15日,太阳爆发引起的地磁扰动造成国际空间站高度短期内下降了15千米,最终不得不主动变轨,以使其保持在预定轨道高度上。

  正是由于热层大气密度自身存在复杂的时空变化,并且受到来自太阳和地磁活动的强烈影响,因此很难对其进行精确预报。大量研究表明,现有的热层大气密度预报误差一般在15%以上,并且这种预报误差会随着时间的推移而不断增大。这也解释了许多航天器的“回家之旅”为何充满了悬念。

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