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撰文 | 李志辉*，石卫波*，唐小伟*，梁杰*，蒋新宇*
* 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所
北京时间2018年4月2日上午8时15分左右，天宫一号再入※大气层多次解体分解，碎片残骸坠落到南太平洋海域，其寿命走到了终点。
※ 再入（reentry）大气层，是指从外层空间进入地球大气层的运动过程。人造天体（如人造卫 星、飞船、空间站等）离开地球大气层，再从外太空重新返回地球大气层时，称为再入。
天宫一号自2011年9月发射入轨、2013年6月与其对接的神舟十号飞船返回之后，天宫一号就已完成了主要使命。本着“充分利用、挖掘潜力”的原则，科研团队精心建模设计、运营维护、严密实施监控，使之在超期服役两年半期间，继续开展航天技术试验、对地遥感应用和空间环境探测，获取了大量有价值的数据信息和应用成果，积累了重要经验。
然而，坏消息于2016年3月意外降临，在轨运行了1630天、超期服役两年半的天宫一号突然与地面失去了通信联系，从此终止了数据服务。监控结果显示，天宫一号依然在椭圆型轨道衰降无控飞行，进入了轨道衰减期。
天地通信的突然中断，意味着地面站已经无法远程操作天宫一号的推进器等动力设备，也无法收到它的飞行参数。直白地说，此时天宫一号已经成了一个“太空垃圾”，从此，数吨重的大型桁架结构天宫一号处于无控陨落轨道衰降飞行过程中。经历漫长的轨道衰降后，最终会再入大气层解体坠毁，部分未被完全烧蚀熔融的残骸会坠落地面。“天宫一号会不会砸到人”的话题，频频引发世人的猜测和议论。
即便如此，天宫一号仍然在持续、密切地跟踪监测之中。由于监测难度增大，阻碍了对其作出精确的陨落飞行轨迹预报。在空间环境中，对航天器的运动状态产生影响的因素多种多样，例如大气密度、地球引力场变化、太阳风活动、太阳和月亮的摄动、地球辐射压摄动、相对论摄动，以及航天器自身的形状和质量分布，都会对飞行轨迹造成影响。
在我们的印象中，航天器都是运行在“太空”之中的。那里几乎是“真空”，没有空气阻力，航天器似乎可以永远运行下去。
天宫一号正常运行时，轨道高度约为380～395千米，可是与其他航天器相比，这仍然算是“低轨道”。在绕地球低轨道空间，尽管这里的大气已经极其稀薄，但是依然存在。对超高速（天宫一号的在轨平均速度为7.6千米/秒）运行的航天器来说，即便是如此稀薄的大气，对其运动状态的影响也比较明显。因此，在这里运行的航天器在空气阻力的作用下，轨道高度会逐渐降低，而航天器为了维持正常的工作轨道，每隔一段时间就要开动推进器，提升轨道高度。
在距离地球表面300～1000千米的近地轨道上，运行着空间站和各种卫星。返回式航天器具有返回保护装置防热瓦系统，可以在航天器的再入过程中通过热解烧蚀防热瓦系统，保护其内部核心部位，全身而退。然而，随着航天工程快速发展，有一类不可回收的大型航天器在完成自身使命或失效报废后，都会因地球大气环境阻力而离轨衰降，高度逐渐降低。当其围绕地球的螺旋式椭圆型轨道高度低于临界再入轨道高度120千米后，就不再围绕地球椭圆型轨道衰降飞行，而是高度快速降低，进入浓稠的大气层被撕裂和焚毁，最后，未烧尽的碎片、残骸坠落到地球表面。
服役期满的非回收类航天器从离轨到再入的过程是一个轨道高度和能量逐渐降低、连续变化的过程。这个过程可以划分为两个阶段：轨道衰降阶段和再入损毁阶段。
这一阶段，航天器仍然能够环绕地球、以螺旋形椭圆轨道飞行，但在稀薄空气动力、地球重力、磁场力等外力的持续作用以及太阳活动的间歇性影响下，航天器的飞行轨道高度逐渐降低，机械能也逐渐减少，一边飞行一边向地表附近的稠密大气层靠近。
这一过程通常很漫长，而且易受太阳磁暴、空间粒子等干扰影响，因此存在随机性。当航天器的轨道足够高时，甚至观测不到明显的轨道衰降，这时，失效的航天器将成为长期威胁其他航天器安全的太空垃圾。天宫一号在失效之后直到陨落再入，绝大部分时间都处于这一阶段。随着轨道高度的不断降低，轨道衰降的速度也越来越快。当轨道高度和能量衰降到一定程度时（例如120千米高度），航天器再不能继续环绕地球飞行，将进入稠密大气层。
进入稠密大气层之后，航天器即进入了再入损毁阶段。这一阶段时间历程较确定，一般持续几十分钟就会结束。
虽然空气看不见也摸不着，但是高速运动的物体却能感受到空气的稠密稀疏、高低起伏。如果你乘坐过飞机的话，一定对气流的颠簸感有深切的体会吧。飞机经过不同温度、压力的大气时产生的颠簸，就像我们乘车经过凹凸不平的路面一样。飞机周围的空气粒子对机身产生不同程度的冲击，使之震颤。
与飞机相比，航天器的速度要高得多。航天器在大气剧烈的摩擦阻力作用下，机械能急剧减小。对于没有特殊保护的航天器来说，摩擦生热使航天器金属桁架结构（合金材料）变形失效熔融、复合材料热解烧蚀损毁，在气动热、力、急剧减速引起高达数倍重力加速度负过载等综合作用下，剧烈破坏解体。解体后的残骸仍以高速飞行，途中还会经历多次破坏解体。在这个过程中，大部分结构燃烧分解，但仍然可能有部分难熔残骸或碎片、再凝固的氧化物到达地面。
让我们看看返回式卫星是怎样实现准确控制落点的。返回式卫星完成任务后，其返回舱受控返回，轨道舱继续留在轨道进行飞行实验。返回舱从轨道离开，要精确再入到地表的某个着陆场，而且要保证主体的安全完整，必须具有三轴稳定控制系统、轨道控制系统，再入大气层的角度要严格控制，返回舱外表还要有耐高温的特殊防热瓦。在即将落地的几十千米高度时，还要用减速伞进一步减速。整个返回再入过程都涉及人为的测控干预，航天器携有的调姿系统、星上解析器等装置正常发挥功能。
空间站一类的大型航天器属于非回收类再入，如果受控坠落的话，在人为的干预下调整离轨姿态和再入轨道倾角，让其尽量解体“着陆”到安全区域。由于此类航天器表面没有专门用于重返大气层的耐高温防热瓦保护层，在再入大气层的过程中，从整体到许多部件都会在中途解体和燃烧，最后烧不尽的残骸经前期离轨控制飞行航迹预报，希望坠落到安全区域，如位于南太平洋的一片广大无人区域，称为“航天器坟场”。实际上，由于大气环境变化多端，传统监测预报模式都是依靠拟合固定阻力系数与迎风面积进行轨道外推。大型航天器即使在受控坠落过程中，只要航天器发生明显变形或首次损坏，随着大气越来越稠密，空气动力随飞行姿态、变形、高度、速度等因素的变化也就越剧烈，实际飞行航迹与传统监测预报就会大相径庭，就会发生“脱靶”，以致不能准确确定坠落到地球的位置，预报偏差有时达数千千米。天宫一号离轨再入大气层的新闻播出后，在网上掀起了一大波猜测和关注，不仅有“可能撞击多个城市”的传闻，还有“可能泄漏有毒气体”之说。而有的媒体发布的“天宫一号可能坠落地点示意图”几乎覆盖了半个地球，从北纬43°到南纬43°的一百多个国家和地区似乎都要处于“无差别攻击”的威胁中。一时间引发了更大范围的恐慌。
对航天器的轨道进行监测和预判，不仅可以为其他航天器机动躲避提供数据参考，也能为最终落到地球表面某个地方的风险进行评估和预判。虽然各国机构都在预测最终的坠落点，但是彼此的偏差都实在是太大了，公众面对纷杂的信息，一时间也无法判断哪家的情报更准确。
那么，天宫一号的下落轨迹究竟是什么样的？如何预报这样一个不受控制的航天器呢？
当初将天宫一号发射到轨道上时，消耗了大量的燃料提供的能量。天宫一号正常工作期间，轨道高度会逐渐下降，但是轨道推进器可以随时点火机动，将轨道高度抬升，使天宫一号维持在固定轨道三轴稳定平稳飞行。天宫一号失效之后，再也不能主动调整轨道高度，只能围绕地球沿螺旋式椭圆轨道不断衰降。而在其下降过程中，天宫一号承受强烈的气动力/热环境致金属桁架结构响应变形，复合材料热解烧蚀，最终造成了天宫一号的解体、焚毁。衰降再入的过程有2年多的时间（本图未示全）。2018年4月2日，天宫一号的高度达到120千米，进入解体阶段。
天宫一号在平均高度约为390千米的轨道失效后，即转入轨道衰减期。为了发展有别于传统拟合阻力系数与迎风面积轨道外推监测预报模型，提前对天宫一号陨落再入解体飞行航迹及危害性进行分析评估，中国空气动力研究与发展中心李志辉团队在国家杰出青年科学基金（11325212），特别是国家重点基础研究发展（973）计划项目（2014CB744100）、国家自然基金重大研究计划集成项目（91530319）等资助下，研制形成了核心方向前沿基础研究“大型航天器陨落再入跨流域气动力热/结构响应变形失效/复合材料热解烧蚀/解体预报分析”验证建设平台，前期模拟预报类天舟一号货运飞船再入至101.3<H<100.9千米帆板折断首次解体；90～85千米实验舱外壳熔融二次解体与实际再入遥测结果吻合。针对天宫一号无控飞行再入预报，得到载人航天工程办公室与航天系统院所等支持，经过长达8个月的天宫一号轨道衰降与再入解体飞行航迹可计算建模，对这类大型航天器实施跨流域空气动力学与结构材料力学、统计力学数理建模和轨道动力学联合计算分析机制的建立，协同雷达成像、光学自适应图像等外测姿态估计，逐步实现了“追上掌控、主动预报”天宫一号无控陨落飞行航迹，建立了天宫一号无控飞行轨道衰降与再入解体过程飞行航迹预报模拟系统，对天宫一号进行了实时轨道衰降与陨落再入过程数值预报。
在太空中，航天器发生失控翻滚是大忌。我们从科幻电影《太空救援》《地心引力》中都看到过航天器翻滚的场景。失效后的天宫一号在轨道衰降过程中，随着受到的空气阻力与扰动越来越大，翻滚动作也会逐渐明显。了解航天器的飞行姿态，将对后续的空气动力三力三矩融合飞行轨道数值预报起到很关键的作用。那么，连光学望远镜都很难看到、也失去了遥测信号的天宫一号，我们该如何知道它的实时飞行姿态呢？
对几百千米以外高速运行的目标进行视角范围实时观测，目前只有雷达可以做到。光学望远镜会因为天气、能见度等因素的影响而使用受限。逆合成孔径雷达（Inverse Synthetic Aperture Radar，ISAR）是一种高分辨成像的雷达，能够全天候、远距离获得运动目标的轮廓图像。此次对天宫一号的飞行姿态监测，就是通过它来观察的。这种雷达的工作原理是，静止的雷达向运动目标发出无线电波（微波），二者的相对运动获得方位维上的高分辨信息。由于目标往往具有不同的介电常数、表面粗糙度等特征，它们对微波的不同频率、入射角及极化方式都呈现出不同的散射特性和穿透性，所以，雷达回波含有多种散射信息。通过分析雷达回波信号的距离延时和多普勒分辨率，可以得到目标上各处的散射强度，再通过数据拟合，就能合成目标在某个时刻的ISAR图像。
在失控之后，尽管存在翻滚动作，天宫一号依然保持着实验舱朝前的姿态飞行。根据雷达成像和数据分析可知，2017年9月前，天宫一号的飞行姿态基本稳定，可从联测确定的空间飞行姿态判断，天宫一号仅沿俯仰方向以非常慢的角速度翻滚，偏航、自旋（滚转）角速度基本为零，说明天宫一号的失稳首先由俯仰方向翻滚开始。此后一段时期，天宫一号围绕地球以椭圆型轨道衰降陨落飞行状态逐渐表现为三轴失稳飞行、转速加快。到2018年1月底左右，三轴失稳最严重，自旋角速度达到最大。之后，天宫一号自旋角速度开始减小，飞行姿态始终呈现为：主体轴与地心径向成一定偏航角度、绕资源舱小头侧旋转俯仰翻滚、实验舱对接台朝前飞行。
当天宫一号的椭圆型轨道衰降飞行高度降至120千米左右时，这里的大气进一步变得越来越稠密。大气与之剧烈摩擦，使其机械能急剧减小，高度快速下降。此时，天宫一号的机械能已经无法维持椭圆型轨道衰降飞行状态，即进入再入损毁阶段，在几十分钟之内就会多次解体，残骸碎片到达地球表面。
摩擦生热使航天器金属桁架结构（合金材料）变形、失效、熔融，复合材料热解、烧蚀、损毁，在气动力、热、急剧减速致速度梯度引起负加速度过载冲击等综合作用下，发生剧烈的破坏解体现象。根据所建立天宫一号无控飞行轨道衰降与再入解体过程飞行航迹实时预报模拟系统，对天宫一号陨落过程进行实时数值预报发现：在120～80千米高度的坠落过程中，将有3个主要的解体破坏现象。
解体后的残骸继续高速飞行并继续多次破坏解体，在这个过程中，大部分结构被超高速气动力热响应变形软化熔融、燃烧分解，但仍然可能有部分难熔残骸或碎片和再凝固氧化物到达地面。
由于进入120千米高度以下的稠密大气层之后，空气阻力变得越来越大，天宫一号此时的飞行姿态为实验舱在前、资源舱在后，太阳能电池帆板位于资源舱两侧。两侧太阳能电池帆板左右对称，像飞机的机翼一样，起到了维持对接台朝前飞行的平衡作用。太阳能电池帆板框架主要用碳纤维复合材料制成，其拉伸强度很高，压缩强度较低，导热性能远不如金属材料。因此在持续的空气摩擦热能集聚作用下，帆板前缘温度上升较快，温度的升高会大幅度降低其机械力学性能，很快就会超过帆板基材的软化温度，这时，复合材料中的基板材料就会变软，力学性能下降。我们可根据天宫一号陨落再入至110～105千米高度范围，视空间飞行姿态不同，帆板前缘温度均超过软化温度，复合材料中的基材力学性能迅速下降，并结合模拟计算相应高度帆板所受到的力和力矩综合考虑，判定天宫一号在110～105千米高度范围发生首次解体。即太阳能电池帆板由于受空气摩擦气动力/热综合作用激波强扰动压缩影响，首先从天宫一号上解体，帆板之间连接框架断裂。
由于两舱体以及对接机构的材料主要为铝合金，熔化温度为933K（约660℃）。主体结构在这个阶段还保持完好。在最前端的对接口处的金属温度较高，在摩擦热的作用下会 烧蚀、后退变薄，但由于其厚度达16毫米，要晚于太阳能电池帆板毁坏。
计算机模拟的20°攻角、太阳能电池帆板10°夹角、110千米高度时的天宫一号表面温度分布。可见实验舱的对接台、太阳能电池帆板升温明显。
天宫一号首次解体结束后，失去了两侧“翅膀”，所形成的两舱结构体（实验舱和资源舱）在空气动力作用下姿态配平。飞行姿态调整为较重且较薄的资源舱朝前、较厚的实验舱在后，飞行至距离地面100～95千米高度，因资源舱底部烧穿，开始发生第二次解体。
与此同时，位于资源舱外的中继天线从两舱结构体上脱落，作为独立部件继续向大气层陨落飞行至97～95千米高度烧毁，其支架在90千米附近高度完全烧毁。假如当时有目击者的话，会看到天宫一号的两舱结构体和中继天线分别形成两个火球一前一后在空 中飞行至少10千米的壮丽场景。计算机模拟的170°攻角、100千米高度的类天宫一号两舱体表面温度、压力分布。可见资源舱外侧和中继天线升温明显，受到的冲击力最大。
此后，天宫一号上的各类部件，相继于83～56千米高度范围经过多次解体，基本不会存留大的残骸。
多次解体会产生尺度不一的碎片，通过研究建立适于不同形状、尺度基于质量自动分布的碎片散布模型，可以预测出碎片残骸的散布范围。根据数值预报结果，天宫一号的残骸碎片最终将落在南太平洋，途经智利附近，核心落区纵向长约1200千米、横向宽约100千米。如果当时位于南美洲南缘的人目击到这一现象，将看到一场“人造流星雨”。
根据天宫一号无控再入解体过程飞行航迹数值预报，天宫一号于2018年4月2日7时54分41秒到达120千米再入大气层，自110千米～105千米～56千米发生多次解体。这与事后美国太空司令部公布的“没有大的残骸落地”、美国联合太空作战中心公布的“天宫一号解体碎片坠落到南太平洋海域”的监测数据相一致。那么，这些碎片残骸造成危害风险是如何评估的呢？
每年从太空进入地球大气层的物质的质量有40000吨，其中不足0.5%（约200吨）是人类产生的物体。根据美国航天局（NASA）制定的安全标准（NSS 1740.14），由一次航天器再入事件中的所有碎片之和确定总的伤亡截面面积，当总伤亡面积小于8平方米时便可以说是安全的。总伤亡概率表示可能被再入的碎片击中的人数。当这个概率小于1/10000时，即要求残骸/碎片落地时，直径大于0.1米的碎片不超过14个，那么风险是可以接受的。中国空气动力研究与发展中心跨流域空气动力学研究团队为此进行了再入仿真分析，最终给出所有碎片的落点信息，以及该碎片再入事件可能导致的伤亡面积和总伤亡概率。
从对天宫一号无控陨落模拟来看，因为天宫一号再入大气层过程多次解体，模拟得到的总伤亡概率约为1/11400，而单个碎片伤亡概率则约为9.8×10-6（约为1/102000），这意味着，单个碎片造成世界上一个人伤亡的概率是1/102000。天宫一号陨落再入大气层解体坠毁对地面基本不构成危害或者风险可以接受。
天宫一号的回家之路看似“自由落体”，其实并不平凡。对一个失控的航天器进行连续追踪观测和预计风险评估，都有相关的技术在后方作支撑。由于空间环境的复杂性，影响因素多种多样，国外的一些机构尽管能观测到天宫一号的轨道数据，但由于不了解它的详细结构特点，只能粗略估计，而且更多是基于外测轨道数据拟合阻力系数与迎风面积进行轨道外推预测。然而，失之毫厘，谬以千里。这就是当时多家国外机构所做的最终预测结果各执一词的原因。
2018年4月1日凌晨5:25，天宫一号过境北京，在晨光尚未亮起的天空中留下一道轨迹。此时，它距离地面的高度已经不足180千米。
我国的航天工作者掌握着天宫一号的全部技术参数与结构特点，因此，可以研制天宫一号无控飞行轨道衰降与再入飞行航迹预报模拟系统，更为准确地计算出它的再入轨迹，也可以预见具体的解体阶段细节，从而为航天器坠落到地表造成的影响作出最为科学的评估。通过雷达成像、光学自适应图像等测量手段，估计确定天宫一号在某一时刻的空间位置、速度及飞行姿态等参数，结合空间环境的影响因素，建立起融合空气动力的轨道计算，并实时推进。通过计算天宫一号从椭圆形轨道转为临界亚轨道，可以预测得到其陨落再入点的位置、速度、姿态等参数，为陨落再入解体分析提供输入，逐渐将不确定的无控陨落变为主动预报。这也为天宫二号的运维、后续陨落再入预报和未来的空间站建设积累了宝贵的经验。
本文已发表于《科学世界》杂志
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