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剛剛天宮一號墜落 而中國空間站即將騰飛!

2018-4-2 13:42:25 新聞來源:重慶新聞網

   經北京航天飛行控制中心和有關機構監測分析,北京時間今早8時15分左右,在太空中飛行了六年半的天宮一號目標飛行器已再入大氣層,再入落區位于南太平洋中部區域,絕大部分器件在再入大氣層過程中燒蝕銷毀,結束它的歷史使命。

 

  而與此同時,就在幾天之前,中國新一代空間站的核心艙已對外首次公開,預計將在2020年前后利用長征5B火箭發射升空,之后再經過幾十次的發射組裝,中國就將迎來屬于自己的“空間站時代”。可以說,此時此刻的這一時間點就像預定好的巧合串聯起了中國空間站事業的崛起歷程。

 

  自從人類在1957年發射了第一顆人造地球衛星之后,宇宙空間就開始變得熱鬧起來了。直到今日,人類已經發射了近萬顆航天器,其中約有90%都是人造衛星,而這些航天器大部分都分布在距離地表300km~1000km的近地軌道上。而在這些航天器完成工作任務、壽命到期后,它們就會在萬有引力的作用下不斷脫離原本運行的軌道,因軌道衰減而逐漸向地球靠攏,最終在進入大氣層的過程中焚毀殆盡。

 

  具體而言,航天器從進入大氣層到最終解體總共分為三個步驟:大型設備的分離解體、航天器的解體、碎片燒盡。結合地面測控系統和對進入大氣層航天器的參數了解,我們是可以對這些重返地球的“小家伙”的軌道進行粗略的測量和掌控的。

 

  1、大型設備的分離解體

 

  目前國際公認的大氣層的高度為距離地球表面100公里的卡門線,而當墜落的航天器開始降到這一高度時,安裝在航天器外部的太陽電池板、大型天線等設備就會開始被逐漸濃厚的大氣所阻隔撕扯。在強大的阻力和劇烈的氣動摩擦中,上述這些部件會從航天器的主體結構上不斷脫落,不過,值得注意的是,這些部件絕大部分最終都不會降落到地面,它們的結局就是在大氣層中被燒蝕掉。

 

  2、航天器的解體

 

  隨著墜落航天器高度的進一步降低,在到達距地面約80公里的高空時,剩余的航天器收到氣動摩擦和氣動熱的作用會越來越明顯,在高溫和大氣阻力的雙重作用之下,航天器的主體將會發生嚴重的解體,內外部設備將會分離,解體后的碎片會在墜落的過程中被持續地燒蝕加熱。如果航天器在經歷這一階段的過程中依然攜帶有剩余的燃料,那么由此引發的爆炸將會進一步加快航天器的解體和燃燒的速度。

 

  3、碎片燒盡

 

  解體后的航天器碎片繼續下落,它們繼續受到氣動熱和氣動力的雙重作用而不斷燃燒融化,其中絕大部分都會在到達地表之前消耗殆盡,不會對人類產生影響。只有兩類碎片最終會落在地面上,一是少量難以被燒蝕掉的部件;二是一些質量較小的碎片,它們在燒盡前就已經將速度降到很低,最終飄落到地面。

 

  相比較于此前15——20噸的禮炮系列空間站、美國77噸的天空實驗室以及140噸的和平號空間站,這次墜落的天宮一號重量約8.5噸,稱不上什么“龐然大物”,所以就更不會對人類造成什么危害或影響了。

 

  事實上,從20世紀60年代到現在,共計約有15000噸以上的航天器殘骸墜落回地球,但從未傷害到人口密集地區的居民。歷史上墜落殘骸距離人類最近的一次還算得上是1997年美國火箭的第二機碎片墜落,當時是與俄克拉荷馬市的LottieWilliams擦肩而過,所幸并沒有擊中,當事人也沒有受傷。

 

  根據粗略的估算,普通人一生中被雷劈的可能性是1.2萬分之一,在流星雨爆發的時間段,每小時約有1000~20000顆隕石落向地球,在這種情況下,普通人被200g以上的隕石砸中的概率只是7億分之一,而相較之下,普通人被天宮一號這樣的航天器碎片所擊中的概率僅有大到一百萬分之一,小到一萬億分之一,簡直是比中彩票的幾率還要渺茫。

 

  砌筑天宮

 

  1992年9月,我國確定了載人航天“三步走”的發展戰略:

 

  第一步,發射載人飛船,建成初步配套的試驗性載人飛船工程,開展空間應用實驗;

 

  第二步,突破航天員出艙活動技術、空間飛行器的交會對接技術,發射空間實驗室,解決有一定規模的、短期有人照料的空間應用問題;

 

  第三步,建造空間站,解決有較大規模的、長期有人照料的空間應用問題。

 

  隨著神舟五號和神舟六號飛行任務的成功,標志工程第一步任務目標的實現。而神舟七號飛行任務的成功,標志著我國掌握了航天員空間出艙活動關鍵技術。

 

  2011年9月29日21時16分03秒,天宮一號目標飛行器從酒泉衛星發射中心發射升空,在在軌運行的1630天里,天宮一號不但完成了既定使命任務,還超出原本兩年的設計壽命,實際在軌四年半,超期服役并開展多項拓展技術試驗。2016年3月16日,天宮一號目標飛行器正式終止數據服務,全面完成了歷史使命。

 

  作為我國首個自主研制的載人空間試驗平臺,天宮一號全長10.4米,最大直徑3.35米,內部有效使用空間約15立方米。2011年11月3日,天宮一號與神舟八號飛船成功完成我國首次空間飛行器自動交會對接任務,并進行了二次自動交會對接。在此之后,天宮一號出色地完成了與另外兩艘神舟飛船4次交會對接的使命。

 

  天宮一號與神舟八號和神舟九號交會對接任務的成功,標志著我國突破和掌握了自動和手動控制交會對接技術,成為世界上第三個獨立掌握航天器空間交會對接技術的國家;神舟十號飛行任務是工程第二步第一階段任務的收官之戰。

 

  2016年9月15日22時04分09秒,我國又發射了天宮二號空間實驗室,這也是中國第一個真正意義上的空間實驗室。空間實驗室是開展空間試驗活動的載人航天飛行器,在規模上要小于空間站,是空間站的雛形。天宮二號采用實驗艙和資源艙兩艙構型,全長10.4米,最大直徑3.35米,太陽翼展約18.4米,重8.6噸,設計在軌壽命2年。2016年10月19日3時31分,神舟十一號飛船與天宮二號自動交會對接成功。

 

  由于天宮一號和天宮二號的優異表現,我國已經取消了原本將發射的天宮三號計劃,準備直接建造“天宮”空間站,而前不久首次對外曝光的空間站核心艙則是我國載人航天“三步走”戰略的第三步——建造空間站的關鍵起點,這個核心艙一共布了300多個傳感器,測量900多路信號。根據了解,中國空間站整體呈T字構型,由一個核心艙和兩個實驗艙組成,每個艙的重量都在20噸以上,它可以同時對接兩艘載人飛船(“神舟”號飛船)、一艘貨運飛船(“天舟”號飛船)。等到2022年整個空間站投入全面運營之后,其重量將會達到接近100噸。

 

  中國載人空間站整體名稱及各艙段和貨運飛船共5個名稱具體如下:

 

  載人空間站命名為“天宮”,代號“TG”;

 

  核心艙命名為“天和”,代號“TH”;

 

  實驗艙Ⅰ命名為“問天”,代號“WT”;

 

  實驗艙Ⅱ命名為“夢天”,代號“MT”;

 

  貨運飛船命名為“天舟”,代號“TZ”。

 

  隨著我國空間站時代的即將到來,航天員已全面開展空間站任務訓練,第三批航天員選拔工作已經準備就緒。

 

  商業化來襲,全球空間站迎來新氣息

 

  近年來,各種成功的商業航天公司已經拉近了大眾與太空之間的距離。而除了SpaceX之類的火箭發射和其與OneWeb那樣雄心勃勃的太空星座計劃之外,各種“軟硬兼施”的空間站項目也備受矚目,其中就以畢格羅宇航公司(BigelowAerospace)的充氣式空間站最為知名。

 

  畢格羅宇航公司是由美國旅館業大亨RobertT。Bigelow于1999年創建,目前共有Genesis、BEAM和B330三款產品。同傳統空間站相比,充氣式空間站具有重量輕、折疊效率高、展開可靠、工程實施方便等優點,是未來解決空間站擴展艙體、大型空間居住艙建造問題的有效途徑之一。

 

  2016年4月,畢格羅公司的試驗可擴展模塊BEAM經由SpaceX被運送至國際空間站,展開為期兩年的測試,根據了解,BEAM充氣展開后能提供16立方米的空間。目前為止,BEAM在軌道上的表現還算不錯,其輻射屏蔽性能相較于傳統鋁制模塊也是有過之而無不及。這意味著畢格羅公司接下來可以將其真正的大體積空間站模塊B330送入太空了。

 

  與BEAM的狹小拘謹不同,B330內部空間有330立方米,約占整個國際空間站的三分之一。畢格羅公司已經組裝了幾個不同的B330全尺寸原型,并在對其進行質量測試。與此同時,畢格羅公司還與美國聯合發射同盟公司(UnitedLaunchAlliance,ULA)達成合作,準備用他們的宇宙神-5火箭(AtlasV)將B330送入太空。

 

  前不久,畢格羅公司又有了進一步的消息,他們拆分出了一家名叫BSO的商業航天公司,目的是為正在開發的充氣式空間站提供銷售、運營和客戶服務支持。根據畢格羅公司CEO畢格羅的介紹,隨著國際空間站在2025~2028年結束運營,近地軌道的空間站業務將迎來一輪新的高潮,而民營企業將在其中扮演重要的角色。

 

  為了抓住這個契機,畢格羅公司準備打造一個龐大的太空綜合體,首批項目為B330-1和B330-2,預計發射時間為2021年。為實現這一目標,BSO還計劃在佛羅里達州或阿拉巴馬州建立一座新的制造工廠。

 

  而我國也在開展類似的充氣式空間站的研發項目,中國航天科技集團公司五院總體部已經順利完成了充氣式太空艙結構水壓試驗。掌握了充氣式太空艙的設計、工藝方法,并完成了直徑2米、長度近4米的艙體結構研制工作。

 

  除了畢格羅之外,還有一家名為AxiomSpace的公司則計劃基于國際空間站打造一座更加傳統的鋁制艙段空間站。打造此商業空間站需耗成本15億美元,遠遠低于國際空間站的1000億美元成本,根據規劃,該商業空間站預計將在2024年完工,屆時國際空間站將停止使用。

 

  當然,除了這種商業公司的計劃之外,美國官方的空間站也沒有停止。美國國內曾有些人提出將國際空間站轉交給商業公司運營,目前看來,這一可能性依舊存在。今年2月12日,特朗普政府公布2019財年預算案,其中為NASA撥款高達199億美元。

 

  根據此次的預算內容中,有兩個征兆已經非常明顯:首先是國際空間站轉向“私有化”,其次是特朗普政府針對月球計劃的支持。NASA將持續推進名為“月球軌道平臺門戶”(LunarOrbitPlatform-Gateway)的月球軌道空間站的建造計劃,以替代掉之前提出的“深空之門”(DeepSpaceGateway)空間站。

 

  再放眼全球,除美國以外,俄羅斯也有在國際空間站退役以后建造自己的空間站的計劃,除了不靠譜的“和平2號”之外,他們還提出了被稱為俄羅斯軌道站(ROS)的空間站計劃,它以科學號多用途實驗艙、節點艙以及科學能源模塊等三個艙段為核心。但以目前俄羅斯的國內狀況而言,他們獨立自主扛起ROS的可能性并不大,或許與美國一起參與到地月空間站項目更為現實。

 

  當然,歐洲在這方面也不太會落下,德國航天局曾公布名為Orbital-Hub的空間站設計方案,它以歐空局的空間站技術為基礎,加上畢格羅公司的B330充氣艙擴充居住空間,外帶艙外載荷擴展,設計也十分巧妙。這樣看來,我們的天宮未來并不會孤單。

 

  如果上述大大小小的空間站計劃都能如期進行的話,那我們頭頂這片天空將會迎來前所未有的熱鬧場景,借助商業的力量,越來越多的普通乘客都有可能會實現他們的太空旅行夢想。在更遙遠的未來,這些在近地軌道運行的數量眾多的大型空間站將成為人類前往火星和深空的跳板,幫助我們探索更遠的星際。

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