天宮一號(hào)再入大氣層在即 精確測軌如何實(shí)現(xiàn)？

　　3月30日，中國載人航天工程官方網(wǎng)站發(fā)布公告顯示，天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器平均高度已下降至189.5公里的軌道上，近地點(diǎn)高度約181.8公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度約197.2公里、傾角約42.68度。《中國科學(xué)報(bào)》記者查實(shí)，2017年3月13日起該網(wǎng)站每周發(fā)布天宮一號(hào)飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)，到今年3月14日開始每天發(fā)布。

　　根據(jù)軌道預(yù)報(bào)，天宮一號(hào)將于北京時(shí)間4月1日前后一天，即3月31日至4月2日期間再入大氣層。這些數(shù)據(jù)的獲得，離不開激光測軌技術(shù)的支持。

　　復(fù)雜因素影響軌道計(jì)算

　　軌道計(jì)算，是獲得天體運(yùn)動(dòng)軌道的方法之一。理論上，在最簡單的模型中，只需已知天體的速度和質(zhì)量，利用開普勒第二定律和萬有引力定律便可獲得天體運(yùn)動(dòng)軌道。

　　軌道計(jì)算應(yīng)用的歷史可以追溯到17世紀(jì)，最經(jīng)典的例子是海王星的發(fā)現(xiàn)。1846年，一名法國天文學(xué)家在對天王星運(yùn)行的實(shí)際觀測中發(fā)現(xiàn)了偏差。經(jīng)過計(jì)算，他發(fā)現(xiàn)了天王星后面的一顆新行星的運(yùn)動(dòng)軌道、質(zhì)量和當(dāng)時(shí)的位置。這顆新行星便是海王星。而通過運(yùn)動(dòng)軌道計(jì)算，科學(xué)家將能夠推算某一時(shí)間點(diǎn)天體的準(zhǔn)確位置。中國航天科技集團(tuán)航天設(shè)計(jì)師、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心博士錢航告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，考慮大氣層的摩擦阻力，對衛(wèi)星軌道的計(jì)算及位置預(yù)測更加復(fù)雜。

　　“天宮一號(hào)在軌道衰減中，距離地面越近，大氣層越稠密，航天器受到的摩擦阻力越大。”錢航表示，“理論上對天宮一號(hào)運(yùn)動(dòng)軌道的預(yù)測必須考慮它的質(zhì)量、大氣層摩擦阻力以及其面積和質(zhì)量的比值等參數(shù)。”

　　激光測距：監(jiān)控新利器

　　當(dāng)理論預(yù)測無法準(zhǔn)確獲知航天器運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，要想準(zhǔn)確控制航天器，就必須進(jìn)行嚴(yán)密的跟蹤和精確定位。

　　中國科學(xué)院國家天文臺(tái)長春人造衛(wèi)星觀測站(以下簡稱“長春人衛(wèi)站”)站長劉承志向《中國科學(xué)報(bào)》記者介紹，衛(wèi)星激光測距是通過測量激光信號(hào)從地面站到空間目標(biāo)的往返時(shí)間，獲得空間目標(biāo)距離信息的技術(shù)，精度遠(yuǎn)高于光電觀測和雷達(dá)技術(shù)，但受天氣影響大。

　　天宮一號(hào)上的角反射器為激光測距提供了良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。2016年3月，天宮一號(hào)所處軌道高度約400公里，長春人衛(wèi)站從那時(shí)起積極開展了對天宮一號(hào)的跟蹤與監(jiān)測，共獲得100余圈的高精度激光測距資料，為其精密定軌發(fā)揮重要作用。

　　目前，長春人衛(wèi)站激光測距技術(shù)已進(jìn)入國際先進(jìn)行列。據(jù)《科學(xué)通報(bào)》于2017年第24期發(fā)表論文《天宮一號(hào)飛行器失效后激光測距實(shí)驗(yàn)分析》，2016年3至5月期間，長春人衛(wèi)站聯(lián)合上海天文臺(tái)佘山觀測站、紫金山天文臺(tái)等對天宮一號(hào)進(jìn)行的激光測距實(shí)驗(yàn)顯示，精度可以達(dá)10 厘米。并且，基于激光測距的軌道預(yù)報(bào)誤差小于100米。

　　劉承志介紹，長春人衛(wèi)站天宮一號(hào)激光測距的最新數(shù)據(jù)于今年3月8日獲得。“但最近幾天由于長春天氣不好，軌道低且白天經(jīng)過測站，沒有得到數(shù)據(jù)。”他說。

　　科學(xué)研究碩果累累

　　2011年9月天宮一號(hào)成功發(fā)射，設(shè)計(jì)壽命兩年，實(shí)際在軌四年半，超期服役并開展多項(xiàng)拓展技術(shù)試驗(yàn)。

　　天宮一號(hào)在在軌運(yùn)行1630天里，開展多項(xiàng)拓展技術(shù)試驗(yàn)及科學(xué)研究，為空間站建設(shè)運(yùn)營和載人航天成果應(yīng)用推廣積累了重要經(jīng)驗(yàn)。

　　錢航介紹，天宮一號(hào)完成了神舟八號(hào)、九號(hào)、十號(hào)三次交會(huì)對接任務(wù)，突破了很多關(guān)鍵技術(shù)，包括組合體控制技術(shù)以及在軌飛行生命保障技術(shù)等。六名航天員參與的多項(xiàng)航天醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)也在天宮一號(hào)中展開。

　　據(jù)中國載人航天官方網(wǎng)站報(bào)道，天宮一號(hào)還完成了地球環(huán)境監(jiān)測及空間環(huán)境探測、復(fù)合膠體晶體生長實(shí)驗(yàn)等任務(wù)。時(shí)任空間站工程空間應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師的張善從在接受媒體采訪時(shí)曾介紹，利用天宮一號(hào)裝載的高光譜成像儀獲得的數(shù)據(jù)，我國首次對甘肅、新疆、內(nèi)蒙和青海地區(qū)進(jìn)行礦產(chǎn)填圖和油氣探測，首次利用數(shù)據(jù)進(jìn)行海水污染探測。“復(fù)合膠體晶體實(shí)驗(yàn)則通過天地的比對實(shí)驗(yàn)，為未來空間材料、地面新材料的制備奠定了良好的基礎(chǔ)。”張善從說。

　　我國首次太空授課在天宮一號(hào)上進(jìn)行，錢航作為此次太空授課中央電視臺(tái)直播嘉賓，為女航天員王亞平在太空中的課程做了地面對比實(shí)驗(yàn)。錢航表示：“許多科研人員都對天宮一號(hào)有著很深的感情。再過一天左右，天宮一號(hào)將再入大氣層燒毀，它為中國載人航天發(fā)展做出的重大貢獻(xiàn)將永載史冊。”