作者:甘晓 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2018/3/31 15:14:49
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天宫一号再入大气层在即 精确测轨如何实现?

 

3月30日,中国载人航天工程官方网站发布公告显示,天宫一号目标飞行器平均高度已下降至189.5公里的轨道上,近地点高度约181.8公里、远地点高度约197.2公里、倾角约42.68度。《中国科学报》记者查实,2017年3月13日起该网站每周发布天宫一号飞行状态数据,到今年3月14日开始每天发布。

根据轨道预报,天宫一号将于北京时间4月1日前后一天,即3月31日至4月2日期间再入大气层。这些数据的获得,离不开激光测轨技术的支持。

复杂因素影响轨道计算

轨道计算,是获得天体运动轨道的方法之一。理论上,在最简单的模型中,只需已知天体的速度和质量,利用开普勒第二定律和万有引力定律便可获得天体运动轨道。

轨道计算应用的历史可以追溯到17世纪,最经典的例子是海王星的发现。1846年,一名法国天文学家在对天王星运行的实际观测中发现了偏差。经过计算,他发现了天王星后面的一颗新行星的运动轨道、质量和当时的位置。这颗新行星便是海王星。而通过运动轨道计算,科学家将能够推算某一时间点天体的准确位置。中国航天科技集团航天设计师、中国科学院国家空间科学中心博士钱航告诉《中国科学报》记者,考虑大气层的摩擦阻力,对卫星轨道的计算及位置预测更加复杂。

“天宫一号在轨道衰减中,距离地面越近,大气层越稠密,航天器受到的摩擦阻力越大。”钱航表示,“理论上对天宫一号运动轨道的预测必须考虑它的质量、大气层摩擦阻力以及其面积和质量的比值等参数。”

激光测距:监控新利器

当理论预测无法准确获知航天器运动轨迹时,要想准确控制航天器,就必须进行严密的跟踪和精确定位。

中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站(以下简称“长春人卫站”)站长刘承志向《中国科学报》记者介绍,卫星激光测距是通过测量激光信号从地面站到空间目标的往返时间,获得空间目标距离信息的技术,精度远高于光电观测和雷达技术,但受天气影响大。

天宫一号上的角反射器为激光测距提供了良好的实验平台。2016年3月,天宫一号所处轨道高度约400公里,长春人卫站从那时起积极开展了对天宫一号的跟踪与监测,共获得100余圈的高精度激光测距资料,为其精密定轨发挥重要作用。

目前,长春人卫站激光测距技术已进入国际先进行列。据《科学通报》于2017年第24期发表论文《天宫一号飞行器失效后激光测距实验分析》,2016年3至5月期间,长春人卫站联合上海天文台佘山观测站、紫金山天文台等对天宫一号进行的激光测距实验显示,精度可以达10 厘米。并且,基于激光测距的轨道预报误差小于100米。

刘承志介绍,长春人卫站天宫一号激光测距的最新数据于今年3月8日获得。“但最近几天由于长春天气不好,轨道低且白天经过测站,没有得到数据。”他说。

科学研究硕果累累

2011年9月天宫一号成功发射,设计寿命两年,实际在轨四年半,超期服役并开展多项拓展技术试验。

天宫一号在在轨运行1630天里,开展多项拓展技术试验及科学研究,为空间站建设运营和载人航天成果应用推广积累了重要经验。

钱航介绍,天宫一号完成了神舟八号、九号、十号三次交会对接任务,突破了很多关键技术,包括组合体控制技术以及在轨飞行生命保障技术等。六名航天员参与的多项航天医学实验任务也在天宫一号中展开。

据中国载人航天官方网站报道,天宫一号还完成了地球环境监测及空间环境探测、复合胶体晶体生长实验等任务。时任空间站工程空间应用系统副总设计师的张善从在接受媒体采访时曾介绍,利用天宫一号装载的高光谱成像仪获得的数据,我国首次对甘肃、新疆、内蒙和青海地区进行矿产填图和油气探测,首次利用数据进行海水污染探测。“复合胶体晶体实验则通过天地的比对实验,为未来空间材料、地面新材料的制备奠定了良好的基础。”张善从说。

我国首次太空授课在天宫一号上进行,钱航作为此次太空授课中央电视台直播嘉宾,为女航天员王亚平在太空中的课程做了地面对比实验。钱航表示:“许多科研人员都对天宫一号有着很深的感情。再过一天左右,天宫一号将再入大气层烧毁,它为中国载人航天发展做出的重大贡献将永载史册。”

 
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