流星雨總是給人美好又浪漫的遐想。當(dāng)明亮的火流星劃過天際時(shí)，即使在城市中的人也有可能看到。然而，人類也有可能制造另一類“火流星”——航天器再入。無論是受控返回地球的返回式衛(wèi)星、飛船和航天飛機(jī)，還是超過壽命或因?yàn)楣收喜皇芸刂圃偃氲厍虻暮教炱?，在穿越地球濃密的大氣層時(shí)都會(huì)因?yàn)閯×业哪Σ吝_(dá)到很高的溫度，發(fā)出明亮的光芒，看起來就像是“火流星”一樣。

一、受控航天器再入

對(duì)于受控再入的航天器而言，一般分為彈道式再入、半彈道式再入和升力式再入。

采用彈道式再入的航天器多為軸對(duì)稱的外形且重心在它的對(duì)稱軸上，在重返大氣層的過程中，航天器只受到氣動(dòng)阻力和重力的作用，降落過程中基本上不產(chǎn)生垂直于飛行方向的升力。這種再入方式的特點(diǎn)是再入過程比較快，但飛行器上承受因減速帶來的超重較大，大多數(shù)的彈道導(dǎo)彈、我國的返回式衛(wèi)星和前蘇聯(lián)的東方號(hào)飛船都采用這種方式再入大氣層。

半彈道式再入的航天器即便采用軸對(duì)稱的外形，其重心也與其對(duì)稱軸有一定距離，因此在其穿越大氣層的過程中，飛行方向與對(duì)稱軸之間有一定的夾角，從而產(chǎn)生一定的升力，可以有效減小再入過程中的超重，降低熱流密度，并可利用升力在一定范圍內(nèi)控制落點(diǎn)，提高著陸精度。例如我國的神舟飛船、俄羅斯的聯(lián)盟號(hào)飛船和美國的阿波羅飛船等都采用這種方式再入。從離開原軌道直至返回地面，整個(gè)航程雖達(dá)到上萬公里，但有效減小了宇航員承受的過載，使得宇航員感覺更輕松。此種再入方式穿越大氣層的飛行時(shí)間較長，大氣摩擦加熱產(chǎn)生的總熱量很高，因此需要更為可靠的航天器防熱系統(tǒng)。

神舟十一號(hào)返回艙著陸

像航天飛機(jī)這樣的帶翼航天器可以進(jìn)行升力式再入。由于機(jī)翼可以產(chǎn)生較大升力，所以這種方式再入過程中航天器的機(jī)動(dòng)能力是最強(qiáng)的，可以在很大范圍內(nèi)選擇落點(diǎn)，宇航員所承受的過載也最小，感覺“最舒服”。但這種再入方式的技術(shù)難度也最大，對(duì)于飛行器防熱系統(tǒng)的要求也最高。

二、無控航天器再入

對(duì)于那些已經(jīng)超過服役壽命，或者因?yàn)榘l(fā)生故障失去控制的航天器，以及發(fā)射火箭過程中用完的各個(gè)子級(jí)來說，如果它們的彈道或軌道的近地點(diǎn)足夠低，最終的命運(yùn)也是再入大氣層。而是否會(huì)落到地面或海上則要根據(jù)它的軌跡、尺寸和組成綜合判斷。

對(duì)于已經(jīng)進(jìn)入軌道的火箭末子級(jí)和失去控制的衛(wèi)星來說，影響其再入大氣層的因素主要有兩點(diǎn)：航天器軌道的近地點(diǎn)高度以及面質(zhì)比。如果航天器的近地點(diǎn)足夠高，由于大氣層的密度隨高度變化非?？?，超過500公里的衛(wèi)星很難在短期內(nèi)再入大氣層；另一個(gè)影響航天器從正常軌道到再入的重要參數(shù)是面質(zhì)比，指航天器迎風(fēng)的面積與它的質(zhì)量之比，這個(gè)數(shù)值越大，大氣阻力產(chǎn)生的作用也越大，航天器也越容易掉下來。失控衛(wèi)星再入的時(shí)間是非常難以預(yù)報(bào)的，這是由于人類對(duì)高層大氣密度的預(yù)報(bào)本身就不是很準(zhǔn)，而高層大氣密度受各種因素影響，特別是受太陽活動(dòng)的影響非常大，有時(shí)甚至可以相差上百倍。

對(duì)于無控航天器而言，即便知道它的準(zhǔn)確重量，由于航天器的姿態(tài)不受控，其迎風(fēng)面積大小也難于確定，所以，當(dāng)航天器的高度很低時(shí)，大氣阻力的影響是最難估計(jì)的。目前，各國均不具備準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的能力，一般在最后2小時(shí)才能確定空間物體的再入時(shí)間，并將再入?yún)^(qū)域確定在長度為12000千米的范圍內(nèi)。軌道預(yù)報(bào)的時(shí)間越長，其準(zhǔn)確性越差，對(duì)于失控航天器而言，一般只有再入大氣層前的最后幾圈才能有相對(duì)準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。美國歷史上的天空實(shí)驗(yàn)室1號(hào)，就是因?yàn)閷?duì)大氣密度的變化過于樂觀，導(dǎo)致其預(yù)報(bào)的在軌時(shí)間遠(yuǎn)低于實(shí)際在軌時(shí)間。

航天器再入過程中會(huì)受到很大的氣動(dòng)力和氣動(dòng)加熱，但如果航天器的部件可以耐受再入加熱，或者某些部件有防熱措施，則部分部件有可能隕落到地面。例如前蘇聯(lián)的宇宙系列核動(dòng)力衛(wèi)星曾失控落在加拿大，造成了一定的核污染；而哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)在再入過程中失事，一些耐高溫的部件也完整地掉到了地面。

前蘇聯(lián)核動(dòng)力衛(wèi)星宇宙954號(hào)隕落加拿大西北部

無控航天器的隕落區(qū)域是不可控的，其隕落時(shí)間和區(qū)域范圍也難以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，因此除美國的龍飛船可以回收外，世界上其它的貨運(yùn)飛船都采用先受控離軌、再無控隕落的方式結(jié)束其使命。我國的天舟貨運(yùn)飛船、俄羅斯的進(jìn)步號(hào)飛船、歐空局的ATV、日本的HTV和美國的天鵝座等都采用這種方式，此種情況下航天器落點(diǎn)控制精度不高，通常選擇南太平洋的廣大海域作為落點(diǎn)，這里在數(shù)千公里范圍內(nèi)沒有任何島嶼，即使落點(diǎn)精度不太準(zhǔn)確也不會(huì)造成破壞。比如前蘇聯(lián)/俄羅斯的和平號(hào)空間站先通過進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船的發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)離軌后再入大氣層，由于和平號(hào)空間站重量超過一百噸，有大量碎片無法燒蝕，散落在南太平洋海域。

天舟一號(hào)示意圖

對(duì)于尺寸較大而又不受控的航天器，可以肯定它在再入過程中會(huì)解體，且有部分碎片會(huì)落下來。但由于地球表面70%的面積都是海洋，而人口稠密區(qū)域在陸地上占的比例不大，從而造成地面人員和財(cái)物損失的可能性也不大。每年由外空再入地球大氣層的質(zhì)量約有40000噸，只有不足0.5%是人類產(chǎn)生的空間物體。據(jù)NASA統(tǒng)計(jì)，僅2014年就有超過600個(gè)失效衛(wèi)星、廢棄火箭末級(jí)和其他碎片再入地球大氣，總質(zhì)量超過100噸，沒有收到人員傷害或財(cái)產(chǎn)損失的報(bào)告。所以雖應(yīng)密切關(guān)注，但也不必杞人憂天。