Tiangong-1 styrt - hvorfor det er så svært at forudsige, hvor rumaffald vil lande, og hvad der kan gøres ved det

Den nu hedengangne ​​kinesiske rumstation Tiangong-1 er på vej til at styrte ind i Jorden - ved at afslutte sin "atmosfæriske genindtræden". Mens eksperter har været klar over, at dette ville ske i mere end et år, der har været stor usikkerhed omkring det præcise tidspunkt. Efterhånden som stationens orbitale højde er faldet, imidlertid, denne usikkerhed er gradvist reduceret, og det er nu muligt at fastslå, at den vil vende tilbage i løbet af få dage.

Det meste af den 8,5 tons tunge station vil brænde op og gå i opløsning, når den passerer gennem atmosfæren, selvom noget affald kan ramme Jorden. Og selvom vi har evnen til præcist at kontrollere et rumfartøj som Rosetta – der kredsede et par km væk fra kometen 67P, mens det var 405 m væk fra Jorden og rejste ved 55, 000 km i timen – vi kan faktisk ikke forudsige tid og sted for Tiangong-1's potentielle indvirkning på Jorden, på trods af at den kun er 200 km over os.

Men hvorfor er det så svært, og vil videnskaben en dag hjælpe os med at klare sådanne forudsigelser?

Newtons love fortæller os, at satellitter kredser om Jorden i perfekt cirkulære eller elliptiske baner, gentage deres vej igen og igen (forudsat at tyngdekraften er den eneste kraft, der virker på dem). Imidlertid, dette er ikke sandt i lave højder, sig under 1, 000 km, fordi satellitten så bevæger sig gennem jordens atmosfære. Dette forårsager "aerodynamisk modstand" (luftmodstand) - en kraft, der modarbejder satellittens hastighed, som effektivt forvandler kredsløbet til en nedadgående spiral mod Jordens overflade.

I teorien, vi kan beregne træk perfekt for at forudsige en satellits vej. Dette kan gøres ved hjælp af en ligning, der afhænger af satellittens hastighed ( v² ), atmosfærens tæthed ( ρ ), en numerisk koefficient, der afhænger af satellittens form og dens orientering i forhold til luftstrømmen ( C ), og objektets område ( EN ). For de interesserede, ligningen er: D =½ × C × ρ × EN × v² . Men du behøver ikke at forstå ligningen for at forstå, hvorfor det er så svært at beregne luftmodstand.

Rumfartøjets hastighed er let at måle nogenlunde nøjagtigt ved hjælp af observationer. Imidlertid, de andre parametre er meget usikre – hvilket gør det svært at bestemme Tiangong-1's vej. For køretøjer som biler og fly, C kan estimeres teoretisk eller med computational fluid dynamics og måles eksperimentelt i en vindtunnel. Hovedproblemet her er, at Tiangong-1's form er kompleks, og objektet er ukontrolleret og tumler kaotisk, resulterer i en konstant forandring C .

Den anden ukendte er atmosfærens tæthed, som aftager med højden. Imidlertid, især i store højder, dette varierer på grund af en række uforudsigelige faktorer – hvoraf den vigtigste er solaktiviteten.

Solens magnetiske aktivitet følger en 11-årig cyklus, hvilket resulterer i en periodisk stigning og reduktion af mængden af ​​udsendt stråling og ladede partikler. Disse interagerer med en del af jordens atmosfære kaldet ionosfæren, ændre dens tæthed. En god indikator for solaktivitet er antallet af observerede solpletter. Men mens solcyklussen kan overvåges, aktivitetsniveauet ændrer sig også uforudsigeligt, fører til uforudsigelige ændringer i atmosfærens tæthed.

En anden vigtig faktor er, at satellitten vil gå i opløsning og brænde i løbet af de sidste faser af reentry, tilføjer yderligere usikkerhed til alle udtryk i trækformlen.

Dette forklarer, hvorfor det er næsten umuligt at forudsige et nedslagspunkt (eller område) langs satellitbanen. Det sagt, du kan få en nogenlunde idé om området for sandsynlig påvirkning, baseret på hældningen af ​​rumfartøjets kredsløb. Vi ved, at Tiangong-1's kredsløb kun sætter den i stand til at genindtræde mellem breddegrader -43 (nord) og +43 (syd) grader omkring ækvator. Som du kan se på kortet ovenfor, dette fører til et udvidet bånd af sandsynlige påvirkninger, hovedsageligt syd for ækvator.

Teknologiske forbedringer

For at forhindre ophobning af affald i kredsløb om Jorden, som kan udgøre en trussel mod rumfartøjer og satellitter, Det anbefales nu, at satellitter i lav kredsløb om Jorden beordres til at komme ind i Jordens atmosfære igen inden for 25 år efter missionens afslutning.

Det er derfor af stigende betydning at være i stand til at undgå trusler mod befolkning og genstande på Jorden, når disse rumfartøjer styrter ned. Modeller og eksperimentelle data for atmosfærisk luftmodstand bliver løbende forbedret, men det er usandsynligt, at de nogensinde vil nå den nødvendige nøjagtighed til at give os mulighed for at forudsige nøjagtige nedslagspunkter.

I stedet, fremtidige satellitter skal designes med reentry som en afgørende del af missionen. Aktiv og kontrolleret reentry – f.eks. ved at bruge træksejl eller thrustere – kunne mindske usikkerheder og sikre, at satellitten brænder fuldstændigt i atmosfæren, mens den følger en på forhånd nøje beregnet bane.

Satellitter bør også designes og testes således, at under genindtræden, de fragmenteres på en ønsket måde og forårsager ikke en trussel mod Jorden. Dette koncept, analogt med kontrollerede deformationer i biler for at beskytte passagererne i en ulykke, er kendt som "design for demise". Det er ikke noget, der håndhæves i dag.

Der kan altid ske forbedringer i sikkerheden. Men selvom rumfartøjets genindtræden ikke er kontrolleret eller forudsigelig, vi behøver ikke bekymre os om at blive ramt af det. Chancerne for at du bliver ramt er næsten nul, mens chancerne for, at det overhovedet rammer nogen, er omkring en ud af 3, 200.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.