流星雨總是給人美好又浪漫的遐想。當明亮的火流星劃過天際時，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，還是超過壽命或因為故障不受控制再入地球的航天器，在穿越地球濃密的大氣層時都會因為劇烈的摩擦達到很高的溫度，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稱的外形且重心在它的對稱軸上，在重返大氣層的過程中，航天器只受到氣動阻力和重力的作用，降落過程中基本上不產生垂直于飛行方向的升力。這種再入方式的特點是再入過程比較快，但飛行器上承受因減速帶來的超重較大，大多數的彈道導彈、我國的返回式衛(wèi)星和前蘇聯的東方號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稱的外形，其重心也與其對稱軸有一定距離，因此在其穿越大氣層的過程中，飛行方向與對稱軸之間有一定的夾角，從而產生一定的升力，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控制落點，提高著陸精度。例如我國的神舟飛船、俄羅斯的聯盟號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，整個航程雖達到上萬公里，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間較長，大氣摩擦加熱產生的總熱量很高，因此需要更為可靠的航天器防熱系統(tǒng)。
神舟十一號返回艙著陸
像航天飛機這樣的帶翼航天器可以進行升力式再入。由于機翼可以產生較大升力，所以這種方式再入過程中航天器的機動能力是最強的，可以在很大范圍內選擇落點，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難度也最大，對于飛行器防熱系統(tǒng)的要求也最高。
二、無控航天器再入
對于那些已經超過服役壽命，或者因為發(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子級來說，如果它們的彈道或軌道的近地點足夠低，最終的命運也是再入大氣層。而是否會落到地面或海上則要根據它的軌跡、尺寸和組成綜合判斷。
對于已經進入軌道的火箭末子級和失去控制的衛(wèi)星來說，影響其再入大氣層的因素主要有兩點：航天器軌道的近地點高度以及面質比。如果航天器的近地點足夠高，由于大氣層的密度隨高度變化非常快，超過500公里的衛(wèi)星很難在短期內再入大氣層；另一個影響航天器從正常軌道到再入的重要參數是面質比，指航天器迎風的面積與它的質量之比，這個數值越大，大氣阻力產生的作用也越大，航天器也越容易掉下來。失控衛(wèi)星再入的時間是非常難以預報的，這是由于人類對高層大氣密度的預報本身就不是很準，而高層大氣密度受各種因素影響，特別是受太陽活動的影響非常大，有時甚至可以相差上百倍。
對于無控航天器而言，即便知道它的準確重量，由于航天器的姿態(tài)不受控，其迎風面積大小也難于確定，所以，當航天器的高度很低時，大氣阻力的影響是最難估計的。目前，各國均不具備準確預測的能力，一般在最后2小時才能確定空間物體的再入時間，并將再入區(qū)域確定在長度為12000千米的范圍內。軌道預報的時間越長，其準確性越差，對于失控航天器而言，一般只有再入大氣層前的最后幾圈才能有相對準確的預報。美國歷史上的天空實驗室1號，就是因為對大氣密度的變化過于樂觀，導致其預報的在軌時間遠低于實際在軌時間。
航天器再入過程中會受到很大的氣動力和氣動加熱，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。例如前蘇聯的宇宙系列核動力衛(wèi)星曾失控落在加拿大，造成了一定的核污染；而哥倫比亞號航天飛機在再入過程中失事，一些耐高溫的部件也完整地掉到了地面。
前蘇聯核動力衛(wèi)星宇宙954號隕落加拿大西北部
無控航天器的隕落區(qū)域是不可控的，其隕落時間和區(qū)域范圍也難以準確預報，因此除美國的龍飛船可以回收外，世界上其它的貨運飛船都采用先受控離軌、再無控隕落的方式結束其使命。我國的天舟貨運飛船、俄羅斯的進步號飛船、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控制精度不高，通常選擇南太平洋的廣大海域作為落點，這里在數千公里范圍內沒有任何島嶼，即使落點精度不太準確也不會造成破壞。比如前蘇聯/俄羅斯的和平號空間站先通過進步號貨運飛船的發(fā)動機制動離軌后再入大氣層，由于和平號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。
天舟一號示意圖
對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解體，且有部分碎片會落下來。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物損失的可能性也不大。每年由外空再入地球大氣層的質量約有40000噸，只有不足0.5%是人類產生的空間物體。據NASA統(tǒng)計，僅2014年就有超過600個失效衛(wèi)星、廢棄火箭末級和其他碎片再入地球大氣，總質量超過100噸，沒有收到人員傷害或財產損失的報告。所以雖應密切關注，但也不必杞人憂天。
