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科学家们刚刚发现了一种追踪失控坠落空间碎片再入大气层的新方法。当这些空间碎片冲入大气层时,会产生音爆,而这种音爆可被通常用于监测地球内部活动的地面仪器——地震传感器——探测到。这并非仅停留在理论层面:约翰斯·霍普金斯大学的行星科学家本杰明·费尔南多和帝国理工学院的工程师康斯坦丁诺斯·查拉兰布斯,已在2024年神舟十五号轨道舱再入事件中验证了假设。
地震传感器收集的数据不仅能精确测量再入事件本身,还能获取其速度、高度范围、尺寸、下降角度及坠落过程中的碎裂时间点等信息。研究人员在论文中写道:“对级联式、倍增式碎裂过程的观测,为理解碎片解体动力学提供了洞见,对空间态势感知和碎片危害缓解具有明确意义。”
空间碎片问题日益严峻。根据欧洲空间局2025年4月的报告,地球轨道上估计有120万块具有潜在危险的空间碎片,且随着更多卫星达到运行寿命终点,这一数字还将持续增长。这类“失效”航天器无法被通信或控制;若其与其他碎片碰撞,或轨道衰减至足以再入大气层,我们只能被动观测。
不过,费尔南多和查拉兰布斯认为,我们的观测能力比想象中更高效。了解再入空间碎片的位置、高度、速度及碎裂方式,有助于更好地理解大气再入动力学,并追踪碎片可能的坠落区域。音爆是物体在介质中以超音速运动时产生的现象,并非单一爆炸声,更像是高速物体后的锥形冲击波尾迹。
从太空进入地球大气层的物体通常以超音速甚至高超音速运动,拖着声学能量锥,沿途观察者可听到轰鸣声。地震传感器本为探测地球内部声学信号设计,但研究人员推断,它们也能追踪坠落空间碎片的声学马赫锥。
2024年4月2日,废弃的神舟十五号轨道舱在南加州上空再入大气层。该轨道舱高2.2米、重1.5吨,足以对航空和地面基础设施构成威胁,是此类追踪技术的理想测试案例。研究人员利用公开的南加州和内华达地震台网,找到了轨道舱经过的马赫锥信..
根据地震数据,轨道舱飞行速度约为25至30马赫,与再入前轨道特征分析的每秒7.8公里(4.8英里)速度一致。坠落初期产生单一大型音爆信号,后期分解为一系列复杂小型音爆信号,与地面观测到的碎裂报告相符。
最终,轨道舱在大气层内无害燃烧殆尽,但研究结果表明,地震台站可有效且精确地追踪再入飞行特征。对于无法完全燃烧的物体,这种方法未来可能帮助定位地面最可能的碎片场。研究人员指出,地震声学方法能更快速、精确地定位地面碎片。
另一个担忧是物体燃烧碎裂时释放的潜在危险气溶胶颗粒扩散。了解这些失效状态过程,有助于科学家模拟颗粒云的扩散位置与方式。目前,失控再入事件仍难以控制,但这项研究展示了利用公开工具观测其坠落过程的方法。该研究已发表于《科学》杂志。





