中國空間站為什么不會掉下來?軌道高度為什么要定在400公里?
目前我國的空間站已經(jīng)官宣,每天繞地球19圈,大約96分鐘繞一圈,每秒的速度為7.8公里左右,也就是2.8~2.9萬千米/小時,速度還是非??斓?。
很多人并不清楚,為什么空間站要飛得這么快,這是因為大多數(shù)的空間站都在距離地球400公里左右的高空,這個高度還是有一些稀薄的空氣,有空氣就有摩擦,如果不保持一定的速度,是會被地球的引力捕捉,墜毀在大氣層里的。
其實空間站都要以這個速度在軌飛行,因為這個速度是第一宇宙速度,達不到這個速度會被地球“吸”回來,而超過這個速度,就會進入外太空。
以目前的技術(shù)來說,空間站每天會掉下來70-120米左右…如果一直不修正軌道,大概3年左右就徹底墜落了…
太空軌道空間站通常工作在距地面400千米的高空。雖然已經(jīng)高于100千米的卡門線,就是地球和太空的界限。 但是仍然處于極其稀薄的大氣和空氣阻力中。阻力會使空間站的軌道緩慢下降。
如果沒有反推裝置以及燃料,最終就會墜入大氣層解體。
為了躲避這種事情的發(fā)生,同時還要躲避太空碎片的撞擊空間站,就必須不斷地消耗推進劑來維持或者變更,它的運行軌道。
為什么太空站沒有降落?
有一種叫做離心力的自然現(xiàn)象維持了太空站繞地球運行而不會掉下來,原理和月球繞地球運動不會掉下來一樣。
如果你去游樂場坐過海盜船、過山車、旋轉(zhuǎn)飛機等項目就會體驗到離心力的作用,當你坐在旋轉(zhuǎn)飛機上時,旋轉(zhuǎn)得越快,你就越有被往外甩的感覺,那就是離心力。
空間站是繞著地球轉(zhuǎn)的,它也有被往外甩的離心力,只不過經(jīng)過人為控制繞行速度,讓它的離心力大小正好和重力平衡了,所以它既不會離開地球也不會掉下來。
離心力的大小是和它的繞行速度正相關(guān)的,速度越小離心力就越小。
太空中其實是有一些稀薄大氣在阻止它的運行的,太空站的速度會慢慢變小,離心力也會變小,如果不用燃料助推一下,它還是會慢慢掉下來的。
事實上,空間站雖然位于太空中,但它仍會受到地球萬有引力的影響,而宇航員之所以能在太空中漂浮,是因為它的體積較小。
據(jù)統(tǒng)計,宇航員只要離地球幾百公里遠,就能基本不受重力的束縛,但此時并非重力消失,而是引力小得足以讓宇航員漂浮,而空間站的體積太大,就很難實現(xiàn)。
而空間站基本上就算是以現(xiàn)在的科技也還是每天都會掉落100-150米左右,所以空間站需要定期調(diào)整軌道,所以每次運載飛船到達時,都會運送完材料,然后與載人飛船對接,此時基本上都會對空間站進行助推,從而使空間站能夠不斷調(diào)整軌道,從而達到不掉落的目的。
同時,空間站之所以能夠持續(xù)運轉(zhuǎn),也是因為在其外部安裝了一塊太陽能電磁板,空間站將繞地球轉(zhuǎn)一圈,也都是由于引力的作用,當空間站達到第一宇宙速度,即7.9公里/秒時,它將使離心力能抵消掉大部分引力,此時就形成了一圈。
假如它的速度低于7.9公里/秒,空間站就會落下,并通過大氣層落向地面,如果超過了第一宇宙速度,它就會脫離地球的引力,開始飄向太空。
中國空間站的軌道高度為什么要定在400公里?
在航空航天領(lǐng)域,有一條著名的分界線,叫做卡門線??ㄩT線將地球外層空間人為地劃分成兩個部分,距離地面100公里以內(nèi)的空間稱為大氣層,距離地面100公里以外的空間稱為外太空??ㄩT線一直被國際航空聯(lián)合會所接受和承認。
按照卡門線的標準,空間站不能建在距離地球100公里以內(nèi),因為這個高度處于大氣層,不能稱之為外太空。
空間站如果距離地面太近,還會帶來一個問題。距離地面的高度越近,大氣層的空氣就越稠密,對空間站在軌飛行產(chǎn)生的阻力就越大。
而空間站想要保持住固定的高度,就必須消耗更多的燃料。據(jù)了解,國際空間站為了克服這個問題,每年需要額外消耗4噸火箭燃料。
那么這是否就意味著空間站距離地面越遠越好呢?
事實上,空間站距離地面太遠也有很多缺點,甚至更為嚴重。
一方面,從成本角度來講,空間站距離地面的高度越高,火箭發(fā)射時需要消耗的燃料就越多,后期往返空間站增加的成本更是呈指數(shù)級上升。
財大氣粗的美國尚且不敢這樣任性,其他國家就更不用考慮這種方式了。
而且,空間站的軌道高度距離地面太遠了也沒有實際意義。
另一方面,從航天員和空間站設(shè)備的安全角度考慮,空間站距離地面也不能太遠。在地球近層宇宙空間中有一個著名的高能粒子輻射帶,叫做范艾倫輻射帶。范艾倫輻射帶內(nèi)的高能粒子對航天員、空間站、載人空間飛行器和人造衛(wèi)星等都有一定的危害。
根據(jù)上面的分析,我們已經(jīng)了解到,空間站既不能距離地面太近(下限是100公里),又不能距離地面太遠(上限是1500公里)。
在上限和下限之間,綜合考量發(fā)射成本、運營維護成本、科學(xué)實驗需求、航天員身體健康和空間站設(shè)備的安全等各種因素,科學(xué)家們把空間站的軌道高度定格在了距離地面400公里。國際空間站是這么做的,中國空間站也是這么做的。