无论是中国空间站还是国际空间站,它们环绕地球飞行一圈的时间都是90分钟,飞行速度都是7.8公里/秒,轨道高度都是400公里 。
文章插图
这种“神同步”难道是巧合吗?
中国空间站
当然不是 。以空间站的轨道高度为例,中国空间站和国际空间站都选择在距离地面400公里处“安营扎寨”,其中有着多重考量 。
空间站为什么不能离地面太近
绕地飞行
在航空航天领域,有一条著名的分界线,叫做卡门线 。卡门线将地球外层空间人为地划分成两个部分,距离地面100公里以内的空间称为大气层,距离地面100公里以外的空间称为外太空 。卡门线一直被国际航空联合会所接受和承认 。按照卡门线的标准,空间站不能建在距离地球100公里以内,因为这个高度处于大气层,不能称之为外太空 。
轨道高度
空间站如果距离地面太近,还会带来一个问题 。距离地面的高度越近,大气层的空气就越稠密,对空间站在轨飞行产生的阻力就越大 。而空间站想要保持住固定的高度,就必须消耗更多的燃料 。据了解,国际空间站为了克服这个问题,每年需要额外消耗4吨火箭燃料 。
对于人类来说,建设和运营空间站的一个重要作用就是进行各种太空科学实验 。如果空间站距离地面太近,就无法达到完全接近真空状态的太空环境,就无法发挥无云层遮挡的太空望远镜观测优势,就无法提供接近零重力的实验条件 。
空间站为什么不能离地面太远
绕地飞行
既然空间站距离地面太近有那么多劣势,那么这是否就意味着空间站距离地面越远越好呢?
事实上,空间站距离地面太远也有很多缺点,甚至更为严重 。
一方面,从成本角度来讲,空间站距离地面的高度越高,火箭发射时需要消耗的燃料就越多,后期往返空间站增加的成本更是呈指数级上升 。财大气粗的美国尚且不敢这样任性,其他国家就更不用考虑这种方式了 。而且,空间站的轨道高度距离地面太远了也没有实际意义 。
中国空间站
另一方面,从航天员和空间站设备的安全角度考虑,空间站距离地面也不能太远 。在地球近层宇宙空间中有一个著名的高能粒子辐射带,叫做范艾伦辐射带 。范艾伦辐射带内的高能粒子对航天员、空间站、载人空间飞行器和人造卫星等都有一定的危害 。
范艾伦辐射带距离地面的高度范围分为两段:内带1500~5000公里,外带13000~20000公里 。这个高度范围并不是绝对的,在空间天气的扰动下范艾伦辐射带的高度范围还会向上和向下扩张 。为了确保航天员和空间站不会受到范艾伦辐射带的干扰,空间站距离这两个“模糊”的高度范围越远越好 。
中国空间站为什么要定在400公里这个高度
空间站飞行轨道
根据上面的分析,我们已经了解到,空间站既不能距离地面太近(下限是100公里),又不能距离地面太远(上限是1500公里) 。在上限和下限之间,综合考量发射成本、运营维护成本、科学实验需求、航天员身体健康和空间站设备的安全等各种因素,科学家们把空间站的轨道高度定格在了距离地面400公里 。国际空间站是这么做的,中国空间站也是这么做的 。
即便是定在400公里的高度,空间站也会存在轨道衰减问题,它会随着时间的推移“不自觉”地降速,从而使自己缓缓下降 。所以为了克服轨道衰减问题,保持住400公里的在轨高度,空间站必须依靠自身的动力源源不断地为自己增速 。
电推进发动机
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