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空间站为何只在400公里的高度运行?再飞高一点会怎么样?

空间站是一种可供航天员在太空中长时间驻留的航天器,也被誉为人类探索宇宙深空的“前哨站”,自从1971年以来,人类已成功地向太空发射了12个空间站,按照时间顺序,它们分别是:礼炮1号,天空实验室,礼炮3号、4号、5号、6号和7号,和平号,国际空间站,天宫1号,天宫2号,中国空间站。

从整体上来看,这些空间站都有一个相同的特点,那就是它们的运行高度通常都是在400公里左右,这就有点令人感到好奇了,空间站为何只在400公里的高度运行?再飞高一点会怎么样呢?下面我们就来聊一下这个话题。

从理论上来讲,空间站只需要达到了“第一宇宙速度”,那么在没有阻力的情况下,空间站就可以仅凭自身的惯性一直围绕着地球运行,而不需要额外的动力,这无疑是非常好的运行方式。

然而地球有一个大气层,当物体在其中飞行时,就会遇到来自空气的阻力,那空间站是如何解决这个问题的呢?答案当然就是往上飞。

实际上,地球大气层中的空气分布得非常不均匀,测量数据显示,大气层中有大约97%的空气都分布在平流层以下,而随着高度的增加,空气的密度还会指数级地下降。

在距离地面400公里的高度上,空气已经变得极为稀薄,其产生的阻力可以说是微乎其微,所以空间站运行在这里,只需要每隔一段时间消耗一点点燃料进行轻微的轨道修正,就可以仅凭自身的惯性一直围绕着地球运行。

与此同时,400公里的高度也足以满足太空科研的需求,比如说没有云层遮挡(对于宇宙深空)、足够大的观测范围(对于地面)、接近真空的环境等等。

那空间站为什么不飞得更高一点呢?这主要有两个原因,首先就是成本问题,其实这很好理解,毕竟空间站需要持续的补给,还需要“接送”航天员,如果再飞高一点,每次发射都会消耗掉更多的燃料,所以从成本的角度来看,我们只需要将空间站送到一个合适的高度就可以了,而不必追求飞得更高。

还有一个原因就是“范艾伦辐射带”的威胁,简单来讲,“范艾伦辐射带”就是位于地球附近空间的高能粒子辐射带,从整体上来看,它分为内外两层,内层中高能质子居多,其高度通常在1500至5000公里之间,外层中高能电子居多,其高度通常在1.3万至2万公里之间。

“范艾伦辐射带”中的带电粒子主要来自太阳风,在它们被地球磁场捕获之后,就会在“范艾伦辐射带”的两个转折点之间来回运动,进而形成高能粒子辐射带,由于太阳风的强度并不是一成不变的,因此当太阳风变强的时候,“范艾伦辐射带”的范围也会随之增加。

另一方面来讲,地球的磁场也不是完全对称的,比如说在南大西洋的上空,地球磁场的形态就会导致“范艾伦辐射带”的高度更低一点。

“范艾伦辐射带”中相对密集的高能带电粒子可能会对空间站的太阳能电池、集成电路、传感器等等设备造成损害,更重要的是,高能带电粒子还可能从分子层面对生命有机体造成危害,因此为了保证航天员以及仪器设备的安全,空间站必须要在远离“范艾伦辐射带”的区域中运行。

相对而言,400公里的高度就可以说是非常理想了,就算是“范艾伦辐射带”因为太阳风或者地球磁场的形态出现了大幅度的扩张,也不至于扩张到这个高度。

综上所述可知,空间站的运行轨道既不能太低,也不能太高,如果低了就不能够满足太空科研的需求,同时还会遇到更强的空气阻力,而如果高了则会使空间站的运行成本大幅增加,同时还可能会遭到“范艾伦辐射带”中的高能粒子的侵袭,综合考虑之下,人们就将空间站的运行高度设定在400公里左右。

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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