中国空间站为什么不会掉下来?轨道高度为什么要定在400公里?

刘玲子candy 2022-09-09 16:51:20

目前我国的空间站已经官宣,每天绕地球19圈,大约96分钟绕一圈,每秒的速度为7.8公里左右,也就是2.8~2.9万千米/小时,速度还是非常快的。

很多人并不清楚,为什么空间站要飞得这么快,这是因为大多数的空间站都在距离地球400公里左右的高空,这个高度还是有一些稀薄的空气,有空气就有摩擦,如果不保持一定的速度,是会被地球的引力捕捉,坠毁在大气层里的。

其实空间站都要以这个速度在轨飞行,因为这个速度是第一宇宙速度,达不到这个速度会被地球“吸”回来,而超过这个速度,就会进入外太空。

以目前的技术来说,空间站每天会掉下来70-120米左右…如果一直不修正轨道,大概3年左右就彻底坠落了…

太空轨道空间站通常工作在距地面400千米的高空。虽然已经高于100千米的卡门线,就是地球和太空的界限。 但是仍然处于极其稀薄的大气和空气阻力中。阻力会使空间站的轨道缓慢下降。

如果没有反推装置以及燃料,最终就会坠入大气层解体。

为了躲避这种事情的发生,同时还要躲避太空碎片的撞击空间站,就必须不断地消耗推进剂来维持或者变更,它的运行轨道。

为什么太空站没有降落?

有一种叫做离心力的自然现象维持了太空站绕地球运行而不会掉下来,原理和月球绕地球运动不会掉下来一样。

如果你去游乐场坐过海盗船、过山车、旋转飞机等项目就会体验到离心力的作用,当你坐在旋转飞机上时,旋转得越快,你就越有被往外甩的感觉,那就是离心力。

空间站是绕着地球转的,它也有被往外甩的离心力,只不过经过人为控制绕行速度,让它的离心力大小正好和重力平衡了,所以它既不会离开地球也不会掉下来。

离心力的大小是和它的绕行速度正相关的,速度越小离心力就越小。

太空中其实是有一些稀薄大气在阻止它的运行的,太空站的速度会慢慢变小,离心力也会变小,如果不用燃料助推一下,它还是会慢慢掉下来的。

事实上,空间站虽然位于太空中,但它仍会受到地球万有引力的影响,而宇航员之所以能在太空中漂浮,是因为它的体积较小。

据统计,宇航员只要离地球几百公里远,就能基本不受重力的束缚,但此时并非重力消失,而是引力小得足以让宇航员漂浮,而空间站的体积太大,就很难实现。

而空间站基本上就算是以现在的科技也还是每天都会掉落100-150米左右,所以空间站需要定期调整轨道,所以每次运载飞船到达时,都会运送完材料,然后与载人飞船对接,此时基本上都会对空间站进行助推,从而使空间站能够不断调整轨道,从而达到不掉落的目的。

同时,空间站之所以能够持续运转,也是因为在其外部安装了一块太阳能电磁板,空间站将绕地球转一圈,也都是由于引力的作用,当空间站达到第一宇宙速度,即7.9公里/秒时,它将使离心力能抵消掉大部分引力,此时就形成了一圈。

假如它的速度低于7.9公里/秒,空间站就会落下,并通过大气层落向地面,如果超过了第一宇宙速度,它就会脱离地球的引力,开始飘向太空。

中国空间站的轨道高度为什么要定在400公里?

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。

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。

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。

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。

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。

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