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中国空间站与国际空间站,为何都选择在400公里高空运行?

神舟十二号将携带着我国三位航天员聂海胜、刘伯明、汤洪波前往中国空间站,聂海胜担任指令长。接下来,三位航天员会在空间站上工作三个月左右的时间。中国空间站是中国独立研发的科研项目,它目前由天和核心舱和天舟二号货运飞船构成,接下来它会和神舟十二号交会对接,在2022年前后,还会有两个实验舱被发射升空,与天和核心舱组合成一个组合体。

除了中国空间站之外,国际空间站还在地球轨道上运行。国际空间站的轨道高度是400公里左右,而中国空间站的轨道高度也在400公里左右。那么问题就来了,为什么空间站的轨道高度都选在了400公里左右?这样操作不担心空间站相撞的情况吗?

为什么空间站轨道高度都选在400公里左右?

空间站项目属于挑战性极高的科研项目,消耗的财力、物力、人力巨大。因此,在选择空间站的高度时,就得考虑到最具性价比的方案。我们都知道,地球表面是有大气层的,最靠近地球表面的是对流层,然后是平流层,中间层等等。

随着高度的增加,空气就会越来越稀薄,同时要把物品和设备运送到相应位置的成本也越高。因此,如果设定非常高的位置,那么运送成本也会大幅度增加。而如果很低,那么大气层的空气太稠密,会对空间站产生阻力,空间站要想维持就得不断地输出能量,这也很不划算。那究竟多高合适呢?

这里其实就涉及到一个问题:多高才算太空?

根据一些研究,即便是到了距离地球38万公里的月球附近,依然有极为稀薄的地球大气,那总不能说月球也不算是太空吧?

客观地说,太空和大气层实际上并没有明显的分界线,完全是依靠人为规定的。国际航空联合会把100公里的高度定义为:大气层和太空的分界线,这个分界线也叫做卡门线。

高于卡门线就属于太空,而低于这个高度就是大气层。那么问题来了,如果高于100公里就算太空了,那为什么不把空间站放在100公里的高度呢?

这其实和建设空间站的目的有关,航天员和科学家要在空间站做太空实验。而100公里的高度并不完全接近真空状态。除此之外,100公里的高度也让望远镜的观测优势凸显不出来,同时也不属于无重力的实验条件,高度达到400公里左右就可以满足这些条件。

不仅如此,选择400公里的高度还和空间站、航天员的安全有关。我们都知道,太阳有很强的辐射,由于地球有大气层,大气层中有臭氧,隔绝了大部分辐射中有害的紫外线,这才使得地球宜居。除了超强的辐射致癌,太阳还会时时刻刻向外界辐射带电粒子,这些带电粒子危害巨大,如果撞上空间站,就有可能损坏设备;同时这些带电粒子对于人体也危害巨大,有致癌的风险。

在地球上不用担心带电粒子是因为地球有磁场,带电粒子在磁场中会偏转,使得地球表面不会受到影响。但是这个磁场的范围不够大,有些高度才1000公里左右。因此,空间站的位置不能超过1000公里的高度。

综合发射成本、安全、科学目标诸多因素一起考虑,科学界普遍认为飞行高度设置在400公里附近是最为稳妥。

空间站如何避免被撞?

实际上,除了国际空间站和中国空间站,在太空中还有很多其他的探测器和太空垃圾。所以,中国空间站和国际空间站都存在着被其他探测器或者太空垃圾击中的风险。如果不能调整轨道,一直放任自由,就存在这样的风险。

而应对这种风险的方法其实也很简单,提前预警加上变轨。地面指挥中心、空间站和各国发射的探测器都会时刻监控可能存在的风险,为了应对可能的风险,就会通过推进系统来改变方向和速度,实现变轨的目标。中国空间站的天和核心舱一共配置了30台发动机,其中包括22台小推力的发动机用于控制姿态,4台霍尔电推进发动机用于提供推力给中国空间站增加速度,剩余的4台大推力的发动机是用来轨道控制的。推进系统不仅确保了中国空间站可以有效避让可能存在的风险,同时也可以给中国空间站提供持续不断的推力,用来抵抗速度的衰减,确保轨道的高度。