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空间站高度加速下降?神舟十九号航天员确定:为何已待命

作者:璀璨科学

在本月初太阳活动很频繁,在短短一周时间内就爆发了10个X级耀斑和60多个M级耀斑,这样的爆发强度和频次都是历史上极其罕见的。伴随着太阳活动频繁爆发,在5月10日晚至5月11日凌晨,地球磁场爆发了特大地磁暴(kp=9)。当时很多地区都出现了极其绚丽的极光,包括黑龙江漠河以及新疆的一些地区都出现了极光。

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太阳活动引发的大地磁暴现象带来最直观的表现就是极光现象的出现,除此之外短波通信以及导航定位也会因此受到一定的影响。正常情况下,地磁暴现象的出现对我们一般人的生活没有太大的影响,而对于在近地轨道运行的航天器来说影响就比较大了。

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中国空间站高度加速下降

因为当大地磁暴现象出现时,就会增大高层大气的密度,导致近地轨道的空气密度有所增加,在近地轨道运行的航天器就会因为需要面对更大的空气阻力而出现飞行速度下降的问题,伴随着航天器飞行速度下降,飞行轨道高度也会因此加快衰减。也就是说,在大地磁暴现象的影响下,近地轨道的航天器飞行速度会降低,高度也会下降。

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在近地轨道有很多航天器正在环绕地球飞行,其中国际空间站和中国空间站都是载人的航天器,这两个空间站的运行轨道都是大约400公里的圆形轨道,但是在地磁暴现象的影响下,它们的飞行轨道都有所下降了,其中我们的空间站在5月11日那天就下降了差不多1公里,当天国际空间站的飞行轨道高度也下降了超过0.5公里。也就是说,在地磁暴现象的影响下,中国空间站、国际空间站的高度下降速度都有所加快了。

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在近期太阳活动比较频繁,现在又刚刚好处于第25太阳活动周峰年,这也就意味着在未来一段时间内,太阳活动还会很频繁,出现X级耀斑的概率增多,出现强地磁扰动(Kp≥7)的趋势越来越多。而这些太阳活动可能会影响到地球、影响到航天器的飞行情况,可能有一些网友开始担心我们的空间站会不会因此因为太阳活动频繁出现而导致飞行高度不断下降,然后坠落到大气层中烧毁。

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从理论上来说,在近地轨道飞行的航天器会一直环绕地球飞行,但是实际的情况并不是这么简单,航天器并不会永远环绕地球飞行而不掉下来。因为在近地轨道依旧存在稀薄的空气,意味着空气阻力是不可忽视的,飞行时间越长,航天器的飞行速度会越慢、飞行高度会不断下降,最后再入大气层,轨道高度衰减是不可避免的事情。

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不管中国空间站还是国际空间站,设计寿命都很长,一般都可以运行十多年时间,通过舱段的维修、更换、升级,空间站的运行时间还可以继续延长。

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在不进行干预的情况下,这些空间站并不会飞行这么长时间,因为空间站组合体的体积都很大,“迎风面”就非常大,面临的空气阻力比一般的卫星大得多,所以空间站的飞行高度衰减得比较严重。

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但是为了让这些空间站运行更长时间,每隔一段时间,空间站的飞船、发动机就会启动进行加速来提升飞行轨道高度。这样一来,就抵消了由于空气阻力、重力等因素导致的空间站飞行高度衰减的问题。通过提升飞行轨道高度,可以让空间站组合体飞行更长时间。

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不可否认,在太阳活动爆发期间,可能会影响到近地轨道运行的航天器,让它们的飞行高度极速下降,更强的辐射也可能会影响到航天员,但是对空间站这些载人航天器来说影响其实是可控的。

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因为空间站内会有一些防护能力很强的区域,在太阳活动爆发期间,航天员可以进入到那些防护能力更强的区域。而在太阳活动结束后,空间站可以消耗自身的燃料来提升轨道,避免坠落大气层烧毁。所以,大家完全不需要担心。

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空间站为何不飞得更高

看到在近地轨道运行期间,空间站、卫星这些航天器依旧面临空气阻力的问题,可能有一些网友有这样那样的疑问:为什么中国空间站、国际空间站的飞行高度都是400公里左右的轨道,而不是飞得更高一些呢?如果飞得更高,空气阻力就更小了,那岂不是有助于空间站飞行更久吗?

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中国空间站和国际空间站的飞行高度都控制在400公里左右,其实是有原因的。空间站的飞行高度选择涉及到2条重要的“线”,那就是卡门线和范艾伦辐射带,其中卡门线距离地面大约100公里,超过100公里后,空气密度就极其稀薄了,这里被认为是大气层和外太空的分界线。

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从理论上来说,距离地球表面越远,空气密度就会越低,空气阻力会越小,但是并不是说空间站的飞行高度越高就越好的。因为它不能超过600公里的范艾伦辐射带,这可以被视为近地轨道载人航天器飞行高度的“上限”。

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范艾伦辐射带分为内带和外带,其中内带的高度是距离地面600-5000公里的区域,而外带则是距离地面13000-20000公里的区域。在这些区域会存在大量被地球磁场捕获的高能带电粒子,这些高能粒子会对航天器造成较大的危害。

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一般的卫星、探测器在这一个区域运行,问题还不是很大,但是如果载人航天器在这一个区域运行,特别是空间站在这一个区域运行,那长时间处于强辐射的环境下,航天员、空间站的安全就会受到威胁。

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至于为什么从100-600公里的范围内选择在大约400公里高的近地轨道作为空间站的飞行轨道,除了考虑到前面说到的客观因素外,还考虑到了地球万有引力、火箭运载能力等方面的因素,最终科学家选择让空间站在距离地面大约400公里的高度运行。

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神舟十九号已待命

由于在近地轨道运行期间,空间站这些航天器会面临各种各样不可避免的问题,除了因为地磁暴现象导致空间站组合体飞行高度加快下降的情况外,空间站还会面临空间小颗粒或者空间小碎片的威胁,宇宙辐射也会在一定程度上影响到航天员的身体。

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在这样的情况下,太空飞行其实是没法确保做到绝对的安全。为了确保在轨飞行期间航天员的安全,我们需要做好很多方面的准备工作。

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其中一个就是火箭、飞船采用“发一备一”的模式。也就是说,当在中国空间站内有一艘神舟载人飞船在执行飞行任务时,在地面就会有一艘处于待命状态的神舟飞船。

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现在在中国空间站执行飞行任务的是神舟十八号飞船,处于待命状态的就是神舟十九号飞船,当神舟十九号飞船发射升空后,处于待命状态的就是神舟二十号飞船。

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之所以让一艘新的飞船处于待命状态,其实就是为了航天员的安全。如果在轨飞行期间,空间站或者飞船遇到了紧急情况,例如如果遭到了尺寸较大的太空垃圾撞击导致飞船、空间站受损,航天员需要快速从空间站撤离返回地球,那处于待命状态的飞船就能在最短的时间内发射升空,去太空执行救援任务。

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处于待命状态的飞船、火箭其实就屹立在发射场那里。如果不采用这样的模式,万一在遇到紧急情况时,我们才去准备飞船、火箭,那就需要很长时间才能发射飞船去执行救援任务了。

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当然,神舟十九号飞船处于待命状态,只是正常的操作,并不是说我们的空间站遇到了紧急情况,大家不需要担心。这是从神舟十二号飞船发射开始,就采用了这样的模式,这是常态化的操作。

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虽然现在距离神舟十九号飞船发射时间还有5个多月,但是现在飞船、火箭都已经准备好了,而参与这次飞行任务的航天员也早就已经确定,他们现在正在参加相关的任务训练。大家觉得这次飞行任务中,哪位航天员会担任指令长呢?