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空间站轨道下降!1天降低1公里,太阳活动有这威力?航天员怎么办

地面的人欣赏极光,空间站的航天员却遇到了麻烦!在太阳活动的干扰下,空间站的高度出现了比平时更快的降低,5月11日竟然下降了1公里!

奇怪了,为什么太阳活动会导致空间站的轨道降低呢?我们需要先了解航天器的运行规律。

空间站轨道为何会下降?

航天器绕地球公转遵循的是开普勒行星定律,你也可以粗略地以高中物理时学的圆周运动来理解。也就是说,如果没有外力干扰,它们受到地球的引力和运行方向垂直,就会永远稳定地绕地球公转。这就好像运动员转动链球,虽然链球受到的力朝向运动员,但永远不会真的撞上运动员。

但是,别看这些航天器处在太空之中,其实仍然受到大气的干扰。通常来说,我们认为地球大气层的边缘在距离地球大约100公里的高度上,这里被称为卡门线。不过这个界限并不是绝对的,卡门线以外的大气虽然非常稀薄,但也不是完全不存在的,绝对的真空是不存在的。

所以,除了受到朝向地球的力之外,航天器还会遭受一点点来自大气的引力,二者的共同作用,就会导致合力并不完全垂直于运动方向,而是有一个极其微弱的偏差。这个偏差并不大,但是随着时间的推移,就会积少成多,导致航天器轨道下降,这就叫轨道衰减。这个时候,航天器的运动规律就不再稳定,会一直下降,甚至可能直接坠入大气层。

有了这个基础,后面的就容易理解了。

轨道衰减和太阳有什么关系?

在平时,地球的大气层也是相对稳定的。随着太阳活动越来越强,太阳磁暴也会干扰地球大气层,导致外层大气密度提高。这样一来,空间站受到的空气阻力就更大,轨道衰减也就更明显了。

以国际空间站为例,其运行高度也是400公里左右。平时在地球的影响下,轨道高度每天下降150~200米,而在2004年的太阳强磁暴中,每天下降的高度达到了300米。最近也差不多,在5月1日到11日这几天时间里,轨道高度衰减了不到2公里,最严重的5月11日一度下降了差不多500米。

我国空间站的轨道衰减问题还要更加严重,从下图可以看出来,还是比较明显的。尤其是5月11日,仅仅一天就衰减了1公里。分开来看,远地点轨道高度(绿色)从5月1日的382.2公里衰减到不足379公里,近地点高度(紫色)从不到377公里衰减到374公里。不论是远地点还是近地点,轨道高度都在这几天衰减了3公里。

为什么5月11日轨道衰减这么严重?因为太阳从5月10日开始爆发了一次大规模的耀斑活动,对地球大气的影响非常严重。

为什么我国空间站衰减比国际空间站厉害?因为我们的空间站本来轨道高度就低一些,大气层更浓稠,受到的影响也更大。

接下来大家的问题就是:我们该怎么办?空间站还安全吗?

如何应对轨道衰减?

答案是肯定的,这种事早就在科学家的预料之中。在中国空间站的天和核心舱以及货运飞船上,都有独立的发动机,用来调整轨道。遇到流星体或者太空垃圾时,它们可以帮助空间站避障。在轨道衰减时,它们也能帮助空间站抬升高度。同样的,国际空间站也有一样的机制,它们依靠的是俄罗斯舱段上的发动机来完成这项工作。

实际上,不仅是空间站,其他航天器也会受到影响。比如著名的哈勃太空望远镜,最近也因为太阳活动的影响,导致轨道降低了20公里。和空间站不同的是,哈勃望远镜没有动力系统。对于垂垂老矣的功勋望远镜来说,这样的影响就像是老年人摔了一跤一样,影响可能远比年轻时更加严重。

尽管马斯克的Space X公司曾经联系NASA,表示愿意利用自己的航天器抬升哈勃望远镜的高度,但目前还没看到更多进展。一旦未来某一天,哈勃的高度达到了有坠落危险的情况,美国宇航局将会帮助它结束“生命”——发射一枚航天器,推动它远离现在的轨道。

航天员安全吗?

航天器是安全了,航天员安全吗?在太阳的剧烈活动下,没有了大气层的保护,航天员是否会遭受过量的辐射呢?

其实这一点,也是完全不用担心的,因为他们仍然能受到地磁场的保护。在三四百公里的高空,就连大气层也没完全消失,更别提地磁场了。你想想,四百公里是什么概念?从北京出发,四百公里都不足以抵达沈阳,真不是什么遥远的距离。地磁场是保护地表生物不受太阳辐射伤害的重要护盾,对太空中的航天员来说同样如此。

而且,早在设计的时候,我国航天专家就已经考虑到了可能出现的各种各样的情况,辐射问题自然也不例外。在空间站的外壁,有专门设计的防辐射设施,可以提供至少5mm等效铝屏蔽,可以有效降低到达空间站轨道上的太阳质子通量。

与此同时,空间站还采用软件的方式,主动定时进行刷新,防止宇宙射线的干扰,如果有错误可以自动纠错。这种“软硬兼施”的手段,有效地保护了航天员的生命安全。

另外有一点需要注意,那就是神舟十八号乘组执行任务期间,还将进行2~3次出舱活动。届时没有了空间站的防护,是否会遭受更严重的辐射?

其实答案很简单,和上面说的一样,即便出舱活动,航天员也还是在地磁场的保护之下。其次,航天员的出舱装备也有很强的防辐射的功能,对他们来说也是可靠的保护。而且有研究表明,在这些防护作用下,即便是在特大太阳质子事件中,航天员遭受的生物剂量也非常少,更不用说出舱活动会避开这样的时间了。

总而言之,不论是我们的空间站还是航天员,都对太阳活动有防护的万全之策,不需要我们担忧。所以,等到下一次太阳活动剧烈时,大家还是放心地欣赏极光吧。

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