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空间站为啥不建在月球上

2022-07-08李楚萱李云龙

青少年科技博览(中学版) 2022年5期
关键词:实验舱带电粒子大气层

李楚萱 李云龙

空间站也叫轨道站、太空站或航天站,是一种在近地轨道长时间运行、可同时供多名宇航员(中国为航天员)在其中工作生活的大型载人航天器。

两个空间站

1971年,人类发射了第一个空间站——由苏联设计建造的“礼炮1号”空间站,截止到2021年,已有12个空间站发射至太空中,它们中的大多数已完成使命“退役”。目前,外太空有2个空间站,分别是“国际空间站”和“中国空间站”。

国际空间站是由美国、俄罗斯、日本、巴西、加拿大,以及欧洲空间局等6个国际主要太空机构联合推进,总共16个国家或地区组织共同建造的空间站项目。1998年,国际空间站开始建造,各功能模块在其后被陆续送入轨道装配,2011年国际空间站组装工作全部结束。

国际空间站是目前为止规模最大的空间站。其结构复杂,规模大,由宇航员居住舱、实验舱、服务舱、对接过渡舱,以及太阳电池等部分组成,长108米、宽88米,总质量约423吨,运行轨道高度为330~435千米,载人舱内大气压与地球表面相同,可载6人。国际空间站作为一个实验室,进行过与天文学、气象学、物理学、人类生物学、空间医学、材料生产,以及通信研究等领域相关的许多实验,同时对地球进行重要的观测。

2021年4月29日,随着“长征五号”B遥二运载火箭将中国空间站天和核心舱顺利送入太空,中国空间站拉开建造大幕。中国空间站以天和核心舱、问天实验舱和梦天实验舱三舱为基本构型。2021年6月17日,“神舟十二”号载人飞船发射成功,航天员聂海胜、刘伯明和汤洪波先后进入天和核心舱,标志着中国人首次进入自己的空间站。中国空间站的定位是国家未来的空间实验室,主要是为了解决人类长期在空间飞行的关键技术。

400千米的奥秘

国际空间站和中国空间站的轨道高度都在400千米左右。这是为什么呢?

大家都知道,地球表面有大气层,由近及远分别是对流层、平流层、中间层、热层,以及散逸层。随着高度增加,空气越来越稀薄,把物品运送到相应位置的成本也越高,所以,设定不能太高,以便节省运送成本,但如果很低,大气层的空气太稠密,会对空间站产生阻力,迫使空间站不断输出能量维持稳定,这也不合适。

客观来讲,大气层和太空并没有明显的分界线,国际航空联合会把100千米的高度定义为大气层和太空的分界线,这个分界线叫作卡门线。高于卡门线就属于太空,而低于这个高度就是大气层。问题又出现了,既然高于100千米就算太空了,那我们为什么不把空间站放在100千米的高度呢?

原来,宇航员要在空间站做太空实验,100千米的高度并不完全接近真空状态,望远镜的观测优势也凸显不出来,同时这里不属于无重力的实验环境,而高度达到400千米左右就可以满足理想条件。

此外,选择400千米的高度还和空间站、宇航员的安全有关。太阳有很强的辐射,由于地球有大气层,大气层中有臭氧,隔绝了辐射中大部分的有害紫外线,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人体也危害巨大,同样有致癌的风险。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響。但是这个磁场的范围不够大,有些地方的磁场高度才1 000千米左右。所以,空间站的位置不能超过1 000千米的高度。这样来看,400千米的高度就有很强的说服力了。

为啥不建在月球上

很多人有疑问,为什么要让空间站悬浮在地球上空,而不是建造在月球上?依托月球,空间站不就会更加稳定了吗?

其实,这是因为人类目前还没有把空间站搬到月球上的能力,毕竟月球和地球的距离实在是太远了。

空间站的位置选择,需要考虑的因素很多。

首先,地月相距较远,地球与月球之间的平均距离是384 403.9千米。如果建在月球,人类想要维护它,就要先前往月球,可是,登陆月球的难度系数大,只有美国实现过人类登月。即使可以顺利登月,空间站需要不断维护和补给物资,花费就更多了。

其次,月球缺少供人类生存的基本生活物资,比如说水。虽然经探测证实月球上确实存在水,但人类要收集月球水并且生存下来,需要更高技术支持,目前还实现不了。

再有,在月球上建空间站会直接影响月球本身的环境。月尘又称月土,是月球表面的粉末状尘土,粒径一般小于1毫米,只要轻微的接触就可能带来很大的麻烦。月尘易于带电,并可以在相当长的时间内保持带电。因此,月尘颗粒在光电效应、太阳风辐照作用下带电之后,可长时间飘浮并移动。着陆器着陆、人员走动、月球车行走,都会造成尘埃飞扬,而且被月球尘埃粘住之后,很难清除掉。

此外,失去地球磁场的保护,前文提到的太阳风粒子和宇宙辐射等危险因素也会让空间站的环境变得非常不稳定。

还有就是安全性问题。地球上之所以不会有大型陨石降落,是因为大气层对外来陨石有消耗作用。月球上可没有大气层,陨石随时都有可能落下来,要是空间站真的被陨石击中,损失将极其惨重。

回收问题也是需要考虑的。空间站有一定的使用寿命,迄今为止,除了现在太空中的两个,其他10个都被回收了。距离地球400千米的轨道上有少量大气,空间站在飞行的过程中会受到阻力,空间站最终坠落到地球上。如果在月球上,根本无法实现回收。

最后是救援问题。曾多次在科幻大片中出现的太空应急救援能力,在中国空间站时代已成为现实。据媒体报道,我国成功发射“神舟十三”号载人飞船的同时,“神舟十四”号已进入应急发射状态。倘若“神舟十三”号遇到紧急情况,“神舟十四”号最快可在8.5天赶往太空展开救援。倘若空间站在月球则根本来不及。

综合发射成本、安全、科学目标诸多因素一起考虑,各国科学家普遍认为将空间站的飞行高度设置在地球上空400千米附近最为稳妥。

这就是空间站宁可悬浮在太空也不建在月球上的奥秘。

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