空间站只飞400公里高,是何原因?为什么不再飞得高点呢?

我国的空间站建设如今已进入到一个新的阶段,天宫空间站的建设为我国日后的载人勘探任务打下了稳固的基础。不仅是中国,欧美国家包括印度也将自己未来的太空建设提上了日程。未来对太空的拓展开始在民间又一次掀起了热议,人们对太空的关注度也越来越高,这里面具体有啥关联吗?

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人民群众对太空的关注度不仅来自于官方的热场,另一方面在于,这是人类未来可以期待的内容,也许就在本世纪,普通人就可以像宇航员那样前往太空,甚至火星移民。不管它是否是一个十分遥远的诺言,但人类对太空的想象是无穷的

空间站的建设,恰巧就是前期准备工作的一部分,而且非常重要,就像高速公路里的服务区一样。不过空间站的建设也有着十分严格的要求,每一个细节都要求完美,包括它的航行高度也必须控制在400公里左右

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航行高度对空间站来讲意味着什么?空间站的建设经历了哪些发展?空间站的标准建设是什么?空间站在未来还将承担哪些责任?本文将从空间站的建设、范艾伦辐射带这两个方面来解答这些问题,接下来一起看看为什么空间站只飞400公里高,而不再飞得再高点?

范艾伦辐射带

空间站作为太空建设的一部分,其中有很多方面都需要进行仔细考虑,特别是它作为一种服务设施,空间站的建设意味着一个国家能够在载人航天方面做出新的改变

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可为啥空间站的航行高度偏偏非得是400公里呢?它就不能像其他卫星那样建立一个航行系统就完事了吗?实际上这个高度不是科学家制定出来的,而是被迫选择在这个高度,如果没在这个范围内,空间站的任务基本不可能开展。由于范艾伦辐射带的存在,空间站和宇航员要面临的就不是一个简单的航行问题了,而是辐射危害

范艾伦辐射带源自于地球本身,并于1958年由詹姆斯·范·艾伦证实。这部分辐射带不像地球的磁场出现在极地两侧,恰好相反,在极地地区这条辐射带的存量是最少的。它主要从地表以上640~58000公里范围内,并且每个区间内的辐射水平都不相同

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这层辐射带大多位于地球磁场的内部区域,该辐射带会捕获来自太阳风的高能粒子,包括其他原子核,比如α粒子。辐射带中的磁场作用使得这些高能粒子发生偏转,从而保护地球大气免受破坏。

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不仅在地球,其他行星同样也存在这样的辐射带,像太阳的这样的恒星并不支持长期的辐射带聚集,由于它缺乏稳定的偶极磁场。所以地球的大气层将粒子活动限制在了200~1000公里以上的范围,但最大的延伸范围不会超过8个地球半径,并且被“束缚”在赤道两侧约为65°的小半球体积内。

另一方面,太阳风冲击形成的磁暴现象会导致辐射带中的电子密度会相对较快地增加或减少。这种大幅度的活动变化将对电子元件造成强烈的干扰,目前这种辐射扰动影响作用还不够具体,但可以肯定的是,强烈的辐射变化会对人体造成影响。

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变化活跃的辐射带

上世纪50年代时,航天探索还没有进入白热化阶段,这种辐射带的影响或许对人还不够大,但随着人类航天工程的崛起,科学家们意识到这种辐射可能造成的影响。

已经确定的是,它会直接影响电器电路,从阿波罗登月计划开始,NASA就一直在想办法克服这种问题。包括后来的飞行舱返航路线设定,卫星活动范围等等。

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范艾伦辐射带可以分作两部分看待,一部分是内带,一部分是外带。内带部分通常从地球上方1000公里至12000公里之间进行延伸,如果碰上太阳活动较强的时候,南大西洋地区的辐射带会降至地表上方200公里

这一范围的辐射带辐射活动相对温和,宇宙射线与高层大气的原子核会发生碰撞,由此产生种子β衰变。而磁场变化会使得这些低能质子逐渐扩散,基于地球磁场轴的倾斜,这里会因地球自转形成一个振荡的弱电场

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但是到了外带部分就没这么简单了,外带部分由于更靠近太阳风,电子变化会比内带更大。在13000公里至60000公里之间,外带的电子辐射因地球磁场的扩散,以及局部加速度的作用,它们的等离子能量会不断地和地球大气层产生碰撞,一直到磁层顶,然后向外径向扩散

而外带的粒子也是多种多样,其中包含许多电子和各种离子,例如α粒子和氧离子,它们比地球电离层中的离子能量更高。科学家推测这些高能质子除了宇宙射线,另外大部分应该来自于太阳风的活动。

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前面我们也提到这种辐射带变化十分剧烈,这一点主要表现在外带部分。就辐射带本身而言,地磁风暴是由太阳产生的磁场和等离子体扰动所触发,而它为什么会增加则是由于,与风暴有关的注入(例如日冕抛射)和地球磁层尾部的粒子加速互动。

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关于这种粒子的能量,科学家也做过相关研究。在一个辐射带中的给定点位,给定能量的粒子通量随能量急剧下降,赤道活动的能量变化最为明显。质子中包含的质子动能范围大约100000电子伏特就能穿透0.6微米的铅板,如果超过400兆电子伏特,则可以穿透1.4厘米左右的铅板,而这种变化在赤道活动中完全可以达到

去往太空,防护不能少

得益于阿波罗计划的开展,NASA很早就探寻过对该辐射带的影响研究,除了阿波罗14号,其他所有飞船都避开了辐射影响最大区域的辐射带。尽管在阿波罗载人任务中,宇航员经过了辐射带,但是这部分辐射带的粒子能量微弱并不会对宇航员造成较大的影响,如今他们的身体也都还健康。

另一方面,便是确定一个安全区,既然辐射带的活动变化有明显的一个区间值,并且会有辐射空隙,随高度分布不同而产生变化。因此在范艾伦辐射带之间的2~4个地球半径被称作安全区

对于航天器上逻辑电路中的小型化电子元件来讲,它们很容易受到辐射干扰,而且电荷也相对更小,因此必须经过辐射加固才能运行。而在运行过程中,它们也会避免强辐射带的变化,比较经典的一个例子就是哈勃望远镜

最关键的传感器部分由3毫米的铝屏蔽器保护,并且会在通过强辐射带时关闭传感器以保护望远镜,对于空间站来讲更是如此。所以,这便是空间站为啥要求航行高度在400公里左右。

此外,从经济方面考虑,这个高度对于发射需求来讲可以一定程度降低发射经费,另一方面,空间站的建设离不开人类活动,如果飞行距离太高,辐射对人体的损伤也是非常大的。

并且就这个高度而言,几乎所有能够在空间站进行的太空实验都可以满足环境标准,太低也不利于空间观察。因此大部分空间站都在距离地球400公里左右,而我国的天宫空间站大概为390~395公里的样子。

现代的航天设备都会有范艾伦辐射带剂量仪,它会在辐射较高的时候发出警报,并且具备相对全向的辐射监控,一边准确地测量辐射通量。多方面的综合观察都能够将这种辐射危害降至最少,这对未来的天空建设至关重要

因此,综合各方面的考虑,空间站的航行高度问题由此得到了解决。这只是太空向人类给出的一个微小的挑战,实际的太空环境还要更加复杂,但这并不能阻止人类向外探索的欲望,因为星辰大海是人类的终极梦想

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