從燃料推進(jìn)到軌道調(diào)整：ISS維持400公里高度的“生存法則”
太空奧秘：國際空間站是如何做到留在軌道上而不掉落到地球上的？
國際空間站如何留在軌道上的奧秘可以追溯到艾薩克·牛頓爵士的天才想法。
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國際空間站停留在軌道上的秘訣就是沿繞地球的彎曲路徑受到的引力加速（圖源：NASA）
國際空間站的軌道高懸在我們的頭頂上方，然而地球的重力卻從來沒有把這個綜合體拽離軌道，并讓它急速下落到會讓他燒毀的大氣層。
這聽起來很神奇，但他并不是一個悖論或者魔法，這只是傳統(tǒng)物理學(xué)的應(yīng)用成果。這一切均取決于國際空間站的軌道速度、其距地高度以及在重力作用下的下落速率。
國際空間站是如何留在軌道上的背后涉及的科學(xué)以及數(shù)學(xué)知識可以追溯到萬有引力理論之父，17世紀(jì)的英國科學(xué)家——艾塞克牛頓。眾所周知，牛頓脾氣暴躁，他的萬有引力理論可能不是像老故事所說的那樣，他隨意地坐在樹下做白日夢，突然一顆蘋果掉在了他的頭上，然后他就提出了萬有引力理論。但是他可能已經(jīng)觀察過蘋果，樹葉以及其他掉落的東西，并且思考了為什么他們會掉落。
讓我們想想那顆虛構(gòu)的蘋果作為開端。當(dāng)它掛在樹枝上的時候，它是靜止不動的，所以當(dāng)它掉落時，重力會把它直直地往下拉。然后你可能會撿起這顆掉落的蘋果，然后像一顆球一樣把他扔出去。這時這顆蘋果并不會像他靜止不動時那樣垂直地掉落下來；現(xiàn)在他有了水平方向的力去對抗重力，然后他就會沿著一條曲線掉落到地面。牛頓用了炮彈作為類比，水平把炮彈發(fā)射出去，它也沿著一條類似的曲線掉落到地面上。這條曲線的大小和形狀取決于炮彈的發(fā)射速度以及空氣阻力量。炮彈的速度越快，受到的空氣阻力越小，炮彈的行進(jìn)路線就越遠(yuǎn)，掉落到地面上的弧線角度越小。
牛頓將這一現(xiàn)象理想化，假如一顆炮彈擁有足夠的速度，并從足夠高的空氣稀薄的山頂上水平發(fā)射出去，那這顆炮彈在重力作用下的下落曲線會和地球曲率相匹配。它會沿著這條曲線持續(xù)下落，但是距地高度不變，這是因為地球也同時在沿著曲線遠(yuǎn)離它?？茖W(xué)家把這一作用在物體上，并使物體沿著曲線行進(jìn)的力稱為向心力，向心力總是指向曲率的中心。
地球大氣層有不同層。近地軌道航天器，如哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（如圖）和國際空間站，在熱層軌道上運行，然而下落的物體在中間層燃燒。（圖片來源：NASA）
高度和速率
高度和速度是國際空間站能愉快地停留在我們頭頂上方軌道的前提。這是指向地球中心的向心力和地球引力之間的平衡，這也是不斷地使國際空間站在其彎曲的路徑上經(jīng)歷重力加速度的原因。國際空間站沿著其彎曲路徑下降的速度等于地球彎曲表面在其下方下降的速度。
實現(xiàn)這一平衡需要特定組合的高度和軌道速度。國際空間站的高度大約是距地402公里，或者說250英里（我們會簡短解釋為什么用“大約”來描述高度），并且以每秒7.6公里(4.7英里）行進(jìn)，這是要想在這一高度上保持與地球曲率相匹配的行進(jìn)路線所要求的速度。國際空間站是否能停留在一個更好高度的軌道上，那它可能就不需要為了保持它下落的曲率而行進(jìn)得非常快了。但如果國際空間站在一個更低的高度上，它可能就需要行進(jìn)得更快以此來避免掉落到地球大氣層并燒毀。
但是也有一些復(fù)雜的問題，這使得國際空間站不能無限期地放任自流——如果我們不加以干預(yù)，它最終會撞回大氣層并燒毀。這是因為即使距地402公里，國際空間站依舊處在地球大氣層內(nèi)，盡管它位于大氣層中名為熱層的很薄的一層。熱層的密度很低，這就意味著大氣分子很少，但是仍然有足夠的能量來抵抗國際空間站的運動，并產(chǎn)生足夠的阻力來減緩它的速度。這就導(dǎo)致空間站的行進(jìn)速度減少了5cm/s(2in/s),也就導(dǎo)致了它的距地高度每天減少100米（328英尺）。
這也就是為什么說國際空間站的距地高度“大約”為402千米，因為它的距地高度不斷在減少。每過一個月左右，國際空間站就必須點燃它的推進(jìn)器來讓它自己回到預(yù)期的軌道高度上。假如國際空間站沒有辦法提升它的距地高度，它最終會墜入大氣層深處，最終燃燒殆盡，就像一顆巨大的流星的一樣。
為什么國際空間站最終會燃燒殆盡
然而總有一天，我們會被迫拋棄國際空間站——而且這一天很快就會到來。國際空間站的建設(shè)是從1998年開始的，而其中最老的零件已經(jīng)有25歲了，并且隨著使用年限的增長開始出現(xiàn)一些裂縫了。幾年后，國際空間站將會失去他的用途，而一旦它被遺棄，那在太空中就沒有什么能支撐它保持在適宜的距地高度上了。
國際空間站非常的大，它長109米（358英尺），寬73米（239英尺），這也意味著讓它自己掉落回大氣層是非常危險的一件事：雖然說大部分都會燃燒殆盡，但是國際空間站的大量碎片也會像雨點一樣落到陸地上，甚至可能落到居住區(qū)內(nèi)。
因此按照計劃，國際空間站將于2031年在太平洋上一個名為“航天器墓地”的偏遠(yuǎn)地區(qū)脫離軌道。航天器拖拽裝置將會在2030年與國際空間站相接。這一次，最后一批國際空間站的工作人員將會離開他并關(guān)閉國際空間站的燈光。這個航天器拖拽裝置將會像一個糾纏者一樣跟隨著國際空間站，并且等待12-18個月的時間使國際空間站自然地由402千米的高度下降220千米（120英里）。然后拖拽器就會啟動它的引擎把國際空間站推到更低的位置-150千米高（93英里）。然后，拖拽器的最后一次引擎燃燒將把空間站帶到中間層——地球大氣層中位于熱層之下的一層。
中間層比熱層密度大，從太空中掉落的流星就是在中間層開始燃燒的，當(dāng)我們看到一顆流星的時候，那是它的宇宙塵埃在距離我們50-80千米（31-50英里）上的中間層燃燒。（此外，在夏季的幾個月里，在中間層還會形成夜光云或“夜光”云。）
在中間層燃燒物體的能量來自于，物體在下落中穿過中間層并與中間層的分子們接觸產(chǎn)生的摩擦力。流星通常能完全燃燒，因為他們很??；需要一大塊太空巖石才能夠穿過中間層，以隕石的形式到達(dá)地面（即使這樣，他們中的大多數(shù)也都會燃燒殆盡）
我們已經(jīng)知道了，國際空間站很大，而且它的很大一部分都會在穿過中間層的燃燒墜落中完好無損。太空拖拽器的工作就是把國際空間站推到航天器墳?zāi)股峡盏拇髿鈱樱诤教炱鲏災(zāi)股峡杖魏蔚臍埡《紩谶h(yuǎn)離陸地的，輪船航線，飛機(jī)航線的水中著陸。國際空間站的任何碎片在重返大氣層時幸存下來，都將沉入海底，永遠(yuǎn)不會再出現(xiàn)。
BY:Keith Cooper
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