太空中的永恒舞者：为什么国际空间站不会坠入地球
更新时间：2025-04-03 08:58 浏览量：2
#科普创作计划#
从燃料推进到轨道调整：ISS维持400公里高度的“生存法则”
太空奥秘：国际空间站是如何做到留在轨道上而不掉落到地球上的？
国际空间站如何留在轨道上的奥秘可以追溯到艾萨克·牛顿爵士的天才想法。
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国际空间站停留在轨道上的秘诀就是沿绕地球的弯曲路径受到的引力加速（图源：NASA）
国际空间站的轨道高悬在我们的头顶上方，然而地球的重力却从来没有把这个综合体拽离轨道，并让它急速下落到会让他烧毁的大气层。
这听起来很神奇，但他并不是一个悖论或者魔法，这只是传统物理学的应用成果。这一切均取决于国际空间站的轨道速度、其距地高度以及在重力作用下的下落速率。
国际空间站是如何留在轨道上的背后涉及的科学以及数学知识可以追溯到万有引力理论之父，17世纪的英国科学家——艾塞克牛顿。众所周知，牛顿脾气暴躁，他的万有引力理论可能不是像老故事所说的那样，他随意地坐在树下做白日梦，突然一颗苹果掉在了他的头上，然后他就提出了万有引力理论。但是他可能已经观察过苹果，树叶以及其他掉落的东西，并且思考了为什么他们会掉落。
让我们想想那颗虚构的苹果作为开端。当它挂在树枝上的时候，它是静止不动的，所以当它掉落时，重力会把它直直地往下拉。然后你可能会捡起这颗掉落的苹果，然后像一颗球一样把他扔出去。这时这颗苹果并不会像他静止不动时那样垂直地掉落下来；现在他有了水平方向的力去对抗重力，然后他就会沿着一条曲线掉落到地面。牛顿用了炮弹作为类比，水平把炮弹发射出去，它也沿着一条类似的曲线掉落到地面上。这条曲线的大小和形状取决于炮弹的发射速度以及空气阻力量。炮弹的速度越快，受到的空气阻力越小，炮弹的行进路线就越远，掉落到地面上的弧线角度越小。
牛顿将这一现象理想化，假如一颗炮弹拥有足够的速度，并从足够高的空气稀薄的山顶上水平发射出去，那这颗炮弹在重力作用下的下落曲线会和地球曲率相匹配。它会沿着这条曲线持续下落，但是距地高度不变，这是因为地球也同时在沿着曲线远离它。科学家把这一作用在物体上，并使物体沿着曲线行进的力称为向心力，向心力总是指向曲率的中心。
地球大气层有不同层。近地轨道航天器，如哈勃太空望远镜（如图）和国际空间站，在热层轨道上运行，然而下落的物体在中间层燃烧。（图片来源：NASA）
高度和速率
高度和速度是国际空间站能愉快地停留在我们头顶上方轨道的前提。这是指向地球中心的向心力和地球引力之间的平衡，这也是不断地使国际空间站在其弯曲的路径上经历重力加速度的原因。国际空间站沿着其弯曲路径下降的速度等于地球弯曲表面在其下方下降的速度。
实现这一平衡需要特定组合的高度和轨道速度。国际空间站的高度大约是距地402公里，或者说250英里（我们会简短解释为什么用“大约”来描述高度），并且以每秒7.6公里(4.7英里）行进，这是要想在这一高度上保持与地球曲率相匹配的行进路线所要求的速度。国际空间站是否能停留在一个更好高度的轨道上，那它可能就不需要为了保持它下落的曲率而行进得非常快了。但如果国际空间站在一个更低的高度上，它可能就需要行进得更快以此来避免掉落到地球大气层并烧毁。
但是也有一些复杂的问题，这使得国际空间站不能无限期地放任自流——如果我们不加以干预，它最终会撞回大气层并烧毁。这是因为即使距地402公里，国际空间站依旧处在地球大气层内，尽管它位于大气层中名为热层的很薄的一层。热层的密度很低，这就意味着大气分子很少，但是仍然有足够的能量来抵抗国际空间站的运动，并产生足够的阻力来减缓它的速度。这就导致空间站的行进速度减少了5cm/s(2in/s),也就导致了它的距地高度每天减少100米（328英尺）。
这也就是为什么说国际空间站的距地高度“大约”为402千米，因为它的距地高度不断在减少。每过一个月左右，国际空间站就必须点燃它的推进器来让它自己回到预期的轨道高度上。假如国际空间站没有办法提升它的距地高度，它最终会坠入大气层深处，最终燃烧殆尽，就像一颗巨大的流星的一样。
为什么国际空间站最终会燃烧殆尽
然而总有一天，我们会被迫抛弃国际空间站——而且这一天很快就会到来。国际空间站的建设是从1998年开始的，而其中最老的零件已经有25岁了，并且随着使用年限的增长开始出现一些裂缝了。几年后，国际空间站将会失去他的用途，而一旦它被遗弃，那在太空中就没有什么能支撑它保持在适宜的距地高度上了。
国际空间站非常的大，它长109米（358英尺），宽73米（239英尺），这也意味着让它自己掉落回大气层是非常危险的一件事：虽然说大部分都会燃烧殆尽，但是国际空间站的大量碎片也会像雨点一样落到陆地上，甚至可能落到居住区内。
因此按照计划，国际空间站将于2031年在太平洋上一个名为“航天器墓地”的偏远地区脱离轨道。航天器拖拽装置将会在2030年与国际空间站相接。这一次，最后一批国际空间站的工作人员将会离开他并关闭国际空间站的灯光。这个航天器拖拽装置将会像一个纠缠者一样跟随着国际空间站，并且等待12-18个月的时间使国际空间站自然地由402千米的高度下降220千米（120英里）。然后拖拽器就会启动它的引擎把国际空间站推到更低的位置-150千米高（93英里）。然后，拖拽器的最后一次引擎燃烧将把空间站带到中间层——地球大气层中位于热层之下的一层。
中间层比热层密度大，从太空中掉落的流星就是在中间层开始燃烧的，当我们看到一颗流星的时候，那是它的宇宙尘埃在距离我们50-80千米（31-50英里）上的中间层燃烧。（此外，在夏季的几个月里，在中间层还会形成夜光云或“夜光”云。）
在中间层燃烧物体的能量来自于，物体在下落中穿过中间层并与中间层的分子们接触产生的摩擦力。流星通常能完全燃烧，因为他们很小；需要一大块太空岩石才能够穿过中间层，以陨石的形式到达地面（即使这样，他们中的大多数也都会燃烧殆尽）
我们已经知道了，国际空间站很大，而且它的很大一部分都会在穿过中间层的燃烧坠落中完好无损。太空拖拽器的工作就是把国际空间站推到航天器坟墓上空的大气层，在航天器坟墓上空任何的残骸都会在远离陆地的，轮船航线，飞机航线的水中着陆。国际空间站的任何碎片在重返大气层时幸存下来，都将沉入海底，永远不会再出现。
BY:Keith Cooper
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