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科技日历|40年前的今天,美国绕地航天站“天空实验室”掉落大气层烧毁

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 Connor Feng • 2019-07-11 14:02:07 来源:前瞻网 E697G0

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来源:NASA

1979年7月11日,美国的第一个绕地航天站,Sky Lab天空实验室在宇宙运行了2246天之后,最终进入地球大气层烧毁,剩余部分坠毁在澳大利亚帕斯附近。

美国第一个“太空实验室”

在冷战时期的太空竞赛中,美国在初期航天竞争中失利,后来美国人不仅抢先执行了载人登月的“阿波罗”计划,“把苏联人摔倒在月球上”,而且还要一鼓作气,逐渐甩掉一次性使用的火箭和一次性使用的载人飞船,而建设永久性航天站和为它配套的天地往返运输系统——航天飞机,要远远地将苏联人抛在后面,为此拟订了“天空实验室计划”。

1966年,美国提出土星S-IVB级箭体试验模块(SSESM,Saturn S-IVB spent-stage experiment support module)方案,用土星5号火箭的第三级箭体改造为空间站主体,不过SSESM方案后来被载人轨道实验室(MOL)方案所取代。

但在1969年,MOL方案被取消。而由于阿波罗18到20任务也被取消,NASA空余出三枚土星5号火箭,于是SSESM方案被改为“天空实验室”。

20世纪70年代,美国在结束阿波罗项目后,航天预算遭到削减,同时投入重点也转向航天飞机项目。对比空间站项目的进度和能力,美国同期在空间站技术上仍然领先于苏联。

“天空实验室”是人类迄今为止向近地轨道发射的最重,容量最大且最复杂的人造天体,它总长36.12米、直径5.58米、重约90吨、工作空间为361.4立方米,由工作舱和“阿波罗”指令服务舱两大部分组成。工作舱包括轨道舱、仪器舱、多用途对接舱和太阳望远镜。

在1973年5月14日,这个天空实验室在美国肯尼迪宇宙中心发射升空,它搭载土星INT-21火箭进入高度为435千米的近地圆形轨道。同年,NASA还先后发射了3艘阿波罗飞船与天空实验室对接,这3艘飞船分别称为天空实验室-2、3、4。

但在天空实验室在起飞63秒后,轨道工作舱的防护罩就提前打开了,高速气流立即把防护罩撕掉,两个翼状太阳能电池帆板中的一块也被气流带走,幸存的一块也被防护罩的碎片缠住无法打开。因此,“天空实验室”到达轨道以后,全部电力都依靠太阳望远镜上的电池帆板提供,这使天空实验室的电力减少了大半,天空实验室也处于严重缺电状态,许多仪器设备无法工作,计划进行的科学试验也就无从谈起。另外,轨道工作舱的防护罩被撕掉后,轨道工作舱外壁直接暴露在太阳光之下,这使得舱内温度急剧上升,平均温度高达50℃左右,很明显,宇航员无法在这样高的温度里生活和工作。

于是,在1973年5月25日,一艘阿波罗飞船(天空实验室-2)搭载3名航天员与天空实验室对接,以对天空实验室进行修复,航天员用一顶遮阳帆挡住阳光,使实验室内温度下降至27度左右,并展开了另一个被卡住的太阳能电池板,这样,天空实验室才得以正常工作。

初期的“水星”、“双子星”以及“阿波罗”飞船内的宇航员,住在狭窄而有限的舱内,过着幽禁孤独的生活,吃的是膏状食物及塑料袋里的流质,使宇航员失去了在地面上所吃的美味佳肴。但天空实验室的住室比前几个类型宇宙飞船都要舒适得多,天空实验室有368立方米的空间供宇航员活动和工作,还有沐浴和个人卫生设备,有约907千克的食品储藏在11个食品储存器和5个食品冷冻器内,调换花样的冷热餐装在金属餐盒内。在空间站没有什么可洗的衣物,因为宇航员换下的衣服都投到垃圾桶里处理掉。在住室的柜内存放着30件夹克、短衬衣和工装,30件外衣,15双鞋袜和手套,以及210条衬裤,还有其他衣服放在应急舱内。高级盥洗室里有55块香皂、90千克毛巾、1.8万个大小便袋。

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来源:NASA

科研成果

美国天空实验室空间站在轨道上运行期间,共接待了三批共9位宇航员。除了成功完成空间站的修理工作之外,宇航员们在空间站里还进行了许多生物实验,研究了植物在太空中生长与在地球上生长是否不同的问题,还研究了细菌在太空的生长情况。

在天文学领域,科学家们第一次观测到一个新彗星──科豪特克彗星,并拍摄了33张色彩丰富、非常清晰的彗星照片,对于研究彗星组成有重要价值。

此外,天空实验室在轨运行期间的科学发现也极大的地推动了人类对于太阳活动的认识,为更准确的预报空间天气的变化提供了理论依据。

天空实验室上搭载了阿波罗望远镜装置(Apollo Telescope Mount,简称ATM)装配了X射线、极紫外、紫外、可见光等波段的成像和光谱观测设备。通过分析ATM的白光日冕仪数据,科学家们发现了与行星际激波对应的日冕瞬变现象——日冕物质抛射。

今天,作为影响地球空间天气状况最显著的现象之一,日冕物质抛射的产生、传播和它对地球的影响依然是空间天气学研究的热点领域。

通过分析ATM的X射线望远镜观测,科学家们确认了冕洞的存在,同时发现虽然太阳表面存在着较差自转,即太阳表面不同纬度的自传速度不同,但冕洞的形状却没有被自转速度的差异所改变,在几个太阳自传周内形状基本没有大的变化。进一步的研究还发现,冕洞就是快速太阳风的发源地。

由于天空实验室飞行任务由国防部负责,任务获取的许多科学成果并未公布于世,只公布了一般不甚重要的内容。而国防部执行军用飞行任务、技术实验,并为未来空间站进行的专门试验,载人机动飞行器手控改进型的试飞,均属于保密范围。天空实验室一个主要目的是为载人空间站设计提供飞行依据,也就是说,天空实验室只是美国未来空间站的小规模预演飞行。

坠落

目前大部分载人飞行器都在距离地面几百公里的近地轨道上飞行,这里虽然已经属于太空范围,但仍然存在着稀薄的大气。这些高层大气也会对飞行器产生阻力,如果没有额外的动力抵消阻力的话,飞行器就会在阻力的作用下慢慢减速。

由于地球的重力场是恒定的,因此飞行器的轨道高度就必须降低,才能使地球引力和飞船圆周运动的向心力相等,一般称这种现象为“轨道衰减”。

随着轨道高度的降低,轨道上的大气密度会因为接近地面而提高,阻力会进一步变大,最终,飞行器会坠向地面。

但当太阳风暴吹袭地球时,因太阳耀斑而显著增强的太阳紫外辐射会直接加热高层大气。日冕物质抛射(CME)所引发的地磁暴会通过高纬地区焦耳加热和高能带电粒子沉降加热等作用,使极区高层大气密度和成分发生很大的变化。在大气环流的作用下,这种变化会被带到其它高度和经纬度上,引起全球高层大气增温、密度和成分发生变化。

在这些现象的作用下,近地轨道飞行器所处位置的大气密度会比平时增加好几倍,这会使飞行器的轨道衰减得更快,维持轨道时就需要要消耗更多燃料。

当宇航员最后一次使用天空实验室的时候,他们对太阳黑子的预测出现了误差,太阳黑子的实际数量要比预测的多出一倍,这使得后来天空实验室的轨道衰减比人们想象中的要快得多。

美国大气和海洋管理局(NOAA)发现了之前预测中存在的这个问题,并修正了预报。但NASA 并没有理会,按照NASA的解释,NASA的太阳黑子数预报模型使用了最近20个太阳活动周的数据,而NOAA只使用了13个,究竟哪个模型给出的预报更准确没有定论。

但NOAA的科学家们推测,NASA不接受警告的原因更多的是出于科学之外的考虑。

当时,负责天空实验室研发的NASA马歇尔飞行中心正在积极地推进80年代重启天空实验室的计划,这时候万万不能让NASA的决策层知道天空实验室的负面消息,他们可能会调整之前的计划,马歇尔飞行中心也就拿不到项目与经费。

到了1977年,美国和加拿大联合设立的军事机构北美防空司令部(NORAD)对天空实验室的观察表明,天空实验室的轨道衰减要比想象中严重的多,由于太阳活动,它受到的大气阻力比之前预计的更大,而它坠落地球大气层的时间也将提前到1979年年中。

NASA本来还想着在天空实验室掉下来之前就能成功研发出航天飞机,并借此“复活”天空实验室,但这一切都太迟了,天空实验室坠落和航天飞机研发成功之间还是相差了一年的时间,NASA的这个如意算盘还是没能打响。

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