自去年以来,全世界都开始关注国际空间站的未来命运。作为目前球在轨最大、最重的人造天体,国际空间站的使用寿命只有10-15年。自2010年正式运营以来,国际空间站一直在超期服役,很多关键构建都老化损坏。按照专家评估,国际空间站预计到2030年将寿终正寝。那么问题来了,半个世纪前我国发射的东方红一号卫星设计寿命仅有20天,却在太空中飞行了52年,性能更加先进的空间站为什么做不到呢?其实,这正是因为飞行轨道的不同所决定的。

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首先来说,进入太空轨道的各种航天器,都会受到大气影响,从而不断降低轨道。很多航天器在使用寿命期满之后,轨道高度也会降低到极致,最终导致坠毁。在航天领域,科学家将100千米高度设定为“大气边界”。在这个高度,大气中的空气密度为地面的一亿分之一。如果高度提升到500千米,空气密度将无限接近于0。在这样的高度环境下,航天器就近乎脱离了大气影响,能够持续滞留太空。这一点,也正是东方红一号卫星持续飞行的原因。

事实上,我国航天人员为东方红一号卫星选择的飞行轨道就充分考虑到了“大气边界”原理。它是一个近地点高度441千米、远地点高度2368千米的椭圆形轨道。在这个轨道中,东方红一号几乎都是在441千米以上的高度飞行,因此不会受到大气影响降低轨道。根据科学观测显示,即便飞行了半个世纪,东方红一号目前的近地点高度依然保持在435千米。这也意味着,即便失去了能量,东方红一号还能继续飞行上百年。

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与东方红一号相比,主流航天器和空间站的轨道高度截然不同。无论是前苏联时期的“和平号”航天站,还是中国的“天宫”或日暮西山的国际空间站,其飞行轨道都是距地面400千米以上的近圆轨道。以国际空间站为例,为418千米、远地点高度为419千米,几乎就是一个圆形轨迹。这样设计的目的,是考虑到空间站的有人形态。因为宇航员需要在空间站长期驻守并进行各种科学实验,必须保证足够的平衡状态。

既然高轨道可以延长航天器的飞行寿命,那为什么空间站依然选择在400公里高度近圆轨道飞行呢?其实,这充分考虑到了成本因素和可行性因素。要知道,无论是宇航员的换防,还是各种科研材料、物资给养的配送,都需要借助 航天器。每一次航天器发射都要消耗大量的资金,由于技术的限制,高轨道航天发射任务消耗的资金预算会更高,而且风险性更大。与此同时,由于空间站的核心使命就是科学研究,受到观察视角的限制,高轨道并不利于对地科学研究,400千米高度也是目前比较科学务实的临界点。

正是因为400公里高度近圆轨道飞行会受到大气影响,目前的国际空间站就在不断降低轨道高度的同时,面临越来越大的风险。因为一旦航天器飞行高度低于300千米,几乎就宣告了“死刑”。以欧洲空间技术研究局2009年发射的GOCE卫星来说,它仅仅飞行了4年就坠入大气层。值得一提的是,在坠毁前一个月内,GOCE卫星的轨道高度只有230千米。

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随着国际空间站的退役时间日益临近,未来中国将承担起探索外太空的全新使命。据中国航天科技集团介绍,目前“天宫”空间站的“天和”核心舱、“天舟二号”货运飞船、空间应用系统核心舱任务等都已通过主管部门组织的出厂评审。中国载人航天工程三步走发展战略第三步的任务目标,也即将圆满完成。据悉,“天宫”空间站在轨道高度上与国际空间站类似,依然为400-450千米。