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航天员紧急撤离!空间站应急演习每年必做,太空飞行有多凶险?

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老粥科普

2021-11-07 22:41

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“空间站遭到碎片撞击!”“舱压下降!”“神舟十三号全体撤离!”

别担心,这只是天宫空间站里一次例行演习,模拟遭受空间碎片撞击后一整套的检查、补救以及紧急撤离的流程。按规定,这种应急演习每年都会做一到两次,几乎每一批上天的航天员都会轮到,没有遗漏。

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神舟十三号紧急撤离演练画面

有朋友问:太空浩瀚,都是真空状态,空间站应该很安全才对呀!为什么会发生碎片碰撞,碰撞真有那么危险,甚至要放弃空间站吗?

自从1957年10月苏联发射第一颗人造地球卫星以来,人类总共将10000多个航天器送上环绕地球的轨道,至今还有超过7400颗卫星绕着地球飞行,其中有约4000颗像“东方红一号”那样已经失效的人造卫星。

失效卫星不受控,为什么还能在太空飞行几十年?这是因为在高轨道上的大气足够稀薄,空气阻力极小,卫星速度衰减得很慢,有些需要经过几千年才会掉回地面。

卫星失控可能会破碎

但是航天飞行控制中心一般并不担心空间站与其它卫星发生擦碰,这些航天器足够大,很容易监视,轨道也基本保持稳定,只要将这些轨道参数输入计算机,就能准确算出它们什么时间可能与空间站发生交会、最近距离是多少、空间站是否需要通过抬升或下降轨道来躲避撞击。

空间碎片严重威胁空间站安全

同样的策略也适用那些大型碎片,比如说发射卫星的第三级火箭、上面级助推器,还有那些卫星碎裂后的大零件等等。我们的地面跟踪系统足够灵敏,可以跟踪低轨道约100万个大于10厘米的物体,它们的飞行轨道也全记录在我们的数据库里,在可能发生碰撞之前,我们就能调动空间站躲开它。

小于10厘米的碎片超过1.28亿

问题在于那些小于10厘米的碎片,它们才是对空间站最大的威胁!

你可能觉得奇怪,为什么碎片越小威胁越大?因为明枪易躲,暗箭难防呀!地球周围有超过1.28亿个大于1毫米的小碎片,这些东西足够小,你哪怕用最精密的设备也没办法发现它们,但这些小东西威胁性一点也不低。

在许多枪战电影里,演员们经常上演门板挡子弹的好戏,他们躲在木门或者桌子后边,子弹嗖嗖地飞来,打得门板上火星四溅,但后边的人安然无恙。实际上别说木板,你躲在钢板后边都不保险!

8毫米钢板被洞穿

就拿中东战场上最常见的老式AK47步枪来说吧,它的弹头重8克,从枪口射出来的速度是710米/秒,大约2倍音速多一点,我们用动能定理可以很容易算出子弹的枪口动能是2010焦耳。AK47步枪子弹能在100米距离射穿1厘米厚的普通钢板,这时候的子弹动能还不到2000焦耳!

假设在空间站轨道高度有一颗8克重的小螺栓,你知道它的动能是多少吗?在距离地面400公里飞行的物体,它的速度是7.68公里/秒,代入动能定理后可以算出螺栓的动能高达23.6万焦耳,是子弹的118倍!这么高的能量,可以很容易将任何卫星击穿!

小弹丸以7公里/秒轰击铝板造成大坑

朋友们可能会问,咱们空间站难道没有防护吗?当然有。空间站的内层大约是1.5厘米左右厚度的铝合金舱壁,在某些容易受到撞击的部位,舱壁的厚度可能达到5厘米;在舱壁的外边,有一个凯芙拉纤维、碳纤维和防弹陶瓷构成的中间层;再外边是一层薄不锈钢板;最外边可能还有几层白色芳纶织物,主要是用来反射阳光和隔热。即便有这么多层防护,我们依然不能保证空间站的绝对安全。

万一空间站被碎片击穿了会发生什么?空间站外边接近真空,里边大约有一个大气压强,也就是大约一平方厘米有1公斤的压力。假如最里边的舱壁被击穿,空气会很快从破洞里向外喷射出去,造成空间站内部气压下降。

国际空间站被钻了个小洞

空间站里有一套非常精密的气压敏感器,只要气压有一点点下降,系统就会发出警报,提示航天员进行安全检查。如果破洞比较大,气流外泄的速度很快,舱内的物品会往破口处飘,航天员会比较容易找到破洞;假如像国际空间站俄罗斯舱那样,被人故意钻了个2毫米直径的小洞眼,空间泄漏得很慢,就不怎么好找了,但这也意味着航天员没有迫在眉睫的危险。

当空间站出现快速泄压时,航天员会第一时间打开应急气瓶阀门,向核心舱内补充空气,争取时间。紧接着航天员要寻找漏气位置,假如破口是在货运飞船或实验舱段,判断无法快速堵漏时,会迅速关闭相应舱门;要是载人飞船被撞破了,就把它抛弃掉,等待地面发射一个新的飞船上来;要是核心舱破了个大洞,大家就要迅速撤离到载人飞船里,准备返回地面。

神舟十三号对接在空间站下方

空间站即使是在无人的状态也能通过地面进行一些操控。控制中心能操纵机械臂在舱外爬行,用机械臂上的摄像头检查舱外的受损情况,如果能修,就安排下一批航天员带着设备和材料升空修理,要是没法修就只能整个报废,从头再来了。

包括国际空间站在内,载人航天活动的一切设计和操作规程都是以保证航天员身体健康和生命安全为中心。空间站在设计建造阶段就要充分考虑安全因素,但太空中杀机四伏,充满危险与挑战,这不但需要航天员在地面进行长时间严格训练,还要在空间站定期演练,确保平安回家。

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