国际空间站是迄今为止人类建造的最庞大、最复杂,也是最昂贵的航天器。它的总宽度(桁架长度)达109米,长73米,总质量约444吨。国际空间站内部加压容积是915.6立方米,相当于320平方米大房子的内部空间!当然了,由于里边塞了各种各样的设备和仪器,空间站给人活动的空间并没有咱们想象的那么大,有许多地方看起来挺挤,宇航员睡觉的地方只有衣柜大小。

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国际空间站内部很拥挤

没有哪个火箭能一次把444吨的大家伙送上天,就跟咱们中国天宫空间站一样,国际空间站也是一个模块一个模块慢慢拼装起来的。

1998年11月,一枚质子-K火箭将19.3吨的“曙光号”模块送上太空,由此拉开了国际空间站的建造序幕。“曙光号”由俄制,但因为是美国付钱,所以它归美国所有。紧接着,美国“奋进号”航天飞机将一个节点舱送上去跟“曙光号”对接。2000年7月,俄制“星辰号”服务舱升空与之对接,完成了国际空间站第一步的组装工作。

“星辰号”加入之后承担了国际空间站的生命支持系统、通信导航系统、飞行控制、配电、数据处理以及推进系统的主要工作,实际上它是之后整个国际空间站的核心舱段,“曙光号”变成了一个功能性货舱。

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国际空间站头两年长这样

尽管在之后的20年里,国际空间站又增加了好几个舱段,还安装了长度超过100米的巨型桁架以及几千平方米的太阳能电池组,但其核心舱依然是“星辰号”。如果将“星辰号”与空间站脱离,国际空间站就成了无头苍蝇。

在410公里高度,地球的引力大约是地面的90%,也就是说地球对国际空间站的引力约400吨,为了对抗这个引力,空间站需要以每秒7.66公里的速度绕着地球飞,由此产生的“离心力”跟地球引力抵消,保证了它不掉下来。

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国际空间站所处的高度有大气

但是与许多人想象的不同,空间站并不是在“大气层之外”飞行,这里其实是有空气。在国际空间站周围,每立方厘米空间里有大约8000个气体粒子,这些粒子对高速飞行的空间站产生阻力,拖慢它的速度,空间站就会每个月往下掉2公里,最后在稠密的大气层里烧毁。

为了对抗空气阻力,空间站需要经常开启发动机,给自己提速。这个发动机安装在“星辰号”尾端,另外为了躲避可能的太空碰撞,“进步号”货运飞船也会用自己的发动机推动空间站进行机动。

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进步号货运飞船负责空间站轨道提升

假如核心舱与货运飞船都从空间站脱开,会怎么样?

欧美其它舱段有自己的一套生命保障系统,宇航员可以坚持一段时间;配电、通信和数据处理也都有备份。但没有了“星辰号”核心舱,国际空间站就没有了飞行控制系统,它会很快失控。

国际空间站落回地面会怎样?会砸到花花草草吗?正常情况下并不会这样。

世界上大多数航天器在寿命终结时,地面控制人员会开启上面的发动机,控制其下降轨道,使航天器落入南太平洋一处叫“Punto Nemo”的海域。这个地方位于新西兰和南美大陆之间,没有陆地或岛屿,也鲜有船舶或飞机经过这里,因此有“航天器坟场”之称。

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航天器通常受控坠落在南太平洋“坟场”

但如果国际空间站脱离轨道是不受控的,它就未必会落入“航天器坟场”,而是掉到地球中低纬度的任何一个地方——可能是海洋、岛屿、山区,也可能是农村或城市。

航天发射成本很高,世界各国制造火箭和卫星都会尽可能地让它结构轻巧,因为这样可以用最低的发射成本实现最大效益。而当这些轻巧的航天器掉回地球时,由于在大气层里与空气高速摩擦挤压,航天器残骸的温度会升高到几千摄氏度,大部分材料燃烧、破碎,化为灰烬,只有少部分落到地面。

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空间站会在大气层燃烧解体

国际空间站不一样,它使用了大量不锈钢材料来制作桁架,因为桁架上要安装巨大的太阳能电池组件、散热组件和其它设备,桁架需要有一定刚性,所以国际空间站的钢桁架很粗很重,它们不可能在大气层里烧完。

为了保护宇航员的安全,空间站的舱壁不仅有几厘米厚的高强度铝合金,还覆盖有凯芙拉纤维、陶瓷和不锈钢板等材料,以抵挡微流星和太空垃圾的撞击,这些东西也不容易烧尽。

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太阳能电池与散热器最先脱落燃烧

当空间站坠落到100多公里的高空时,由于与空气的剧烈摩擦,空间站上的太阳能电池、散热器等脆弱部件会被撕扯下来。这些部件因为重量较轻,受力面积大,它们下坠的速度相对较慢。

随着高度进一步降低,空间站各舱段对接的机构,以及桁架上的薄弱部分也会因为高温和巨大的力量发生断裂,空间站因此变成若干个大火球。

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空间站桁架燃烧断裂

正如我们前面所讲的,国际空间站并不能在大气层里烧完。美国制造的“命运号”实验舱,欧洲航天局的“宁静号”、“哥伦布号”,日本的“希望号”等舱段有可能发生碎裂,但包括桁架、力矩陀螺和机械臂在内的大多数金属构件会继续下落,在空气里越来越热,速度越来越快。

空间站逐步解体燃烧

国际空间站运行的轨道倾角为51.63°,它掉下来时只会落在地球南北纬51.6°之间的区域,实际上这已经覆盖了地球上绝大多数的国家。

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国际空间站轨道在地面的投影

如果国际空间站不受控制地坠毁,它有可能砸到美国、整个非洲、大半个欧洲、印度,当然也有可能掉在我们头上。

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国际空间站残骸可能砸中的区域很大

那些没烧完的空间站残骸如果掉落到城市里,会造成多大的破坏?果真像美国《国家评论》杂志所称:会砸出一个“1300米直径、450米深”的大坑、“引发6级地震”,造成“数百万人死亡”,相当于爆了一枚核弹吗?

答案是否定的。

大气层在拆散空间站残骸、将它变成一个个火球的同时,还在使残骸减速,这样当碎片最终砸到地面之前,它们都会减到一个“终末速度”。

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达到终末速度时空气阻力与重力相等

根据空气阻力方程,物体在空气里运动受到的阻力与它速度的平方成正比,也跟空气的密度、物体形状以及表面光滑程度有关。科学家们经过计算,一颗光滑均匀的铁球从大气层外落回到地面,它的终末速度大约是117米/秒。

空间站残骸表面不像铁球那样均匀光滑,因此当它们落到地面时,其瞬时速度不会超过110米/秒。许多火流星在高空时极为明亮,接近地面时反而熄灭了,正是因为它的速度迅速下降,空气不仅不再加热它,反而使其降温的缘故。

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火流星在落到地面前会减速熄灭

当一块1吨重的航天器残骸以110米/秒的速度砸到地面,它产生的破坏力有多大呢?

我们通过导入动能定理:

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计算的结果 Ek = 1000 kg × 110 m/s(^2)÷ 2 = 6050000 J

这是个什么概念呢?我们知道,1公斤TNT爆炸产生的能量是4.184兆焦耳 (4184000 J),也就是说一块1吨重的空间站碎片砸到地面,只相当于1.45千克TNT爆炸造成的破坏力。

美国M777榴弹炮使用的M795 155毫米炮弹里装了10.8千克TNT炸药,它爆炸的威力相当于7.5吨空间碎片砸到地面。假设国际空间站有一半残骸落地,它的破坏力也大致与30颗M795炮弹相当。

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国际空间站

通过计算我们可以得出结论:如果国际空间站落到地面,它的确能造成大范围破坏,假如掉到城市里会酿成大祸。但并不能制造出“直径1300米的大坑”,也不会像原子弹那样毁灭一座城市,造成“数百万人死亡”。