美國天空實驗室隕落「內幕」

2021-01-07 騰訊網

1979年7月,美國發射運行的第一艘空間實驗室墜毀在澳大利亞帕斯附近,它終究還是沒有等到太空梭的出世。

這好好的實驗室怎麼說掉就掉下來了呢?我們還是先來了解一下什麼是天空實驗室,再來找出讓天空實驗室墜落的」罪魁禍首「,揭開墜落背後不為人知的內幕吧。

你以為是這樣的?少年你想太多了

天空實驗室(Skylab)是美國發射運行的第一艘空間實驗室,也是美國空間站技術的先驅。

它由工作艙、過渡艙、對接艙等部分組成,能與運送太空人的「阿波羅」飛船對接。

天空實驗室總重82噸,與阿波羅飛船對接時的最大重量可達90噸。1973年5月14日,在推力巨大的土星5號火箭最後一次飛行中發射入軌。

儘管在發射期間飛船的主太陽能電池板和部分防護層被損壞,但是這些小意外並沒有成為天空實驗室的阻礙,隨後造訪天空實驗室的太空人成功的在太空中將其修復。

在1973年到1974年間,共有9位太空人在天空實驗室上累計工作了171天。之後,NASA雖然暫停了天空實驗室的使用,但仍將其保留在軌道上,希望在20世紀80年代太空梭研發完成後,用太空梭搭載太空人繼續使用它。

然而,天空實驗室沒能堅持到太空梭問世,就在1979年7月墜毀了。

太空人最後一次造訪天空實驗室時拍攝的照片。

天空實驗室的一扇主太陽能帆板毀於發射時的事故,因此照片中的天空實驗室只有右邊的一扇主太陽能帆板。

目前,人類已經發射的大部分載人飛行器,都飛行在距離地面幾百公裡的近地軌道上,這裡雖然已進入太空,但仍然存在著稀薄的大氣。這些高層大氣會對飛行器產生阻力,如果沒有額外的動力抵消阻力,飛行器就會在阻力的作用下減速。

由於地球的重力場是恆定的,因此飛行器的軌道高度就必須降低,才能使地球引力和飛船圓周運動的向心力相等,一般稱這種現象為「軌道衰減」

隨著軌道高度的降低,軌道上的大氣密度會因為接近地面而提高,阻力會進一步變大,最終,飛行器會墜向地面。

那麼,如何克服這個問題,讓飛船在軌道上工作足夠長的時間呢?

天空實驗室

一方面,飛行器的軌道雖然在衰減,但衰減的速度是有限的。如果將飛行器發射到足夠高的軌道,就能夠避免在完成任務前墜落。

另一方面,也可以打開飛行器上的發動機,為飛行器增加動力,補充因為大氣阻力而損失的速度,主動進行軌道維持。

無論是計算軌道衰減的速度,還是計算軌道維持時發動機消耗的燃料量,都需要軌道上的高層大氣密度參數。

當太陽風暴吹襲地球時,因太陽耀斑而顯著增強的太陽紫外輻射會直接加熱高層大氣。日冕物質拋射(CME)所引發的地磁暴,會通過高緯地區焦耳加熱和高能帶電粒子沉降加熱等作用,使極區高層大氣密度和成分發生很大的變化。在大氣環流的作用下,這種變化被帶到其它高度和經緯度上,引起全球高層大氣增溫、密度和成分發生變化。

在這些現象的作用下,空間天氣狀況惡劣時近地軌道飛行器所處位置的大氣密度會比空間天氣狀況平靜時增加好幾倍,使飛行器的軌道衰減更快,維持軌道時要消耗更多燃料。

在美國,除了NASA外,和空間天氣相關的聯邦政府機構還有美國大氣和海洋管理局(NOAA),其所屬的空間環境服務中心(現在已發展為空間天氣預報中心)定期為美國的政府和私人機構發布太陽活動、空間環境的預報。

在天空實驗室發射之後,NOAA和NASA的科學家都要對未來幾年的太陽黑子數做出預報。

因為太陽黑子數是太陽活動程度的標誌,日面上出現太陽黑子越多,就意味著太陽上存在著越多的複雜磁場結構,爆發太陽風暴的可能性就更高。

所以,太陽黑子越多時,地球高層大氣密度增加的情況會越頻繁的出現,天空實驗室的軌道就會衰減的更快。

通過長期觀測,人們認識到太陽黑子數的多少存在著一個11年的周期,但每個周期中太陽黑子的數量存在差異。

天空實驗室發射後執行載人任務的1973-1974年,正是第20太陽活動周的末期,此時預測還未開始的第21太陽活動周的黑子數量是一件困難的事。

這是1973年美國天空實驗室拍攝的太陽照片,照片中有一個難得一見的巨大日餌。(NASA)

NASA和NOAA當時的太陽黑子數預報都出現了偏差,預報的黑子數比實際出現的黑子數要少。

1974年,最後一批造訪天空實驗室的太空人在離開前,對天空實驗室進行了軌道維持。按照錯誤的黑子數預報計算,這次軌道維持足以讓天空實驗室在軌道上運行到1983-1984年。按照NASA的如意算盤,那時太空梭的研發已經完成,天空實驗室將迎來乘坐太空梭的太空人,開始新的工作。

同時,利用太空梭的推力,可以把天空實驗室的軌道升高,來讓它繼續漂浮在太空中。

天空實驗室計劃LOGO,LOGO中的空間站還有兩個主太陽能帆板

1976年8月,隨著新一個太陽活動周的開始,NOAA發現了之前預報中存在的問題,並修正了預報。

在新預報中,NOAA認為第21太陽活動周黑子的最大數量將比之前的預報高出一倍。以當時天空實驗室的軌道高度計算,它在太空中最多能堅持到1980年。

對於NOAA的警告,NASA沒有從善如流,而是充耳不聞,堅信自己的預報依然正確。

按照NASA的解釋,NASA的太陽黑子數預報模型使用了最近20個太陽活動周的數據,而NOAA只使用了13個,究竟哪個模型給出的預報更準確沒有定論。

但NOAA的科學家表示,NOAA捨棄那7個太陽活動周數據的原因是那些數據的觀測時間比較久遠,數據的可信程度被研究者們廣泛質疑,NASA對此應該心知肚明。他們推測,NASA不接受警告的原因更多的是出於科學之外的考慮。

當時,負責天空實驗室研發的NASA馬歇爾飛行中心正在積極推進在80年代重啟天空實驗室的計劃,如果此時NASA的決策層了解到關於天空實驗室的負面消息,他們可能會調整之前的計劃,使馬歇爾飛行中心拿不到與之相關的項目與經費。

馬歇爾飛行中心還在推進一個為天空實驗室續命的遙控推進器項目。這個項目打包在NASA的年度預算中,正在等待國會「批覆」。如果天空實驗室堅持不了太久,國會極有可能砍掉這些項目。

最近6個太陽活動周的太陽黑子數數據

事情被NASA拖到1977年末後,另一個機構傳來的消息讓NASA再也坐不住了。

在NASA的請求下,由美國和加拿大聯合設立的軍事機構北美防空司令部(NORAD)對天空實驗室的軌道進行了觀測,結果,NORAD發現此時的狀況比NOAA預計的更糟糕。

作為美國和加拿大領空的保護者,NORAD不但監視飛機等地面附近飛行的目標,還對太空中人造飛行器的軌道進行監測,每3天就可以將所有飛行器的軌道更新一遍。

NORAD的觀測表明,天空實驗室在太空中的姿態就好像逆風中騎車的人挺起了腰杆,受到的大氣阻力比之前預計的更大。而它墜入地球的時間將提前到1979年年中。

另一個角度看天空實驗室

作為天空實驗室的研發和管理機構,NASA為什麼沒有更早注意到天空實驗室軌道的衰減呢?

(因為缺錢!當然這只是部分原因。)

在天空實驗室發射前,NASA並沒有計劃好到底要讓它工作到什麼時候。

在1974年最後一次載人任務終止後,NASA用於天空實驗室運行的經費也幾乎彈盡糧絕。除了接收指令的通信系統外,NASA關閉了飛船上的其他所有系統,一廂情願地相信天空實驗室的軌道變化會和他們一開始預測的一樣。

而NOARD儘管能夠始終監測天空實驗室的軌道,但忌憚於在國會面前給天空實驗室潑髒水、給NASA潑髒水,在NASA明確請求前一直沒有發布天空實驗室的軌道觀測信息。

在得到天空實驗室軌道下墜的確切消息後,NASA迅速召集起了一支隊伍試圖挽救它,但一切都已經太遲了。

在天空實驗室掉下來前,太空梭和遙控助推器的研發都不可能完成,而天空實驗室本身有限的推力又難以阻擋它下墜的趨勢。NASA甚至不能有效控制天空實驗室墜落在地球的哪個地方。

1978年1月,蘇聯的間諜衛星Cosmos 954弄出了一個大新聞。

蘇聯宣稱天空實驗室在墜入大氣層時已經完全燒毀,但加拿大卻鬱悶的發現事實並不是這樣,大量帶有衛星放射性物質的殘骸散落在加拿大的國土上。在冷戰的背景下,西方記者抓住這個機會對蘇聯批判了一番。

天空實驗室雖然不帶有放射性物質,但因為體積、重量太大,NASA估計它墜入大氣層時不會完全燒毀。萬一其殘骸落入人口稠密區造成傷亡和損失,輿論對NASA的質疑會產生和Cosmos954一樣的新聞效應,讓NASA在公眾和國會面前的形象大打折扣。

1979年7月11日,圍繞地球旋轉了34981圈的天空實驗室墜落在了澳大利亞帕斯東南的陸地上。

雖然NASA對天空實驗室的墜落位置和解體速度的估計都存在比較大的誤差,天空實驗室未能像他們希望的那樣墜落在南非開普敦以南的大海中,但所幸的是,殘骸墜地時沒有造成損失。

9天後,帕斯在舉辦「宇宙小姐」選美比賽時,還把天空實驗室的一塊殘骸拉去裝飾舞臺,為天空實驗室的終結增加了幾分喜劇色彩。

1979年「宇宙小姐」選美比賽現場展示的天空實驗室殘骸,畫面中的四位朋友似乎並沒有為天空實驗室的提前隕落而感到難過

雖然天空實驗室自己殞命於空間天氣效應,但它在軌運行期間的科學發現卻極大的地推動了人類對於太陽活動的認識,為更準確的預報空間天氣的變化提供了理論依據。

天空實驗室上搭載了阿波羅望遠鏡裝置(Apollo Telescope Mount,簡稱ATM,但不要因為名字一樣就認為它能在太空裡取錢)裝配了X射線、極紫外、紫外、可見光等波段的成像和光譜觀測設備。通過分析ATM的白光日冕儀數據,科學家們發現了與行星際激波對應的日冕瞬變現象——日冕物質拋射。

今天,作為影響地球空間天氣狀況最顯著的現象之一,日冕物質拋射的產生、傳播和它對地球的影響依然是空間天氣學研究的熱點領域。

通過分析ATM的X射線望遠鏡觀測,科學家們確認了冕洞的存在,同時發現雖然太陽表面存在著較差自轉,即太陽表面不同緯度的自傳速度不同,但冕洞的形狀卻沒有被自轉速度的差異所改變,在幾個太陽自傳周內形狀基本沒有大的變化。

進一步的研究還發現,冕洞就是快速太陽風的發源地。

天空實驗室拍攝的冕洞圖像

天空實驗室拍攝的日冕物質拋射圖像

不完美的謝幕並沒有影響天空實驗室的歷史地位,作為空間站技術的先驅者和美國人在太空中的第一個家,天空實驗室為美國積累了空間站設計和運行的經驗,推動了後續的國際空間站計劃。

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