美国天空实验室陨落内幕：经费弹尽粮绝

（原标题：美国天空实验室陨落“内幕”）

本文为网易科学旗下“科学人”专栏，本期作者：李会超（中国科学院国家空间科学中心）。“科学人”投稿邮箱mike300@126.com

1979年7月，美国发射运行的第一艘空间实验室坠毁在澳大利亚帕斯附近，它终究还是没有等到航天飞机的出世。

这好好的实验室怎么说掉就掉下来了呢？我们还是先来了解一下什么是天空实验室，再来找出让天空实验室坠落的”罪魁祸首“，揭开坠落背后不为人知的内幕吧。

美国第一艘太空实验室

天空实验室（Skylab）是美国发射运行的第一艘空间实验室，也是美国空间站技术的先驱。它由工作舱、过渡舱、对接舱等部分组成，能与运送宇航员的“阿波罗”飞船对接。天空实验室总重82吨，与阿波罗飞船对接时的最大重量可达90吨。1973年5月14日，在推力巨大的土星5号火箭最后一次飞行中发射入轨。

尽管在发射期间飞船的主太阳能电池板和部分防护层被损坏，但是这些小意外并没有成为天空实验室的阻碍，随后造访天空实验室的宇航员成功的在太空中将其修复。

在1973年到1974年间，共有9位宇航员在天空实验室上累计工作了171天。之后，NASA虽然暂停了天空实验室的使用，但仍将其保留在轨道上，希望在20世纪80年代航天飞机研发完成后，用航天飞机搭载宇航员继续使用它。

然而，天空实验室没能坚持到航天飞机问世，就在1979年7月坠毁了。

宇航员最后一次造访天空实验室时拍摄的照片。

天空实验室的一扇主太阳能帆板毁于发射时的事故，因此照片中的天空实验室只有右边的一扇主太阳能帆板。

大气阻力与空间站轨道

目前，人类已经发射的大部分载人飞行器，都飞行在距离地面几百公里的近地轨道上，这里虽然已进入太空，但仍然存在着稀薄的大气。这些高层大气会对飞行器产生阻力，如果没有额外的动力抵消阻力，飞行器就会在阻力的作用下减速。

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。

那么，如何克服这个问题，让飞船在轨道上工作足够长的时间呢？

天空实验室

一方面，飞行器的轨道虽然在衰减，但衰减的速度是有限的。如果将飞行器发射到足够高的轨道，就能够避免在完成任务前坠落。

另一方面，也可以打开飞行器上的发动机，为飞行器增加动力，补充因为大气阻力而损失的速度，主动进行轨道维持。

无论是计算轨道衰减的速度，还是计算轨道维持时发动机消耗的燃料量，都需要轨道上的高层大气密度参数。

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，空间天气状况恶劣时近地轨道飞行器所处位置的大气密度会比空间天气状况平静时增加好几倍，使飞行器的轨道衰减更快，维持轨道时要消耗更多燃料。

被忽视的警告！

在美国，除了NASA外，和空间天气相关的联邦政府机构还有美国大气和海洋管理局（NOAA），其所属的空间环境服务中心（现在已发展为空间天气预报中心）定期为美国的政府和私人机构发布太阳活动、空间环境的预报。

在天空实验室发射之后，NOAA和NASA的科学家都要对未来几年的太阳黑子数做出预报。

因为太阳黑子数是太阳活动程度的标志，日面上出现太阳黑子越多，就意味着太阳上存在着越多的复杂磁场结构，爆发太阳风暴的可能性就更高。

所以，太阳黑子越多时，地球高层大气密度增加的情况会越频繁的出现，天空实验室的轨道就会衰减的更快。

通过长期观测，人们认识到太阳黑子数的多少存在着一个11年的周期，但每个周期中太阳黑子的数量存在差异。

天空实验室发射后执行载人任务的1973-1974年，正是第20太阳活动周的末期，此时预测还未开始的第21太阳活动周的黑子数量是一件困难的事。

这是1973年美国天空实验室拍摄的太阳照片，照片中有一个难得一见的巨大日饵。(NASA)

NASA和NOAA当时的太阳黑子数预报都出现了偏差，预报的黑子数比实际出现的黑子数要少。

1974年，最后一批造访天空实验室的宇航员在离开前，对天空实验室进行了轨道维持。按照错误的黑子数预报计算，这次轨道维持足以让天空实验室在轨道上运行到1983-1984年。按照NASA的如意算盘，那时航天飞机的研发已经完成，天空实验室将迎来乘坐航天飞机的宇航员，开始新的工作。

同时，利用航天飞机的推力，可以把天空实验室的轨道升高，来让它继续漂浮在太空中。

天空实验室计划LOGO，LOGO中的空间站还有两个主太阳能帆板

1976年8月，随着新一个太阳活动周的开始，NOAA发现了之前预报中存在的问题，并修正了预报。

在新预报中，NOAA认为第21太阳活动周黑子的最大数量将比之前的预报高出一倍。以当时天空实验室的轨道高度计算，它在太空中最多能坚持到1980年。

对于NOAA的警告，NASA没有从善如流，而是充耳不闻，坚信自己的预报依然正确。

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。

（编辑：宁德站长网）

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