国际空间站总重444吨,如果失控坠落地球,能毁灭一座城市?( 二 )



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 。

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 。

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 。

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 。

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 。

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” 。

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 。

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:

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 。

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” 。

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