国际空间站在大气层上方飞行
国际空间站和中国天宫空间站都在距离地面约400公里高度的太空飞行,许多时候我们称这里为太空,认为太空就是真空,是没有空气的地方。实际上,在空间站周围依然存在着不少空气。
学过地理的朋友应该还记得地球大气是分层的:从地面到12公里高度是对流层,再往上是平流层、中间层、热层,最外边是外逸层。热层的高度在80公里到约700公里范围,空间站和大多数卫星都处在这个高度范围内。
国际空间站轨道距地面400公里
尽管我们把距离地面100公里高度的地方称为“大气层边界”(卡门线),出了这个边界就进入了太空,实际上这个“太空”里也有空气,并且有不少空气。
正常情况下,国际空间站在轨道上运行,每个月要往下“掉”2公里,这是因为空间站每时每刻都受到空气阻力影响。为了保持住轨道高度,国际空间站需要不时开启发动机进行“升轨”,为此每年要消耗7.5吨燃料,花费2.1亿美元(约15亿人民币)!
欧洲航天局经过计算,认为在距离地面400公里的空间,每立方厘米约有3.8 × 10^(-12)千克空气,这大约相当于一个小手指头的空间里有数百万个原子,其中约90%是氧原子。
国际空间站
古人常说“高处不胜寒”,但在400公里高空的大气层却被科学家称为“热层”,这是为什么呢?
地球的大气层阻挡了绝大多数有害的太阳辐射和高能宇宙射线,但在80公里以上的大气层,由于空气稀薄,强烈的紫外线辐射会把空气粒子加热到2500°C,并将分子光解成原子。
在空间站的周围,每立方厘米的氧原子超过百万个,并且由于空间站以每秒7.6公里的速度飞行,所以氧原子也以同样的速度撞击空间站表面。
与普通氧气不同,原子氧更活泼,它会氧化所碰到的金属,包括裸露的不锈钢。
原子氧从缝隙钻入使铁氧化
太空中的原子氧与航天器材料发生氧化反应被称为“空间腐蚀”,早期的航天器深受空间腐蚀的困扰,高精密轴承经常被卡住。后来科学家在活动部件表面镀上一层薄薄的金,并且加以润滑,金不会被氧化,从而使下面的铁受到保护。
铝也容易被氧化,但铝氧化后会在表面形成坚硬的氧化铝膜,因此问题并不是很严重。我们很少在航天器表面看到塑料,一个重要原因是它对原子氧和电离辐射很敏感,需要特殊的涂料加以保护,所以尽管塑料重量轻价格便宜,但一般不用它。
总结:
空间站外表面很少使用铁构件,因为钢铁在太空容易生锈。受太阳辐射影响,地球外层大气里有大量原子氧,原子氧生性活泼,很容易腐蚀金属,因此航天器表面防腐蚀是一项重要的工作。