40年前的今天，美國繞地航天站「天空實驗室」掉落大氣層燒毀

來源：NASA

1979年7月11日，美國的第一個繞地航天站，Sky Lab天空實驗室在宇宙運行了2246天之後，最終進入地球大氣層燒毀，剩餘部分墜毀在澳大利亞帕斯附近。

美國第一個「太空實驗室」

在冷戰時期的太空競賽中，美國在初期航天競爭中失利，後來美國人不僅搶先執行了載人登月的「阿波羅」計劃，「把蘇聯人摔倒在月球上」，而且還要一鼓作氣，逐漸甩掉一次性使用的火箭和一次性使用的載人飛船，而建設永久性航天站和為它配套的天地往返運輸系統——太空梭，要遠遠地將蘇聯人拋在後面，為此擬訂了「天空實驗室計劃」。

1966年，美國提出土星S-IVB級箭體試驗模塊(SSESM，Saturn S-IVB spent-stage experiment support module)方案，用土星5號火箭的第三級箭體改造為空間站主體，不過SSESM方案後來被載人軌道實驗室(MOL)方案所取代。

但在1969年，MOL方案被取消。而由於阿波羅18到20任務也被取消，NASA空餘出三枚土星5號火箭，於是SSESM方案被改為「天空實驗室」。

20世紀70年代，美國在結束阿波羅項目後，航天預算遭到削減，同時投入重點也轉向太空梭項目。對比空間站項目的進度和能力，美國同期在空間站技術上仍然領先於蘇聯。

「天空實驗室」是人類迄今為止向近地軌道發射的最重，容量最大且最複雜的人造天體，它總長36.12米、直徑5.58米、重約90噸、工作空間為361.4立方米，由工作艙和「阿波羅」指令服務艙兩大部分組成。工作艙包括軌道艙、儀器艙、多用途對接艙和太陽望遠鏡。

在1973年5月14日，這個天空實驗室在美國肯尼迪宇宙中心發射升空，它搭載土星INT-21火箭進入高度為435千米的近地圓形軌道。同年，NASA還先後發射了3艘阿波羅飛船與天空實驗室對接，這3艘飛船分別稱為天空實驗室-2、3、4。

但在天空實驗室在起飛63秒後，軌道工作艙的防護罩就提前打開了，高速氣流立即把防護罩撕掉，兩個翼狀太陽能電池帆板中的一塊也被氣流帶走，倖存的一塊也被防護罩的碎片纏住無法打開。因此，「天空實驗室」到達軌道以後，全部電力都依靠太陽望遠鏡上的電池帆板提供，這使天空實驗室的電力減少了大半，天空實驗室也處於嚴重缺電狀態，許多儀器設備無法工作，計划進行的科學試驗也就無從談起。另外，軌道工作艙的防護罩被撕掉後，軌道工作艙外壁直接暴露在太陽光之下，這使得艙內溫度急劇上升，平均溫度高達50℃左右，很明顯，宇航員無法在這樣高的溫度里生活和工作。

於是，在1973年5月25日，一艘阿波羅飛船(天空實驗室-2)搭載3名航天員與天空實驗室對接，以對天空實驗室進行修復，航天員用一頂遮陽帆擋住陽光，使實驗室內溫度下降至27度左右，並展開了另一個被卡住的太陽能電池板，這樣，天空實驗室才得以正常工作。

初期的「水星」、「雙子星」以及「阿波羅」飛船內的宇航員，住在狹窄而有限的艙內，過著幽禁孤獨的生活，吃的是膏狀食物及塑料袋裡的流質，使宇航員失去了在地面上所吃的美味佳肴。但天空實驗室的住室比前幾個類型宇宙飛船都要舒適得多，天空實驗室有368立方米的空間供宇航員活動和工作，還有沐浴和個人衛生設備，有約907千克的食品儲藏在11個食品儲存器和5個食品冷凍器內，調換花樣的冷熱餐裝在金屬餐盒內。在空間站沒有什麼可洗的衣物，因為宇航員換下的衣服都投到垃圾桶里處理掉。在住室的櫃內存放著30件夾克、短襯衣和工裝，30件外衣，15雙鞋襪和手套，以及210條襯褲，還有其他衣服放在應急艙內。高級盥洗室里有55塊香皂、90千克毛巾、1.8萬個大小便袋。

來源：NASA

科研成果

美國天空實驗室空間站在軌道上運行期間，共接待了三批共9位宇航員。除了成功完成空間站的修理工作之外，宇航員們在空間站里還進行了許多生物實驗，研究了植物在太空中生長與在地球上生長是否不同的問題，還研究了細菌在太空的生長情況。

在天文學領域，科學家們第一次觀測到一個新彗星──科豪特克彗星，並拍攝了33張色彩豐富、非常清晰的彗星照片，對於研究彗星組成有重要價值。

此外，天空實驗室在軌運行期間的科學發現也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)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。

由於天空實驗室飛行任務由國防部負責，任務獲取的許多科學成果並未公佈於世，只公布了一般不甚重要的內容。而國防部執行軍用飛行任務、技術實驗，並為未來空間站進行的專門試驗，載人機動飛行器手控改進型的試飛，均屬於保密範圍。天空實驗室一個主要目的是為載人空間站設計提供飛行依據，也就是說，天空實驗室只是美國未來空間站的小規模預演飛行。

墜落

目前大部分載人飛行器都在距離地面幾百公里的近地軌道上飛行，這裡雖然已經屬於太空範圍，但仍然存在著稀薄的大氣。這些高層大氣也會對飛行器產生阻力，如果沒有額外的動力抵消阻力的話，飛行器就會在阻力的作用下慢慢減速。

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。

但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，這種變化會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，近地軌道飛行器所處位置的大氣密度會比平時增加好幾倍，這會使飛行器的軌道衰減得更快，維持軌道時就需要要消耗更多燃料。

當宇航員最後一次使用天空實驗室的時候，他們對太陽黑子的預測出現了誤差，太陽黑子的實際數量要比預測的多出一倍，這使得後來天空實驗室的軌道衰減比人們想像中的要快得多。

美國大氣和海洋管理局(NOAA)發現了之前預測中存在的這個問題，並修正了預報。但NASA 並沒有理會，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地推進80年代重啟天空實驗室的計劃，這時候萬萬不能讓NASA的決策層知道天空實驗室的負面消息，他們可能會調整之前的計劃，馬歇爾飛行中心也就拿不到項目與經費。

到了1977年，美國和加拿大聯合設立的軍事機構北美防空司令部(NORAD)對天空實驗室的觀察表明，天空實驗室的軌道衰減要比想像中嚴重的多，由於太陽活動，它受到的大氣阻力比之前預計的更大，而它墜落地球大氣層的時間也將提前到1979年年中。

NASA本來還想著在天空實驗室掉下來之前就能成功研發出太空梭，並藉此「復活」天空實驗室，但這一切都太遲了，天空實驗室墜落和太空梭研發成功之間還是相差了一年的時間，NASA的這個如意算盤還是沒能打響。

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