美国天空实验室陨落“内幕”
作者：李会超（中国科学院国家空间科学中心）
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。
你以为是这样的？少年你想太多了
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。
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。
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。
但NOAA的科学家表示，NOAA舍弃那7个太阳活动周数据的原因是那些数据的观测时间比较久远，数据的可信程度被研究者们广泛质疑，NASA对此应该心知肚明。他们推测，NASA不接受警告的原因更多的是出于科学之外的考虑。
当时，负责天空实验室研发的NASA马歇尔飞行中心正在积极推进在80年代重启天空实验室的计划，如果此时NASA的决策层了解到关于天空实验室的负面消息，他们可能会调整之前的计划，使马歇尔飞行中心拿不到与之相关的项目与经费。
马歇尔飞行中心还在推进一个为天空实验室续命的遥控推进器项目。这个项目打包在NASA的年度预算中，正在等待国会“批复”。如果天空实验室坚持不了太久，国会极有可能砍掉这些项目。
最近6个太阳活动周的太阳黑子数数据
事情被NASA拖到1977年末后，另一个机构传来的消息让NASA再也坐不住了。
在NASA的请求下，由美国和加拿大联合设立的军事机构北美防空司令部（NORAD）对天空实验室的轨道进行了观测，结果，NORAD发现此时的状况比NOAA预计的更糟糕。
作为美国和加拿大领空的保护者，NORAD不但监视飞机等地面附近飞行的目标，还对太空中人造飞行器的轨道进行监测，每3天就可以将所有飞行器的轨道更新一遍。
NORAD的观测表明，天空实验室在太空中的姿态就好像逆风中骑车的人挺起了腰杆，受到的大气阻力比之前预计的更大。而它坠入地球的时间将提前到1979年年中。
另一个角度看天空实验室
作为天空实验室的研发和管理机构，NASA为什么没有更早注意到天空实验室轨道的衰减呢？
（因为缺钱！当然这只是部分原因。）
在天空实验室发射前，NASA并没有计划好到底要让它工作到什么时候。
在1974年最后一次载人任务终止后，NASA用于天空实验室运行的经费也几乎弹尽粮绝。除了接收指令的通信系统外，NASA关闭了飞船上的其他所有系统，一厢情愿地相信天空实验室的轨道变化会和他们一开始预测的一样。
而NOARD尽管能够始终监测天空实验室的轨道，但忌惮于在国会面前给天空实验室泼脏水、给NASA泼脏水，在NASA明确请求前一直没有发布天空实验室的轨道观测信息。
在得到天空实验室轨道下坠的确切消息后，NASA迅速召集起了一支队伍试图挽救它，但一切都已经太迟了。
在天空实验室掉下来前，航天飞机和遥控助推器的研发都不可能完成，而天空实验室本身有限的推力又难以阻挡它下坠的趋势。NASA甚至不能有效控制天空实验室坠落在地球的哪个地方。
1978年1月，苏联的间谍卫星Cosmos 954弄出了一个大新闻。
苏联宣称天空实验室在坠入大气层时已经完全烧毁，但加拿大却郁闷的发现事实并不是这样，大量带有卫星放射性物质的残骸散落在加拿大的国土上。在冷战的背景下，西方记者抓住这个机会对苏联批判了一番。
天空实验室虽然不带有放射性物质，但因为体积、重量太大，NASA估计它坠入大气层时不会完全烧毁。万一其残骸落入人口稠密区造成伤亡和损失，舆论对NASA的质疑会产生和Cosmos954一样的新闻效应，让NASA在公众和国会面前的形象大打折扣。
1979年7月11日，围绕地球旋转了34981圈的天空实验室坠落在了澳大利亚帕斯东南的陆地上。
虽然NASA对天空实验室的坠落位置和解体速度的估计都存在比较大的误差，天空实验室未能像他们希望的那样坠落在南非开普敦以南的大海中，但所幸的是，残骸坠地时没有造成损失。
9天后，帕斯在举办“宇宙小姐”选美比赛时，还把天空实验室的一块残骸拉去装饰舞台，为天空实验室的终结增加了几分喜剧色彩。
1979年“宇宙小姐”选美比赛现场展示的天空实验室残骸，画面中的四位朋友似乎并没有为天空实验室的提前陨落而感到难过
虽然天空实验室自己殒命于空间天气效应，但它在轨运行期间的科学发现却极大的地推动了人类对于太阳活动的认识，为更准确的预报空间天气的变化提供了理论依据。
天空实验室上搭载了阿波罗望远镜装置（Apollo Telescope Mount，简称ATM，但不要因为名字一样就认为它能在太空里取钱）装配了X射线、极紫外、紫外、可见光等波段的成像和光谱观测设备。通过分析ATM的白光日冕仪数据，科学家们发现了与行星际激波对应的日冕瞬变现象——日冕物质抛射。
今天，作为影响地球空间天气状况最显著的现象之一，日冕物质抛射的产生、传播和它对地球的影响依然是空间天气学研究的热点领域。
通过分析ATM的X射线望远镜观测，科学家们确认了冕洞的存在，同时发现虽然太阳表面存在着较差自转，即太阳表面不同纬度的自传速度不同，但冕洞的形状却没有被自转速度的差异所改变，在几个太阳自传周内形状基本没有大的变化。
进一步的研究还发现，冕洞就是快速太阳风的发源地。
天空实验室拍摄的冕洞图像
天空实验室拍摄的日冕物质抛射图像
不完美的谢幕并没有影响天空实验室的历史地位，作为空间站技术的先驱者和美国人在太空中的第一个家，天空实验室为美国积累了空间站设计和运行的经验，推动了后续的国际空间站计划。
国家空间科学中心
ID：nssc1958
（本文首发于科学大院，由中国科学院国家空间科学中心供稿，转载请注明出处并保留下方二维码）
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