第23屆亞洲物理奧林匹克競賽(APHO)

理論問題1: 國際空間站(ISS)軌道衰減動力學【10.0 分】

簡介

圖1 繞地球運行的國際空間站

國際空間站目前保持在接近圓形的軌道上,最低平均高度為370 km,最高平均高度為460 km,軌道處于熱層的中心,相對于赤道的傾角為θ= 51.6°.空間站的軌道類似于螺旋形,即空間站到地球表面的距離是緩慢變化的,在一個螺旋周期中,這種高度的變化是可以忽略的.

國際空間站的質量為MS=4.5×105kg,總長度為LS=109 m,寬度為WS=73 m的巨大太陽能電池板為國際空間站提供電能【美國宇航局官方報告(2023)】.

包括所有電池和其他部件,空間站的有效橫截面積約為S≈2.5×103 m2[歐洲航天局,SDC6-23].

國際空間站的軌道衰減是由一種或多種從軌道運動中吸收能量的機制造成的,主要包括:

·軌道高度上的空氣阻力,這是由氣體分子與空間站的頻繁碰撞造成的,

·導體在地球磁場中運動所受到的安培力,

·與氧原子離子的相互作用.

“...在2008年5月,軌道高度為350公里,國際空間站丟失了4.5 km的高度并由progress-60補給飛船重新提升了5.5 km.再一次,國際空間站繼續丟失了5.5 km的高度...”[https://mod.jsc.nasa.gov]

圖2 這些年國際空間站的高度(km)

圖3 2022—2023 年國際空間站平均高度(km)

“... 國際空間站每天最多損失330 英尺(100 m)的高度...”[美國宇航局控制數據(2021)].2023 年,國際空間站在410千米的高度飛行,軌道衰減大約為每天70 m(每月約2 km),在磁暴期間,每日下降達到300 m.國際空間站通過使用自身及來訪飛船的推進能力來完成軌道調整[國際空間站報告(2022)].

圖4 從不同的角度看國際空間站的橫截面積(dm2).CROC 提供的橫截面積數據為2481m2

符號和物理常……