近年來(lái)，我國(guó)在航天領(lǐng)域捷報(bào)頻傳，一次又一次的宇宙飛行在全世界賺足了眼球，這里我們不得不為我國(guó)的航天科技工作者送上掌聲與祝福。前幾天，神舟13號(hào)飛船帶領(lǐng)三名宇航員成功返回了地球，在去年十月份的時(shí)候，神舟13號(hào)帶著三名宇航員來(lái)到了中國(guó)空間站天宮號(hào)進(jìn)行了為期6個(gè)月的各項(xiàng)任務(wù)，如今，這些任務(wù)都已經(jīng)圓滿的成功了。天宮號(hào)是中國(guó)第一個(gè)可以常住太空的空間站，它的設(shè)計(jì)壽命在十年以上，我們都知道，飛機(jī)能夠飛上天是因?yàn)轱w機(jī)有翅膀，受到空氣的上升力，火箭能夠飛上天是因?yàn)榛鸺蛳聡娚淙剂?，那么空間站呢，既沒(méi)有翅膀和空氣的上升力，一般也不向外噴射燃料，為什么空間站不會(huì)從軌道上掉下來(lái)呢？那今天我們就來(lái)研究一下這個(gè)問(wèn)題，對(duì)于空間站不掉下來(lái)的原因，有幾種回答，有些人認(rèn)為空間站離地球太遠(yuǎn)了，所以不受地球的引力了，還有人認(rèn)為空間站飛到太空之后，地球、太陽(yáng)、月球的引力相互抵消，所以空間站不掉下來(lái)，其實(shí)這些說(shuō)法都是錯(cuò)誤的。空間站為什么不掉下來(lái)？因?yàn)橛幸环N叫做向心力和離心力的自然現(xiàn)象維持了空間站繞地球運(yùn)行而不會(huì)掉下來(lái)，原理和月球繞地球運(yùn)動(dòng)不會(huì)掉下來(lái)一樣。

空間站通常工作在距地面400千米的高空。雖然已經(jīng)高于100千米的卡門線， 這里我們說(shuō)下什么是卡門線，我們可以粗略地認(rèn)為地球大氣層之內(nèi)為非太空，此區(qū)域我們一般稱為天空，地球大氣層之外，我們稱之為太空，但地球大氣層與太空之間并沒(méi)有一個(gè)明顯的界限，對(duì)此，國(guó)際航空聯(lián)合將100公里的高度定義為大氣層和太空的界線，即“卡門線”，卡門線外為太空。航天器想要遨游太空，必須先要突破這個(gè)卡門線，但剛突破卡門線飛行的話也存在一些問(wèn)題，因?yàn)榧词乖诳ㄩT線以外，依舊存在著稀薄的大氣，航天器在飛行過(guò)程中會(huì)不斷與這些稀薄的大氣摩擦，實(shí)際上它還是會(huì)受到地球萬(wàn)有引力的微弱影響。那么空間站為什么沒(méi)有掉下來(lái)呢？這是因?yàn)榭臻g站在運(yùn)動(dòng)，空間站之所以能夠在太空中一直運(yùn)動(dòng)，主要是空間站在飛行過(guò)程中所受到的重力作為向心力，能夠一直圍繞地球運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，空間站之所以能夠持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，也是因?yàn)樵谄渫獠堪惭b了一塊太陽(yáng)能電磁板。

1687年，牛頓在自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理一書中首次提出了關(guān)于軌道運(yùn)動(dòng)的第一個(gè)理論想法，牛頓認(rèn)為，在一座高山上架起大炮，以不同的速度進(jìn)行射擊時(shí)，速度越大，炮彈就會(huì)飛得越遠(yuǎn)，且炮彈的著陸點(diǎn)取決于地球的區(qū)域。當(dāng)炮彈的速度更快，使其飛行路徑曲線剛好與地球表面的曲線相匹配時(shí)，在沒(méi)有任何阻力的情況下，這個(gè)炮彈就可以一直圍繞著地球做圓周運(yùn)動(dòng)，永遠(yuǎn)也不會(huì)掉落在地面。也就是說(shuō)，炮彈要想持續(xù)飛行而不掉落，則必須要有足夠快的飛行速度。牛頓根據(jù)自己的思考和研究，計(jì)算出了炮彈不落地的速度，大約是每秒7.9公里，也就是物體繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)所需要的最小速度，也被稱為第一宇宙速度。那么為什么這個(gè)速度的炮彈能一直保持這個(gè)高度呢？實(shí)際上炮彈在飛行時(shí)，也在不停地往“下”掉。當(dāng)炮彈速度為7.9公里每秒時(shí)，那么炮彈一秒鐘會(huì)向前飛7.9公里，同時(shí)每秒鐘也會(huì)向地平線“下落”4.9米，但由于地球是球形的，因此掉下來(lái)的4.9米剛好和地面的向“下”彎曲形成的“高度差”一樣，所以看起來(lái)好像永遠(yuǎn)不會(huì)往下掉。

空間站也是同樣一個(gè)道理，只要我們?cè)诎l(fā)射空間站時(shí)，給予空間站一個(gè)水平方向足夠大的初始速度，空間站便能一直保持這個(gè)速度圍繞地球運(yùn)動(dòng)而不掉下來(lái)?？臻g站由于身處400公里的高空，根據(jù)萬(wàn)有引力公式，我們可以計(jì)算出這個(gè)速度大致為7.6千米每秒。也就是說(shuō)如果空間站正好是這個(gè)速度，那么它所需要的向心力就正好被萬(wàn)有引力給提供了，所以它就能做圓周運(yùn)動(dòng)。那我們思考一下，如果空間站的速度大于7.6千米每秒會(huì)有什么結(jié)果，這個(gè)時(shí)候，萬(wàn)有引力不會(huì)有變化，但需要的向心力卻更大了，就是說(shuō)如果速度快了之后，就需要更大的往里拽的力，才能夠維持圓周運(yùn)動(dòng)，但是萬(wàn)有引力卻沒(méi)有變，所以一旦速度大于這個(gè)值，空間站就會(huì)脫離地球的引力，開始飄向太空。這就是所謂的離心運(yùn)動(dòng)。如果你去游樂(lè)場(chǎng)坐過(guò)海盜船、過(guò)山車、旋轉(zhuǎn)飛機(jī)等項(xiàng)目就會(huì)體驗(yàn)到離心力的作用，當(dāng)你坐在旋轉(zhuǎn)飛機(jī)上時(shí)，旋轉(zhuǎn)得越快，你就越有被往外甩的感覺，那就是離心力。

如果空間站的速度小于7.6千米每秒，那會(huì)如何呢，假如速度低于7.6千米每秒，這個(gè)時(shí)候所需要的向心力就變小了，但是萬(wàn)有引力還是那么大，往里拽的力卻沒(méi)有變化，所以一旦速度要低于這個(gè)值，空間站就會(huì)受到萬(wàn)有引力影響慢慢落下，最終會(huì)通過(guò)大氣層落向地面。事實(shí)上神舟飛船想要回到地面上，也是利用了這種原理。通過(guò)減慢速度，就會(huì)做一個(gè)越來(lái)越接近地球的向心運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)侥骋粋€(gè)點(diǎn)的時(shí)候，神舟飛船就會(huì)返回大氣層回到地球上。其實(shí)以現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)空間站還是會(huì)每天掉落100-150米左右，因此空間站都有定期調(diào)整軌道的需求，因此每次貨運(yùn)飛船到達(dá)的時(shí)候，運(yùn)送完物資，就會(huì)與載人飛船進(jìn)行對(duì)接，這時(shí)基本上都會(huì)為空間站進(jìn)行助推，把降落的高度再拉升回去，實(shí)現(xiàn)不會(huì)掉落的穩(wěn)定飛行目的。天宮號(hào)的設(shè)計(jì)壽命超過(guò)了十年，而且一般都會(huì)超期服役。在2022年6月的時(shí)候，我國(guó)會(huì)發(fā)射神舟十四號(hào)載人飛船，再次帶領(lǐng)3名航天員進(jìn)駐天宮號(hào)核心艙并在軌駐留6個(gè)月。讓我們預(yù)祝下一次的任務(wù)圓滿成功。