我國的空間站建設如今已進入到一個新的階段，天宮空間站的建設為我國日后的載人勘探任務打下了穩固的基礎。
不僅是中國，歐美國家包括印度也將自己未來的太空建設提上了日程。
未來對太空的拓展開始在民間又一次掀起了熱議，人們對太空的關注度也越來越高，這里面具體有啥關聯嗎？
我國空間站示意圖
人民群眾對太空的關注度不僅來自于官方的熱場，另一方面在于，這是人類未來可以期待的內容，也許就在本世紀，普通人就可以像宇航員那樣前往太空，甚至火星移民。不管它是否是一個十分遙遠的諾言，但人類對太空的想象是無窮的。
而空間站的建設，恰巧就是前期準備工作的一部分，而且非常重要，就像高速公路里的服務區一樣。不過空間站的建設也有著十分嚴格的要求，每一個細節都要求完美，包括它的航行高度也必須控制在400公里左右。
我國空間站建造時間表
航行高度對空間站來講意味著什么？空間站的建設經歷了哪些發展？空間站的標準建設是什么？空間站在未來還將承擔哪些責任？本文將從空間站的建設、范艾倫輻射帶這兩個方面來解答這些問題，接下來一起看看為什么空間站只飛400公里高，而不再飛得再高點？
空間站作為太空建設的一部分，其中有很多方面都需要進行仔細考慮，特別是它作為一種服務設施，空間站的建設意味著一個國家能夠在載人航天方面做出新的改變。
載人飛船發射
可為啥空間站的航行高度偏偏非得是400公里呢？它就不能像其他衛星那樣建立一個航行系統就完事了嗎？實際上這個高度不是科學家制定出來的，而是被迫選擇在這個高度，如果沒在這個范圍內，空間站的任務基本不可能開展。由于范艾倫輻射帶的存在，空間站和宇航員要面臨的就不是一個簡單的航行問題了，而是輻射危害。
范艾倫輻射帶源自于地球本身，并于1958年由詹姆斯·范·艾倫證實。這部分輻射帶不像地球的磁場出現在極地兩側，恰好相反，在極地地區這條輻射帶的存量是最少的。它主要從地表以上640~58000公里范圍內，并且每個區間內的輻射水平都不相同。
詹姆斯·范·艾倫
這層輻射帶大多位于地球磁場的內部區域，該輻射帶會捕獲來自太陽風的高能粒子，包括其他原子核，比如α粒子。輻射帶中的磁場作用使得這些高能粒子發生偏轉，從而保護地球大氣免受破壞。
范艾倫輻射帶的示意圖
不僅在地球，其他行星同樣也存在這樣的輻射帶，像太陽的這樣的恒星并不支持長期的輻射帶聚集，由于它缺乏穩定的偶極磁場。所以地球的大氣層將粒子活動限制在了200~1000公里以上的范圍，但最大的延伸范圍不會超過8個地球半徑，并且被“束縛”在赤道兩側約為65°的小半球體積內。
另一方面，太陽風沖擊形成的磁暴現象會導致輻射帶中的電子密度會相對較快地增加或減少。這種大幅度的活動變化將對電子元件造成強烈的干擾，目前這種輻射擾動影響作用還不夠具體，但可以肯定的是，強烈的輻射變化會對人體造成影響。
地磁暴現象
上世紀50年代時，航天探索還沒有進入白熱化階段，這種輻射帶的影響或許對人還不夠大，但隨著人類航天工程的崛起，科學家們意識到這種輻射可能造成的影響。
已經確定的是，它會直接影響電器電路，從阿波羅登月計劃開始，NASA就一直在想辦法克服這種問題。包括后來的飛行艙返航路線設定，衛星活動范圍等等。
設定的飛行路線
范艾倫輻射帶可以分作兩部分看待，一部分是內帶，一部分是外帶。內帶部分通常從地球上方1000公里至12000公里之間進行延伸，如果碰上太陽活動較強的時候，南大西洋地區的輻射帶會降至地表上方200公里。
這一范圍的輻射帶輻射活動相對溫和，宇宙射線與高層大氣的原子核會發生碰撞，由此產生種子β衰變。而磁場變化會使得這些低能質子逐漸擴散，基于地球磁場軸的傾斜，這里會因地球自轉形成一個振蕩的弱電場。
輻射帶的內外環形圖
但是到了外帶部分就沒這么簡單了，外帶部分由于更靠近太陽風，電子變化會比內帶更大。在13000公里至60000公里之間，外帶的電子輻射因地球磁場的擴散，以及局部加速度的作用，它們的等離子能量會不斷地和地球大氣層產生碰撞，一直到磁層頂，然后向外徑向擴散。
而外帶的粒子也是多種多樣，其中包含許多電子和各種離子，例如α粒子和氧離子，它們比地球電離層中的離子能量更高。科學家推測這些高能質子除了宇宙射線，另外大部分應該來自于太陽風的活動。
前面我們也提到這種輻射帶變化十分劇烈，這一點主要表現在外帶部分。就輻射帶本身而言，地磁風暴是由太陽產生的磁場和等離子體擾動所觸發，而它為什么會增加則是由于，與風暴有關的注入（例如日冕拋射）和地球磁層尾部的粒子加速互動。
日冕物質拋射效果圖
關于這種粒子的能量，科學家也做過相關研究。在一個輻射帶中的給定點位，給定能量的粒子通量隨能量急劇下降，赤道活動的能量變化最為明顯。質子中包含的質子動能范圍大約100000電子伏特就能穿透0.6微米的鉛板，如果超過400兆電子伏特，則可以穿透1.4厘米左右的鉛板，而這種變化在赤道活動中完全可以達到。
得益于阿波羅計劃的開展，NASA很早就探尋過對該輻射帶的影響研究，除了阿波羅14號，其他所有飛船都避開了輻射影響最大區域的輻射帶。盡管在阿波羅載人任務中，宇航員經過了輻射帶，但是這部分輻射帶的粒子能量微弱并不會對宇航員造成較大的影響，如今他們的身體也都還健康。
宇航員飛出太空
另一方面，便是確定一個安全區，既然輻射帶的活動變化有明顯的一個區間值，并且會有輻射空隙，隨高度分布不同而產生變化。因此在范艾倫輻射帶之間的2~4個地球半徑被稱作安全區。
對于航天器上邏輯電路中的小型化電子元件來講，它們很容易受到輻射干擾，而且電荷也相對更小，因此必須經過輻射加固才能運行。而在運行過程中，它們也會避免強輻射帶的變化，比較經典的一個例子就是哈勃望遠鏡。
“創生之柱”，是哈勃空間望遠鏡最著名的天文圖像之一
最關鍵的傳感器部分由3毫米的鋁屏蔽器保護，并且會在通過強輻射帶時關閉傳感器以保護望遠鏡，對于空間站來講更是如此。所以，這便是空間站為啥要求航行高度在400公里左右。
此外，從經濟方面考慮，這個高度對于發射需求來講可以一定程度降低發射經費，另一方面，空間站的建設離不開人類活動，如果飛行距離太高，輻射對人體的損傷也是非常大的。
為了宇航員的安全也不能飛行太遠
并且就這個高度而言，幾乎所有能夠在空間站進行的太空實驗都可以滿足環境標準，太低也不利于空間觀察。因此大部分空間站都在距離地球400公里左右，而我國的天宮空間站大概為390~395公里的樣子。
現代的航天設備都會有范艾倫輻射帶劑量儀，它會在輻射較高的時候發出警報，并且具備相對全向的輻射監控，一邊準確地測量輻射通量。多方面的綜合觀察都能夠將這種輻射危害降至最少，這對未來的天空建設至關重要。
阿波羅號上攜帶的范艾倫輻射帶劑量儀
因此，綜合各方面的考慮，空間站的航行高度問題由此得到了解決。這只是太空向人類給出的一個微小的挑戰，實際的太空環境還要更加復雜，但這并不能阻止人類向外探索的欲望，因為星辰大海是人類的終極夢想。
