问题

天文学中的「卡门线」是什么?

回答
天文学里的“卡门线”(Kármán line),这个名字听起来有点科幻,但它其实是咱们在定义太空边界时一个挺重要的参考点。简单来说,它就是地球大气层和外太空之间的一个模糊分界线。

你可能会问,为什么会是“卡门线”呢?这还得归功于一个叫西奥多·冯·卡门(Theodore von Kármán)的匈牙利裔美籍工程师和物理学家。老卡门在航空航天领域可是个大牛,他对空气动力学、超音速飞行等方面都有深入研究。后来,他就琢磨着,咱们飞行器到底要飞多高才能算是进入了太空?总得有个标准吧。

那怎么确定这个标准呢?卡门线的设计理念是基于空气动力学和轨道力学的结合。你看啊,在地球大气层里,飞行器要飞起来,就得靠机翼产生升力,这就需要空气的存在。空气越稀薄,就需要飞行器飞得越快才能产生足够的升力来克服重力。

而到了太空,空气几乎没有了,飞行器就不能依靠空气动力学来维持飞行了,它得靠火箭发动机喷射推进剂来产生推力,并且主要是在轨道上运行,依靠的是速度产生的离心力来对抗地球引力,就像咱们扔一个球,扔得够快,它就不会落回地面,而是绕着地球转圈。

卡门线大致就设在离地表大约100公里(62英里)的高度。在这个高度,一个物体想要保持飞行(而不是直接坠落),就需要达到足够的速度,这个速度已经大到足以让它在地球周围形成一个稳定的轨道。换句话说,在这个高度,空气阻力已经小到可以忽略不计了,飞行器更多的是在进行太空飞行,而不是大气层内的空气动力学飞行。

为了更精确地解释,卡门线是根据这样一个原则设定的:在一个高度,一个飞行器如果想在空气中维持飞行,它需要达到的速度(即所谓的“升力所需速度”)已经和它在轨道上飞行所需的速度相当接近了。 简单点说,就是在这个高度,你可以说飞行器已经不是靠“飞”上去的,而是靠“绕”着地球转才能待在那里。

当然,这100公里也不是一个绝对精确的数字,它更多的是一个约定俗成的概念。因为地球大气层的边界本身就是一个渐变的、模糊的过程,并没有一个 Sharp 的界限。大气越往上越稀薄,很难说清到底在哪里“没有”了。所以,100公里这个数字更像是一个大家普遍认可的“足够高”的标志,用来区分“我们还在地球大气层里玩”和“我们已经进入太空开始Orbiting了”。

这个定义在很多领域都很有用。比如,如果你想申请宇航员,那么你的飞行器需要至少飞过卡门线才能算你进行了“太空飞行”。很多国家对于商业太空飞行、卫星发射等都会参照这个标准。美国联邦航空管理局(FAA)就将100公里作为商业航天飞行的定义边界。

值得一提的是,也有其他关于太空边界的定义。比如,美国空军曾一度将太空边界定义在80公里(约50英里),但这更多是基于军事上的考虑。而国际航空联合会(FAI)则更倾向于采用卡门线作为国际通用的太空边界,因为这个定义更能体现从空气动力学向轨道力学过渡的物理意义。

所以,总的来说,卡门线就是我们人类为了区分地球大气层和外太空而设定的一条基于科学和工程学考量的“心理界线”或“约定线”。它提醒我们,当飞行器越过这个高度,它所面临的物理环境和所需的飞行方式都发生了根本性的变化,标志着我们真正进入了探索宇宙的门槛。

网友意见

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以美国工程师冯·卡门(钱学森的老师哦)命名的,高度为海拔100km的一条虚拟的线。这条线被认定为太空和大气层的分界线。

也就是,这条线以外的物体就可以被认为是太空物体了。


不过这条线对于航空器太高(空气稀薄,普通喷气式发动机不能正常工作,火箭发动机、冲压发动机还没有成熟的大规模应用);对于航天器又太低(空气又不是那么稀薄,空气阻力还是不能不考虑,所以很少有航天器在这个高度段运行【少数研究性航天器还是有的】),所以这条线附近的航空航天器基本为0。

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