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太空中的宠儿 |
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——人造卫星 许多年轻朋友们知道，人们经常收看的电视实况转播节目，常常是通过卫星来传送信号的。其实卫星的功能远不止如此，信不信由你，我们每天的生活都离不开卫星。像打越洋电话、收看新闻联播、听中央人民广播电视的对外节目，阅读卫星转版的报纸 （如人民日报、解放军报）等等，多与我国或国际的通信卫星有着千丝万缕的联系。但卫星远不止这一种，其太空生存环境、技术要求、也远非运载火箭所比，这里把人造卫星——太空中的宠儿的方方面面介绍给大家。 独具特色的材料与外形 什么是人造卫星呢？人造卫星是人类制造的围绕行星运转的天体。我们知道太阳系有九大行星，围绕行星运转的天体就是卫星，如月球，就是地球的卫星。但人造卫星并不一定像月亮那样是个圆圆的东西，它们的形状千奇百怪，纷繁复杂，分起来大约有圆形，如前苏联1957年10月4日发射的“人造卫星—1”；球形多面体，如我国1970年4月24日发射的“东方红”卫星；圆锥形，如1967年11月29日美国为澳大利亚发射的“武器研究—1”；圆柱形，如 1958年1月31日美国发射的“探险者—1”；多面柱形，如 1971年10月28日发射的英国卫星“普罗斯帕罗”；箱形，如 1974年8月28日由美国发射的荷兰卫星“天卫星—1”；不规则形，如日本卫星“大隅”等。人造卫星为什么不像飞机那样采用流线型的机身外形呢？这是因为人造卫星是在空气稀薄的宇宙中运行，而不需要像一般飞机那样要同稠密的空气作斗争。人造卫星只要获得第一宇宙速度，就可以放心大胆，自由自在地围绕地球翱翔了。而人造卫星的速度常常是由推动它的火箭给予的，所以本身不必过分考虑什么形状。 但卫星为了尽量减轻重量，特别是它毕竟要受末级火箭头部整流罩的限制，所以一般都做得小巧玲戏。早期的卫星常做成球形，因为在同样的容积下，球形卫星的外壳表面积最小，重量最轻；而且更重要的是，对于球形人造天体来说，无论它在空间站成怎么样的姿式，其受光面积都是一样的，从温度设计上也比较方便，世界上大多数自行发射卫星的国家，如前苏联、美、日、法、中的首颗卫星都是这样。 不过，人造卫星的形状也受姿控方式、是否回收和太阳能电池的影响。姿控方式，就是说卫星要保持好一定的姿式。卫星既要站稳，还要自行旋转，所以它们的横向尺寸一般要求比较长。许多要求自动旋转的卫星，不管是气象卫星、通讯卫星还是科学实验卫星，总要做成直径大于高度的圆柱形、鼓形或扁球形。要回收的卫星外形结构也很奇特，它的头部很大很钝，在返回时头部一般向前，这是为了散热和减速。当然返回式卫星快要接近地面或海洋时，反推火箭和降落伞也要派上用场。至于太阳能电池，因为它是贴在卫星上的，所以一般不做成纯粹的球形，多面球体常是一种好的设想。 接下来说说人造卫星的整流罩和结构材料。整流罩是人造卫星在发射时的帽子。这个帽子其他的人造天体也有，如宇宙探测器。它主要是为了避免人造卫星在飞行中受空气压力和高温的破坏。火箭飞行，每秒可达数千米的速度，由于摩擦生热的原因，整流罩与低层大气摩擦要产生巨大的热量和很高的温度。为了克服这一险恶条件，科学家们常用铝镁合金、玻璃钢和玻璃钢蜂窝夹层结构来作整流罩的材料。不过，它们分别有一定的优缺点。如铝镁合金虽然耐高温，却重量大；玻璃钢轻是轻，却容易对人造天体产生污染破坏；玻璃钢蜂窝夹层结构在重量、强度上都不错，但不牢靠。 还要告诉大家的是，人造卫星的帽子并不是要一直戴到头上。到了目的地，人造卫星会毫不吝惜地将其扔掉，这个扔掉过程就叫整流罩分离。整流罩分离有两种方式，一是过顶式分离，一是剥开式分离。 过顶式分离，就是直接把整流罩从头上抛出去，就像拔掉钢笔帽似的。不过这个拔帽子的过程要稳要准。因为人造卫星在飞快地运行，拔慢了扔得不远，整流罩就会反弹或者撞到卫星上，产生破坏作用。为了保证整流罩从头顶上分离成功，发动机常常要被关掉，以防卫星加速。 剥开式分离，就像剥蚌壳一样，从两边把整流罩剥开。整流罩的两半是用螺栓拴住的，或者用导爆索捆着。当到了剥离的时间时，螺栓或导爆索会自动引爆，使整流罩解锁，并从运载火箭上抛出。 整流罩这顶帽子的形状很有意思。它高高的、尖尖的。像一个长形的钟。剥离式整流罩外面看起来像一支钢笔的笔尖，中间还分叉呢。 就像人造卫星的整流罩结构非同寻常一样，人造卫星整体的结构材料也别具一格。在我们寻常人看来，太空中空气稀薄，没有水，真有致命的危险。不错，卫星运行的宇宙空间几乎是一种高度真空状态。如果按大气压力来看，在近地500公里的高空，大气压力还不到地球海平面大气压力的一亿分之一；而到900公里的高空时，大气压力只有百亿分之一毫米汞柱了。当然这样的条件对人造卫星只能说无关痛痒，最要命的要数空中热环境、电磁辐射、带电粒子环境等。 热环境关系到人造卫星的表面温差问题。在向阳的一面高温可达 100～200℃，而背阳的一面低温可达—100℃～—200℃，这就是讲，人造卫星的表面温差极其悬殊。人造卫星如果处理不好温差问题，就会成为死星。日本首颗卫星，就是因为没有解决好热设计这一难题，使星内电子设备温度高达60℃，仅在轨道运行36圈就停止了工作。 电磁辐射主要来源于太阳。太阳对外进行着大量的X射线和紫外射线辐射，给人造卫星造成很大的麻烦。因为紫外线和人造卫星的一些材料会发生化学反应。例如，在紫外线的照射下，材料分子量会降低，材料本身会分解、裂析、变色、弹性也会下降。 带电粒子流包括太阳宇宙线（指太阳耀斑极光、太阳风等）、银河宇宙线等，它们也会影响人造卫星的太阳能电池、光学材料、半导体器材等。 另外，微流星也会给人造卫星造成威胁。这里讲的微流星并不是指直径达几公里的大流星。大流星可能会击毁人造卫星，微流星极小，直径小于一毫米，质量在一毫克以下，不过它的破坏性不可低估，因为人们很难发现它们的行踪，但它们能穿透卫星的外壳，破坏卫星的电池和各种装置。据说，在目前发射失败的卫星中，罪魁祸首首先就是它。 不过，科学家们已经找到了保护好人造卫星的方法，那就是给人造卫星穿上好的防护衣，并且对卫星进行结构材料更新。现在，人造卫星的结构材料能够承受各种恶劣的空间环境条件，达到很满意的效果。人造卫星的结构材料一般都比较轻。在外型方面，钛合金、铍合金、硼、碳纤维金属复合材料等得到了运用。 钛是一种银灰色的金属，在真空条件下熔铸成锭后，加入适量的铝、钒、锆、铜等元素，就配制成了钛合金。可别小看了这种钛合金，它强度很高，一平方毫米的面积可以承受100千克的重压；耐热性也好，能耐受500℃的高温；抗腐蚀性也不错。看来，它真像孙悟空一样不怕天不怕地了。钛合金在火箭发动机、载人宇宙飞船上也得到了重用。铍合金也不弱于钛合金，它不仅轻，强度大，而且耐高温。许多军事通信卫星以及深空探测器都少不了它。碳纤维增强塑料、硼纤维增强塑料也各有自己的卓越性能。到目前，一些新型的结构材料，如硼纤维增强铝合金、碳化硅纤维复合材料等，也已经研制成功，并得到了重用。 走向复杂的系统 运载火箭像人一样有自己的系统，人造卫星也不例外。有区别的是，人造卫星的系统复杂得多，它包括姿态控制系统、温度控制系统、能源系统、结构系统、遥测系统和返回系统等。 人造卫星姿态控制系统，就是要保证卫星站得稳、立得正。在宇宙空间轨道上运行的卫星姿态常常要对准地球，因为只有这样才能保证卫星上的工作仪器准确无误地朝向地球的指定区域。人造卫星虽在太空轨道上运动，但却不能任意地自由翻滚，有时连几度之差都不容许。如照相卫星在300公里以上的高空对地拍摄照片，其姿式如果偏差一度，其摄影目标就偏离5～6公里之远。 温度控制系统，就是说要保证卫星有一定的体温。人造卫星的各种仪器设备，就像人体一样需要有正常的温度才能有效地工作。温度控制系统包括许多测量温度的元件、各种电子设备、调节温度的装置等。如果卫星的温度太高了，就可以打开像空调似的冷却装置，降低温度；如果温度过低了，就命令加热器工作，提高温度。不过这些调温的设备耗能特别多，所以科学家们就找到了另一种调温的方法，就是给卫星外表涂上一层东西，或者包扎上隔热材料。这些深层和隔热材料的作用就如同清凉油和冬棉衣一样，可以保温，也可以散热。当然，卫星内部也有调节温度的设施。 遥测就是远距离测量的意思。老鹰抓小鸡时也要遥测，但它靠的是眼睛，而卫星靠的是无线电。无线电遥测系统由传感器和发射机两部分组成。人造卫星发射遥测信号同广播电台发射音频信号的原理是一样的。一般地，遥测信号变化缓慢，频率很低，必须把它载到高频率的无线电波上才能发送出去。 能源，是为解决人造卫星的动力和电源问题而产生的。它就像食物对人一样重要。过去有太阳能电池和化学电源；现在，核能电源也得到了应用。1977年9月18日，前苏联发射了一颗新的军事侦察卫星——“宇宙954号”，这颗卫星上携有一个小型空间核反应堆。这种反应堆要求又小又轻，常用纯铀—235作燃料。不用说，它存在着核污染的危险。“宇宙954号”在完成任务后，由于反应堆与卫星未能分开，结果反应堆没有按计划在小型助推火箭的作用下升到更高的轨道，而是一起于1978年1月24日坠落在加拿大一个荒野上，好在没有造成对人的伤害。但“宇宙1954”号核反应堆带有48公斤的高浓缩铀，它的威力相当于10万吨级梯恩梯当量的原子弹，的确把人吓了一大跳。 飞到太空中的卫星也有回到地球的，这就是返回式卫星。人造卫星的回收技术很复杂，其回收方式按着陆地点分陆地回收、空中回收、水上回收三种方法。前苏联一般采用陆上回收方法；美国采用空中回收、海上回收方法；中国则多实行内陆回收。卫星“返乡”分软着陆和硬着陆两种。软着陆是指卫星返回时，带有降落伞、反推火箭等缓慢地在地面和水面着陆；硬着陆是指卫星不带有减速装置，直接落地的回收方式。 向“多子多孙”演化 人造卫星是航天发射最多的人造天体。到 1991年底，全世界共发射了各类应用卫星 3103颗，占航天器飞行总次数4217次的73％。卫星家族开始向 “多子多孙”演化。其种类繁多，品种齐全，大体有如下几种： 侦察卫星 侦察卫星就是在空中对他国进行秘密侦察的卫星。显然它出于一种军事目的。但这些卫星常常和民用卫星不能截然分开。因为民用卫星，如通信卫星、导航卫星、测地卫星、气象卫星等，都可以用于军事的通信、导航、照相等任务中。据参考消息说，我国的“风云一号”气象卫星，外国就称它是军事间谍卫星。世界上发射军事侦察卫星最多的要数美苏两国，这当然是军备竞赛的结果。统计表明，美苏发射的军事侦察卫星分别占各自发射总数的40％、60％以上。下面我们来具体看看侦察卫星。 （1）照相侦察卫星： 卫星站得高，看得远，飞行平衡，对地拍照时，分辨率相当高。美国早期从照相侦察卫星中取得了大量的收获，特别是弄清了前苏联的洲际导弹数目（1961年仅14枚），于是开始加快发展。前苏联也不甘落后，仅在1973年中东10月的战争期间，在不到20天的时间就发射了六颗侦察卫星。1969年3月，前苏联侵犯我国珍宝岛时，在两个月的时间中，平均每六天发射一颗照相侦察卫星。 照相侦察卫星拍摄侦察照片有两种基本形式，一是回收型；二是无线电传输型。回收型要装好相机，带足胶卷，并把镜头对准目标进行拍照，拍完后，胶卷会进行空中、海洋或陆地回收。这种方式适合于对新目标的详细侦察 （简称详查），而不适合大面积监视侦察（简称普查）。无线电传输技术能直接传播卫星上冲洗的胶片，完成任务及时。目前一些军事侦察卫星装上了电视摄象系统，可以一边拍照一边发送信号，十分灵活。 美国第四代侦察卫星大鸟号，在1971年发射，上面装有高分辨率的详查相机、普查相机和胶片处理机。大鸟号侦察卫星也装有测视雷达和红外探测器，在多云天气或夜间也能获得高清晰的照片。这些照片上，连坦克和汽车的牌号、甚至连人的脚印都分得清清楚楚。60年代我国试爆原子弹期间，美国大鸟号卫星曾进行了大量侦察。近些年来，其他国也发射了不少照相侦察卫星。如 1995年 12月 5日，美国发射了“美国—116”；同年9月29日，俄罗斯发射了第五代照相侦察卫星“宇宙—2320”；法国于同年7月7日，发射了传输型照相侦察卫星“太阳神—1A”；以色列于1995年4月发射了“地平线— 3”。 （2）电子侦察卫星： 它是悬在宇宙空间的窃听器。这种卫星能监视和窃听军事通信情报，也能确定敌方防空雷达、军用电台的精确位置，甚至能破译敌方的通信密码。照相侦察卫星与电子侦察卫星常常联合使用，互相配合。例如，1973年中东战争时，美国利用大鸟号卫星拍摄了双方坦克的交战场面，用电子侦察卫星窃听了埃及飞行员的谈话内容。10分钟后，美国居然知道了埃及飞行员的人数、住所甚至电话号码。 （3）预警卫星： 预警卫星主要用于对付洲际弹道导弹。弹道导弹速度快、位置高、射程远、威力大。射程为一万公里的洲际弹道导弹，最大飞行高度在1000公里以上，从发射到着陆仅需要30分钟。一般的雷达对付洲际导弹几乎无能为力，而预警卫星有红外线探测器，可以捕捉导弹发射后飞行的红外辐射信号，并进行早期预警。 美国从1968年开始发射预警卫星，起初的卫星装有红外探测器和电视摄象机。70年代的预警卫星有了不少改进，可以在导弹点火90秒钟以内探测导弹的火焰，并能在五分钟以内将警报送入到战略防御指挥中心。现在，美国的导弹预警卫星已发展到第三代，它装有6000个红外传感器，能准确地探测地球除两极以外任何地方的导弹发射和核爆炸，并发出预警信号。在海湾战争中，它曾探测到全部“飞毛腿”导弹，为“爱国者”导弹提供了90～120秒的截击时间。有报道说，美国于1994年批准了一个新的“预报”计划，并将建立一个新型多层预警卫星系统，它将由四颗同步轨道卫星、二颗大椭圆轨道卫星和九颗低轨道卫星组成。 （4）核爆炸探测卫星： 自从 1945年 8月日本广岛长崎上空升起蘑菇状烟云以来，核武器的发展已有几十年的历史了。目前，仅美、俄罗斯拥有的核武器就足以把地球毁灭许多次。这就不得不令世界上一切国家，包括一些大国对核武器的发展忧心忡忡。为了掌握别国的核资料，一些大国不惜血本研制核爆炸探测卫星。 卫星怎么能够探测核爆炸呢？原来，核爆炸发生后。周围会存在巨大的冲击波、光辐射、核辐射和电磁脉冲等。冲击波会衰变成声波，声波中的次声波会传到上千公里以外；光辐射包括X射线、可见光和红外射线，它们一起形成一种荧光辐射。卫星携上红外探测器、光学闪光探测器、电磁波脉冲接收设备等探测器，就可以测出核爆炸的时间、高度、当量等。核爆炸探测卫星一般轨道很高，美国早期核爆炸探测卫星“维拉”计划的轨道高度为 11万公里以上。据统计，美国已发射了10颗以上核爆炸探测卫星。 通信卫星 它是人类的空中信使。通信卫星装有通信转发器，它能转发地面站的信息。通信卫星和地面通信站一起被称为卫星通信系统。通信卫星不受季节、气候、距离的限制，传输信息的质量好、容量大、费用低，有经济价值和实用价值。目前，通信卫星可以分三类：一是国际通信卫星；一是国内通信卫星；另一是直播电视卫星。 （1）国际通信卫星。1965年，一些国家政府为了共同使用通信卫星，组成了国际通信卫星组织。我国于1977年正式加入这个组织。国际通信卫星组织发射了六代通信卫星，它们都部署在大西洋、印度洋、太平洋上，进行国际间的电话、电报、电视和数据传输等电信业务。国际通信卫星组织还出租了一些卫星通信转发器信道，提供给部分国家使用。 （2）国内通信卫星。国内卫星通信开始于70年代，至今许多国家自己研制或依靠别国建立了国内通信系统。加拿大在世界上发展静止国内通信卫星最早。1972年，加拿大的兄弟静止卫星被发射上天。法国和西德研制了交响乐通信卫星。我国于1984年4月8日发射了静止试验通信卫星。1986年2月，我国又发射了实用通信广播卫星，采用国内波束抛物面天线，以成都为中心的全国40％的地区可用三米口径的天线收看卫星转播的电视节目。另外，“东方红2号”数颗卫星能传送中央人民广播电台的30路对外广播，可转播中央电视台第一二套电视节目、两套电视教学节目、西藏电视台的电视节目等。 （3）直播电视卫星。直播电视卫星是通信卫星的第四代。现在的通信卫星姿态控制性能很好，装有太阳能电池帆板，对地面的定向精度有了很大的提高，向地面发射的功率也增大了。70年代，美国斯坦福大学和加拿大多伦多大学曾用两国联合发射的通信技术卫星进行了电视教学，收到很好的效果。现在电视直播卫星已用于召开学术会议，伤病治疗等方面。 此外，美国一些公司，如摩托罗拉公司，正在研制用于手持电视的通信卫星。“奥德赛”系统、“千星”系统、“铱”系统等是其代表。“铱”系统由66颗卫星组成，分布在六个轨道上，预计2000年以前发射布置完毕。 导航卫星 导航卫星堪称为太空中的灯塔，它帮助海上舰船辨明方向。导航卫星最初仅仅出于军事目的。美国海军从1959年开始发射导航卫星。其子午仪导航卫星曾为北极星导弹核潜艇在远洋航行中导过航。美国已建立起卫星导航系统，它由地面站、导航卫星网、船舶导航设备三部分组成。一些国家的卫星导航系统被广泛应用于海洋石油勘探、海洋水文测量等各种船舶上。卫星导航在天文学、地学研究中也起了不少作用。 有消息报道说，前苏联从1982年开始部署的“全球导航系统”，类似于美国“导航全球定位系统”，于1995年底取得成功。这个导航卫星系统由21颗工作卫星和三颗备用卫星组成，分布在三个中高轨道上，可供军民两用。它使用军民两种密码，为空中飞机、地面用户、海上航船和太空航天器提供高精度的三维定位，精确度可达100米。 地球资源卫星 科学家们为了研究和更有效地利用地球资源，于是就研制了地球资源卫星。1972年7月25日，美国发射了一颗地球资源技术卫星，后来改名为陆地卫星Ⅰ号，由雨云气象卫星改进而来。它能够重复观测海洋与陆地各种资源，每隔18天送回一套全球图象数据。1975年、1978年，美国相继发射了陆地卫星Ⅱ号、Ⅲ号地球资源卫星。这种卫星广泛应用于地质、海洋、渔业、环保等部门中，并取得很大的收获。 目前，地球资源卫星能迅速、全面、经济地提供地球资源的情况，因而受到世界各国的青睐。现在，美国有“陆地卫星”；俄罗斯有“地球资源卫星”；法国有“斯波特”；印度有遥感卫星“IRS—A”；日本有“日本地球资源卫星”；加拿大有“雷达卫星”；欧洲也有“遥感卫星”。中国和巴西1988年合作研制了地球资源卫星“资源一号”，该卫星用太阳同步轨道运行和无线电传送信息。该卫星能每天飞经我国三次，一侧装有三块太阳电池组成的太阳帆板。我国用它能够遥测国土资源的变化、测量全国耕地面积、进行农作物估产并监测自然、人为灾害等。它为我国的资源普查和勘测提供了新的现代化手段。 气象卫星 气象卫星是利用遥感器来对地球大气进行探测的卫星。早期的气象卫星是侦察卫星。侦察卫星无意中拍摄的云层图象，给气象工作者以极其可贵的情报。目前全世界有一百多颗气象卫星，它分低轨道、高轨道两种。前者通过南北极地区的上空运行，高度为700～1500公里，每天可以两次观测到全球的气象资料；后者高度为35，800公里，每隔20分钟就可以取得一次观测资料。气象卫星已经广泛应用于天气预报、航空、航海、军事、通讯等方面。 气象卫星主要凭借电视摄象机和红外扫描辐射仪来实现对地观测。卫星上的电视摄象机开启快门后，会把图象信息转化成电信号存储下来，并发回到地面接收站上。红外扫描仪的使用原理也容易理解，因为任何物体都有温度，有温度就会有热量，热量之中有红外辐射，红外扫描辐射仪能够测出地面和云顶的热辐射量，并得到红外云图。 气象卫星从具体运用来看，它不受地理条件的限制，能监视台风、暴雨等灾害性天气的变化。自从1966年气象卫星实现观测以来，发生在热带海洋上的任何一个风暴都没有被漏过。气象卫星能定量地观察大气温度、水汽、云层、降水等要素，对国民经济各部门意义都很大。气象卫星美国有“依托斯”；苏联有“宇宙—144”、“宇宙—1567”；法国有“伊奥利”；日本有 “向日葵”；另有我国的“风云一号”，均是本世纪七、八十年代发射的。 9到下世纪初，美国要发射“诺阿”—11～11～一N、NPOESS—1～—3、地球静止环境业务卫星—1共四颗气象卫星；中国要发射“风云”—7～—M共 17颗气象卫星；俄罗斯要发射“流星” 2—21～3M—2、电子—1～—2共八颗气象卫星；日本要发射“向日葵”—3～—5，气象卫星—1C、—1D、“风云”2号共三颗卫星；欧洲空间局、印度也各将发射11颗、4颗气象卫星。 科学探测卫星 科学探测卫星主要是研究近地空间环境和对太阳进行科学研究的卫星。它主要为卫星、载人飞船、航天飞机提供各种科学数据。科学探测卫星有研究地球的，如关于地球重力场、磁场、辐射带等；有研究太阳的，如关于太阳的耀斑、X射线、γ射线、紫外线等。 美国已发射了近200颗科学探测卫星，主要有先锋号、探险者系列；前苏联发射了宇宙号系列；英国、法国、意大利、日本也有这类卫星。我国在1981年到1985年，相继发射了空间物理探测卫星、科学探测技术试验卫星共四颗。1994年7月3日，我国在酒泉成功地发射了一颗科学探测与技术试验卫星，这颗卫星搭载有植物、动物微细胞等，成功地返回到地面。 减灾卫星和地震卫星 地震卫星是预测地震的卫星。空间测震有两个方面可以探索：一是根据地貌特征进行判断，美国1972年发射的地球资源卫星就曾拍到了地球上新发现的断层。这些断层的发现有助于地震预报；二是发射激光测地卫星进行研究。 减灾卫星的目的是减灾。过去人们对灾害的研究过于孤立分散，不能相互关联；而人造卫星却可以克服人为的“先天不足”的条件，利用卫星日夜监测地表一切自然变异对人类的不利影响。实际上，气象卫星、资源卫星、通信卫星、导航卫星都可以用于减灾活动。例如，美国每年只利用气象卫星就可以减少自然灾害带来的损失20亿美元，是卫星投资的 10倍。许多国家目前正在加紧研究集通信、观测、导航等多功能于一体的新型减灾卫星。我国空间技术研究院研究的具有国际先进水平的减灾卫星，预计于2000年前发射。 |
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