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第2章 卫星(1)

人造地球卫星

第一宇宙速度7.9公里/秒是地球飞行的环绕速度。人造地球卫星只有获得了这个速度才能驶入地球轨道,绕地球飞行。多级火箭能把人造地球卫星送上“天”,我们叫它“运载火箭”。运载火箭使用液氧推进剂,逐级推进、加速,使卫星达到环绕速度,围绕地球飞行。

现在发射卫星只需三级火箭就够了。每线火箭头尾相接,用串联或并联的形式组合成一体。在发射卫星时,三级火箭从地面垂直起飞,在发动机的强力推动下,火箭飞出地球的大气层,当达到规定的速度后,就熄灭了。这时火箭已经获得的能量在地球引力的作用下滑行,在卫星最后加入轨道时,火箭再次点火,使卫星加速达到环绕速度,卫星就会绕地球飞行,成为人造地球卫星。

人造卫星必须向东发射

人造卫星是人类用于探索太空,或者探测地球的航天设备。不知你注意到没有,所有的国家在发射人造卫星时,总是把发射方向指向东方,你知道这是什么原因吗?

这是因为,地球是由西向东旋转的,将人造卫星由西向东发射时,可以利用地球的惯性,大大节省燃料和推力。地球运动的速度,随着纬度的变化也是不相同的。一般地说,赤道上的运动速度最大,达到每秒0.46千米,随着纬度的增加而减小,南北两极为零。所以发射地点的纬度越高,火箭所需的推力也越大。如果顺着地球自转的方向,在赤道附近发射倾角为0的卫星,就可最充分利用地球的自转惯性,达到最理想的效果。

当然,由于世界各国的地理位置不同,卫星不可能全在赤道附近发射,发射方向也不会都是由西向正东方向,总要偏向东南或东北。不过,人们总会尽可能利用地球的自转惯性,节省推力。

侦察卫星

电子侦察卫星是一种窃听能力很强的卫星。它与照相侦察卫星一样,分普查型和详查型两类。

普查型“窃听能手”,它的作用是对敌方地面进行大面积侦察,测定地面雷达的大致位置,窃听地面雷达的工作频段。

详查型“窃听能手”,它的作用是捕获感兴趣的雷达特性和电台信号的详细情报,用搜索型外差接收机窃听地面的无线电信号。

目前,大部分电子“窃听能手”既能做一般监视,对地面进行普查性窃听工作,又能对地面各种无线电信号进行搜索和窃听,一颗卫星身兼普查和详细两种功能。一般说来,电子侦察卫星上的计算机里贮存所有已知的敌方雷达信息。卫星一旦探测到新的雷达位置和新的信号,下次经过这一地区上空时,便会自动地对这些特性进行分析,并对新的雷达进行定位,以确定雷达的精确位置。因此,窃听能手——电子侦察卫星,能无一遗漏地探听清楚地面雷达、无线电台等的位置和信号特征。

预警卫星

导弹预警卫星是在人造卫星上天之后,才开始研制的。美国在20世纪60年代初,最先发射预警卫星。这种卫星运行在宇宙之中,不停地盯住在不断变化的地球。卫星上的红外探测器,对导弹喷焰特别敏感,它能在千里之外遥“看”导弹的发射,并把核袭击的危险信息及时发回地面防空中心,就可以赢得宝贵的半小时预警时间。

其实,预警卫星发现导弹的原理与地空导弹、空空导弹利用红外线自动追击敌机的原理是相似的。

卫星上的红外探测器,能够探测出导弹喷出的火焰,这是因为在大自然中,一切物体只要温度高于绝对零度(-273℃),都会辐射出肉眼看不见的红外线。当洲际导弹的发动机燃烧后,由高温气体形成的喷焰将产生强大的红外辐射,卫星上的红外探测器就能在导弹发射后几十秒钟内,向地面站报警。但是,早期的预警卫星,会把高空云层反射的太阳光当做导弹尾焰的红外辐射,而误认为是一次大规模的核袭击。美国就发生过这样的事,令当时的美国惊恐万分。

为了避免虚惊,人们在预警卫星上同时配上高分辨率远视镜头的电视摄像机,就在红外探测器探测的导弹喷焰时,立即控制电视摄像机自动地拍摄目标区域的图像,于是地面站的电视屏上以每秒1~2帧的速度,显示出导弹喷焰的运动图像。根据喷焰在不同高度上的不同形状,就可判断是否真有导弹来袭,并可粗略地测出导弹主动段的飞行轨迹。

导弹喷焰辐射的红外线波长,主要在2.7微米左右,因此,卫星上的红外探测器多采用硫化铅探测器阵列。它由约2000个单元器件排列而成,最敏感的波长为2.7微米。当卫星在36000千米高的地球同步轨道上运行时,整个红外探测器阵可“看”到地球表面的40%地区。

静止气象卫星

静止气象卫星主要有三大功能:一是观测,通过遥感仪器拍摄云图,观察云系和大气温度的分布;二是收集,将地面气象观察站观察到的地面气象资料收集起来;三是广播,将气象资料和处理过的地面气象资料传送给各地气象台使用等。

它如一位“站”在3.6万千米高处的“广播员”,主要组成部分是静止卫星、资料收集和测控站、数据处理中心、气象观察台和数据接收系统等。

静止气象卫星中安装了功能奇特的遥感仪器。当前,常用的气象遥感仪器主要有以下几种。一是高分辨扫描辐射计,包括可见光和红外自旋扫描辐射计等。它具有高超的本领,可以获得可见光和红外的云图,可见光云图的星下点(卫星在地面的投影点)分辨率为0.9~2.5千米,红外云图的星下点分辨率为5~12千米。二是高分辨率红外分光计。它神通广大,既能获得大气垂直温度分布,又能测到水气分布。三是微波辐射计。它的功能没有那么齐全。只能配合高分辨率红外分光计工作,以便获得6层以下的大气垂直温度分布和云中的含水量。另外,卫星还携带其他一些功能奇特的仪器,如磁带机等数据存贮装置和数据传输设备等。

地球资源卫星

地球资源卫星主要的功能是防护森林,它不仅向人类提供森林中的火灾情况,还时刻监视着树木里的各种病虫害,将森林中的各种危害及时告诉人们,称得上是太空的“护林员”。

森林防火工作一定要有地球资源卫星的协助才能保证它的安全度。由于地球资源卫星不仅能及时发现森林中的火迹,而且能确定冒火烟地区的边界,监视火灾的发展,观测火区上空的大气冷流和暖流的通过情况,诸多火情,将有助于尽快消灭火灾。而且,借助于太空观测还能够预报可能发生火灾的地点。因此,人们把在太空巡视的地球资源卫星称为森林“卫士”。

地球资源卫星还监视着树木的各种病虫害情况,将病虫害给森林带来的损失告诉人们。例如,在美国太平洋沿岸,卫星照片告诉人们,虫害毁坏的树木比火灾毁掉的树木多15倍。

生物卫星

世界上第一颗生物卫星是1957年11月3日,前苏联发射的载狗“莱伊卡”的人造地球卫星。生物卫星是一种专门用于在空间进行生命科学实验的人造地球卫星。它相当于一个太空生物实验室,在生物卫星上进行科学实验,有许多特殊的优点和有利条件,是载人飞船和航天站所不能取代的。生物卫星可研究失重、超重和其他各种空间飞行环境对生物生长、生育、代谢、遗传等方面的影响和防护措施,揭示在地面条件下发现不了的生物学问题,是研究太空生命科学的重要工具。

生物卫星主要由服务舱和返回舱两部分组成。返回舱是卫星的主体,是返回地面的部分,内装各种实验生物(如猫、老鼠等)、记录仪器、制动火箭和回收系统。舱的外面是防热保护层。为了更好地保持舱内适宜温度,里面还有一层涂铝的聚酯薄膜。舱内还有脱离轨道、分离和回收设备,以保证卫星按时同服务舱分离,准确脱离轨道,安全地返回地面。返回舱的外形有的呈球形,有的呈碗形,重300~400千克至1~2吨。

在生物卫星上,还可以进行许多生物学实验,如重力生物学实验、放射生物学实验、发育生物学实验等。

通信卫星

通信卫星,是作为无线电通信中继站的卫星。它像一个国际信使,把来自地面的各种“信件”带到天上,然后再“投递”到另一个地方的用户手里。由于它“站”在36000千米高的高空,所以它的“投递”覆盖面特别大,一颗卫星就可以负责1/3地球表面的通信。

“烽火连三月,家书抵万金。”中国古代劳动人民就有过对快速通信的殷切期望,但是那时人们只能靠驿马、驿车。20世纪实现了无线电通信,使人类的通信手段大为改观。我们知道无线电通信是靠电波传送信号的,电波分长波(波长20000~3000米)、中波(波长3000~200米)、短波(波长200~10米)、超短波(波长10~1米)和微波(波长1米以下)等波段,而后两者具有传输信息容量大、信号稳定可靠等优点。但超短波和微波传输只能直线传播,人们只好每隔50千米为它们建造一个中继通信站,使它们像跑接力赛一样一棒一棒地跑下去,把电波传送到遥远的地方。这种接力通信的方式在许多情况下是不可行的,如果把北京的电视节目传到美国纽约,不知要建造多少个中继通信站(每站必设收信机、发信机和天线铁塔),而且在崇山峻岭和汪洋大海中,根本无法建立中继站。怎么办呢?于是人们想到了在天上挂一个“驿站”,利用超短波、微波直线传输的特性,把信号发给天上的卫星,再由卫星接收后转发到地面的另一个地方。

通信卫星一般采用地球静止轨道,这条轨道位于地球赤道上空35786千米处。卫星在这条轨道上以每秒3075千米的速度自西向东绕地球转,绕地球一周的时间为23小时56分4秒,恰与地球自转一周的时间相等。因此从地面上看卫星像挂在天上不动,这就使地面接收站的工作方便多了。接收站的天线可以固定对准卫星,昼夜不间断地进行通信,不必像跟踪那些移动不定的卫星一样而四处“晃动”了。如果在地球静止轨道上均匀地放置三颗通信卫星,便可以实现除南北极之外的全球通信。现在,通信卫星已承担了全部洲际通信业务和电视传输。当你和远隔重洋的亲人通电话、通电报时,当你从电视上观看世界新闻、体育比赛时,当你收听广播时,你也许没有意识到通信卫星正在为你效劳。

通信卫星是世界上应用最早、应用最广的卫星之一,许多国家都发射了通信卫星。美国是最先发射成功通信卫星的国家,1965年4月6日美国发射了第一颗实用静止轨道通信卫星:国际通信卫星1号。到目前为止,这种卫星已发展到第八代,一代比一代体积大、重量重、技术先进、通信能力强、卫星寿命长。其中第五代国际通信卫星5号是当今容量大、技术先进的比较常用的国际通信卫星。

前苏联的通信卫星系列叫“闪电号”,包括闪电1、2、3号三种型号。由于前苏联国土广阔的需要,闪电号卫星大多数不在静止轨道上,而在一条偏心率很大的椭圆轨道上。

卫星可以从飞机上发射入轨

发射卫星,除了主要从地面使用火箭外,近年来也开始利用飞机来发射卫星,就是先把携带卫星的小型火箭用飞机送上一定高度,再启动火箭把卫星送入预定轨道。

从空中发射卫星具有很多优点。首先是发射费用低,至多为地面发射的三分之二。这是因为火箭已在空中从母机获得了一定的初速度和高度,因而节省了许多昂贵的燃料。其次是发射的准备时间短,小型火箭通常只需几名技术人员花上两周时间就够了。再有,空中发射不需要有设备齐全的地面发射基地,也不会受到“发射窗口”、地面设备维修等的制约,随时可以从世界上任何一个机场起飞发射,而用户也可灵活地选择卫星的目标轨道。

1990年4月5日,美国在加州用一架“B-52”大型飞机,携带“飞马座”火箭,在高空把两颗小卫星送入预定轨道,从而开了用飞机发射卫星的先河。

当然,在空中发射卫星也有局限性。主要是卫星不能太重,卫星的轨道不能太高,这是由于受到母机运载能力和飞机飞行高度的限制。如用航天飞机,则可弥补这两点不足。

据科学家预测,在未来的20年内,全世界等待发射的卫星有上千颗,其中大多数是质量仅为几百千克甚至几十千克的近地小卫星。这些卫星性能好、价格低廉,是卫星家族的主力军。很显然,空中发射卫星的方式,必将会在未来航天发射市场上占有一席之地。

用大炮发射卫星

著名法国科幻作家儒勒·凡尔纳曾经写过一部小说,虚构了用大炮把地球人发射到月球去探险的有趣故事。后来人类真的登上了月球,但乘坐的不是炮弹,而是火箭飞船。

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