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第6章 能源高新技术(4)

回溯历史,美俄(苏)航天器的第一次空间对接发生在20年前。1975年,美国“阿波罗”飞船和苏联“联盟”号飞船,曾在宇宙中共同飞行了两天。而1995年美国“亚特兰蒂斯”号的这次飞行,也是美国的第100次载人航天飞行。历史发展到今天,航天技术正以日新月异的姿态阔步向前。科学是没有国界的,人类在空间活动中的国际合作作为一种趋势,正越来越受到世人的瞩目。

明察秋毫的“千里眼”

航天遥感是航天技术最主要的组成部分之一,相当于电视台摄制节目的技术。

任何物体都有不同的电磁波反射或辐射特性。航天遥感技术就是利用安装在航天器上的遥感器,来感测地物目标的电磁辐射特点,并将其记录下来,进行识别和判读。遥感器就像电视台的摄像机,它可分为两种:一种是胶片型的,一种是传输型的。

胶片型遥感需要将航天器(如返回式卫星)回收下来,再对胶,片进行冲洗判读,破译各种信息资料;而传输型遥感则不同,它不需要回收航天器,而是将遥感资料通过电波不断地传到地面。当装有遥感器的航天器经过接收站的上空时,地面接收站对航天器发射的电波信号加以捕捉和接收。航天遥感器分辨率已由最初的几十米、十几米发展到现在的1米以内。

航天遥感能从不同高度、大范围、快速和多光谱段地进行感测,获取大量信息。航天遥感器还能周期性地得到实际地物的资料,因此航天遥感技术在国民经济建设和军事抗争等很多方面,都获得了广泛的应用。例如应用于气象观测(气象卫星)、资源考察(资源卫星)、地图测绘(测地卫星)和军事侦察(侦察卫星)等等。

早在1984年,科学家就已经利用陆地卫星上的多光谱红外探测器识别出隐埋古物的特性,在尤卡坦半岛的热带丛林中,发现了玛雅文化的遗址。

航天遥感技术真不愧是明察秋毫的“千里眼”。

飞向月球的轨道

对月球进行探测的无人航天器,我们通称为月球探测器。

以大椭圆轨道绕地球飞行的航天器,当它的远地点正好朝向月球方向时,也可对月球进行就近探测。但是,一般的月球探测器,或者绕月飞行进行探测,或者在月球上着陆进行探测,由于月球本身处在地球的引力范围内,所以飞向月球的探测器,不必达到第二宇宙速度,只要初始速度大于10.848米/秒,就可飞向月球。飞向月球的探测器,在离月球6.6万千米以前,主要受地球引力作用,它的飞行轨道,是相对地球的椭圆轨道。离月球6.6万千米以后,主要受月球引力作用,飞行轨道是双曲线。

为了节省能量,飞向月球的探测器,一般先进入绕地球飞行的停泊轨道,然后进入过渡轨道飞向月球,接近月球时,或者绕月飞行进行探测,或者从绕月轨道上下降,在月球上着陆。有的在月球上着陆的探测器,不进入绕月飞行的轨道。而直接从过渡轨道下降,在月面着陆。月球上没有可用作减速的大气,所以着陆探测器要么直接撞向月面(硬着陆),要么用火箭减速,实现软着陆。

一箭多星的发射技术

传统的卫星发射方式是用一枚火箭发射一颗卫星,用一枚火箭同时发射多颗卫星进入轨道,是一种先进的航天发射技术。

一箭多星技术一般采用两种发射方式,一是将多颗卫星一次投放,进入一条近似相同的运行轨道,卫星之间相距一定的距离;另一种是利用多次起动运载火箭的末级发动机,分次分批地投放卫星,使各颗卫星分别进入不同的运行轨道。显然,后者的技术就更为高超。

为了实现一箭多星,需要解决许多技术关键。首先是要提高火箭的运载能力,以便把质量更大的数颗卫星送入轨道。其次是需要掌握稳定可靠的“星-箭分离”技术,做到万无一失。运载火箭在最后的飞行过程中,卫星按预先设计的程序从卫星舱里分离出来,既不能相互碰撞,又不允许相互污染。还需选择最佳的飞行路线和确定最佳分离时刻,使多颗卫星在各自的轨道上运行。

另外,还必须考虑运载火箭装载多颗卫星以后,火箭结构角度和重心分布发生变化,会使火箭在飞行中难以稳定,多颗卫星和火箭在飞行中,所载的电子设备可能会发生无线电干扰等特殊问题。

最早实现一箭多星技术的国家是美国。1960年,美国率先用一枚火箭成功发射了两颗卫星。1961年,又实现了一箭三星。前苏联也多次用一枚火箭发射了八颗卫星。中国于1981年9月20日开始,用“风暴1号”火箭发射了三颗科学试验卫星,成为世界上第四个掌握一箭多星技术的国家。目前,我国的一箭多星技术已达到相当高超的水平。

用飞机发射卫星

人们从电视上看到过人造卫星发射的壮观场面。那装载着卫星的巨型多级火箭,耸立在高高的发射塔上,在“轰隆”一声巨响中,火箭尾部喷吐出鲜红的火舌,火箭随即在烟雾中脱离发射架徐徐上升,然后直向蓝天飞去……

但是,人们现在找到了一种比在地面发射卫星更便宜、更简单的方法,这就是从飞机上发射卫星,即把发射台从地面搬到高空,用飞机代替火箭的第一级。

20世纪90年代初,美国用一架B-52飞机在大西洋上空13公里处发射了一枚“飞马座”运载火箭,将巴西第一颗人造卫星送人756千米的预定轨道,开创了从飞机上发射卫星的新途径。

这种别开生面的卫星发射方式之所以引人注目,是因为它有着这样几个特点:

一是从空中发射时,气压只有海平面的四分之一,从而可使运载火箭的喷管设计简化,因为不需要考虑从海平面到接近真空的工作环境的变化;

二是由于飞机具有较高的飞行速度,因而可使运载火箭的性能提高1%至2%;

三是在高空发射运载火箭对火箭本身的结构强度要求较低,而且动压也较低,这对发射很有利。

总的来说,在运载火箭的有效载荷一定时,从飞机上发射运载火箭所需要的总速度可比地面发射降低10%至15%。

据科学家预测,在未来的20年内,全世界等待发射的卫星将有上千颗,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,必将在未来航天发射市场上占有一席之地。

神奇的光子火箭

光子,就是构成光的粒子。当它从火箭的尾部喷出来的时候,就具有光的速度,每秒可以达到30万公里。如果用光子来作为推动火箭的新能源,我们到达太阳的近邻——比邻星就只要4~5年时间。

科学家发现,宇宙中还存在着和许多粒子对应的、电荷相等而符号相反的粒子,如带正电的“反电子”、带负电的“反质子”等,这些粒子被称为“反粒子”。

如果我们把宇宙中存在的丰富的氢收集起来,让它和其“反物质”在火箭发动机内湮灭,产生光子流,从喷管中喷出,从而推动火箭,这种火箭就是“光子火箭”,它将达到光的速度,以30万千米/秒的速度前进。

虽然湮灭得到的能量十分诱人,科学家在实验室里,也已获得了各种“反粒子”,如“反氢”、“反氚”和“反氦”。但是,它们瞬息即逝,无影无踪。按目前的科学技术水平,不可能将它们贮存起来,更难以用于推动火箭的飞行。

但是,科学家还是乐观地认为,光子火箭的理想一定会实现。他们设想,在未来的光子火箭里,最前面的是宇航员工作和生活的座舱,中间是粒子和“反粒子”的贮存舱,最后面是一面巨大的凹面反射镜。粒子和“反粒子”在凹面镜的焦点处相遇湮灭,将全部的能量转换成光能,产生光子流。凹面镜反射光子流,推动火箭前进。

推动“月亮女神”的火箭

电火箭也是一种火箭,其作用是在飞船或卫星升入太空后控制飞船或卫星。

与常规火箭相比,电火箭的力量要小得多,它不可能去发射火箭。常规火箭的推力能达3000万牛顿,这个巨大的能量可以将成吨重的卫星或航天飞机送上太空。而一般电火箭的推力仅仅有1/50牛顿,这个力量就显得太小了,它只能在地面上托起一只乒乓球。但即使是这样小的力量在太空中也就足够了,因为在太空中几乎没有什么阻力。

电火箭有三种类型:最简单的是电热系统,在火箭内部装有氙一类的惰性气体,这种气体被电能加热后从喷口喷出,于是就产生了反向推力;第二种是静电系统,用电能将惰性气体推进剂离子化,然后用电场把离子化气体中带正电的离子加速并向后喷射出来;第三种是电磁系统,它的原理与静电系统相同,就是电能更大一些。

实际应用的电火箭常常是电热系统和静电系统相结合,欧洲航天局的科学家们在新的通信卫星“月亮女神”号上安装了4支电火箭。

电火箭的另一个重要应用是使卫星精确定位。欧洲航天局的科学家们在2000年发射了6颗卫星,用电火箭定位,使它们相距500万公里而位置精度达到了1厘米,科学家们对电火箭这项新技术充满信心。

各显其能的众星行空

1895年,火箭之父齐奥尔科夫斯基在他的《地球与天空之梦》一书中曾这样写道:“设想中的地球卫星是同月球相似,不过它离地球比较近,只在地球大气层外足够远,也就是说,离地球300俄里远”。这位靠自学成才的赫赫有名的科学家不仅在世界上第一个提到’人造卫星”这个名字,发表了由他自己构思的卫星图样,而且还首先提出了以人造卫星为宇宙航行的中转基地,向月球和其它星球发射火箭的伟大构思。

1957年10月4日苏联发射成功第一颗人造卫星,终于实现了齐奥尔科夫斯基的百年梦想,此次发射震憾了全世界,激励人们用更大的热情去探索太空,人造卫星一词也因此成了家喻户晓的一个最时髦的语言词汇。但这颗重83.6公斤、直径58厘米、用铝合金制作的球状卫星。除了附在球上的四根弹簧鞭状的天线,卫星内装有一台磁强计、一台辐射计数器和一些测量卫星内部参数的一些传感器外,并没有装什么特别的仪器。因此,人们对人造卫星到底有哪些用途,如何造福于人类,也只是停留在设想和探索性试验阶段。60年代,科学家们为了实现卫星造福于人类的设想,开始在卫星上安装使用了各种特殊的仪器设备进行遥感、信息传输和收集各种探测数据的应用试验。与此同时,随着电子信息、新材料、自动化等高技术的蓬勃发展,突破了卫星应用领域众多的关键技术,大大地扩展了卫星的应用范围。这样,从20世纪70年代以来,各国争先恐后,把开拓航天技术的重点,首先转向卫星应用技术的发展,逐步形成了通信、,导航、气象、资源、科学、军事应用和深海探测等专用卫星系统。卫星应用技术造福于人类的作用也越来越显着。