书城科普读物探究式科普丛书-行星的卫星:人造卫星
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第5章 人造卫星知识大观园(2)

“风暴一号”是两级液体火箭,主要用于发射低轨道卫星,并成功完成一箭三星的发射任务。火箭长32.57米,最大直径3.35米。

不过由于某些局限,它已经于1982年停止使用。

“长征四号”是在“风暴一号”基础上研制的三级常规运载火箭,是发射地球同步转移轨道卫星运载火箭的另一方案。后来,随着功能的改进,改型为“长征四号A”,主要用来发射太阳同步轨道卫星。

该火箭长41.9米,最大直径3.35米。

“长征四号B”是在“长征四号A”基础上发展而来的一种运载火箭,它的运载能力比之前的几种火箭的要更大,主要用于发射太阳同步轨道的对地观察应用卫星。

火箭长45.58米,最大直径3.35米。

2.人造卫星的运行

通过对前面几章的了解,我们知道了关于人造卫星的一些基本知识,那么,你知道人造卫星在被火箭运载到天上去,又是如何来运行的吗?或许你对这个问题已好奇了很久,那现在就让我们一起去探索人造卫星的运行吧!

人造地球卫星之所以能按照预定的轨道,周而复始地环绕地球运行,既不飞出去,也不掉下来,主要是因为卫星的发射满足了速度和高度这两个必要的条件。1687年,英国着名科学家牛顿从理论上已阐明,要使地球上空的某一物体变成“永远不落到地面”的人造卫星,关键是要给它足够的速度,使物体入轨后产生的离心加速度(惯性)所形成的惯性力能抵消地球对它的引力。牛顿指出,假如在山顶上平放一门大炮,以一定速度发射出一发炮弹,炮弹将沿着一条曲线(弹道),飞出一段距离(射程),然后落回地面。若不考虑空气阻力,当发射速度不断增加,射程也必然相应增加,而且弹道曲线将越变弯曲度越小。这样,只要速度能增加到某一数值,弹道的弯曲度将和地球表面的弯曲度一模一样。这时候,虽然发射出去的炮弹在地球引力作用下不断降落,但因地球表面也在不断向里弯曲,不论炮弹飞出多远,它距离地面的高度将永远不变。换句话说,这颗炮弹已成为一颗以圆形轨道不停地环绕地球运行的人造卫星。我们通常将炮弹所需的这种速度称之为“第一宇宙速度”,又称“环绕速度”,它的数值为7.9千米/秒。

显然,如果发射速度比7.9千米/秒还要快,卫星的轨道将变得比地球表面的弯曲度还要平直,成为环绕地球运行的椭圆形,而且发射速度越大,椭圆形轨道将显得越扁长。一旦发射速度达到11.18千米/秒,卫星就不再环绕地球运行,它将挣脱地球引力,而变成一个绕太阳运转的人造行星了。人们通常把这一速度称之为“第二宇宙速度”,又称“脱离速度”。依此类推,当发射速度继续增加到16.7千米/秒(即“第三宇宙速度”)时,物体将摆脱太阳系对它的引力,而进入茫茫宇宙,一去不复返了。

第一、第二、第三宇宙速度是按照物体在地球表面发射,而且不考虑空气阻力进行计算的。事实上高度和空气阻力对物体的运行影响很大,根据牛顿万有引力定律,物体离地球表面越高,地球对其引力越小,物体所需的第一、第二宇宙速度也必然减小。据计算,在离地面36000千米的高空,物体的环绕速度为3千米/秒,而离地面38万千米高的月球,它的环绕速度只有1千米/秒。但需要说明的是,虽然轨道越高,物体所需环绕速度越小,但要把物体从地面送到较高的轨道,运载火箭克服地球引力和空气阻力耗功就会更多,要求运载火箭的推力也必须相应增大。地球的大气层厚度虽有2000千米~3000千米,但大气质量的99%都集中在海平面以上的30千米内,为了保持卫星在空中的正常运行不会因空气阻力的影响而很快陨落,通常人造卫星都被发射至120千米以上的高空。

3.路在何方——人造卫星的轨道

目前大多数国家都有属于自己的人造卫星,这些人造卫星都是围绕地球在运行的。在很早的时候就已经有人提出这样的疑问:这么多的人造卫星在太空运行会不会发生碰撞或者发生混乱?其实它们的运行是有序的,就像生活中的飞机和船舶运行时是一样的,有它们固定的航线,人造卫星的运行也是“有迹可寻”的。并且人造卫星的轨道是多种多样的,按形状可分为圆轨道和椭圆轨道;按离地面的高度又可分高轨道和低轨道。此外,还有赤道轨道、极地轨道、地球同步轨道、对地静止轨道和太阳同步轨道等有特定意义的轨道。

卫星绕地球一圈的时间叫运行周期,卫星轨道形成的平面被称为轨道平面,轨道平面与地球赤道平面形成的夹角叫轨道倾角。倾角小于90度为顺行轨道;大于90度为逆行轨道;等于90度为极地轨道;倾角为0,即轨道平面与赤道平面重合,称为赤道轨道。若卫星的运行周期和地球的自转周期相同,我们称这种卫星轨道叫地球同步轨道。如果地球同步轨道的倾角为零,即卫星正好在赤道上空,它将以与地球自转相同的角速度绕地球运行。从地面上看去,就像是静止不动。这种特殊的卫星轨道被称为对地静止轨道。处于这条轨道上的卫星就是通常我们所说的对地静止轨道卫星。

那么,面对这么多的卫星,如何来为它们选择合适的轨道呢?卫星轨道的具体选择,则要根据卫星的任务和应用要求来确定。例如对地面摄影的地球资源卫星、照相侦察卫星等,通常采用近圆形的低轨道运行方式;通信卫星则常常采用对地静止的地球同步轨道;若为了节省发射卫星时所消耗的运载火箭的能量,常采用顺行轨道;为了使卫星对地球能进行全面观察,则需要采用极地轨道;而为了让卫星能始终在同一时刻飞过地球的某地上空,或使卫星永远处于或永远不处于地球的阴影区,又往往需要采用太阳同步轨道;军用卫星为了满足军事的特殊需要,则常常采用地球同步轨道和太阳同步轨道等。

地球同步轨道是运行周期与地球自转周期相同的顺行轨道。但其中有一种十分特殊的轨道,叫地球静止轨道。这种轨道的倾角为0,在地球赤道上空35786千米。在地面上的人看来,在这条轨道上运行的卫星是静止不动的。一般通信卫星、广播卫星、气象卫星选用这种轨道比较有利。地球同步轨道有无数条,而地球静止轨道却只有一条。

太阳同步轨道是轨道平面绕地球自转轴旋转的,方向与地球公转方向相同,旋转角速度等于地球公转的平均角速度(360度/年)的轨道,它距地球的高度不超过6000千米。在这条轨道上运行的卫星以相同的方向经过同一纬度的当地时间是相同的。气象卫星、地球资源卫星一般采用这种轨道。

极地轨道是倾角为90度的轨道,在这条轨道上运行的卫星每圈都要经过地球两极上空,可以俯视整个地球表面。例如,气象卫星、地球资源卫星、侦察卫星常采用此轨道。

4.人造卫星的返回

当把人造卫星发送到太空中后,它会按照人类的指示完成所需要完成的任务。那么,当这些人造卫星完成任务后,它们是如何再返回地面的呢?

一般情况下,卫星发射成功之后,就在太空执行任务,并不需要再返回地面。如,通信、导航、气象卫星等都是如此。但是有些卫星却需要返回到地面。例如,获取情报的侦察卫星,携带实验品的科学实验卫星等都属于返回式卫星。研制返回式卫星是卫星发展史上的一个重要突破。

返回式卫星主要有以下三种用途:一是作为观测地球的空间平台,返回式卫星所获取的各种对地观测信息资料,可以带回地面供科学家进行分析和研究;二是作为微重力试验平台,利用微重力条件,在空间进行各种科学实验,生产和制造地面条件下难以获得的材料和物品;三是作为发展载人航天技术的先导,因为宇航员必须采取与返回式卫星相似的方法返回地面,只有掌握了卫星返回技术,才能为载人航天打下基础。

因此,返回式卫星在世界各类航天器中占有重要的地位。目前,全世界只有美国、俄罗斯和中国掌握了卫星回收技术。

对于返回式卫星的研制者来说,如何实现卫星的返回和回收是十分重要的问题。绕地球运行的卫星返回地面时,根据它们所受阻力和升力的大小不同,通常有三种不同的返回轨道:一种是弹道式返回轨道,这种卫星在进入大气层后,只产生阻力;第二种是半弹道式返回轨道,卫星在进入大气层后,除产生阻力外,还有部分升力;第三种为升力式或滑翔式返回轨道。我国的返回式卫星采用的是弹道式返回轨道方式。

为了使卫星在完成太空使命后能安全地返回地面,首先要求运载火箭有很高的控制精度,不仅能准确地把卫星送到预定轨道,而且当卫星完成使命等待回收时,能处于预定的回收区上空;其次,对低轨道返回式卫星来说,由于受大气阻力和地球形状等的影响,轨道会发生偏离。因此,必须精确地计算出卫星返回落地的时间和落点的经纬度,并向卫星发射各种控制指令;最后,在卫星进入返回圈后,卫星必须能按地面指令准确地调整成返回地面所需要的姿态,并按预定程序使旋转火箭、反推火箭依次点火、分离,然后弹射和打开降落伞。否则,失之毫厘,差之千里。在运载很大的气动力作用下,卫星返回地面时,可能产生较大的落点偏差,甚至造成意想不到的失败。

那么,科学家是如何使卫星平安地返回地面呢?要使发射出去的卫星安全地返回地面,有三个难点需要克服:首先,当卫星以超高速进入稠密的大气层后,强大的气动阻力将使卫星受到巨大的冲击,这种情况下,在返回过程中,就要求卫星的结构和各种仪器设备能够经受得住反推火箭工作时产生的剧烈振动;其次,要能耐得住高温,当卫星以近8千米/秒的速度穿越稠密大气层时,会因摩擦而产生近万摄氏度的高温。为了不使卫星被烧坏或化为灰烬,卫星的防热层结构必须具备能耐这种高温的防热和耐热性能;最后,要实现人造卫星的软着陆,卫星按预定程序打开降落伞后,降落速度虽然会受到阻滞,但接近地面时仍具有每秒几百米的落速,只有当降落伞的减速和卫星的减震装置能够有效地保证安全回收时,卫星才不致被地面撞得粉身碎骨。由此可见,卫星的着陆是一件多么精细的工作,如果有一步没有做到位的话,整个装置就会毁于一旦。

第二节梦想起点——卫星发射中心

人类的飞天梦想到底是从什么时候萌生的,或许没有一个人能给出确切的答案。只有在飞天梦初步应用到实际中后,人们才点燃了飞天的梦想。不过,这些梦想是有回报的。随着人类科技的逐渐发展,人类航天事业也在飞速发展。目前,就全世界而言,人造卫星的发射中心数不胜数。

1.肯尼迪航天中心

肯尼迪航天中心是以美国已故的前总统肯尼迪的名字来命名的,它目前是美国最大的航天器发射场。它位于佛罗里达州东海岸的梅里特岛-卡纳维拉尔角地区,总占地面积达560平方千米。主要用于发射小轨道倾角的航天器。肯尼迪航天中心共有14个发射区,其中多数区已停止使用或拆除,仍在使用的是1966年建成的39号发射场及其工业区,它是为实施“阿波罗”工程计划而建造的,经改建后用于航天飞机的发射和试验。在执行发射任务时,其还可得到空军东部航天和导弹试验中心的卡纳维拉尔角地区和沿航线大西洋岛屿上的跟踪测量站的勤务支援,可以利用设置在美国本土和世界各地的30多个测控站和通信网。航天器发射时还使用装有专门设备的测量船、打捞回收船和飞机。从肯尼迪航天中心发射过“双子星座”飞船、“阿波罗”飞船和航天飞机。

2.西部航天和导弹试验中心

在美国除了有肯尼迪航天中心外,还有一个比较着名的航天和导弹试验中心,被称为美国西部航天和导弹试验中心。

美国西部航天和导弹试验中心成立于1964年5月,位于美国西部洛杉矶北面的西海岸,是美国最重要的军用航天发射基地。它主要用于战略导弹武器试验,武器系统作战试验和发射各种军用卫星、极地卫星等,航天发射次数居全美第一位。

美国西部航天和导弹试验中心濒临太平洋东侧的圣佩德罗湾和圣莫尼卡湾,背靠圣加布里埃尔山,面积为1290平方千米。靠近美国的洛杉矶,处在三面环山、一面临海的开阔盆地中,除局部为丘陵外,地面平坦,平均海拔为84米,最高点埃尔西峰高1548米。

洛杉矶一年四季阳光明媚,干燥少雨,气候温和宜人,年降水量仅357毫米,一年中的大部分天数都可以满足发射卫星的要求。

3.范登堡空军基地航天发射场

范登堡空军基地航天发射场也是美国的一个航天发射基地,它最初并不叫航天发射场,而被称为坎普·库克基地,1957年被选作导弹基地,1958年改名为范登堡空军基地。自1959年发射“发现者1号”以来,在范登堡发射的火箭已将450多颗卫星送入极轨道,这些卫星覆盖了地球的绝大部分地区,并执行外大气层实验、气象预报、地球资源探测、导航辅助及军事任务。

范登堡空军基地设在美国加利福尼亚州南部海边,位于阿圭洛角的正北部,是一个干燥、荒芜的地方,海拔为109.72米。该基地有挡风的伯尔顿台地,另外还有许多峡谷、沙丘、黏土地和沙砾层。

该基地面积为279.72平方千米,包括51.49千米长的海岸线。