书城教材教辅培养青少年化学爱好的故事(启发青少年的科学故事集)
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第98章 无形的巨手

众所知,通信卫星是人类的“顺风耳”和“千里眼”。卫星通信比普通的无线电通信优越得多。

然而,发射通信卫星是一件非常复杂的事。首先要使卫星进入“同步轨道”,卫星在这个圆形轨道上以每秒374公里的速度飞行,绕地球一周为23小时56分4秒,与地球自转的速度和方向完全相同。因而,从地面看上去,它是静止不动的,所以又有人叫它为“同步卫星”或“静止卫星”。

现在,发射通信卫星有两种方法:一种是用火箭发射,例如美国曾用“大力神”火箭,英国、法国等用“阿里安娜”火箭,我国则用“长征3号”火箭。另一种是自1984年4月14日开始,美国用航天飞机在高空发射。用火箭发射,这种火箭需要三级:第一级把卫星推出大气层;第二级将卫星送入200公里高的低空停泊轨道。第三级把卫星送入700~800公里高的大椭圆转移轨道。然后再过渡到同步轨道上去。

从大椭圆转移轨道能否顺利过渡到同步轨道上去,这是发射通信卫星的最大难关。因为大椭圆转移轨道的平面和同步轨道并不重合,而是有个夹角,其近地点和远地点虽然都与赤道平面相交,但是,只有远地点的高度才是同步轨道的高度。因此,要实现顺利地过渡,首先必须调整好卫星的姿态,使卫星的飞行轴向与入射方向完全一致。然后,在地面上的遥测人员准确计算好点火时机,通过无线电把点火指令输入星内计算机中。一旦接到指挥部的“点火”命令,卫星上的火箭就立刻点火,把卫星“托举”到同步轨道上去。否则,卫星就无法进入同步轨道,只能继续在大椭圆轨道上长期徘徊,直至陨落,或者像一匹脱缰的野马,逝入冥冥太空。还有,通信卫星进入同步轨道以后,也绝非太平无事。它受太阳和月亮的引力作用,以及太阳风(从太阳发出的流向地球的、时速为160万公里的尘埃流)的影响,会发生上下漂移;同时,它受地球自转方向的影响会发生左右漂移,它受上面两种合力的影响在空中又会作“8”字形的漂移。因此,要使通信卫星保持静止不动,就必须对它进行姿态和位移的控制。

这种控制技术最早是采用钛合金做的高压氮气瓶,使用时启动阀门,喷出高速气流,借助气流产生的反作用力进行调整。但是,由于这种控制技术容量小、寿命短、准确性差,所以很快就被淘汰了。从60年代开始,美、苏等国的化学家研究了成千上万个化学物质的分解过程,最后发现肼(N2H4)在重金属铱的催化作用下,能迅速分解成氮气和氢气,从而制造出一种新型的“肼分解姿态控制发动机”。它与高压氮气瓶相比有三大优点:

一、容量大、效率高。肼在常温高压下是液态化合物,但一旦分解可产生2200多倍于原体积的高速气流。这样,它单位体积的做功率比高压氮气瓶高得多,因而对完成同量的姿控任务来说,肼分解姿控发动机就可微型化、轻量化。

二、控制自如。显然,这种发动机的推力大小是由流入催化剂床层的肼的多少决定的,所以控制了肼的流量就控制了它的推力,多则几十公斤,少则几公斤乃至几十克,它都可喷发自如。

三、机动灵活。由于肼在铱的作用下分解速度极快,从液态转变成气态的时间只需005~01秒,所以发动机每次做功时间长短皆可随意操纵。它既可进行几千次的冷起动(两次起动之间相隔很长,每次起动催化剂都是“冷”的),又可进行十几万次以至几十万次的热能动(连续起动)。

这样,只要通信卫星在上、下、左、右和前、后六个方向装上这种姿态控制发动机,就可纹丝不动地“站”在天上。自从1969年7月美国“阿波罗”登月飞船使用这种姿态控制发动机以来,现在发射通信卫星的国家都采用这种技术。欧洲航天局定于1989年发射的“奥林匹克”号通信卫星,也用这种技术进行姿态控制。

现在,肼分解姿态控制发动机不仅用于通信卫星的发射和定点,而且还用于回收卫星业务。1983年6月,美国“挑战者号”航天飞机为联邦德国发射了“斯帕斯-01”号试验通信卫星,但在进入同步轨道之前出了故障,末级火箭虽然脱离了星体,而远地点发动机仍然连在星体上。另外,其远地点为1200公里,近地点为269公里,倾角为282°。在通常情况下这颗卫星就报废了,但联邦德国方面经过再三考虑,还是希望美国能利用航天飞机将这颗价值7000多万美元的的卫星收回。两个月之后,美国航天飞机再次升空,利用星体上的肼分解姿态控制发动机在卫星到达远地点时,让连在星体上的远地点发动机点火,使卫星向着降低轨道的方向飞行,使卫星轨道逐渐改变成高度为300公里的圆形轨道。最后,这颗失散的卫星终于被回收了。美国利用这类技术于1984年2月还为印度尼西亚回收了“帕拉帕乃~2号”实验通信卫星。

值得自豪的是,我国化学家和航天专家也已掌握了这种高难度技术,并成功地用于我国1984年4月8日发射的实验通信卫星和1986年2月1日发射的实用通信卫星。中央电视台的节目通过它可传遍祖国各地。