书城科普神奇的宇宙空间探测器(神秘的太空世界丛书)
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第7章 空间探测器(7)

(3)控制动力部分。

当卫星的姿态产生误差后,当然不止是能够测量它,知道误差的大小和方向,最主要的是能够控制它、纠正它,使它恢复到正确的位置,而这一任务则是由控制动力部分来完成的,有时也称这部分为执行机构。在远离卫星质心的特定部位,对称地装有小发动机的喷管,这些喷管有的沿卫星的纵向安装,有的沿卫星表面的横向安装,它们都与变换器的电子线路相连;其中小发动机的动力有的采用液体燃料,而且可以多次启动;有的采用气体,利用高速的喷气产生动力。

当卫星姿态产生误差时,变换器的电子线路就发出一个控制信号,到达相应的小发动机部分,发动机接到这个信号后就动作,使燃料或气体从发动机的喷管高速喷出,根据反作用原理就产生了推力,控制整个卫星向姿态误差的反方向转动,这样就完成了一次控制动作。所以不难想象,卫星在空中飞行时,一直受到这种控制,只要有姿态误差就进行控制、调整,使卫星始终保持在正确的姿态下飞行。

事实上,卫星的控制方法是多种多样的,上面说的只是其中的一种。此外,还有利用地球的重力场的,称为重力梯度控制;有的利用地球的磁场控制等。

虽然人们都不希望卫星出现故障,但是从国内外的航天史来看,故障总是在所难免的,比如由于卫星设计得不够结实,或者是卫星材料的可靠性差,这些都容易使卫星产生故障。虽然在卫星上天前,科学家们进行了充分的预想,并且设置了不同的对策,但是智者千虑,必有一失,故障往往是难以预料的。

为了对数百千米乃至数千千米之外的卫星下达命令,这便请出了遥控系统。它就像是卫星的指挥官。那么,它是如何做到“指挥有方”的呢?

想要指挥,首先要有控制指令。由于控制指令是无线电信号,敌人有时会有意识地进行人为的干扰,使指令不能正确地接收和执行,这就会影响整个工作甚至误大事。

如果控制指令的密码或者频率被别人知道和掌握了,那就更麻烦了,别人实际上就成了卫星的“主人”。如果是返回式的卫星,就可以命令它在什么地方返回,然后回收它。

为此,卫星不是一接收到控制指令就马上执行,而是同一指令地面要发几次。同时,卫星还能区别同一个指令是不是完全一样,如果不一样,卫星可以拒绝执行。那么,一般都有哪些方面需要进行遥控呢?

在一般情况下,重要的功能动作需要进行遥控。

卫星起码在数百千米以外的太空飞行,为了可靠和准确地工作,对于至关重要的指令,不但要由卫星自己发出,也同样要由地面的遥控系统发出。

(1)切断故障仪器停止工作。在飞行中,如果有一台仪器出现故障,我们可以由遥控命令关闭它转换到备用仪器工作。

(2)修正卫星的工作时间和轨道参数。发射卫星时,由于运载火箭实际发射的轨道往往偏离原设想轨道,这时为了保证工作的准确性,要按照实际轨道,通过遥控重新注入有关数据。

(3)执行安全指令。对火箭来说,万一在发射后的飞行过程中,由于某种故障偏离正确的飞行路线,可能坠落在人口稠密的城市时,就要通过遥控把它炸毁在空中,以保证安全。

人造卫星的运动轨道取决于卫星的任务要求,区分为低轨道、中高轨道、地球同步轨道、地球静止轨道、太阳同步轨道,大椭圆轨道和极轨道。人造卫星绕地球飞行的速度快,低轨道和中高轨道卫星一天可绕地球飞行几圈到十几圈,视野广阔,并且不受领土、领空和地理条件限制。能迅速与地面进行信息交换,包括地面信息的转发,也可获取地球的大量遥感信息。曾有资料显示,一张地球资源卫星图片所遥感的面积可达几万平方千米。

在卫星轨道高度达到35786千米,并沿地球赤道上空与地球自转同一方向飞行时,卫星绕地球旋转周期与地球自转周期完全相同,相对位置保持不变。此卫星在地球上看来是静止地挂在高空,称为地球静止轨道卫星,简称静止卫星,这种卫星可实现卫星与地面站之间的不间断的信息交换,大大简化地面站的设备。

人造卫星是个兴旺的家族,如果按用途分,它可分为3大类:科学卫星、技术试验卫星和应用卫星。

(1)科学卫星是用于科学探测和研究的卫星,主要包括空间物理探测卫星和天文卫星,用来研究高层大气、地球辐射带、地球磁层、宇宙线、太阳辐射,并可以观测其他星体等。

卫星轨道示意图(2)技术试验卫星是进行新技术试验或为应用卫星进行试验的卫星。航天技术中有很多新原理、新材料、新仪器,其能否使用必须在天上进行试验;一种新卫星的性能如何,也只有把它发射到天上去实际“锻炼”,试验成功后才能应用。此外,包括人上天之前必须先进行动物试验等等这些都是技术试验卫星的使命。

(3)应用卫星是直接为人类服务的卫星,它的种类最多、数量最大,其中包括:通信卫星、气象卫星、侦察卫星、导航卫星、测地卫星、地球资源卫星、截击卫星等等。

我们知道,每一个人造卫星均有其特定的运行轨道,并且卫星轨道与科学家设计的参数值有密切关系,也就是说假如我们精心设计各种参数值,就可以得到许多种卫星轨道。下面我们向大家介绍几种典型的卫星轨道:

大倾角椭圆轨道

这是一般卫星常用的轨道,其轨道倾角一般在50°~80°之间,卫星的近地点离地球200千米以上,而远地点离地球达数千千米甚至数万千米。可想而知,这样的卫星轨道是一个大椭圆。

这种轨道对于科学探测卫星很有用,使它能飞经地球的广大的地区,能探测到从近地面到几万千米的上空,所以可用于探测宇宙射线、地球辐射带、太阳的活动等。

太阳同步轨道

太阳同步轨道是指卫星的轨道平面在不停地围绕地球转动,而且它转动的方向和转动的角速度,与地球围绕太阳公转的方向和平均角速度保持一致。科学家指出,该种轨道的最大特点是经过地球上同一地点的时间相同。比方说,卫星上午10点飞经北京上空,而下一次它飞经北京上空的时间还是上午10点。这种轨道也很有用,可以对地球上同一地区的情况进行重复观察,比如对庄稼长势及有无病虫害的地区长期监测等。

地球静止轨道

地球静止轨道也称为地球同步轨道。当卫星在这种轨道运行时,在地球上看起来好像静止不动,所以我们称它为地球静止轨道。

事实上,卫星不是真的不动,而是因为卫星绕地球一圈的时间为24小时,而地球自转一圈的时间也是24小时,所以说卫星和地球的自转周期相同,加上它们的运行方向相同,所以在地球上看卫星就好像不动。

这种轨道的倾角为0°,也就是说,轨道面与地球的赤道面相重合,卫星只能在赤道上空飞行。它的轨道高度为36000千米。

目前大多数的通信卫星和气象卫星都是采用地球静止轨道,这是因为它可以在某一个地区上空定点,使卫星的天线指向另一个固定的地区,这样就能实现两地的通信。

倘若在静止轨道上每隔120°放置一颗卫星的话,那么只要3颗卫星就能实现全球的通信。

极地轨道

这种轨道是通过地球两极的轨道。显而易见,这种轨道的轨道倾角为90°,即卫星的轨道面与赤道面垂直。

在这种轨道上飞行的卫星可以经过地球的南北极,所以它能够覆盖全球的范围。一般来说,导航卫星和侦察卫星都采用这种轨道。

与其他航天器有所不同的是,人造卫星的运动轨道取决于卫星的任务要求,所以可分为低轨道、中高轨道、地球同步轨道、地球静止轨道、太阳同步轨道,大椭圆轨道和极轨道。人造卫星绕地球飞行的速度快,低轨道和中高轨道卫星一天可绕地球飞行几圈到十几圈,不受领土、领空和地理条件限制,视野广阔。它能迅速与地面进行信息交换,包括地面信息的转发,也可获取地球的大量遥感信息,一张地球资源卫星图片所遥感的面积可达几万平方千米。

卫星的“空调”

每到炎热的夏季,当气温达到35℃~40℃时,人们就感到很不舒服,如果温度再高,就会出现中暑等症状。这时,如果人待在有空调的地方,就不会出现这种问题。对于卫星来说更是如此,它也需要自己的“空调”。

我们知道,人造卫星在空中飞行时,所处的太空环境与在地球上十分不同,主要表现在两方面:

其一,卫星有严重的“外患”。在数百千米到数千千米的高空,只有非常稀薄的气体,太阳会直接照射到卫星的表面,卫星的温度会快速升高。而当卫星飞行到地球的另一面时,得不到太阳的热量,温度会迅速降低。

其二,卫星的“内忧”也在时时困扰着它。由于卫星的仪器设备工作时要散发大量的热,同时,还要经受地球的低温辐射。

为了解决卫星的“内忧外患”,我们在卫星上装有温度控制系统,它就像我们房间里的冷热空调,保证了卫星内部的温度保持在一定的范围内。

事实上,对卫星的温度控制的方法有很多。主要有两大类:被动式和主动式。

被动式的温度控制。在对卫星进行温度控制时不需消耗能量,只需要在卫星的内外表面上来“做做文章”,就可以控制温度。被动式的温度控制的方法是很多的,主要有外层喷涂和内层隔热。外层喷涂是在卫星外表面喷涂上不同性能的漆,使太阳的热量只有一部分能够进入卫星,而其余的全部被反射回空间;也有的卫星表面采取抛光和电镀的办法,都能起到同样的效果。内层隔热是在卫星的内表面加一个隔热层,以进一步调节控制温度。显而易见,被动式最大的优点是简单、经济,而且是在卫星上天前就已经做好,所以如果设计得好,将十分可靠。

主动式的温度控制。主动式的温度控制是在卫星飞行时,主动地加温或降温来控制温度。这很像我们家庭用的冷热空调,热了吹冷风,而冷了送热风,当然比起空调要复杂得多。主动式的温度控制主要采用卫星内部的电热丝加热来提高温度,还可以通过卫星表面的百叶窗的开关来散发热量。主动式的温度控制得精度高、范围大,但是活动的部件多,容易出现故障,所以被动式和主动式可一起采用,在运行中互相取长补短。

哈勃空间望远镜(HST)

由美国宇航局主持建造的4座巨型空间天文台中的第一座,也是所有天文观测项目中规模最大、投资最多、最受到公众瞩目的一项。它筹建于1978年,设计历时7年,1989年完成,并于1990年4月25日由航天飞机运载升空,耗资30亿美元。但是由于人为原因造成的主镜光学系统的球差,不得不在1993年12月2日进行了规模浩大的修复工作。成功的修复使HST性能达到甚至超过了原先设计的目标,观测结果表明,它的分辨率比地面的大型望远镜高出几十倍。 1997年的维修中,为HST安装了第二代仪器:有空间望远镜成像光谱仪、近红外照相机和多目标摄谱仪,把HST的观测范围扩展到了近红外并提高了紫外光谱上的效率。

1999年12月的维修为HST更换了陀螺仪和新的计算机,并安装了第三代仪器——高级普查摄像仪,这将提高HST在紫外—光学—近红外的灵敏度和成图的性能。