书城自然握手太空的航天科技(新编科技大博览·A卷)
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第18章 未来航天(4)

人造卫星本体和星上设备是以吉洪拉沃夫为主设计的,卫星代号Cп—1,它的外形是一个铝合金的密封球体,直径0.58米,重83.62千克,卫星周围对称安装四根弹簧鞭状天线,倾斜伸向后方。1957年10月4日晚,“卫星”号运载火箭携带世界上第一颗人造地球卫星在前苏联拜科努尔航天发射场发射成功。它进入了近地点215千米,远地点947千米,轨道倾角65°,周期96.2分的椭圆形轨道。它在地球轨道上共运行了92天,绕地球飞行约1400圈,于1958年1月4日再入大气层时烧毁。这颗人造卫星进行了星内温度、压力试验,大气密度测量和电离层研究,并探测出几百千米高空的空气阻力。1957年10月4日午夜,莫斯科电台向全世界公布了前苏联首颗人造地球卫星巳成功发射进入轨道的消息。塔斯社的报道宣称:“人造地球卫星开辟了星际航行的道路。”不久,世界各地都能通过无线电接受到这颗卫星从天空发射出来的‘的……的’声响。

人造卫星的诞生是人类历史上具有深远意义的大事,它标志着航天时代的开始。美国由于重视不够,加上将人造卫星计划和洲际导弹计划严格分开,大大影响了研制进度。1958年1月31日,“朱诺”1号运载火箭将美国的第一颗卫星“探险者”1号送入轨道,使美国成为第二个进入航天时代的国家。由于人造卫星的巨大科技、政治、军事及经济价值,发展航天技术的国家越来越多。法国、日本、中国、英国、印度、以色列等国也先后利用自行研制的运载火箭成功地发射人造卫星,相继跨入了航天时代。

“长征二号E”捆绑式火箭

中国的“长征二号E”捆绑式火箭(俗称“长二捆”)在成功地发射了3颗澳星和1颗亚星后,在国际国内产生了广泛的影响。在介绍它是怎样发射卫星之前,我们先介绍一下它的发展历程。

“长征二号E”火箭是在高度成功的“长征二号丙”(CZ—2C)运载火箭基础上研制的。在我国长征系列运载火箭中,“长征二号丙”是十分重要的一个型号。自1974年以来,“长征二号丙”已发射了18颗遥感卫星,发长征二号射成功率很高。“长征二号丙”火箭还为我国航天事业带来了很高的国际声望。1986年和1987年,我国曾先后两次用它为法国和德国进行空间微重力实验载荷搭载服务。1992年10月,我国利用“长征二号丙”火箭发射了瑞典的第一颗人造卫星。由于“长征二号丙”的可靠性很高,它成了我国运载火箭系列的基础和核心型号,后来的“长征三号”和“长征四号”都是以它为基础研制的。曾为中国航天带来国际声望的“长征二号E”捆绑式火箭(CZ—2E)也是以它为基础,采用捆绑技术发展而来的。可以说,“长征二号丙”为中国航天事业的发展立下了汗马功劳。

“长征二号E”的研制受80年代后期国际上应用卫星大型化发展趋势的影响,在研制过程中采用了许多新技术,最重要的是在第一级捆绑了四个助推器,从而大大提高了运载能力。其他改进的措施还包括:加长中央芯级箭体,使两级发动机工作时间大大延长;二级发动机采用了大喷管,挖掘了发动机的潜力,使运载能力有了进一步提高;采用了新的推进剂利用系统;研制出直径4.2米,长10.5米的大整流罩,从而可适应不同载荷的要求,还能进行一箭多星发射。完整的“长征二号E”火箭总长50米,起飞重量460吨,起飞推力600吨,近地轨道运载能力达9.2吨。

1990年7月16日,“长征二号E”在西昌卫星发射中心首次发射成功。1992年8月14日和1长征二号(捆)2月21日,两枚“长征二号E”火箭先后发射成功,顺利地将“澳星”B1和B2按合同要求送入预定轨道。这两次发射正值国际航天年,无论是在中国的哪个地方,“长二捆”和澳星都成了人们街谈巷议的热门话题。同时,“长征二号E”的研制成功,在国际上也产生了相当大的影响。1994年8月28日和1995年11月28日,“长征二号E”又发射成功“澳星”B3和“亚洲二号”通信卫星。

“长征二号E”是怎样把大型通信卫星送入轨道的呢?我们知道,不同的卫星有不同的运行轨道。通常可把卫星轨道分成三类,即低轨道、太阳同步轨道和地球静止轨道。通信卫星运行在地球静止轨道上,它是地球赤道上空高度为35860千米的圆形。在这个轨道上运行,它的周期正好是24小时,因此在地面上看它好像是不动的。这对于通信十分有利。国际上现有的运载火箭有的可直接将卫星送到这个轨道上,但采取这种方式也有不少缺点,一是对火箭技术和可靠性要求很高,二是运载能力较低,三是能量消耗较大。另一种方法是用三级火箭先将卫星送入地球同步转移轨道,再由卫星自己的发动机推进进入地球同步轨道。还有一种常用的发射同步通信卫星的方法是采取三个步骤,接力式地把卫星送入静止轨道。“长征二号E”就是采取这一方式。

首先,“长征二号E”垂直发射,两级先后点火将专门研制的通用近地点变轨发动机(简称火箭上面级)连同卫星一道送入高度约200~300千米高的近地轨道。这个轨道只是临时的,所以也称停泊轨道。这时,“长征二号E”火箭的使命也就结束了。在经过调整和测控后,上面级发动机点火,将卫星推到远地点为35860千米的大椭圆轨道上,上面级与卫星分离,这是第二个步骤。最后,当卫星运行到与同步轨道相切的远地点时,卫星上带的发动机(称远地点发动机)点火,进入地球静止轨道。为使卫星真正与地球同步,还须利用卫星上的微小发动机进行较长时间的轨道调整。

洲际导弹

洲际导弹通常是指射程超过8000千米的战略弹道导弹,它都装有威力巨大的核弹头,用大推力多级火箭运载飞向目标。洲际导弹飞行的开始一小段为有动力、有制导的主动段,其余大部分路段是沿着只有地球重力作用的椭圆弹道飞行。历史上研制的洲际导弹弹头的爆炸当量最大可达数千万吨TNT,即相当于上千颗美国投向日本广岛的原子弹的威力。由于射程远达上万千米,洲际导弹一般是垂直起飞后先飞出大气层,再经过漫长的太空飞行,最后再入大气层飞向预定目标。它的最大飞行高度可达上千千米,最大飞行速度可达30000千米/小时(8千米/秒以上)。

洲际导弹的始祖是德国40年代研制成功的V—2弹道导弹,1942年10月3日首次试验成功,其射程约为280千米,可带1吨常规炸药。第二次世界大战结束后,德国的液体火箭和导弹技术对苏、美及其他国家发展火箭及导弹技术作出了重大贡献。由于核武器和远程轰炸机发展水平的差异以及对远程火箭发展前景的不同认识,前苏联和美国对发展洲际导弹采取了不同的策略。前苏联由于远程轰炸机落后于美国,因此为解决核弹头的远程运载问题而大力发展弹道导弹。50年代初,前苏联先后研制成功中程导弹SS-3和SS-4。接着,前苏联利用新发展的大推力液体火箭发动机,大胆采用捆绑技术提高起飞推力,研制出世界上第一枚洲际导弹P—7(西方称SS-6)。P—7洲际导弹为两级结构,长28米,底部最大宽度10.3米,起飞重量267吨,最大起飞推力3900千牛。1957年8月21日,P—7成功进行了首次全程发射试验,射程超过8000千米。洲际导弹的研制成功使前苏联先于美国初步具备了洲际核打击能力。

美国尽管很早就制定了洲际导弹发展规划,但长期的争论极大地影响了它的发展进程。美国政界认为,美国的战略轰炸机和核武器都领先于前苏联,研制洲际导弹并无必要。另一方面,一些军界权威人士认为,以当时的技术水平,弹道导弹的射程不可能超过3000千米,而且这样的导弹根本无法携带吨位很大的核弹头。50年代中期核弹头小型化取得的进展和前苏联发展远程导弹的消息,促使美国改变原策略,开始大力发展洲际导弹。1958年11月28日,美国第一种洲际导弹“阿特拉斯”成功地进行了全程试验,射程达到9960千米。此后美国又研制成功“大力神”Ⅰ和Ⅱ型洲际导弹。其中“大力神”Ⅱ型长31.4米,起飞重量飞50吨,起飞推力195吨。它的射程高达15000千米,可推带2000万吨当量的核弹头。它于1962年3月16日试验成功。

洲际导弹经过了几个阶段的发展。P—7、“阿特拉斯”和“大力神”属于第一代,特点是体积大,重量大,推进剂不可贮存。这类洲际导弹不能处于常备状态,准备时间长,自主性和适应能力低。第二代洲际导弹采用可贮存推进剂,并进而过渡到采用固体推进剂,适应性和机动性较高。随着核弹头的小型化,从潜艇发射的固体潜射导弹应运而生。第二代洲际导弹的特点是生存力强,机动性好。前苏联的SS—9、美国的“民兵”Ⅰ式和“北极星”,法国的M—1都属于第二代洲际导弹。第三代洲际导弹着重解决的是采用集束式和分导式多弹头问题,并且出现小型化、可车载机动发射的单弹头洲际导弹,从而可攻击多目标,突防能力强,威慑力更大,机动性更好。美国的“民兵”Ⅲ式、“和平卫士”式(即MX导弹)和前苏联的SS—18都属于第三代。除洲际导弹外,美国的“海神”式和“北极星”A—3,前苏联的SS-N-8潜射导弹也具备多弹头洲际攻击能力。

洲际导弹是现代武器中威力最大的一种,是现代科学技术的结晶,体现了一国的科学技术水平和国防势力。洲际导弹的存在极大地威胁着人类的安全。从20世纪60年代开始,削减核武器和洲际导弹就成为人类面临的重大课题。冷战的结束使这项工作取得了一些进展,但要达到彻底销毁洲际核导弹的目标还要经过长期艰苦的努力。

中央电视台卫星云图的预报

气象观测预报与国民经济和人们的日常生活息息相关,气象卫星的出现为气象观测提供了革命性的技术手段。气象卫星上装有各种气象遥感器,能够遥感地球及大气层的可见光、红外和微波辐射,能够探测温度、湿度、气压和风速等信息,并将其转换成电信号传递到地面。地面台站将卫星送来的电信号复原,绘制成各种云层、地表和洋面图片,再经进一步处理和计算,即可得出各种气象资料。中央电视台天气预报节目的气象云图就是根据气象卫星发回的气象探测资料绘制的。

中央电视台天气预报的卫星云图有两种,一种是同步轨道气象卫星云图,图像上有各种不同的云系和经纬网络;一种是极轨气象卫星云图,图像上有海洋、云层、高原、沙漠、冰雪、植被和河流。卫星云图还分可见光云图、红外云图、全景云图和区域云图。直接从卫星上接收的云图只是黑白图像。为研究的方便和使观众易于看明白,气象工作者为云图画上国境线、城市标记,并根据光谱原理对云图进行了色彩加工,使之接近人的视觉习惯:绿色表示植被;赭黄色表示陆地;蓝色表示海洋等等。由于大片云系会反射太阳光,气象卫星接收到的各种云系的信号是灰白颜色,因此我们从卫星云图看到的大片降雨云系的色彩是灰白的,而不是浓黑色。

制作卫星云图的工作相当复杂。每天早上值班天气预报员要确定天气预报使用的云图种类。气象中心的人员按需要将接收到的图像进行处理,包括云图定位、拼接处理、投影变换、几何畸变校正、辐射畸变校正、绘制等压线和等温线等。通常每天接收两次极轨气象卫星的图像资料,每次接收到的是相邻三个轨道(每个轨道约横向3000千米宽)气象资料,这些资料经过投影拼接才能得到一张可完全覆盖中国的气象云图。接着还要进行彩色合成及局部放大。另外,每隔半小时还要接收一次同步轨道气象卫星云图,它覆盖约四分之一的地球表面。将这些云图做成动画片形式可生动显示各个云系的变化,据此可对天气系统的趋势作出预测。

1960年4月,美国发射成功第一颗气象卫星“泰罗斯”1号,证明了使用卫星进行气象观测的巨大价值和优越性。气象卫星观测的地域广阔、观测时间长、观测数据汇集迅速,因而能提高气象预报的质量,对长期天气预报更有重要意义。气象卫星所提供的气象资料已被广泛用于日常气象业务、气象科学、大气物理、海洋学和水产学的研究。气象卫星的发展和应用异常迅速。气象卫星逐步由低地球轨道扩展到太阳同步轨道,再进一步发展到同步轨道。极地轨道和同步轨道气象卫星相互补充就可以实现对全球的气象观测。目前全球性的气象卫星观测网大大提高了气象预报的精度和及时性,并能预先预报灾害性天气,为社会发展作出了巨大贡献。