人造卫星

  人造卫星,由人类建造,以太空飞行载具如火箭航天飞机等发射到太空中,像天然卫星一样环绕地球或其它行星的航天器。用以进行探测或科学研究。人造卫星是目前发射数量最多、用途最广、发展最快的航天器。不过,在不会产生误会的情况下,一般亦可称为卫星。  第二次世界大战后,火箭技术和信息技术的迅速进步,使发射人造地球卫星成为可能。人造卫星被广泛应用于军事、广播通信、资源探测、气象预报、导航定位、空间探测及科学实验等领域,并取得了巨大的经济效益、社会效益和军事效益。人造卫星已经与人类的日常生活密不可分,极大地提高了人类的日常生活质量。

概述

  自古以来,人类一直在探索太空奥秘,尤其企望能一步登天,到九霄云外潇洒走一回。从古代火箭到牛顿三大定律,从齐奥尔科夫斯基的多级火箭理论,到布劳恩研制V-2火箭,经过祖祖辈辈的不懈奋斗,茫茫太空终于迎来了亘古未有新纪元。
美国GPS卫星工作想像图 图片:美国洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin Corporation Photo)
    1957年10月4日,苏联拜科努力航天中心天气晴朗。人造卫星发射塔上竖着一枚大型火箭。火箭头部装着一颗圆球形的有4根折叠杆式天线的人造卫星“斯普特尼克”1号。随着火箭发动机的一声巨响,火箭升空,在不到2分钟的时间里消失得无影无踪。世界上第一颗人造卫星发射成功了。消息迅速传遍全球,各国为之震惊。这颗“小星”在天空不过逗留了92天,但它却“推动”了整个地球,推动了各国发展空间技术的步伐。    世界上第一颗人造地球卫星的发射成功在国际上产生了巨大影响,对许多国家的运载火箭和航天器研制工作起到了积极的推动作用。1958年1月31日,美国第一颗人造地球卫星“探险者—1”升空。此后,法国日本、中国和英国等纷纷发射各自的卫星。据统计,现在人类已研制和发射了各种人造卫星四千八百多颗,人们的主要目的是利用人造地球卫星开发太空高远位置资源。  显而易见,用人造卫星观测天体能不受大气层的阻挡,接收来自天体的全部电磁波辐射,实现全波段天文观测。人造卫星的飞行速度快,一天能绕地球飞行几圈或十几圈,可迅速获取地球的大量信息,这是地面勘察和航空摄影无法比拟的。人造卫星在几百千米以上高空飞行,不受领土、领空、地理和气候条件限制,视野广阔,一张遥感卫星照片拍摄的面积可达几万平方千米。在静止轨道上的卫星可“看到”40%的地表,这对通信非常有利,可实现全球范围的信息传递和交换。人造卫星能飞越地球任何地区,特别是人迹罕至的原始森林、沙漠、深山、海洋和南北两极,并对地下矿藏、海洋资源和地层断裂带等进行观测。而且,太空这块风水宝地也是各军事大国竞相抢占的制高点。在20世纪90年代初的海湾战争上,美国就几乎动用了各种类型的军用卫星,首开了世界军事航天史的先河,它标志着陆、海、空、天四维立体战争的时代已经到来。    中国是第五个能独立发射卫星的国家。1970年4月24日,我国用自制“长征—1”运载火箭,在酒泉卫星发射中心,成功地发射了第一颗人造地球卫星——“东方红”1号,它标志着我国在征服太空的道路上迈出了巨大的一步,并跻身于世界航天先进国家之林。     从1987年开始,我国还用返回式卫星搭载水稻小麦玉米青椒西红柿黄瓜西瓜等作物的种子,在太空经受强辐射、高真空、失重和低温环境的洗礼,诱使它们的遗传基因发生变异,然后在地面上种植。用这样的方式培育出来的作物,生长快,长势好,对加快农业发展具有不可估量的作用。   随着卫星技术的日新月异,卫星种类越来越多,令人眼花缭乱,应接不暇。它们在宇宙公海”里遨游“淘金”,已为人类带来了万贯财富,我们今日的生活,已经无法离开它。20世纪发明的人造地球卫星,改变了人类社会的思维、工作和生活方式,成为现代社会发展的巨大动力。

人造卫星种类及用途  

·科学卫星

  科学卫星是一切卫星发展的先驱,一般做为学术用途,所获得的资料对于太空发展有著很深的影响。除了探测大气层与外太空的状況之外,也肩负著为各种仪器作先驱测试的工作。如美国太空总署的哈伯太空望远镜及台湾所发射的”中华一号卫星”。借由科学卫星,我们可以完成许多在地面上无法完成的科学实验。   

·通信卫星

  通信卫星是目前与大家生活关系最密切的人造卫星,举凡电视中的转播、个人的行动电话、与高速网路等和通讯有关的服务,都和通信卫星脫离不了关系。军事通信卫星也属此类,且有不易被摧毀、资料传输量大、迅速与保密等优点。   
中国北斗导航定位卫星工作示意图

·遙感探测卫星

  气象卫星——摄取云层图和有关气象资料的卫星,一般我们在看天气预报时,卫星云图就是气象卫星的观测结果。  地球资源卫星——能通过尖端的光学照相和解析技术,将地球上的资源寻找出来。除了能作探矿用途外,尚能应用于地质、地震、海洋测绘、地图绘制、土地开发、災害评估、农林渔木资源与考古等用途。就如在这次的九二一大地震后,我们便能借由法国的SPOT卫星,来评估土壤流失、地貌改变、植被变化等资料。而这些资料对于災害的评估与災后重建均是一项重要的依据参考。   

·导航卫星

  导航卫星一开始是为了军事用途而设计的,后来由于民间的需求殷切,所以军方才将此技术解密释出。其中最著名、应用也最广的,便是原属于美国军方使用的全球卫星定位系统,简称GPS。不仅是海运、空运与铁路运输均能借此定位,以提高安全性及运输效率。目前已有车厂将此套设备安装在车辆上。其功用不但能当地图使用,更能借由地面的服务站为车主道引至最近的路線。全球卫星定位系统可与其他种类的卫星相辅相成,提高前述的各种卫星资料的可用性

运行轨道

  人造卫星的运行轨道(除近地轨道外)通常有三种:地球同步轨道,太阳同步轨道,极轨轨道。    

·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。这种轨道的倾角为零,在地球赤道上空35786千米。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。气象卫星、地球资源卫星、侦察卫星常采用此轨道。

世界上第一颗人造地球卫星

  人造卫星的概念始于1870年。人造地球卫星是指发射到绕地球轨道上作短期或长期运行的人造航天器。其运动服从开普勒行星运动定律,其轨道一般是以地心为焦点的椭圆,特殊情况下是以地心为中心的圆。它离地面的高度根据用度而定,从几百公里到几万公里不等,一般不低于200公里。
苏联第一颗人造卫星“斯普特尼克”1号
    1957年10月4日,前苏联在拜科努尔发射场发射了世界上第一颗人造地球卫星,并被送入轨道,人类从此进入了利用航天器探索外层空间的新时代。    第一颗卫星的设计和制造,主要由前苏联著名的火箭和宇航设计师科罗廖夫领导的试验设计局完成。卫星由镀铬合金制成,重83.6公斤,外表呈圆球形,直径58厘米,轨道远地点为986.96公里,近地点为230.09公里,每96分钟绕地球一周。卫星载有两部无线电发报机,通过安置在卫星表面的4个天线,发报机不断地把最简单的信号发射到地面。世界各地许多无线电爱好者当时都接收到了这一来自外空的信号。第一颗人造地球卫星在近地轨道上运行了92个昼夜,绕地球飞行1400圈,总航程6000万公里。    人造卫星是发射数量最多的一种航天器,占全部航天器的90%左右,在科学、军事和国民经济各个方面都获得了极其广泛的应用。以科学探测和研究为目的有天文卫星、观测卫星、地球物理卫星、大气密度探测卫星和电离层卫星等;用于军事目的的有照相侦察、电子侦察、海洋监视、核爆炸探测、导弹预警、拦截等卫星;为国民经济服务的有通信、导航、气象、测地和地球资源等卫星。    正是考虑到1957年10月4日发射的第一颗人造卫星开辟了人类探索外空的道路,以及1964年10月10日外空条约生效,1999年联合国第三次外空会议的与会国一致建议,将每年的10月4日至10日作为“世界空间周”。这一意见得到了联合国第54届大会的核准。

中国第一颗人造地球卫星 

   1963年,中科院成立了星际航行委员会,组织制定星际航行发展规划,安排各项空间技术的预研课题。从1961年开始的三年间,中科院举办了12期星际航行座谈会。1965年,中国的人造卫星计划正式开始实施。
东方红一号卫星
  1965年9月,中科院组建卫星设计院,其卫星总体设计组开始拟定第一颗人造卫星总体方案。同年10月至11月,中科院受国防科委的委托,召开了中国第一颗人造卫星方案论证会议(651会议),初步确定了第一颗人造卫星的总体方案。  1967年12月,国防科委召开第一颗人造卫星研制工作会议,审定了总体方案和各系统方案,正式命名第一颗人造卫星为东方红一号。在卫星技术总负责人孙家栋的主持下,开展东方红一号的研制。卫星重量为173公斤。卫星在空间运行时的亮度为5~8等星,末级火箭的亮度为4~7等星。为了在地球上用肉眼能看见卫星,在末级火箭上加上观测裙,可使末级火箭的亮度提高2~3等星。东方红一号的分系统组成是:结构、温控、能源、《东方红》乐曲装置和短波遥测、跟踪、天线,外加姿态测量部分。该卫星外形为球形多面体,直径1米,其结构包括外壳、仪器舱和承力筒三部分,外壳为蒙皮骨架式结构,它又分上半球壳、下半球壳和环形腰带三部分。卫星采用一个发射机交替发送《东方红》乐曲和卫星各种遥测工程参数。卫星的星地跟踪系统,在卫星入轨后3小时,可以精确地预报未来24小时内的卫星轨道,地面观测跟踪系统可提前预报出卫星飞经中国各地和世界各大城市上空的时间和来去方向,使中国和世界各国都能在预定的时间看到东方红一号卫星。根据卫星的外形,各种天线采取了盲区很小的结构形式,基本上能全向辐射或接收无线电波。该卫星设有姿态控制系统,在空间运行时采取自旋稳定方式,卫星与第三级火箭分离前,自旋速度是180转/分,星箭分离、天线张开后,卫星自旋速度降为120转/分,这使它相对于地球的姿态时时刻刻在变化。卫星上装有红外地平仪和太阳角计两种敏感器。  1970年4月24日,中国第一颗人造地球卫星成功地进入了地球轨道。其轨道参数是:近地点439公里,远地点2 384公里,轨道倾角68.5度,运行周期114分钟。东方红一号上天后,星上能源系统和各种仪器工作正常,性能稳定,各种仪器实际工作的时间远远超过了设计要求,《东方红》乐曲装置和短波发射机连续工作了28天,取得了大量工程遥测参数,为后来的卫星设计和研制工作提供了依据和经验。东方红一号卫星的发射成功,使中国成为继苏、美、法、日之后第五个能独立研制并发射人造卫星的国家。