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第17章 能源高新技术(4)

但是,人们现在找到了一种比在地面发射卫星更便宜、更简单的方法,这就是从飞机上发射卫星,即把发射台从地面搬到高空,用飞机代替火箭的第一级。

20世纪90年代初,美国用一架B—52飞机在大西洋上空13公里处发射了一枚“飞马座”运载火箭,将巴西第一颗人造卫星送人756千米的预定轨道,开创了从飞机上发射卫星的新途径。

这种别开生面的卫星发射方式之所以引人注目,是因为它有着这样几个特点:

一是从空中发射时,气压只有海平面的四分之一,从而可使运载火箭的喷管设计简化,因为不需要考虑从海平面到接近真空的工作环境的变化;

二是由于飞机具有较高的飞行速度,因而可使运载火箭的性能提高1%至2%;

三是在高空发射运载火箭对火箭本身的结构强度要求较低,而且动压也较低,这对发射很有利。

总的来说,在运载火箭的有效载荷一定时,从飞机上发射运载火箭所需要的总速度可比地面发射降低10%至15%。

据科学家预测,在未来的20年内,全世界等待发射的卫星将有上千颗,其中大多数是质量仅为几百千克甚至几十千克的近地小卫星。这些卫星性能好、价格低廉,是卫星家族的主力军。很显然,空中发射卫星的方式,必将在未来航天发射市场上占有一席之地。

神奇的光子火箭

光子,就是构成光的粒子。当它从火箭的尾部喷出来的时候,就具有光的速度,每秒可以达到30万公里。如果用光子来作为推动火箭的新能源,我们到达太阳的近邻——比邻星就只要4~5年时间。

科学家发现,宇宙中还存在着和许多粒子对应的、电荷相等而符号相反的粒子,如带正电的“反电子”、带负电的“反质子”等,这些粒子被称为“反粒子”。

如果我们把宇宙中存在的丰富的氢收集起来,让它和其“反物质”在火箭发动机内湮灭,产生光子流,从喷管中喷出,从而推动火箭,这种火箭就是“光子火箭”,它将达到光的速度,以30万千米/秒的速度前进。

虽然湮灭得到的能量十分诱人,科学家在实验室里,也已获得了各种“反粒子”,如“反氢”、“反氚”和“反氦”。但是,它们瞬息即逝,无影无踪。按目前的科学技术水平,不可能将它们贮存起来,更难以用于推动火箭的飞行。

但是,科学家还是乐观地认为,光子火箭的理想一定会实现。他们设想,在未来的光子火箭里,最前面的是宇航员工作和生活的座舱,中间是粒子和“反粒子”的贮存舱,最后面是一面巨大的凹面反射镜。粒子和“反粒子”在凹面镜的焦点处相遇湮灭,将全部的能量转换成光能,产生光子流。凹面镜反射光子流,推动火箭前进。

推动“月亮女神”的火箭

电火箭也是一种火箭,其作用是在飞船或卫星升入太空后控制飞船或卫星。

与常规火箭相比,电火箭的力量要小得多,它不可能去发射火箭。常规火箭的推力能达3000万牛顿,这个巨大的能量可以将成吨重的卫星或航天飞机送上太空。而一般电火箭的推力仅仅有1/50牛顿,这个力量就显得太小了,它只能在地面上托起一只乒乓球。但即使是这样小的力量在太空中也就足够了,因为在太空中几乎没有什么阻力。

电火箭有三种类型:最简单的是电热系统,在火箭内部装有氙一类的惰性气体,这种气体被电能加热后从喷口喷出,于是就产生了反向推力;第二种是静电系统,用电能将惰性气体推进剂离子化,然后用电场把离子化气体中带正电的离子加速并向后喷射出来;第三种是电磁系统,它的原理与静电系统相同,就是电能更大一些。

实际应用的电火箭常常是电热系统和静电系统相结合,欧洲航天局的科学家们在新的通信卫星“月亮女神”号上安装了4支电火箭。

电火箭的另一个重要应用是使卫星精确定位。欧洲航天局的科学家们在2000年发射了6颗卫星,用电火箭定位,使它们相距500万公里而位置精度达到了1厘米,科学家们对电火箭这项新技术充满信心。

各显其能的众星行空

1895年,火箭之父齐奥尔科夫斯基在他的《地球与天空之梦》一书中曾这样写道:“设想中的地球卫星是同月球相似,不过它离地球比较近,只在地球大气层外足够远,也就是说,离地球300俄里远”。这位靠自学成才的赫赫有名的科学家不仅在世界上第一个提到’人造卫星”这个名字,发表了由他自己构思的卫星图样,而且还首先提出了以人造卫星为宇宙航行的中转基地,向月球和其它星球发射火箭的伟大构思。

1957年10月4日苏联发射成功第一颗人造卫星,终于实现了齐奥尔科夫斯基的百年梦想,此次发射震憾了全世界,激励人们用更大的热情去探索太空,人造卫星一词也因此成了家喻户晓的一个最时髦的语言词汇。但这颗重83.6公斤、直径58厘米、用铝合金制作的球状卫星。除了附在球上的四根弹簧鞭状的天线,卫星内装有一台磁强计、一台辐射计数器和一些测量卫星内部参数的一些传感器外,并没有装什么特别的仪器。因此,人们对人造卫星到底有哪些用途,如何造福于人类,也只是停留在设想和探索性试验阶段。60年代,科学家们为了实现卫星造福于人类的设想,开始在卫星上安装使用了各种特殊的仪器设备进行遥感、信息传输和收集各种探测数据的应用试验。与此同时,随着电子信息、新材料、自动化等高技术的蓬勃发展,突破了卫星应用领域众多的关键技术,大大地扩展了卫星的应用范围。这样,从20世纪70年代以来,各国争先恐后,把开拓航天技术的重点,首先转向卫星应用技术的发展,逐步形成了通信、,导航、气象、资源、科学、军事应用和深海探测等专用卫星系统。卫星应用技术造福于人类的作用也越来越显著。

用核能发电的卫星

人造卫星的工作离不开电源。迄今为止,绝大多数卫星的电能都来自太阳能。卫星带有大面积的太阳电池阵,接受太阳光照射而发电。极少数的卫星利用核能发电,这种卫星就叫做核动力卫星。

核电源体积小,寿命长,功率大,适应环境能力强,因此适合于少数军用卫星,特别适合探测外行星的空间探测器使用。

太阳系中位于地球轨道外面的行星,叫“外行星”。在外行星探测中,空间探测器离太阳远,照射到的太阳光很弱,不能产生足够的电能,必须采用核电源。美国的“海盗号”火星探测器“卡西尼”土星探测器、“旅行者”外行星探测器以及俄罗斯的“火星一96”探测器等都使用了放射性同位素温差发电器作为电源。

美国在20世纪60年代曾发射过几颗核动力卫星。前苏联发射较多,集中在海洋监视卫星。卫星带有以浓缩铀235为燃料的热离子反应堆,功率为5~10千瓦。卫星在200多千米高度的轨道上工作,完成任务后,被推到大约1000千米的轨道上,在那里可运行600年,届时核燃料将衰变殆尽,不再有放射性。1978年1月28日,苏联“宇宙954”号核动力卫星发生故障,核反应堆舱段未能升高而自然陨落,带有放射性的卫星碎片落在加拿大境内,造成严重污染。1983年1月,“宇宙1402号”核动力卫星发生类似故障,引起全球关注。后来核反应堆舱段在南大西洋上空再人大气层时完全烧毁,但未酿成祸害。为了安全有效地利用核动力源,防止核动力源对人类和环境造成危害,1992年联合国通过了《关于在外层空间使用核动力源的原则》,要求会员国共同遵守。

观测风云的气象卫星

气象同人类的生产、生活关系非常密切。农业、渔业、畜牧业等生产,航空、航海、通信业务都需要准确及时的气象预报。

在气象卫星上天之前,人们在地面设立气象站,用气球、火箭和无线电探空仪观测天气。气象站绝大多数分布在有人居住地区,海洋、高山、沙漠、两极等地区,气象站很稀少,气象观测资料不足,给准确地预报天气带来很大困难。

气象卫星的出现解决了这个困难。气象卫星上装有电视摄像机和红外辐射计,可以拍摄云的图片,测量温度、湿度、风速等各种气象参数。它既能观测大面积以至全球范围的气象资料,又能测量离地面不同高度上的气象数据。

气象卫星通常采用两种轨道。一种是高度为700~1500千米的极地轨道,它可以观测到全球的气象状况,每隔12小时巡视地球一遍,对同一地区,每天最多观察两次;另一种是静止轨道。静止轨道气象卫星始终停留在赤道某一点上空,能连续4小时监测卫星下方大片地区内的天气变化,卫星上的电视摄像每隔20分钟左右就拍摄一次云的图片。

我国已经成功发射一颗“风云1号”极地轨道气象卫星和一颗“风云2号”静止轨道气象卫星,在1999年发射了一颗改进型“风云1号”气象卫星。

由美国、日本、欧洲航天局和印度的5颗静止轨道气象卫星和2颗极地轨道气象卫星,组成了世界气象卫星观测网。利用世界气象卫星观测网的资料,可以提前1个星期预报全球的气象变化。

自从1960年第一颗气象卫星上天以来,太平洋上生成的台风从来没有漏报过,大大减少了太平洋沿岸国家人民生命财产的损失。

1981年,我国长江上游连降大雨,长江水位猛涨,要不要在荆江附近分洪,将关系到要淹掉荆江两岸60万亩良田和安排40万人搬迁的大事。后来,根据气象卫星提供的数据分析,认为未来几天天气即将放晴,可以不分洪,从而保住了60万亩良田,节约了数亿元的搬迁费用。

气象卫星还能监视森林火险。1987年,我国大兴安岭的森林发生特大火灾,就是靠气象卫星拍摄的图片来确定火场位置,迅速组织抢救扑灭的。

为移动用户服务的通信卫星

移动通信卫星是通信卫星的新品种。静止轨道上的通信卫星,离地面远,发射功率还不够高,为了接收和发送无线电信号,地面上必须建造直径几十米、十几米的大天线,所以20世纪90年代以前,绝大多数通信卫星都是为地面上固定的用户进行通信服务的。如果移动用户要使用通信卫星,只有像远洋轮船这种体积较大的用户,能安装大直径的天线。所以早期的移动通信卫星叫做“海事卫星”,是专为在大海上航行的轮船与岸上之间通信用的。

随着通信卫星发射功率的增大,接收机灵敏度的提高,地面通信天线逐渐缩小,卫星移动通信的用户已扩大到飞机、火车、汽车、渔船等移动体。至于个人用的移动通信机——“大哥大”还不能直接同静止轨道上的移动通信卫星联系。它的越洋,跨国通信实际上都是经过地面台站这个“二传手”转发和接收的。

由于静止轨道卫星存在离地面远、无线电信号衰减严重、信号滞后明显、高纬度地区通信效果差等缺点,20世纪90年代以来,开始发展中高轨道和低轨道的移动通信卫星。有一种名叫“铱”的低轨道移动通信卫星系统已经建成,即将投入商用。它由66颗卫星组成星座,分布在6个轨道面上覆盖全球。由于“铱”卫星轨道高度只有760千米,离地面近,用个人手持机就可以直接与卫星通信,并通过“铱”系统自己的卫星与卫星之间链路,与全球任何地点通话,从而实现全球个人移动卫星通信。

除“铱”系统以外,一种名叫“全球星”和另一种名叫“中圆轨道”的非静止轨道移动通信卫星系统也正在研制中,它们将参与个人全球移动通信卫星市场的竞争。

可重复使用的航天飞机

航天飞机是可以重复使用的、往返于地球表面和近地轨道之间运送人员和货物的飞行器。它在轨道上运行时,可在机载有效载荷和乘员的配合下完成多种任务。航天飞机通常设计成火箭推进式,返回地面时能像常规飞机那样下滑和着陆。航天飞机为人类自由来往太空提供了一种极佳的运载工具,是航天史上的一个重要里程碑。

航天飞机的飞行轨道通常是近地轨道,高度在1000千米以下。如果有需要在高轨道运行的有效载荷,可以由航天飞机被送上近地轨道后再从这个轨道发射进入高轨道。航天飞机的运载能力较强,往往采用多级组合的形式,可以串联或并联,也可以串、并联结合。

航天飞机进入轨道的部分叫做轨道器,它具有一般航天器所具有的各种分系统,可以完成多种功能,包括人造地球卫星、货运飞船、载人飞船甚至小型空间站的许多功能。它还可以完成一般航天器所没有的功能,如向近地轨道释放卫星、向高轨道发射卫星、从轨道上捕捉、维修和回收卫星等。

到目前为止,世界上只有美国的航天飞机真正投入使用。美国于1972年开始研制可部分重复使用的航天飞机。1981年4月,世界上第一架航天飞机“哥伦比亚号”试飞成功,1982年11月首次正式飞行,以后又相继建造了“挑战者号”、“发现号”、“亚特兰蒂斯号”和“奋进号”航天飞机。

航天飞机除了做运载工具或短期空间试验平台外,还具有重要的军事用途。它可在空间发射和部署通信、导航、侦察等军用卫星,在轨道上维修卫星和把卫星带回地面,也可以攻击或捕获敌方卫星、实施空间救生和支援、进行空间作战指挥和发射轨道武器等。

领先一步的空天验证机

研制空天飞机的设想在20世纪30~40年代就已经出现。到50年代中期,美国开始研究试验一种高速飞行的X—15火箭型试验机,从升空的B-52轰炸机机翼上投放下来,靠自身发动机,使之飞行,高度可达108公里,时速可达7200公里。利用这种方式曾进行过250次试飞,50年代末期又开始执行一项X-20型可重复使用的军用载人航天器,但未成功,于1963年12月撤消此计划。

与此同时,美国空军开始执行一项美国第一个空天飞机计划,预计这种飞机能水平起降,同时可进入轨道的飞机制造方案,甚至已制造了全尺寸机翼/机身结构,但也于1963年底被撤消了计划。

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