书城工业技术航天航空小百科-航天事业的希望
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第6章 太空新时代(3)

可是不久,第二次世界大战爆发了,前苏联全力投入伟大的卫国战争,于是这个设想只有到了卫国战争结束以后才提上了计划日程。吉洪拉沃夫组织了一个专家小组,进行了大量计算和研究,证明当时单级火箭最多只能达到7千米/秒的速度,而且仅考虑到使用最好的推进剂,而未计入空气阻力等因素的影响。因此认为,只有靠多级火箭的接力来加大推力,才有可能达到79千米/秒的第一宇宙速度。吉洪拉沃夫研制人造卫星的设想,曾遭到一些人的冷嘲热讽,有人认为这是不现实的,把吉洪拉沃夫讥笑为“怪人”。但吉洪拉沃夫不以为然,不改初衷,还倡议成立一个特别小组,探讨制造人造卫星的理论问题。1948年6月,他申请在一个学术年会上报告自己的研究成果,甚至有些科学家把他的报告说成是“幻想文学”,在“浪费时间”。但科罗廖夫支持他,并建议把他的研究成果列入研究所的计划。

后来,吉洪拉沃夫在另一个年会上作了题为《在现代技术条件下借助多级火箭达到第一宇宙速度和制造人造地球卫星的可能性》的报告,引起人们的注意。当时科罗廖夫正在研究的单级火箭速度可达到3千米/秒。在此基础上,吉洪拉沃夫在报告中完成了对二级火箭的分析工作,提出完全可以把较重的卫星送上地球轨道。鉴于他的科学论证更加充分,似乎过去的议论和责难都烟消云散了。科罗廖夫保持了吉洪拉沃夫的“卫星”小组,并在1953年把这个小组吸收进入了设计局。

1954年,吉洪拉沃夫提出了论证人造地球卫星可行性和必要性的建议。

他在建议中指出:“目前所进行的新产品研制情况,允许我们考虑在近几年内制造人造地球卫星的可能性,能否适时合理地组建科研机构,以便对卫星的研究工作进行初步的探索。”科罗廖夫和科学院院长凯尔迪什都表示赞同,于1956年1月30日决定开展研制人造卫星的实际工作。年底,吉洪拉沃夫建议“卫星造得小一些,简单一点,最好为30千克重。”这个建议又得到了科罗廖夫的支持。

1957年6月,前苏联设计制造出了第一颗人造卫星。8月31日,科罗廖夫和吉洪拉沃夫一起决定进行卫星和运载火箭的联合试验。火箭和卫星于9月初相继运到发射场,紧张地进行着各项准备工作。10月4日,人类第一颗人造卫星终于诞生了。

历史和人民永远不会忘记这两位科学家,无论多少年后,世界上第一枚运载火箭和第一颗人造卫星以及它们出色的设计师都在史书和人们心里放射着灿烂的光辉。人造卫星的发展速度快得令人吃惊,人造卫星的“人”口繁衍也快得令人目不暇接。1957年宇宙上只有2颗人造卫星,1958年8颗,1959年14颗,1960年35颗,到1995年底,世界各国发射的各种航天器已近5000个,其中90%是人造卫星。当然,每颗卫星都有他的寿命,寿终正寝的卫星一般都落入大气层烧毁,不再占用他原来的轨道位置。

人造地球卫星的名称有他科学的含义:由人工制造、环绕地球在空间轨道上运行至少一圈的无人航天器。人们一般简称为人造卫星。

人造卫星做客天宫,各有各的使用,各有各的轨道,各有各的用途。20世纪50年代末至60年代初,各国发射的人造卫星主要用于探测地球空间环境和进行各种卫星技术试验。60年代中期,人造卫星开始进入应用阶段。从70年代起,各种新型专用卫星相继出现,性能不断提高。

人造卫星按运行轨道不同可分为低轨道卫星、中高轨道卫星、地球同步轨道卫星、地球静止轨道卫星、太阳同步轨道卫星、大椭圆轨道卫星和极轨道卫星。按用途分,则可分为科学卫星、技术试验卫星和应用卫星。

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、太阳辐射等,并可以观测其他星体。

技术试验卫星是进行新技术试验或为应用的卫星。航天技术中有很多新原理、新材料、新仪器,其能否使用,必须在天上进行运行试验;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;人上天之前必须先进行动物试验……这些都是技术试验卫星的使命。

应用卫星是直接为人类服务的卫星,它种类最多、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。

应用卫星主要有三大用途:1无线电信号中继这类卫星发展很快,有国际通信卫星、国内通信卫星、军用通信卫星、海事卫星、广播卫星、跟踪和数据中继卫星和搜索营救卫星。这些卫星上装有工作在各种频段的转发器和天线,它们转发来自地面、海上、空中和低轨道卫星的无线电信号,用于传输电话、电报和电视广播节目以及数据通信。这类卫星大部分运行在静止轨道上。还有一些采用大椭圆轨道,如前苏联的“闪电”号通信卫星。

2对地观测平台这类卫星有气象卫星、地球资源卫星、侦察卫星,称为对地观测卫星。在这些卫星上装有对地观测的从紫外光到远红外光各种波长的遥感仪器或其他探测仪器,收集来自陆地、海洋、大气层的各种频段的电磁波,从中提取有用的信息,分析、判断、识别被测物体的性质和所处的状态。这些卫星可以直接服务于气象、农林、地质、水利、测绘、海洋、环境污染和军事侦察等方面。这类卫星许多采用太阳同步轨道,也有使用静止轨道和其他轨道的。

3导航定位基准这类卫星有导航卫星、测地卫星等。在这些卫星上装有光信标灯、激光反射器和无线电信标机、应答机等。这种卫星的空间位置、到地面的距离和运行速度都可以预先确定,因而可用作定位、导航和大地测量的基准。地面固定的或移动的物体、空中飞机和海上舰艇,都可以利用这类卫星确定自己的坐标。这类卫星的轨道大多为极轨道。

人造地球卫星基本按照天体力学规律绕地球运动。但是实际运动情况要复杂得多,主要原因是受非球形地球引力场的影响,而低轨道卫星还要受大气阻力的影响;高轨道卫星,特别是静止轨道卫星还要受日、月引力和光压的影响。卫星运行的轨道决定于卫星的任务。轨道的形状和高低取决于运载器赋予卫星的速度大小和方向。各显神通跨国信使“烽火连三月,家书抵万金”,中国古代劳动人民早就有过对快速通信的殷切期望,但是那时人们只能靠驿马、驿车。20世纪实现了无线电通信,使人类的通信手段大大提高。无线电通信是靠电波发送信号的,电波分长波(波长20000~3000米)、中波(波长3000~200米)、短波(波长200~10米)、超短波(波长10~1米)和微波(波长1米以下)等波段。

而后两者具有传输信息容量大、稳定又可靠等优点,但超短波和微波传输只能直线传播,人们只好每隔50千米为它们建造一个中继通信站,使它们像跑接力赛一样一棒一棒地跑下去,把电波传到遥远的地方。这种接力通信美中不足是太费资金,如果把北京的电视节目传到美国纽约,不知要造多少个中继通信站(每站必设收信机、发信机和天线铁塔),而且遇到崇山峻岭和汪洋大海又如何建立中继站?怎么办呢?于是人们想到了在天上挂一个“驿站”,利用超短波、微波直线传输的特性,把它们发给天上的卫星,再由卫星接收后再转发到地面的另一个地方。

1945年5月25日,英国行星际学会的科学家克拉克提出一份备忘录,阐述利用人造地球卫星在太空建立微波通信站实现跨国通信的设想。他发现在距地球赤道平面上空36000公里的地方,存在一条可使卫星相对地球保持静止不动的轨道。他提出如果在这条特殊轨道上相隔120度等距离地配置3颗卫星,就可以覆盖全球绝大部分地域,从而建立起全球性的卫星通信网。

这个关于跨国信使的设想今天已经成为现实了。

通信卫星犹如国际信使,把来自地球一个地方的“信件”带到天上,然后再“投递”到地面另一个地方的用户手里。这种跨国跨洲的通信,靠地面的无线电中继站无法实现,只有运行在36000公里赤道上空的卫星才能担负起遥远距离通信的使命。

1958年12月18日,美国首先发射一颗“斯科尔”号卫星,将美国总统的《圣诞节祝辞》录音带到太空,然后从太空传到各地转播,试验了卫星通信的可能性。这颗卫星的近地点为184千米,远地点为1462千米,寿命只有13天。1961年7月10日美国发射电星1号通信卫星,这颗卫星重77千克,轨道近地点822公里,远地点4864公里,用它成功地进行了横跨大西洋的美国与法国、英国之间的电视中继转播、照片传真和电话通信实验。这些最初的通信卫星都是低轨道卫星,无论通信时间还是地域范围都受到很大限制。

它们的轨道周期短,只有90多分钟到100多分钟,经过某地上空的时间最多只有十几分钟,两地要用同一卫星通信的机会很少。由于高度低,覆盖范围就小,实现全球通信需要上百颗卫星才行。

1963年2月14日,美国发射第一颗地球同步通信卫星“辛康”1号,但由于在远地点发动机点火20秒后,卫星上的无线电设备发生故障,与地面失去联系,通信未获成功。接着于7月26日发射“辛康”2号卫星,这颗卫星进入地球同步轨道,只在美国与非洲、拉丁美洲之间作了短暂的实验通信。

1964年8月19日发射“辛康”3号卫星,定点在赤道上空36000公里的西经180度静止轨道上,成为世界上第一颗真正的对地静止通信卫星。这颗卫星首次向全世界转播了在日本东京举办的奥运会开幕式的电视实况。从此,这种充分跨国信使角色的地球静止轨道通信卫星陆续活跃在太空舞台。

1965年4月6日,美国发射成功一颗“晨鸟”号通信卫星。卫星高06米,直径072米,重39千克,拥有240条话路和1条电视频道,同年6月正式开通美国与欧洲之间的国际商业通信,标志着通信卫星转入实际应用阶段。这颗“晨鸟”号卫星后来改称“国际通信卫星”1号。在将近30年的时间里,“国际通信卫星”发展了8代型号。1989年10月27日发射了一颗“国际通信卫星”6号,高53米,直径364米,重4240千克,拥有48个转发器,可同时传输24000条双向话路和3路彩色电视,通信容量是1号的100倍。1995年美国轨道科学率先把头两颗在低轨运行的“轨道通信卫星”送上了太空,拉开了人类建造和使用低轨卫星群进行全球个人卫星通信新世纪的序幕;美国第一颗新一代移动电话卫星也顺利入主“天宫”,它是迄今为止世界第一颗专门用于陆上移动通信的商业卫星,可以向美国、加拿大和加勒比海地区的车载、船载及机载电话系统提供移动通信,并能向美国的边远地区提供固定的电话通信业务;价值10亿美元的第二颗军用通信卫星于1995年11月6日升空,从而完成了第一代军用卫星组网的重任,使美军通信能力向前迈了一大步。借助通信卫星,人们能够和远隔重洋的亲友通话或发电报,从电视屏幕上观看世界各地新闻和重大体育赛事,传输报纸版面和各种数据资料,医生给万里之遥的病患者诊断治疗,将军指挥千里之外的战争,等等。

通信卫星给人类的社会活动和日常生活带来了巨大变化。

CNN是美国有线电视广播新闻网的简称。海湾战争爆发后,CNN通过通信卫星使世界上150多个国家和地区的数十亿观众,几乎在同一时刻及时了解整个战争的发展过程。自“沙漠风暴”空袭行动开始之夜起,CNN连续7个小时报道了巴格达遭受空袭的情景。随后,CNN每天不间断地将战况通过卫星传遍全球。CNN不仅满足了亿万平民渴望了解战况的焦急心情,而且也成为交战双方首脑及世界各国领导人及时获得战况信息的重要渠道。伊拉克外长阿齐兹在接受外国记者采访时,甚至不愿调低电视机音量,一边谈话,一边把眼睛瞄向CNN所播放的最新战况。从此,CNN也借通信卫星的功劳名噪全球。