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第24章 宇航工具,与神共舞的天梯(6)

飞船的能源主要由放射性同位素原子能热电发电机提供。由于“旅行者”要飞离太阳几十亿公里以外的行星际考察,太阳光很微弱,温度又低,一般的太阳能电池已不可能满足使用要求。电源燃料是利用钚239同位素衰变所释放的热能转变成电能的,这样就可保证为“旅行者”长期提供足够能源。这样的同位素发电机有3台,其中两台工作,一台备用,在飞船发射上天后几小时内,发电机的平均功率即可达到423瓦。而船载发射机所需功率约为8瓦,发电机功率损失为每年6~7瓦。

“旅行者”飞船的发射重量为2016公斤。飞船使用了许多特殊材料和特种构件,自适应、自保护性能很高,可以承受高温高压,外部坚固性也很好,“旅行者”的设计总寿命为10亿年。

美国考虑到“旅行者”航行距离很远,为保证能与之保持联系,在地面通信系统上也采取了一些重要改装措施。比如,“旅行者”飞离地球的距离将超过距离土星的两倍以上,而其传输信息的无线电波强度即将减弱1/4.为提高接收机灵敏度,美国NASA在1985年时就开始把位于澳大利亚堪培拉的64米天线与澳大利亚帕克斯天文台的64米天线联机工作,从而提高了整个深空跟踪网的接收能力。

“旅行者”在太空探测中已取得的巨大成就,它们还将为寻找“外星人”继续对银河系进行探索,为人类探测宇宙的历史留下了不可磨灭的光辉一页。

4.史无前例的“太空天文台”--“哈勃”

用20世纪20年代着名天文学家哈勃命名的“哈勃”号太空望远镜,是迄今发射上天直径最大的望远镜,它总长12.8米,镜筒直径4.28米,主镜直径2.4米(连外壳孔径为3米),全重11.5吨,是由美国NASA组织研制、耗资15亿美元建成的,是一座完整的“太空天文台”(图6-4)。它包括全部自动化仪器设备、口径2.4米的主镜、口径0.3米的副镜、成像系统、计算机处理系统、中心消光圈、主镜消光圈、副镜消光圈、控制操纵系统和图像发送系统、以及由两个长11.8米、宽2.3米,能提供2.4千瓦功率的太阳能电池板、两部与地面通信的抛物面天线等。它的心脏部分是光学部分,它采用卡塞克伦式反射系统,由两个双曲面反射镜组成,即主镜和副镜,副镜在前,主镜在后,相距4.5米,经反射后聚焦。

“哈勃”号除光学部分外,另一重要组成部分就是有8台科学仪器设备,包括:

--宽视场行星照相机它灵敏度高,观测波段极宽,从紫外一直到近红外。它不仅可观测太阳系行星,还可对银河系和河外星系进行观测。它发回的行星照片,就像探测器飞到行星跟前所拍摄的一样清晰。

--暗弱天体照相机它是两个既独立又相似的完整天体和探测系统,它能探测到暗至23~29等的星星。

--暗弱天体摄谱仪既可以从紫外到近红外波段的辐射进行光谱分析,又可测自它们的偏振。

--高分辨率摄谱仪它能对紫外面进行分光观测,能观测到比“暗弱天体照相机”所探测的暗星还要暗弱,还要遥远得多的天体。

--高速光度计它可在可见光波段和紫外波段范围内,对天体作精确测量,既可确定恒星目标的光度标准,又可进一步识别过去人们已观测到的天体情况。

--精密制导遥感器,三台其中有两台用于望远镜定向系统;一台用于天体位置精密测量定位。

按原设计指标,这台太空望远镜的性能之好是史无前例的。比如,美国一台口径为5米的“海尔”地面望远镜,其观测能力可称世界之最,它可观测到20亿光年之外的天体,但与“哈勃”号太空望远镜相比,则是小巫见大巫了。“哈勃”号可观测到140亿光年之外的天体,比“海尔”号远7倍,能探测到模糊50倍的物体,而清晰度却大10倍。所能探测到的宇宙空间范围则是“海尔”号的350倍。

再比如,“海尔”号只能观测到23等星,即相当于能看到3公里之外一支蜡烛的亮度;而“哈勃”号能看到29等星,即相当于可看到500公里之外一支蜡烛的光。

再比如,“哈勃”号能观测的光谱范围之宽广,是地面任何一台望远镜都不能比拟的;它所提供的图像清晰度是地面观测的10倍;它所提供的分辨率也是地面观测的10倍,即地面观测最高为1角秒量极,而“哈勃”号却可达0.1角秒量级。

还比如,观测时间之长,也是比地面观测站要好得多。“哈勃”号每天平均为10个小时,每年就有3650小时;而地面观测站条件最好的也不过如此,但如遇上气候不佳,则会大大减少,而“哈勃”号不存在这种忧虑。

上述可见,“哈勃”号太空望远镜这个无与伦比的太空巨眼,既是当代高技术群体的结晶,又是赋有空前重大历史使命的“天之骄子”.

六、航天发射场--航天器升天的“摇篮”

1.上帝的馈赠--航天发射场的条件

不是任何一个地方都可以建造航天发射场的,发射场的条件非常苛刻,要有合适的地理位置和地形,要有良好的气象与水资源,还要有可靠的安全保障条件。

我们知道,地球自西向东旋转,为了充分利用地球的自转速度,以节约能源,所以航天器一般向东发射。赤道附近的自转速度最大,所以发射场最好建在赤道上,没有这个条件的国家,也尽量选择纬度低的地区。由于航天器发射是自西向东,所以发射场以东的地区应具有建造地面跟踪和监测站的良好的地理条件。发射场区的地势要开阔平坦,地质结构坚固。

气象是航天器发射十分重要的条件之一,恶劣的天气会造成发射失败。例如,雷电可使火箭与飞船上的电子线路感应产生很强的电流,破坏控制系统或遥测系统,甚至引起爆炸。1969年11月14日,“阿波罗”12号宇宙飞船发射后不久便遭雷击,使电源发生故障,地面遥测信号中断,飞船失去控制,航天员紧急启用备用电源,才避免了惨祸的发生。低温、潮湿的天气会使火箭表面结冰,雨水会渗进火箭内部而使仪器设备受潮,造成电路短路,引发事故。

1986年11月28日,震惊世界的航天史上最惨的事故,“挑战者”号航天飞机空中爆炸,就是因为气温过低,密封圈受损,冰水渗进了受损的密封圈而造成的。大风会使竖立在发射台上的高大的运载火箭晃动,以致变形,酿成事故。因此,发射场应建在晴天多、雷电少、湿度低、风速小、温差不大的地方。

火箭发射时喷出炽热的火焰,形成高温,需用大量的水来冷却;同时,发射场的其他工业、生活设施也需要大量的水。因此,发射场应建在水资源十分丰富的地方。

航天器发射会造成一些不可避免的危害。例如,运载火箭的燃料燃烧时会产生有害气体,污染环境;火箭发射时会产生强烈的噪声,影响人们的健康;火箭完成任务后,其残骸有时从天而降会危及人们的生命安全。因此,发射场应远离工业发达,人口密集的地区。

2.撩开“摇篮”的面纱--航天发射场的结构

发射场分好几个区,有技术区、发射区、生活区以及跟踪测量、气象、后勤、安全警戒等系统。

技术区内有高大宽敞的测试大楼。在测试大楼内,地面人员对火箭、人造卫星和宇宙飞船进行测试,一旦发现故障,立刻排除。除了对火箭、人造卫星、宇宙飞船进行单元测试外,还要对火箭与人造卫星、宇宙飞船所组成的大系统进行综合测试,以确保发射成功。

发射区主要由发射平台、勤务塔、脐带塔、发射控制室、燃料库、水塔组成。其中燃料库和发射控制室建在地下。发射平台是竖立运载火箭和实施发射的装置,它可以调整和转动,以使火箭瞄准预定的发射方向。平台下有深沟槽,叫导流槽,火箭点火发动后产生的高速炽热的气流可顺着导流槽流向空旷地区。脐带塔竖立在发射平台的旁边,由像脐带一样的电缆和管道与火箭相连,向火箭与人造卫星、宇宙飞船提供电力和各种气体。发射前,脐带塔的摇臂展开,离开火箭。勤务塔比脐带塔更高大,上面有好几层工作台。工程技术人员在工作台上对火箭、卫星、宇宙飞船进行吊装、对接和检测,排除故障。检测完后,勤务塔撤离,准备发射。

发射成功后,对卫星、宇宙飞船的跟踪与监测由控制中心承担。控制中心远离发射区。它测量、控制卫星、宇宙飞船的轨道和姿态;指挥、协调各个跟踪和监测台站的工作;接收来自各台站的数据。控制中心大厅有巨大的显示屏幕,上面显示着火箭、卫星、宇宙飞船的飞行状态。

3.点缀尘世的卫星诞生地--肯尼迪航天中心

自前苏联从拜科努尔发射场地把一颗人造地球卫星送入太空以来,迄今世界上已有10多个发射场从事各种航天器的发射活动。它们是美国的肯尼迪航天中心、沃洛普斯飞行中心、空军东部试验靶场(简称东靶场)、空军西部试验靶场(简称西靶场),苏联/俄罗斯的卡普斯丁亚尔发射场、普列谢茨克发射场,法国/欧洲航天局的圭亚那航天中心(库鲁发射场),日本的种子岛航天中心、鹿儿岛航天中心,意大利的圣马科海上发射场,以色列的勒马希姆/内格夫发射场和印度的斯里哈里科塔发射场等。

我国的酒泉卫星发射中心和西昌卫星发射中心也在这十大发射场之列。酒泉卫星发射中心建于1958年,位于酒泉附近的戈壁滩上,是我国第一个卫星发射场。在酒泉卫星发射中心,发射了我国第一枚导弹和火箭,发射了我国第一颗人造地球卫星,发射了我国第一颗返回式卫星,进行了我国第一次洲际导弹的太平洋发射,实现了首次用一枚火箭发射三颗卫星,完成了第一次向国外用户提供的搭载服务。我国已发射的卫星中,有三分之二是从酒泉卫星发射中心升空的。

另外,曾经发射过卫星现已停止使用或关闭的发射场,有澳大利亚的武麦拉靶场,非洲阿尔及利亚境内的科隆贝沙尔靶场。这里只对肯尼迪航天中心作一简要的介绍。

它是美国最大的载人航天器和各种民用航天器的发射基地。第一艘“阿波罗”登月飞船,就是于1969年7月16日,从这里用“土星-V”运载火箭发射的。

成立于1962年7月,位于美国东部佛罗里达州东海岸的梅里特岛上,南与卡纳维拉尔角的空军东靶场毗邻,占地面积560多平方千米,中心坐标为北纬28°30、西经80°42′,射向东南,主要发射轨道倾角在28.5°~57°之间的各种航天器。

肯尼迪航天中心发射设施,一部分是由原来试验导弹用的发射设施改建而成的,另一部分是为航天发射专门建造的,分布在梅里特岛、卡纳维拉尔角和范登堡空军基地。建在东海岸的39号发射场是1966年为实施“阿波罗”登月计划建造的,后经改建用于发射航天飞机。运载工具和航天器发射前的准备工作,在测试厂房的一个活动发射台上,直接按发射状态进行总装和测试。这样,总装和测试的环境条件可以控制,工作质量容易保证;比较容易做到按时发射;一次完成测试,避免了工作重复;在厂房内可同时准备几个运载工具,节省人力和减少设备上的重复;缩短了运载工具在发射场上的停留时间,提高了发射场的利用率;发射前的准备工作不受气象条件影响等。这对载人航天发射场的建设来说,具有一定的代表性。

该中心发射过“水星”、“双子星座”和“阿波罗”载人飞船,“天空实验室”空间站,与苏联“联盟”号载人飞船对接的“阿波罗”载人飞船也是从这里发射的。此外还发射过各种卫星和探测器。