书城工业向太空进军(征服太空之路丛书)
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第6章 太空探索的新时期——航天时代(4)

美国GPS导航卫星系统北斗卫星定位系统是由中国建立的区域导航定位系统。该系统由4颗(两颗工作卫星、两颗备用卫星)北斗定位卫星(“北斗”一号)、地面控制中心为主的地面部分、北斗用户终端三部分组成。4颗导航定位卫星的发射时间分别为:2000年10月31日;2000年12月21日;2003年5月25日;2007年4月14日,第三、四颗是备用卫星。2008年汶川抗震救灾、北京奥运会期间,它在交通、场馆安全的定位监控方面,和已有的GPS卫星定位系统一起,发挥了“双保险”作用。北斗导航定位系统服务区域为中国及周边国,系统可广泛应用于船舶运输、公路交通、铁路运输、海上作业、渔业生产、水文测报、森林防火、环境监测等众多行业,以及军队、公安、海关等其他有特殊指挥调度要求的单位。

当今,世界4大卫星导航系统,已在陆、海、空、天4大领域中大显身手,为人们的生活、娱乐和军事行动等提供了方便和支持。

高悬在太空的气象站——气象卫星

从1960年4月1日世界上第一颗气象卫星“泰罗斯”1号进入太空至今,世界各国已发射了数百颗气象卫星,并相应地建立了数以千计的气象卫星地面接收站。这些遍布在五大洲、三大洋,星罗棋布的接收站,昼夜不息地监视着卫星的行踪,接收从太空卫星发来的丰富多彩的云图和其他各种气象资料。

气象卫星实质上是一个高悬在太空的自动化高级气象站,是空间、遥感、计算机、通信和控制等高技术相结合的产物。气象卫星遨游太空,鸟瞰大地,从太空对地球观测,真是神通广大。主要特点是:

1.探测范围大,观测时间长。气象卫星可以对大气范围以至全球大气进行昼夜观测、拍照。一颗静止气象卫星,覆盖范围可达全球面积的1/4,可以获得地球上近1亿平方千米的气象资料;绕地球南半极运行的太空同步轨道气象卫星,每隔12小时左右就能对全球大气进行一次观测,一条轨道在地面的扫描条带宽达2800千米左右。如果在赤道上空布置4~5颗地球静止气象卫星,再加上两颗太阳同步轨道气象卫星,就可以使观测范围遍及全球。

2.及时迅速。气象卫星观测资料可以实时快速地传输给地面各接收站,也能把云图、天气图等气象信息快速地转发给地面各用户,同时还能把分散在各地的气象站所测得的温度、压力等气象资料集中起来,再转发给地面用户。

3.具有连续性、完整性和系统性。气象卫星视场广阔,观测次数多,静止卫星能在20分钟甚至几分钟提供一张云图,这样,就可以使人们直观地了解大气变化的全貌,观测大气形成、发展、变化的全过程,这具有常规手段所不能比拟的优越性,对灾害性天气预报更有重要的作用。太阳同步卫星在经过地面台站上空10多分钟内,可获得1000多万平方千米的资料。

4.不受自然条件和国界的限制,也不受时间和空间的限制,填补了海洋、沙漠、高原等人烟稀少地区的空白。

气象卫星主要观测内容包括:

(1)卫星云图的拍摄。

(2)云顶温度、云顶状况、云量和云内凝结物相位的观测。

(3)陆地表面状况的观测,如冰雪和风沙,以及海洋表面状况的观测,如海洋表面温度、海水和洋流等。

(4)大气中水汽总量、湿度分布、降水区和降水量的分布。

(5)大气中臭氧的含量及其分布。

(6)太阳的入射辐射、地气体系对太阳辐射的总反射率以及地气体系向太空的红外辐射。

(7)空间环境状况的监测,如太阳发射的质子、α粒子和电子的通量密度。这些观测内容有助于我们监测天气系统的移动和演变;为研究气候变迁提供了大量的基础资料;为空间飞行提供了大量的环境监测结果。

利用气象卫星进行天气预报,特别是对灾害性天气的预报,可以减少人民生命财产的巨大损失,如美国使用了先进的气象卫星以后,每年可从120亿美元的自然灾害损失中挽回几十亿美元,准确的天气预报使印度每年能受益10亿~15亿美元。

从气象卫星上获取的云图和气象资料,对工农业生产、航空、航海、捕鱼、军事保障及日常天气预报是卓有成效的,而且促进了气象科学、海洋及大气科学的研究和发展,可以实现对全球气象的连续观测和预报。卫星云图的问世,使气象预报员早在台风刚刚形成、远在千里之外时,就能看清它的外貌特征,确定它的中心位置和强度,并追踪它的移动路径和方向。

“风云”二号卫星介绍中国从20世纪70年代起,地面气象台站每天接收美国太阳同步气象卫星和日本地球静止气象卫星发回的云图资料。通过这些资料,部分地填补了青藏高原和西太平洋地区观测资料上的空白区,增加了灾害性天气监视能力,促进了短期天气预报准确率的提高,加深了对影响东亚和南太平洋热带天气系统的认识。

“风云”二号卫星是我国第一代静止气象卫星,2000年发射的“风云”二号B星为研究试验卫星,2004年发射的“风云”二号C星为业务应用卫星。相对01批卫星,“风云”二号02批卫星扫描辐射计由三通道增加到五通道,探测仪器和卫星的性能指标都有了明显改进。目前在轨运行的“风云”二号C星工作状态十分稳定。

“风云”二号气象卫星地面应用系统是气象部门在国内有关单位的大力支持下,共同建设完成的拥有自主知识产权的大型遥感卫星地面应用系统。系统包括指令和数据接收站、系统运行控制中心、资料处理中心、应用服务、计算机网络及存储和中小规模利用站6个部分。“风云”二号卫星应用系统承担了卫星业务测控、图像观测、数据接收、资料处理、转发、存档和服务以及DCP资料收集和空间环境监测数据接收处理等多方面任务。整个系统建设的技术难度大,工作环节多,运行可靠性和实时性要求高。经过“十五”期间的努力,“风云”二号卫星应用系统技术状态已经达到了国外同类卫星应用系统的先进水平。

知识点卫星云图

卫星云图是由气象卫星自上而下观测到的地球上的云层覆盖和地表特征的图像。利用卫星云图可以识别不同的天气系统,确定它们的位置,估计其强度和发展趋势,为天气分析和天气预报提供依据。在海洋、沙漠、高原等缺少气象观测台站的地区,卫星云图所提供的资料,弥补了常规探测资料的不足,对提高预报准确率起了重要作用。根据卫星上仪器装置的不同,卫星云图可以分成两类:一类是由卫星上电视照相机所拍摄的云图,即电视云图;另一类是由辐射仪对地球大气进行扫描探测得到的云图。

太空“勘测员”——地球资源卫星

1969年,“阿波罗”9号飞船第一次将一台四光谱段的照相机带到太空,获得了关于地球资源的大量情报资料。经美国地质调查所等单位对这些资料照片的分析研究,认为从太空对地球资源进行观测研究,在科学技术以及对地球资源的管理和应用上都有很大的价值。

1972年7月23日,美国发射了世界上第一颗地球资源卫星,后改名为“陆地卫星”1号。从此,人们开始应用陆地“勘测员”携带的遥感仪器来普查地球资源。1975年1月22日又发射了第二颗卫星。这样,两颗地球资源卫星在太空运行,不断地收集着世界各地的自然资源信息。

1978年6月,美国发射了第一颗海洋资源卫星——“海洋卫星”1号,可惜工作105天后,由于卫星故障而失灵。它采用高度约800千米的近极地圆轨道,轨道倾角为108度,周期为101分钟。海洋卫星可在各种天气条件下观测海水特征、海水漂移、水陆界面、海水波浪,寻找鱼群,测绘航路。一台雷达高度计,用来测量海浪、海涌的高度及海面的粗糙度;一台微波散射计,用以测量海面风的方向和速度;一台微波辐射计,用以测定海面温度、海水分布及海面风;中国“遥感卫星”六号发射的瞬间一台可见光和红外扫描辐射计,用以拍摄海洋照片,帮助人们识别海流、暴风雨、海冰、岛屿等。

占全球总面积71%的海洋是一个尚待开发的巨大宝库。利用海洋资源卫星观测海洋,可以提供整个海洋状况,包括海洋深度、海洋温度、海洋流、冰山、潮汐、海啸、海洋生物、海洋污染、风、雨和雾等海洋资源,还可以用于观测河口、港湾的冲积物及其沉积过程。海洋资源卫星还可帮助人们勘测海洋冰情、海洋流以及作流冰警报,为舰船标绘安全而经济的航线。

地球资源卫星发射以后,证明它在勘查、监视和管理地球资源方面是一个很有效的工具,在地质构造、探矿、地震、森林清查、土地利用、城市规划、农作物产量监视、海洋研究以及环境污染监测方面发挥了较大的作用。

中国已发射了20颗遥感卫星,它们为国土普查、地面环境、地质矿产资源等提供了精细准确的照片。

2009年4月22日,中国在太原卫星发射中心用“长征二号丙”运载火箭成功地将“中国遥感卫星”六号送入太空。这次发射的“中国遥感卫星”六号是由中国航天科技集团公司所属上海航天技术研究院研制生产。卫星主要用于国土资源勘查、环境监测与保护、城市规划、农作物估产、防灾减灾和空间科学试验等领域,将对中国国民经济发展发挥积极作用。

可重复使用的航天器——航天飞机的诞生和发展

1957年美国制订了载纳—索尔载人亚轨道飞行计划,这项计划拟用大力神火箭把一种载人的滑翔机送入近地轨道,以研究利用空气动力滑翔和再入大气层时的机动飞行能力。但是,这项计划在研制过程中,遇到了再入稠密大气层时飞机头部和机翼前缘产生的高温问题。由于在当时还没有能力解决所需要的新型结构和防热材料,加上研制经费昂贵,以及许多关键技术尚未突破而使这项计划半途而废。

般天飞机进入20世纪60年代后,美国相继成功地完成了水星、双子星座、“阿波罗”和“天空实验室”等载人空间飞行计划。通过这一系列载人轨道飞行的探索和试验,不仅证实了人在加速度、失重、高真空、辐射等恶劣的空间环境中能够生存,而且还能有效地工作,显示了人在宇宙空间同样具有任何自动化的设备所不能代替的能动作用。与此同时,还发展并掌握了诸如轨道交会、对接、宇航员舱外活动等一系列载人轨道飞行的基本技术,也验证了空间工业生产、生物医学等研究的广阔前景。这就为发展大型的载人空间运输系统创造了条件、提供了雄厚的技术基础。这时期,欧洲各国的许多科研人员也在考虑搞航天飞机,英国、法国、意大利和联邦德国的许多公司还进行了系统的研究,并得到欧洲空间组织的支持,甚至欧洲希望能与美国合作研制航天飞机。

美国研制航天飞机的想法早在20世纪60年代就被提出来了。当时“阿波罗”登月航天器正处于全面研制尚未飞行阶段。科学家们就想,如能使用一种可重复使用的发射系统,人类就不但能随时进入空间,而且在经济上也是合算的。从1964年2月开始,由美国国家航空与航天局(NASA)组织专家进行航天飞机总体论证。经过几年精心计算,认为开发这种航天飞机技术在经济技术上是可行的。1967年2月,美国总统科学顾问委员会支持了这一论证。

“我想预先告诉诸位,航天活动的下一次冲刺,是要研制一种经济的能在地球和空间往返飞行的运载器。”这是美国航空航天局负责载人航天的前助理局长乔治·米勒1968年8月在英国行星际协会会议上的一段讲话。从这次讲话算起的12年后,米勒当年描绘的那种神奇的航天器终于离开了肯尼迪航天中心的飞行器装配大楼,然后巍然地竖立在39A发射台上。

1967年5月,欧洲各国在美国的加利福尼亚州举行了廉价空间运输系统的学术会议,英、法和联邦德国等国的科技人员发表了航空空间运输工具的研究报告。还应当指出,20世纪60~70年代欧美各国研制的超音速运输机,也为航天飞机的研制提供了有价值的经验。

后来几经修改,航天飞机才变成了人们现在见到的样子。

到了20世纪60年代末期,人类已经研制了多种洲际导弹、各种类型的运载火箭和大型喷气客机及运输机,已经全面地掌握了火箭、载人飞船和现代航空技术。这就进一步完善了空间运输系统的预先研究工作,为航天飞机的研制积累了经验、储备了技术。同时,耗资巨大的“阿波罗”月球探险计划行将结束,从而得以把人力、物力和财力转移和集中到新型空间运输系统的研制工作方面上来,这就导致了1962年2月“阿波罗”后续计划的拟订。1972年1月5日,美国总统尼克松批准了当时预计耗资55亿美元的航天飞机研制计划。

航天飞机是运载火箭、宇宙飞船和飞机巧妙结合的产物。它由外挂燃料箱、固体火箭助推器和轨道飞行器3大部分组成。

外挂燃料箱形状像一枚巨大的子弹,直径8.4米,高47米,内部分上下两层,可同时装100吨液氧和600吨液氢,满载时总重740吨。当它为轨道飞行器上的3台主发动机提供完燃料后,便坠入大气层烧毁。它是航天飞机系统中唯一不可以回收的部分。