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改变世界的人造地球卫星

(2006年09月26日 13:19:02)
来源:《太空探索》

□作者: 庞之浩

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  截止到2006年6月,全球一共把约5808个航天器送入太空。它们分为无人航天器和载人航天器两类,其中无人航天器包括人造地球卫星和空间探测器,载人航天器包括载人飞船、空间站和航天飞机。在所有航天器中,发射数量最多、用途最广的当数人造地球卫星了,截止到2006年6月,各国总共成功发射了5239颗人造卫星。它们为人类带来巨大财富,使人类在获取、传输和加工信息资源的广度和深度上产生了质的飞跃。
  
  名副其实的太空明星眼花缭乱种类多
  
  俗话说,站得高,看得远。人造地球卫星主要是利用其高高在上的优势为人类造福。它按运行轨道可以分为:轨道高度约为200千米~2000千米的低轨道卫星;轨道高度约为2000千米~2万多千米的中高轨道卫星;轨道高度约为36000千米的地球静止轨道卫星。
  若按用途分,卫星的种类就更多了。从大的方面讲它可以分为科学卫星、技术试验卫星和应用卫星3类,其中应用卫星又可分为军用卫星和民用卫星以及军民两用卫星。它们还能进一步细分,如民用卫星包括通信卫星、遥感卫星和导航卫星等……
  这些千姿百态的卫星各有千秋,在航天领域均能独树一帜。当然,有的卫星具有多种用途,如我国的“实践”系列卫星等,还有系绳卫星、人造月亮等等一些特殊卫星。
  至今,我国已相继发射了“实践”系列卫星、“返回式”系列遥感卫星、 “东方红”系列通信卫星、“风云”系列气象卫星、“资源”系列资源卫星、“北斗”系列导航卫星、“海洋”系列海洋卫星、“探测”系列科学卫星等卫星。
  
  万变不离其宗
  
  虽然人造地球卫星的种类繁多,用途各异,但是它们之间也存在不少共性,主要有以下三个方面。一是它们的飞行都要遵循开普勒的三大定律。二是人造地球卫星都需要由运载火箭或航天飞机发射到太空。三是它们都是由公用系统和专用系统两大部分组成。
  公用系统是每颗卫星都必有的,它包括热控制系统、电源系统、姿态控制系统、结构系统、数据管理系统和测控系统等。公用系统也叫公用舱、公用平台或卫星平台,它类似一辆未装货的汽车。用一种卫星平台常常可以组装多种卫星。
  专用系统则是每种卫星特有的,因任务而不同,例如,通信卫星要有转发器;气象卫星和地球资源卫星要有不同种类的遥感器。我们常把这些用于完成特定任务的专用系统称为“有效载荷”,它们类似于汽车上装的“货物”。
  
  如何保证卫星的“体温”
  
  
  卫星的热控制系统用于对卫星内部和外部的热量进行控制,使卫星的温度达到所要求范围的系统。一般卫星内部的温度保持在5℃~45℃的范围内,个别的部分只允许在恒定的温度下有1℃~2℃的变化范围。
  卫星的热控制手段可以分为被动式和主动式两类。在大多数的情况下,在卫星上同时采用被动和主动两种方式联合工作,以确保温度控制的可靠性和高效率。其中主动式热控制是用主动的加温或降温的方法来达到热量的平衡,这很像我们家庭用的冷热空调,热了吹冷气,而冷了送热风。
  
  必不可少的电源系统
  
  电源系统对任何一种卫星都是必不可少的。目前,卫星上采用的电源主要有太阳能电池、化学电池和核电源。
  太阳能电池一般是贴在卫星表面或太阳能电池板上。常用的有硅太阳能电池和效率较高的砷化镓太阳能电池。采用太阳能电池电源可减轻卫星的重量,工作寿命长。但当卫星进入地球的阴影区,卫星照不到太阳的时候,太阳能电池就发不出电来。因此,太阳能电池必须与蓄电池一起组成太阳能电池阵-蓄电池组电源系统,才能保证卫星连续正常工作。当卫星飞到日照区时,太阳能电池一方面给卫星上的仪器供电,同时还向蓄电池组充电,把多余的电能储存起来。当卫星飞到阴影区时,由蓄电池给卫星供电。
  化学电池有一次性化学电池、蓄电池和燃料电池多种,它们与地面上日常使用的干电池、铅蓄电池等化学电池不同,要求转换效率高、质量小。
  核电源具有寿命长、功率大等优点。核电源的缺点是它要求对卫星上的仪器设备采用辐射屏蔽措施,因而增大了卫星质量;价格昂贵,且不安全。所以,这种电源目前用得较少。但随着核电源技术的不断进步,卫星功耗的日益增长,核电源将会在深空探测器中广泛使用。
  
  控制卫星有几招
  
  卫星飞行时必须对它进行控制,满足任务需求。比如,通信卫星的天线要始终对准地面;资源卫星的观测仪器要始终对准地面。卫星的姿态控制系统就是用于控制卫星的飞行姿态,保持姿态轴的稳定,并根据需要改变姿态轴的方向。
  根据对卫星的不同工作要求,卫星姿态的控制方法也是不同的。按是否采用专门的控制力矩装置和姿态测量装置,可把卫星的姿态控制分为被动姿态控制和主动姿态控制两类。被动姿态控制方式有自旋稳定、重力梯度稳定等;主动姿态控制方式是对三个轴进行控制。
  早期很多卫星采用自旋稳定方式。其原理是利用卫星绕自旋轴旋转所获得的陀螺定轴性,使卫星的自旋轴方向在惯性空间定向。
  目前,大多数卫星在飞行时要对其相互垂直的三个轴都进行控制,不允许任何一个轴产生超出规定值的转动和摆动,这种稳定方式称为卫星的三轴姿态稳定。目前,先进的卫星大都采用三轴稳定方式来控制,因为它适用于在各种轨道上运行的、具有各种指向要求的卫星,也可用于卫星的返回、交会、对接及变轨等过程。
  
  研制卫星四部曲
  
  
  人造地球卫星是一个大型复杂系统,其研制过程大致要经历技术研究(也有人叫概念研究)、方案论证、初样研制和正样研制4个阶段。
  技术研究是卫星正式开展工程研制前进行的一个阶段。主要是根据用户需求或预测的卫星发展趋势,提出所要研制卫星的总体技术性能指标。还要对这些性能指标进行深入的分析,提出可以实现的技术途径、需要解决的关键技术和应预先研究的课题,需要增加的新设施、新设备,需要的研制经费和研制周期等。
  方案论证的主要工作是根据研制任务书确定的卫星性能指标和使用要求,结合材料、元器件和工艺技术水平等条件,选出一个整体优化的总体方案。另外,对需要采用的新技术、新材料等影响方案实现的关键项目要开展预先研究,并进行原理性试验或模样试验。
  初样星是指能进行地面试验的工程样星,包括电性星、温控星和结构星等。该阶段是卫星研制中工作量最大、最关键的一个阶段。其主要工作是根据方案设计确定的总体方案及分系统初样设计任务书的要求,对各系统进行精心设计、精确计算。
  正样阶段是研制进行飞行的正式卫星。当制造出正式的产品后,要进行鉴定试验和验收试验等。一切达到要求(也可叫问题归零)后就可以准备发射了。
  
  上天前的模拟试验
  
  卫星出厂后要经过运输、发射、入轨和轨道运行等阶段,所以要经受各种环境的影响和作用,这些环境的复杂性和多样性是其他任何产品都不能比的。另外,卫星的研制成本高,研制周期长,生产数量少,而且上天后出问题极难补救,所以要求卫星有很高的可靠性。
  因此,卫星发射前一定要进行地面环境模拟试验,以此检验卫星的一系列性能,看它能否可靠地工作,能否适应严酷的发射环境和轨道运行环境条件。
  卫星的环境模拟试验主要有以下几种:①振动试验,主要模拟卫星在发射阶段和返回阶段所经受的振动环境。②冲击试验,主要模拟在卫星发动机的点火工作以及星箭分离或卫星两级分离时对卫星产生的冲击。③离心加速试验,主要模拟卫星发射时卫星经受的过载,即承受的加速度。④)噪声试验,主要模拟卫星发射时卫星发动机工作时产生的噪声和与大气的摩擦而产生的气动噪声。⑤热真空试验,主要模拟卫星的轨道运行环境,它包括空间的高真空、深冷温度和高低温度交变。
  

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