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第35章 空间技术(2)

地球资源卫星。地球资源卫星是航天技术与遥感技术相结合的产物,于1970年问世,是国民经济中应用最广的一种卫星,素有“空中多面手”之称。地球资源卫星用途广泛。勘测资源:不仅可以勘测地球表面的森林、水力和海洋资源,还可以勘探埋在地下和海底的矿产资源,如美国阿拉斯加的油田、巴基斯坦和赞比亚的新铜矿等都是由地球资源卫星探知的。监视地球:不仅可观察农作物长势、发现森林火灾,而且可以预警火山爆发、地震,监视农作物的病虫害,以及地球环境污染等,其准确率很高。例如,美国利用地球资源卫星曾预报苏联1977年的小麦产量,与苏联政府公布的数字误差仅为1%。还可以进行地理测量,如航测中国领土,需拍摄100万张照片,费时10年方能完成。若用地球资源卫星拍摄,拍一张照片可覆盖地面约34225万平方千米,相当于海南岛的面积,这样只要拍摄500张,费时几天即可制得清晰准确的中国地图。此外,地球资源卫星还可用以监视鱼群、指挥渔船作业等。发射一颗资源考察卫星年均费用为2 000万~5 000万美元,但收益却高达10亿美元以上。

气象卫星。气象卫星也是广泛用于国民经济和军事领域的一种卫星。它实际上是现代化的高空气象站,装有各种气象遥感仪、自动图片传输系统、自动存储装置和电视摄影系统等。各种气象遥感仪可接受大气和地面目标反射的日光,以及大气和地球自身散发的红外线、电磁波辐射等,从中探测出温度、湿度、风力、云图等气象数据,从而作出精确的天气预报。

气象卫星目前主要有两种类型:一种是低轨道气象卫星,亦称极地气象卫星,飞行高度一般为1 000千米左右,绕地球南北极运转,运行周期为115分钟,每天定时经过同一地区上空两次。若选择不同轨道,同时发射两颗这类卫星,则可从全球任一固定地区每天定时取得4次观测资料。另一种为高轨道气象卫星,也称静止气象卫星,每隔20分钟左右即可对大气完成一次观测。只要在赤道上空均匀分布5颗地球同步气象卫星,即可对全球进行观测,从而有效地监测台风、暴雨、冰雹等灾害天气。自1960年美国发射第一颗气象试验卫星以来,世界上一些国家纷纷发射气象卫星,如今已形成全球气象卫星网。发射气象卫星,消灭了全球4/5的气象观测空白区,使人们能获知精确的天气预报,大大增强了人类对自然气候的驾驭能力,减少了因灾害所造成的各种损失。据有关资料,自气象卫星上天后,美国从未漏报过飓风,仅农、牧、渔业年收益即达17亿美元,每年还减少经济损失20亿美元。

导航卫星。卫星导航,即地面物体通过无线电和卫星沟通以进行测距和测速,从而计算出该物体在地球上准确的坐标和位置,并依据位置坐标及变化的信息,指引它的航行方向。导航卫星可为舰船、飞机等提供大范围、高精度和全天候的快速定位业务。1960年4月美国发射了世界上第一颗导航卫星——“子午仪”,它由4颗卫星组成导航网,无论舰船在何地,平均每15小时即可看到一次“子午仪”,并可接受其自动发射的信号进行定位,定位精度达30~40米。美国最新的“导航星”全球定位系统(GPS),由3个轨道面上均匀分布的18颗卫星组成,在地球上任何一点都可看到其中的6~7颗卫星,用户通过这些卫星发出的信号能准确地确定自身所在的地理经纬度,其定位精度达到15米。若用户是探险队员或勘测队员,只需背负1千克重的便携式接收终端,随时都可知道自己所在的经纬度和高度。近年发展起来的双星定位系统,集通信与导航于一身,利用两颗同步定点卫星,用户与中心站通过卫星测距定位。尽管这种系统是地区性的,但其覆盖面却很大,并且可以发展成为全球性的以及其他导航卫星系统,定位精度可达10米以内,有很大的应用价值。双星定位系统可用于各种交通管理系统、大地测量以及矿产和石油部门的矿藏勘探等。

侦察卫星。用于执行军事侦察任务的卫星为侦察卫星。在现有航天器中,军事侦察卫星约为2 000多颗,占全部卫星的50%左右。侦察卫星可分为照相侦察卫星和电子侦察卫星,40%的侦察卫星上装有可见光相机、电视摄像机、红外相机和多光谱相机,照相侦察卫星其运行轨道一般距地面200千米左右,其地面分辨率最好可达015~03米,它在现代历次局部战争中为美、俄等国提供了精确的军事情报,发挥了重要作用。

科学卫星。所谓科学卫星,即用于对太空环境、天体、地球本身进行物理、化学、生物等物性的观测与研究试验所发射的卫星。美国已定性掌握了日地空间环境特性,对与军事有关的环境状况有了较为定量的了解,前苏联的科学卫星主要从事近地空间和日地关系的研究,从1973年开始,先后发射载有猴子、蜗牛、果蝇、甲虫等的“生物卫星”,着重研究在分子、细胞、肌体、群体等各种水平上对动物的影响,以判断对人有可能产生的后果;中国也相继成功地发射了多颗“科学探测与技术试验卫星”,取得了多项满意的成果。

预警卫星。预警卫星是用于监视、发现和跟踪弹道导弹发射的一种军用卫星,以探测火箭发动机尾焰的红外辐射,在弹道导弹发射后几十秒钟甚至几秒钟捕获目标,发出警报,使防御系统提前获得导弹攻击的准确情报,作好防御准备。同时,也能够监视航天器的发射。预警卫星是监视外国弹道导弹攻击、试验和航天发射的主要手段。

航天技术在经历了半个世纪的发展后,将加快实用化和商品化步伐。到21世纪,全世界计划发射的卫星将超过1万颗,其中通信卫星、全球定位卫星和地球资源卫星等,被认为最具商业发展前途。

载人航天器主要有哪三种类型

宇宙飞船。载人宇宙飞船是一种航行于宇宙空间的飞行器,主要由宇航员座舱、舱内环境调节系统、通信装置以及电源和降落设备等组成。目前的宇宙飞船主要有两种:一种是环绕地球轨道飞行的飞船,如前苏联的“东方号”、“联盟号”、“进步号”飞船,美国的“双子星座号”、“水星号”飞船等;另一种是脱离地球轨道、以载人登月为目的的飞船,如美国的“阿波罗号”飞船等。1961年4月12日,前苏联成功地发射了世界上第一颗重量为45吨的载人飞船“东方1号”,将宇航员加加林送入地球轨道,在天上运行了108分钟后安全返回地面,开创了载人航天新纪元。1961年10月,美国开始实施“阿波罗”登月计划。1969年7月20日,阿波罗11号飞船将航天员阿姆斯特朗、奥尔德林、柯林斯等3人送上月球,在月球表面停留21小时36分21秒,采集了24千克“月球石”样品,从而使“嫦娥奔月”的神话变成了现实。这表明,人类已经掌握了到地球周围空间进行开发活动的基本手段。月球是人类向外层空间发展的良好基地和前哨站。

空间站。空间站是一种可供多名航天员巡访、长期居住和工作的大型载人航天器,通常有密封的居住舱、对接过渡舱和非密封的资源舱等组成,其规模比一般航天器大得多。利用这种空间站可以在近地轨道上进行科学、材料加工和生命科学的实验研究;生产新材料,如高纯晶体、特殊合金半导体等;长期对地观测和天文观测;组装空间大型结构,如大型天线阵等;将有效载荷发射到地球同步轨道、月球和其他行星上去;为卫星和其他航天器进行维修、补给;贮藏航天器部件、消耗物资、实验材料和卫星等。空间站即是一种独立存在于宇宙空间的科学设施,同时也是人类向太空进军的中继站。1971年4月19日,前苏联发射了世界上第一个太空站“礼炮号”,1987年又发射了永久性载人太空站“和平号”,并与前者组成了太空站、天体物理实验室和宇宙飞船构建的复杂联合体,该太空站已先后接纳16批共33名航天员,完成科学实验120项。美国于1973年5月发射了“天空实验室”,先后3批9名宇航员进入实验室工作,拍摄地球照片4万多张,太阳照片18万张,录制录音带长30千米,进行生物实验162项,勘测地球资源39种,还做了其他一系列科学实验。如今,俄罗斯、美国、加拿大、日本和欧洲太空署合作建设发射了一个永久性国际太空站,以共同开发太空资源。

航天飞机。航天飞机又叫空间渡船,是一种有人驾驶的、可以重复使用的航天运载系统。航天飞机集火箭、飞船、飞机的特长于一身,既可在大气层内飞行,又可在大气层外飞行;既能像火箭那样达到脱离地球的速度并把卫星等人造天体送入轨道,又能在返回地球时像普通飞机那样在机场安全降落。航天飞机的问世标志着空间科学技术进入了一个新阶段。与其他航天器相比,航天飞机具有如下优点:一是可以重复使用100次,大大降低了发射费用;二是运载量大,可装载各种卫星、飞船实验室和较多的宇航员、科研人员等;三是可以在轨道上发射卫星,也可回收和维修卫星,使卫星设计简化,从而减少科研费用,延长使用寿命;四是可缩短空间发射的地面准备时间,宜于实现空间飞行的经常化;五是由于发射和返回阶段加速度小,又有人造大气密封压力舱,从而使非职业宇航员进入太空成为可能;最后,它在军事上也具有重大价值,可充当多用途空间武器。美国是最早发展航天飞机的国家,已发射成功并投入使用的有“企业号”、“哥伦比亚号”、“发现号”、“亚特兰蒂斯号”(即“大西洋号”)、“挑战者号”(第10次发射失败后为“奋进号”所取代)。前苏联于1988年11月15日发射“暴风雪号”航天飞机成功,从而打破了航天飞机由美国一家独霸的局面。

目前,美英之间正在竞相研制空天飞机,即兼备航空、航天特点的航天器。航天飞机只能在发射台上垂直起飞,采用火箭发动机作推进系统,双级入轨,只能部分重复使用,可担负航天运载任务;而空天飞机则可水平起飞,采用航空、火箭两种发动机作推进系统,可任意选用两级或单级入轨方式,可完全重复使用,既可作航天运载器,又能作航空飞机。空天飞机主要用于向空间站补充人员、物资、燃料等,并把空间站内制成的产品运回地球。

空间技术的发展前景如何

由于外层空间蕴藏着极为丰富的空间资源,所以世界发达国家竞相开发宇宙空间,而开发月球、建立卫星发电站、空间工厂和太空城等则备受青睐。开发月球。月球作为地球的近邻,含有丰富的资源,如镍、钴、铝、钛、锰、铀、钍等。据测算,若将月球上的资源都开发出来,可供人类使用上千年。同时,开发月球不仅包括挖掘其建筑材料和其他工业原料,而且还包括在月球上建立星际航行站和天文观测站,这也有助于进一步认识地球以及地球与月球之间的关系。月球是人类向外层空间发展的良好基地和前哨站,科学家们提出重返月球,建立“月球村”。据估计,人类将于2015年前后建立设备齐全的永久性居住地,人们可在月面滞留几星期,开展天文观测和生命科学实验;2015年建立小型的永久居住的月球基地;2020年,将在月球兴建实验工厂、农场等,使月球的“地球村”自给自足,逐步建立“月球城市”。21世纪人类有可能在月球城市中建立全球性的并联式的太阳能发电厂,通过传输为地球提供长期、稳固的能源;从月壤和月表中提取金属、氧、气体资源甚至水,并利用月球上的弱重力、高真空和超纯净的优越条件,研制和生产出地球上极难获得的新型材料等。

建立卫星发电站。太阳能是取之不尽、用之不竭的能源。若用太阳能发电,可获得相当于目前世界发电总量5万倍以上的电力。人们设想在地球同步轨道上建立卫星发电站,利用卫星上许多大型太阳电池板,将收集到的太阳能变成电能,再通过微波发生器把直流电能转换成微波电能,然后通过微波发射天线向地球进行微波输电。最后,地面接收天线再把收到的微波经过整流后送往各地电力网,用户便可得到源源不断的电流。

建设空间工厂。空间站的建立和航天飞机的问世,为建立空间工厂奠定了基础。空间工厂具有天然的无重力、高真空、无尘埃等优越条件,可以制造具有极高机械强度的晶体,如生产大型硅和砷化镓晶体,质量极高,使生产的集成电路废品率大大降低,估计到21世纪初,美国仅生产高纯度砷化镓晶体一项即可年创收入31亿美元;进行材料冶炼和加工,包括具有极好光学性能的石英玻璃、高熔点合金锆、铪等金属,以及“泡沫合金”、半导体材料、镍与碳化钛合金、镁—铝合金等质量高、纯度高、精度高的特殊珍贵金属材料;制造药物,空间制药其速度要比地面高出400~800倍,纯净度要高出5倍以上。目前已有20多种包括人工胰岛素、人工生长激素等在地球上难以制造的特种药物在空间合成。

建造太空城。建造太空城的设想最早由美国普林斯顿大学的物理学家奥尔尼博士提出。据计算,建造太空城的理想区间在地球与月球之间,太空城的外形如轮状,直径为1~2千米,总面积为70万~100万平方米,可容纳上万人。城内设有生活区、农业区、工业区、天窗区和空间码头等。里面有山脉、河流、森林和草场,生活着各种生物,形成一个密闭的生态系统。太空城的居民住在轮圈内,整个轮圈可绕自转轴旋转,每周历时1~2分钟,以产生人造重力结果。太空城里的四季气候和昼夜变化,可自行调节。由于太空城阳光充足,气候宜人,无自然灾害,农作物可以一年四熟,稳产高产。太空城居民的体重只有地球居民的1/10,行走健步如飞,外出无须乘车,若穿上鸟型服,甚至可以自由自在地飞来飞去。太空城既可作为生产科研基地,又是治病疗养、遨游太空的胜地。同时,太空城还可作为宇宙飞船的码头和将来飞出太阳系寻找外星人的前沿阵地。

寻找新天地。长期以来,人们致力于探索星体和生命起源,并希望能在银河系的某一角落找到像地球上的人类这样的生命形式。为此,苏联和美国相继发射了几十颗星际探测器。其中,美国于1971年8月和9月先后发射了两颗“旅行者”号行星探测器,探测器上配有反映20世纪地球及其生命活动的照片115幅,人类各种问候语言近60种,各种乐曲27种,自然音响录音35种。这种信息可在空间保存10亿年左右。目前,“旅行者”号行星探测器已冲过木星,路过土星,绕过了天王星,告别了海王星,跨越了“天境线”——冥王星的运行轨道,正以每秒172千米的速度飞离太阳系。

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