书城教材教辅航空航天科学知识(青少年科普知识阅读手册)
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第4章

20世纪50年代后。科学技术发展非常迅速,为大地测量开辟了多种途径,高精度的微波测距,激光测距,特别是人造卫星上天,再加上电子计算机的运用和国际间的合作,使人们可以精确地测量地球的大小和形状了。通过实测和分析,终于得到确切的数据:地球的平均赤道半径为6378.14千米,极半径为6356.76千米,赤道周长和子午线方向的周长分别为40075千米和39941千米。测量还发现,北极地区约高出18.9米,南极地区则低下去24~30米。所以有人说,地球像一个倒放着的大鸭梨。其实地球确切地说,是个三轴椭球体。

在地球引力作用下,大量气体聚集在地球周围,形成数千千米的大气层。探空火箭在3000千米高空仍发现有稀薄大气,有人认为,大气层的上界可能延伸到离地面6400千米左右。据科学家估算,大气质量约6000万亿吨,差不多占地球总质量的百万分之一,其中包括:氮78%、氧21%、氩0.93%、二氧化碳0.03%、氖0.0018%,此外还有水汽和尘埃等。

地球轨道

地球轨道是地球绕太阳公转的路线,形状为一非常接近圆形的椭圆。太阳位于椭圆的两个焦点之一。公转轨道最靠近太阳的一点称近日点,距太阳约14710万千米,地球于每年7月经过该点。远日点约15210万千米。日地平均距离为14960万千米,即1个天文单位。轨道全长约为94000万千米。

第一颗人造卫星——“人造地球卫星-1”号

1957年10月4日,在前苏联哈萨克共和国威海附近的拜科努尔宇宙飞行器发射场上,矗立着一枚高大的两级液体燃料运载火箭。

这颗世上首先进入太空的卫星是沿椭圆轨道绕地球运行的。其轨道近地点为228.5千米,远地点为946.1千米;轨道倾角(轨道平面与地球赤道面的夹角)为65度;运行周期(绕地球一圈的时间)为96.17分钟。“人造地球卫星-1”呈圆球形,其直径为58厘米,星体结构材料是铝合金的。卫星周围均布四根弹簧鞭状天线伸向后方,其中一对天线长240厘米,另一对长290厘米,其无线电频率为20.005兆赫和40.002兆赫。卫星内装有两台功率为1000毫瓦的无线电发射机、化学电池、测量星内温度与压力的感应元件、磁强计和辐射计数器等,整个卫星仅有83.6千克重。

第一枚液体燃料火箭

1926年3月16日,在大雪覆盖的美国马萨诸塞州奥本郊外的沃德农场,戈达德检查了发射架,把一枚长3.04米,重5.5千克的小型液体燃料火箭安装到发射架上。他和助手特别仔细地检查了火箭顶端长0.6米的火箭发动机,又依次检查了发射架下部的两个液氧和煤油贮存箱,还有燃料阀门和输送管道。当准备工作全部就绪后,下午2点30分,正式点火发射。这是戈达德研制的液体燃料火箭,它耗费了这位注定要载入史册的科学家20多年的心血。一声巨响,火箭发动机尾部喷射出熊熊火焰,火箭离开发射架向空中飞去。火箭飞行了2.5秒,上升高度为12米,坠落后离发射架56.12米。世界上第一枚液体燃料火箭就这样发射成功。

1930年7月15日,戈达德在第一个飞越大西洋的飞行员林白的帮助下,从着名慈善家古根海姆那里筹得资金,把试验基地迁到新墨西哥州罗斯韦尔东北的梅斯卡勒罗农场。同年12月30日,又一枚戈达德火箭试验成功,发射高度610米,飞行距离300米,速度达到每小时800千米。

“德尔塔”号运载火箭

“德尔塔”号运载火箭是1959年开始研制的美国中等运载能力的运载火箭。1960年5月开始发射的第一批12枚火箭是三级火箭。第一级由“雷神”中程导弹修改而成,第二、三级沿用“先锋”号运载火箭的第二、三级。火箭全长28米,重52吨,第一级直径2.44米,运载能力为220千克(480千米高的圆轨道)。此后,又增加固体火箭助推器和助推器的数量,加大发动机推力,加长第一级推进剂贮箱,扩大第二、三级直径等,使火箭的运载能力不断提高。火箭经过13次改型,如标准型、2914型、3914型等,到1982年演变为“德尔塔”3920/PAM-D型。这个型别的火箭由4级组成。助推级(又称零级)是捆绑在箭体下部四周的9台固体火箭助推器,每台推力378.6千牛(38.6吨力),第一级用液氧和RJ-1煤油推进剂,发动机推力提高到912千牛(93吨力)。第二级用四氧化二氮和混肼推进剂,推力43.6千牛(约4.45吨力)。第三级采用固体火箭发动机,靠旋转稳定,推力82.3千牛(8.4吨力)。火箭全长35.35米,直径2.44米,起飞重量193.2吨。运载能力提高到1312千克(过渡轨道)。到1982年年底,“德尔塔”号火箭共发射155次,其中失败11次,成功率达93%。用这个火箭发射的航天器包括“先驱者”号探测器、“泰罗斯”号卫星、“雨云”号卫星、地球资源卫星、“辛康”号卫星、“国际通信卫星”Ⅱ号和Ⅲ号等。

“大力神”号运载火箭

美国以“大力神”2型洲际导弹为基础研制的大型运载火箭,有3A、3B、3C、3D、3E、34D等多种型别,主要用于发射各种军用有效载荷。“大力神”3A和3B都是三级液体火箭,用“大力神”2型导弹的第一、二级作为前两级,起飞推力约1913千牛(195吨力)。3A的第三级叫过渡级,长4.9米,直径和前两级一样,都是3.05米,重约13吨。过渡级装2台推力各为35.6千牛(约3.63吨力)的发动机,工作时间约480秒。发动机可以多次起动,能使火箭在较大范围内机动变轨,将有效载荷送入不同的轨道。3级都用四氧化二氮和混肼50推进剂。制导系统利用“大力神”2型导弹的惯性制导系统。

3A于1964年开始发射军用卫星。1966年开始使用的3B用“阿金纳”火箭作为第三级,用无线电指令制导系统取代惯性系统。

3B主要用于发射军用侦察卫星。3C是在3A火箭的两侧各捆绑一台大型固体火箭助推器组成的。每个助推器长25.9米,直径3.05米,重200吨,通过由助推器旁侧的贮箱喷注四氧化二氮的方法来控制推力方向。3A和3B火箭重160~180吨,可将3.6~4.5吨重的载荷送入低地球轨道。

3C于1965年开始使用,主要用来发射军用通信卫星。火箭重635吨,起飞推力约10498千牛(1070吨力),能把13.4吨重的载荷送入低地球轨道或把1.6吨重的载荷送入地球静止卫星轨道。3C火箭去掉过渡级就变成3D火箭,用“半人马座”火箭取代3C的过渡级就变成3E火箭。3D重590吨,从1971年开始用来发射重型侦察卫星。3E重640吨,从1974年开始用来发射“太阳神”号探测器、“海盗”号探测器、“旅行者”号探测器等行星和行星际探测器,可把3.8吨重的载荷送往金星或火星。3C火箭通过增大芯级和固体火箭助推器的长度,并用惯性上面级取代过渡级,又演变为34D火箭。34D重780吨,从1982年开始用来发射重型军用卫星。“大力神”号运载火箭在118次成功的发射中已将150多颗卫星送入不同的轨道。

对接装置

对接装置是用于两个航天器在轨道上固定连接的装置。对接装置一般采用“销钉-锥孔”结构方式。

在空间交会中,一航天器主动靠近另一航天器进行对接,前者在对接中是主动的,它的对接装置采取“销钉”形式,中央有一导引杆;后者在对接中是被动的,它的对接装置采取“锥孔”形式。对接时导引杆使两航天器的对接装置精确对准,“销钉”插入“锥孔”,锁紧机构自动锁紧,完成对接。前苏联“联盟”号飞船与“礼炮”号航天站的对接和美国“阿波罗”计划中飞船的对接都采用这种对接装置。另一种方式是采用周向排列的导向装置和对接装置,可用于两个都能主动对接的航天器。在“阿波罗-联盟”号飞船联合飞行中首次采用这种对接装置。

“东方”号飞船

“东方”号飞船为前苏联最早的载人飞船系列,从1961年4月~1963年6月共发射6艘。“东方1号”飞船是世界上第一个载人进入外层空间的航天器。“东方”号飞船用于单艘和编队载人飞行。

飞船由球形密封座舱和圆柱形仪器舱组成,重约4.73吨。在轨道上飞行时与圆柱形的末级运载火箭连在一起,总长7.35米。“东方”号飞船由密封座舱(2400千克)和工作舱组成,质量约4730千克。球形座舱直径2.3米,能乘坐1名航天员,舱壁上有3个舷窗。舱外表面覆盖一层防热材料。座舱内有可供飞行10昼夜的生命保障系统、弹射座椅和无线电、光学、导航等仪器设备。“东方”号飞船在返回前抛掉末级运载火箭和仪器舱,座舱单独再入大气层。当座舱下降到离地面约7千米高度时,航天员弹出飞船座舱,然后用降落伞单独着陆。仪器舱位于座舱后面,舱内装有化学电池、返回反推火箭和其他辅助设备。“东方”号飞船既可自动控制,也可由航天员手控。飞船飞行轨道的近地点约为180千米,远地点为222~327千米,倾角约65°,周期约89分钟。

1961年4月12日,前苏联航天员Ⅰ.A.加加林乘坐“东方1号”飞船,绕地球飞行108分钟后,安全返回地面,开始了人类载人航天的新时代。1963年6月16日,世界第一个女航天员V.V.尼古拉耶娃-捷列什科娃乘坐“东方6号”进入太空。“东方”号飞船系列在空间进行了科学、医学和生物学研究以及技术试验后,都安全返回地面。

“东方红一号”卫星

“东方红一号”卫星是我国于1970年4月24日发射的第一颗人造地球卫星。按当时时间先后,中国是继前苏联、美国、法国、日本之后,世界上第五个用自制火箭发射国产卫星的国家。

“东方红一号”卫星是中国的第一颗人造卫星,由以钱学森为首任院长的中国空间技术研究院研制,当时共做了五颗样星,结果第一颗卫星就发射成功。该院制定了“三星规划”:即东方红一号、返回式卫星和同步轨道通信卫星,而孙家栋则是当时“东方红一号”卫星的技术负责人。1967年,党鸿辛等人选择了一种以铜为基础的天线干膜,成功解决了在100℃~-100℃下超短波天线信号传递困难问题。“东方红一号”卫星因工程师在其上安装一台模拟演奏《东方红》乐曲的音乐仪器,并让地球上从电波中接收到这段音乐而命名。

东方快车

美国的下一步载人航天目标,是建造“东方快车”空天飞机和“自由”号永久空间站。目前正在研制一种叫X30的试验型样机,差不多像今天的DC9客机大小,是“东方快车”的1/3。最关键的技术是要解决制造大型组合式推进装置、轻型高强度耐高温材料、高超音速飞动结构外形和先进的控制系统。航天飞机能像普通飞机那样从地面水平起飞,以高超音速在大气层内飞行,并直接加速进入地球轨道飞行,完成任务后返回大气层,又像飞机那样水平着陆,完全达到能重复使用的目的。预计21世纪初能够进入轨道飞行。

地球静止环境业务卫星

美国第一代地球静止轨道气象卫星系列,英文缩写为GOES。这个卫星系列的第一颗卫星GOES-1在1975年10月16日发射,到1982年发射了6颗。地球静止环境业务卫星系列是世界气象组织从1978年开始的全球大气研究计划第一期全球试验的重要气象观测工具。卫星外形是一个圆柱体,高2.6米,直径1.9米,重294千克,工作寿命3年。卫星采用地球静止卫星轨道,位置保持精度:南北向优于1°,东西向优于0.5°。卫星靠自旋稳定,自旋速率为100转/分。卫星携带的气象遥感器是可见光、红外自旋扫描辐射计(VISSR)。仪器的望远镜口径为0.4米,两个波段为0.55~0.75微米(可见光)和10.5~12.5微米(红外),星下点分辨率分别为0.9和9千米。它拍摄的云图一帧有1820条扫描线,每帧的扫描时间为20分钟。对连续观测4帧以上的云图进行数据处理可获得风速和风向。测风速的精度优于3米/秒,这是地球静止轨道气象卫星的一个重要特点。仪器获得的原始云图数据以28兆比特/秒的速率传送到地面,经数据处理后每3小时通过卫星用1700兆赫频率向各地广播一次适用的云图资料。

这颗卫星还携有数据收集系统(DCS),可以收集1万个地面气象站、海洋自动浮标和无人值守地区的自动气象站所获得的温度、压力、湿度等环境资料,它的工作频率是401兆赫和468兆赫。卫星还携带有测量太阳粒子(质子、α粒子和电子)的空间环境监测器(SEM)。

从此系列的第四颗卫星开始,携带的气象遥感器改为可见光、红外自旋扫描辐射计的大气探测仪(VAS)。这种仪器有1个可见光通道和12个红外通道,除能拍摄云图外,还通过15微米(CO2)波段探测大气垂直温度分布和3.7微米(H2O)波段探测不同高度的水汽含量分布,从而获得大气三维结构的气象资料。探测大气垂直温度和水汽分布的星下点分辨率:晴朗地区为30千米,有云覆盖的地区为60~100千米。这样的分辨率已足以了解风暴的形成、发展和移动。

地球静止轨道气象卫星

地球静止轨道气象卫星是美国第一代地球静止轨道气象卫星,第一颗是1957年10月16日发射的。卫星外形是一个圆柱体,高2.6米,直径1.9米,重294千克;工作寿命3年。卫星携带的气象遥感器是可见光和红外扫描辐射计,星下点分辨率:可见光为900米,红外为8千米。它拍摄的云图一帧有1280条扫描线,对连续观测四帧以上的云图进行数据处理,可获得风速和风向,风速的精度约3米/秒。卫星观测的原始云图数据可及时传送到地面,经数据处理后,再通过卫星每隔3小时向各地广播一次适用的云图资料,各地接收后便可以进行气象预报。这类卫星还携带数据收集系统,可以收集一万个地面气象站、海洋自动浮标和无人看守的自动气象站所获处的温度、压力、湿度等环境资料。它每半小时提供一张云图,每天由计算机处理出1200个以上风速和风向数据,广播400多种传真气象图。在美国,除海洋大气局外,还有200多个用户接收它的云图。它还为世界服务,从西起澳大利亚,东至西欧和非洲,有1200多个站接收它的资料。

地球资源卫星