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人造技术实验卫星:太空中的试验田
2017-09-18 | 文章来源: 科普中国| 浏览次数:  |

  技术试验卫星起到“先行官”和“试飞员”的作用,航天技术中需要先在太空进行试验的新技术、新方案、新原理、新仪器设备和新材料,都要试验成功后才投入使用。

  在人造卫星上可以做什么实验

  在我们的头顶有6000多颗人造卫星旋转。这些千姿百态的卫星如果根据用途划分,可分为三大类:科学卫星、技术试验卫星和应用卫星。通信卫星、导航卫星和遥感卫星是我们平时熟知的,都是直接为军事和国民经济服务的应用卫星。用于科学探测和研究的卫星是科学卫星,主要包括空间物理探测卫星、天文卫星和生物卫星。技术试验卫星起到“先行官”和“试飞员”的作用,航天技术中需要先在太空进行试验的新技术、新方案、新原理、新仪器设备和新材料,都要试验成功后才投入使用。中国技术试验卫星与“实践”系列科学探测的发展,充分展示了空间技术从试验走向应用的发展道路。中国在1971年3月3日成功发射“实践一号”卫星。卫星上的长期电源系统、长期遥测系统、长期温控系统获得全国科学大会成果奖,在太空正常运行了8年多,为中国研制长寿命卫星提供了宝贵的经验。

  中国在1981年9月20日首次用一枚运载火箭成功发射“实践二号”、“实践二号甲”和“实践二号乙”卫星。这3颗卫星仪器设备供电首次采用太阳型卫星的质量为10~100千克能电池帆板、首次采用自旋稳定及对日定向的姿态控制方式、首次使用多扇百叶窗调节整星温度、首次采用超短波统一系统来跟踪和遥测。这些设备和技术的成功应用奠定了百星灿烂的基础。离子体与卫星表面电位之间的关系是“实践四号”卫星第一次测到的热等。在“实践五号”上开展了12项试验,为中国卫星平台技术和卫星探测仪器的不断进步奠定了进一步的基础。

  在“实践八号”卫星上试验的内容广泛,开展了精密重力测量等试验。技术试验卫星虽然数量较少,可用来进行重力梯度稳定试验、生物对空间环境适应性的试验、电火箭试验、载人飞船生命保障系统和交会对接试验、无线电新频段的传输试验、返回系统的验证试验、轨道上截击试验和新遥感器的飞行试验等。

  随着电子技术的小型化、芯片化发展,小卫星由于成本低,开始活跃在空间技术试验的舞台,许多大学生和爱好天文的人也开始研制和发射小卫星。任何有兴趣的人,都可以通过放飞小卫星,验证自己的奇思妙想,需要注意的是,记得回收,以免造成太多的太空垃圾,这也是研制的后续方向。

  “实践一号”卫星

  人造卫星是怎么测地球重力场的

  你所称量到的体重,在地球表面不同地点都差不多,因为地球基本上是均匀的球体,在各处表面重力几乎相同。

  其实,地球各处的重力需要依靠卫星的灵敏度,才能测出细微的差别,但一般性测量是测不出来的。德国空间中心和美国航空航天局,联合研制的“重力测量和气候试验卫星”,在2002年3月发射升空,开展了高精度全球气候变化与重力场观测试验。在离地面500千米的同一圆轨道上由两颗完全相同的卫星组成,相距约220千米运行,精确测量两颗卫星之间的速率变化和距离反演地球重力场,测量误差没有超过人头发的直径。它所运用的原理是:质量的运动会引起重力场的变化。

  以地势较低的四川盆地被水淹了为例,如果这儿地的质量增加,卫星路过的速度就会增加,两个卫星之间的距离就会加大。在质量拉扯下,然后两个卫星之间的距离又会缩短。只需要把两个卫星之间的距离测量,地表任何指定区域的表面质量就可以获得。这两颗双胞胎卫星不但能够精确测量地球的旋转轴。形状、大小和重力场的变化,还能监测陆地冰川消融、陆地水量变化、海平面与环流变化、强地震等,是全球环境变化的有力工具。

  重力场也会发生变化,像地球内部一些极为缓慢的变化等。例如,冰在过去的地球极区比较多,地球在两极的方向较为扁平受这些冰的质量影响。由于现在部分冰融化,被重压的陆地反弹开始上升,正在上升中是加拿大北部地区。这样就使得地球逐渐变成更接近完美的球体。

  科学家通过两颗双胞胎卫星精确地测量,重力的微小变化,还发现许多地方的地下水资源,正在以不可持续的方式大量消耗,这是需要加强注意的。

   

  重力场恢复与气候实验卫星

  “生病”的人造卫星怎么办

  在九霄云外飞行的人造卫星,如果出了故障很难修理,要以预防为主。为此,把可靠性始终放在第一位,要精心设计,精心施工,采用高质量的航天器元器件和科学合理的方案,制定多项故障预案和相关对策等。

  比如,卫星上的关键仪器可以采用备份设计,当一台关键仪器“生病”时,由地面通过遥控切换到备份仪器,或者自动切换以继续运作。这样虽然增加了复杂性和卫星的质量,总比整个卫星不能工作或者报废要好得多。

  以确保执行,卫星的一些重要指令也要采取多种手段发出。卫星在上天前要发现和排除卫星的隐患和故障,进行各种严格的空间环境模拟试验。这些试验要层层把关,从挑选元件开始,一直到最后总装成整个卫星,保证卫星在发射前做到零疑点、零缺陷和零故障。


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