遥感卫星
飞向外太空

人造卫星是怎样运行、发射与回收的?

    人造地球卫星之所以能按照预定的轨道,周而复始地环绕地球运行,既不飞出去,也不掉下来,主要是因为卫星的发射满足了速度和高度这两个必要的条件。1687年,英国著名科学家牛顿从理论上已阐明,要使地球上空的某一物体变成“永远不落到地面”的人造卫星,关键是要给它足够的速度,使物体人轨后产生的离心加速度(惯性)所形成的惯性力能抵消地球对它的引力。牛顿指出:假如在山顶上平放一门大炮,以一定速度发射出一发炮弹,炮弹将沿着一条曲线(弹道),飞出一段距离(射程),然后落回地面。若不考虑空气阻力,当发射速度不断增加,射程也必然相应增加,而且弹道曲线将越变弯曲度越小。这样,只要速度能增加到某一数值,弹道的弯曲度将和地球表面的弯曲度一模一样。这时候,虽然发射出去的炮弹在地球引力作用下不断降落,但因地球表面也在不断向里弯曲,不论炮弹飞出多远,它距离地面的高度将永远不变。换句话说,这颗炮弹已成为一颗以圆形轨道不停地环绕地球运行的人造卫星。我们通常将炮弹所需的这种速度称之为“第一宇宙速度”,又称“环绕速度”,数值为7.9公里/秒。

    显然,如果发射速度比7.9公里/秒还要大,卫星的轨道将变得比地球表面的弯曲度还要平直,成为环绕地球运行的椭圆形,而且发射速度越大,椭圆形轨道将显得越扁长。一旦发射速度达到11.18公里l秒,卫星就不再环绕地球运行,它将挣脱地球引力,而变成一个绕太阳运转的人造行星了。人们通常把这一速度称之为“第二宇宙速度”,又称“脱离速度”。依此类推,当发射速度继续增加到16.7公里/秒(即“第三宇宙速度”)时,物体将摆脱太阳系对它的引力,而进人茫茫宇宙,一去不复返了。

    以上算出的第一、第二、第三宇宙速度,是按照物体在地球表面发射,而且不考虑空气阻力进行计算的。事实上高度和空气阻力对物体的运行影响很大。根据牛顿万有引律定律,物体离地球表面越高,地球对其引力越小,物体所需的第一、第二宇宙速度也必然减小。据计算,在离地面36000公里的高空,物体的环绕速度为3公里/秒,而离地面38万公里高的月球,它的环绕速度只有1公里/秒。但需要说明的是,虽然轨道越高,物体所需环绕速度越小,但要把物体从地面送到较高的轨道,运载火箭克服地球引力和空气阻力耗功更多,要求运载火箭的推力也必须相应增大。地球的大气层厚度虽有2000-3000公里,但大气质量的99%都集中在海平面以上的30公里内,为了保持卫星在空中的正常运行不至因空气阻力的影响而很快陨落,通常人造卫星都被发射至120公里以上的高空。

    人造卫星的轨道多种多样,按形状可分为圆轨道和椭圆轨道;按离地面的高度,分高轨道和低轨道。此外,还有赤道轨道、极地轨道、地球同步轨道、对地静止轨道和太阳同步轨道等有特定意义的轨道等。卫星绕地球一圈的时间叫运行周期,卫星轨道形成的平面叫轨道平面,轨道平面与地球赤道平面形成的夹角叫轨道倾角。倾角小于如度为顺行轨道;大于90度为逆行轨道;等于90度为极地轨道;倾角为0,即轨道平面与赤道平面重合,为赤道轨道。若卫星的运行周期和地球的自转周期相同,我们称这种卫星轨道叫地球同步轨道;如地球同步轨道的倾角为零,即卫星正好在赤道上空,它将以与地球自转相同的角速度绕地球运行。从地面上看去,就像是静止不动。这种特殊的卫星轨道被称之为对地静止轨道。处于这条轨道上的卫星就是通常所说的对地静止轨道卫星。

    卫星轨道的具体选择,则要根据卫星的任务和应用要求来确定。如对地面摄影的地球资源卫星、照相侦察卫星等,通常采用近圆形的低轨道运行方式;通信卫星则常常采用对地静止的地球同步轨道;若为了节省发射卫星时所消耗的运载火箭的能量,常采用顺行轨道;为了使卫星对地球能进行全面观察,则需要采用极地轨道;而为了让卫星能始终在同一时刻飞过地球的某地上空,或使卫星永远处于或永远不处于地球的阴影区,又往往需要采用太阳同步轨道;军用卫星,为了军事的特殊需要,则常常采用地球同步轨道和太阳同步轨道等。

    几千年来,人类为了打开太空神秘大门所经历的漫长历史,从一定意义上讲,是人类和地球引力、大气阻力作坚持不懈斗争的艰辛历史。直到20世纪50年代,人类经过长期的知识积累和大量的科学实验,研制出能闯过地球引力关卡的火箭,卫星遨游太空才成为现实。时至今日,多级火箭依然是世界各国发射卫星的主要运载工具。以三级火箭为例,其发射过程大致如下:

    装载卫星的运载火箭在发射台通过各项检测后,由发射指挥控制中心下达点火命令,第一级发动开始工作,推动火箭徐徐升空,当火箭垂直上升穿过稠密大气层后,按程序指令,使第一级发动机熄火并自动脱落,与此同时,第二级发动机开始工作,推动二、三级火箭加速飞行并进行程序拐弯,到预定时间,第二级发动机熄火后自动脱落。这时第三级火箭并不急于立即点火,而是与卫星相依为命在空中惯性飞行,待飞行到离预定的卫星轨道较近的地方,按指令启动第三级火箭,继续加速到卫星所需要的速度和预定位置时,卫星被释放进人运行轨道。与卫星分离后的第三级火箭在完成历史使命后,自己也成了一颗失去工作能力的“卫星”,在太空中孤苦伶仃地去度它的“晚年”。而与第三级火箭分离后的卫星,则靠惯性作无动力性行,其运行轨道的形状,将取决于人轨点处的速度和方向。

    对返回式卫星来说,还有一个卫星如何返回和回收的问题。绕地球运行的卫星返回地面时,根据它们所受阻力和升力的大小不同,通常有三种不同的返回轨道:一种是弹道式返回轨道,这种卫星在再人大气层后,只产生阻力;第二种是半弹道式返回轨道,卫星在再人大气层后,除产生阻力外,还有部分升力;第三种为升力式或滑翔式返回轨道。我国的返回式卫星采用的是弹道式返回轨道方式。为了使卫星在太空完成使命后能安全地返回地面,首先要求运载火箭有很高的控制精度,不仅能准确地把卫星送到预定轨道,而且当卫星完成使命等待回收时,能处于预定的回收区上空;其次,对低轨道返回式卫星来说,由于受大气阻力和地球形状等的影响,轨道会发生偏离。因此,必须精确地计算出卫星返间落地的时间和落点的经纬度,并向卫星发射各种控制指令;更重要的是,在卫星进人返回圈后,卫星必须能按地面指令准确地调整成返回地面所需要的姿态,并按预定程序使旋转火箭、反推火箭依次点火、分离,然后弹射和打开降落伞。否则,失之毫厘,差之千里,在过载很大的气动力作用下,卫星返回地面时,将可能产生较大的落点偏差,甚至造成意想不到的失败。

    此外,卫星在返回过程中,还必须闯过三关。第一是要过振动和过载关。当卫星以高速进人稠密大气层中,强大的气动阻力将使卫星受到巨大过载的冲击。在返回过程中,卫星的结构和各种仪器设备要经受得住反推火箭工作时产生的剧烈振动。第二是要过火焰关。当卫星以近8公里/秒的速度穿越稠密大气层时,因摩擦而产生近万摄氏度的高温。为了不使卫星被烧坏或化为灰烬,卫星的防热层结构必须具备能耐这种高温的防热和耐热性能。第三是过落地的防撞关。卫星按预定程序打开降落伞后,降落速度虽受到阻滞,但接近地面时仍具有每秒几百米的落速,只有当降落伞的减速和卫星的减震装置能有效地保证安全回收时,卫星才不致被地面撞得粉身碎骨。