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第20章 未来航天(6)

导航星全球定位系统不仅为美国三军提供导航服务,而且也已用于民用和移动通信服务。但两种用户严格分开,军用导航采用精确码;民用定位采用粗捕获码,且精度只有100米左右。美国政府1993年许诺,民用用户可以免费使用该系统10年。由于这个原因,90年代后,许多国家有大量公司在开发不同用途的导航星全球定位系统接收装置,应用领域遍及社会经济各个方面,GPS的开发和应用已形成前景十分广阔的技术产业。鉴于GPS系统取得的巨大成功,美国还计划对其进行改进和扩充,计划研制和发射51颗新的导航卫星组成规模更大、应用更加广泛的导航星全球定位系统。

地球资源卫星

地球资源卫星是遥感卫星的一种,是和人类生活联系最密切、在国民经济中应用潜力最大的实用型卫星之一。地球资源卫星进行资源调查的原理是基于这样一个事实:任何物体,不管是有生命的还是无生命的物体,都以它们自身特有的方式发射、吸收和反射电磁波,从而给出不同物体特有的频谱“标记”。矿物的性质和特点不同,电磁波辐射与反射能力和特点也不同。资源卫星上的遥感仪探测到的不同矿物反映在图片资料上的差别是不同的色彩、色调、几何形状、地貌形态、水系特点和植被特点。地面接收到星上遥感器获得的这些标志信息图片后,就可根据以往的经验事实对图片进行地质判读以获得这些信息的真实含义,即识别出遥感图片上的不同资源。由于卫星遥感面积大,速度快,不受地理条件限制,因而能够对广大区域的各种金属或能源矿物进行粗查,大大节省了找矿的时间、成本和物耗。

除矿物资源调查外,地球资源卫星还可用于对农业作物种类、生长状况、收成情况、地质结构、岩石类型、土壤特性、地面含水线、地表水源分布、工业污染程度等进行调查和研究。

地球资源卫星装有各种遥感仪器。这些仪器通常按工作波段分类,包括可见光、红外和微波遥感器,如机械式多谱段扫描仪、电荷耦合器件阵列、返束光导管摄像机和专题绘图仪等;微波遥感器,包括微波辐射计、微波散射计和合成孔径雷达等。

地球资源卫星是经济效益极高的多用途卫星,它有至少40多种以上不相重复的用途。在农业方面能够估计作物的产量、估计土壤含水量、早期预报病虫害、报告森林火灾、调查野生动物、探测渔讯等;在环境监测方面能够调查内陆水资源、监视海岸侵蚀、进行地震和火山探测、进行地理学绘图和地质学研究、开展大气流以及海湾污染调查、监视臭氧层等;在矿物调查方面,能够通过岩石的光谱特征和地形的类型来识别矿物的种类和贮量、对地下能源进行查明和估计贮量、勘察海洋石油资源等。在美国,每年从地球资源卫星中就可获取几十亿美元的收益。自1977年至今,美国总获益高达上千亿美元。据美国农业部估计,地球资源卫星每年给美国农林牧业至少带来30亿美元的收益。前苏联地质学家利用资源卫星的遥感照片,一年内取得经济效益约4000万卢布,寻找石油和天然气方面的经济效益超过1亿卢布。据前苏联估计,向国土资源卫星投资1卢布,就可为国家创造10卢布的收入。从这几个数字中能够看到地球资源卫星对人类经济发展的巨大意义了。

资源卫星还会带来丝毫不亚于经济效益的社会效益,而且过去许多花钱也办不到的事情如详查亚马逊流域资源,现在可以轻易做到。随着社会的进步和人类意识境界的提高,地球资源卫星的社会效益正日益为人们所重视。将来,地球资源卫星的作用对人类的生存和生活质量的影响可能会更大。

发展载人空间站的意义

借助各种人造卫星和载人空间站进行太空科学技术探索活动,无非是为了有效利用空间资源。目前的空间资源概念主要有如下含义:

空间高远位置资源,即站的高便看得远;

空间高真空资源,在太空大气密度几乎为零;

空间微重力资源,高速飞行的航天器的离心力抵消了地球引力,因而微重力环境极佳;空间太阳能资源,在太空中太阳能密度更大。

这些资源在地面要么根本没有或很难实现,要么不能有效利用。充分有效地利用太空资源是航天技术发展的基本目的。

为什么要研制和发射载人空间站呢?空间站的出现是航天技术应用化发展以及越来越强调航天活动的效益所促成的。研究表明,在高真空和微重力环境下,可以生产高纯度、高均匀度、大尺寸的半导体晶体材料;可以合成地面上无法合成的合金,如金属塑料合金;可以大量生产地面上很难或根本无法生产的特效药;可以加工出近乎纯圆的金属球体;可生产特种生物制品;能够长时间、大面积进行对地观测和天文观测;能够进行各种新技术的开发;可以进行大型空间结构的安装。从应用角度特别是长期效益上看,人造卫星和载人宇宙飞船都有其不足。人造卫星太小,装载的仪器设备有限,而且没有人照料,无法完成复杂的科学技术活动;载人飞船虽比卫星大得多,但对于空间加工等任务来说还嫌不够,而且它的飞行时间很短(一般小于14天),因而不能适应时间较长的观测与实验工作。人造卫星和载人飞船的不足迫切需要有载人空间站来完成这类空间科学技术任务。另外,载人空间站还可以更好地执行如侦察、预警、导航、通信等多种军事任务。

前苏联在上世纪60年代末把载人空间站作为未来航天计划发展的核心和一项国策,并取得了惊人的成就,先后共发射成功三代8艘空间站。第一代是从“礼炮”1号到5号,第二代是“礼炮”6号和7号,第三代是“和平”号空间站。逐步改进的“联盟”号载人飞船和后来新研制的“进步”号货运飞船成了连接地面与空间站、往来运送宇航员和仪器货物的工具。“礼炮”系列空间站第一个是“礼炮”1号,1971年4月19日发射入轨。第一代5艘“礼炮”号带有试验性质,但也取得了一些科学技术成果。第二代“礼炮”6号和7号两座空间站进一步提高了安全性和可靠性,实验和研究内容有所增加,寿命也大大延长。它们带有两个对接窗口,一个用于“联盟”号飞船,另一个用于“进步”号货运飞船。

“礼炮”6号和7号分别于1977年9月29日和1982年4月19日发射入轨。“礼炮”6号运行期间,共有33名宇航员进站工作,载人总时间为678天。“礼炮”7号则共接待了10批27名宇航员进站工作。宇航员基茨姆、索洛维耶夫和阿特科夫创造了连续太空飞行时间237天新纪录。宇航员共进行了涉及各个方面的120多项实验,拍摄了1万张地球和天空照片,完成了大量科学观测、地球资源观测、人体医学研究和技术实验。其他具有重要应用意义的工作是进行了大量半导体、晶体生长实验和金属冶炼实验。

第三代“和平”号空间站的核心舱总长13.13米,最大直径4.2米,总重量204吨。它带有6个对接口,除用于飞船对接外,还计划对接5个大型专业研究舱。1986年2月20日凌晨,一枚三级“质子”号运载火箭将“和平”号空间站核心舱发射升空。在各批宇航员进站工作的同时,专业舱的发射和与核心舱的组装工作也在同时进行。

1986年4月到1996年4月,5个专业舱先后发射并与在轨的核心舱对接,标志着“和平”号空间站最终建成。在“和平”号运行的10年(截止96年2月20日)中,共对接各种航天器78艘,有56人登上空间站。宇航员不断刷新连续太空飞行时间新纪录:1987年罗曼年科创造“礼炮”7号太空站了326天的纪录,接着又提高到366天,1995年宇航员波利亚科夫一跃又将纪录提高到437天15小时。“和平”号空间站在轨运行的10年可谓成果辉煌:研究了在太空使用的药物处方、宇航员体力恢复方法、蛋白质晶体生长、高效蛋白质精制、特殊细胞分离、特种药品制备等,进行了各种材料实验和半导体、合金制备,发现了大量稀有金属矿藏和上百个油脉,开发了大量空间新技术,进行了大量天文观测。

美国利用阿波罗计划的成果和硬件,包括运载火箭和推进剂贮箱,研制了美国惟一一座空间站——“天空实验室”。1973年5月14日,一枚两级的“土星”5运载火箭在肯尼迪航天中心点火发射,将“天空实验室”送入轨道。“天空实验室”在轨工作期间,共接纳了三批9名宇航员。他们首先成功地对太阳电池板等故障进行了修理。他们完成的工作和取得的成就有:对地球进行了长期的观测、研究和拍照;对太阳进行了有史以来最直接、最系统的观测,包括记录到一次耀斑爆发的全过程。此外还进行了植物生长实验、医学实验、晶体生长实验、半导体掺杂实验,得到了长达2厘米的晶体,比预期的长6倍;制造了全新的金锗化合物。

由于建造大型空间站耗资惊人,上世纪90年代美、俄、欧、日、加等国决定联合研制“阿尔法”国际空间站。“阿尔法”空间站于2002年最终建成,采用的运载工具是俄罗斯的火箭和美国的航天飞机。空间科学和应用跃上了新的台阶,空间加工和产品生产进入了产业化,空间站的经济效益和科技价值更充分地显现出来。作为建造“阿尔法”空间站的序幕,美国航天飞机与和平号空间站进行了7次对接和联合飞行,以进行各种实验和技术准备工作。1995年6月29日至7月4日,“亚特兰蒂斯”号航天飞机与“和平”号空间站成功进行了首次对接和联合飞行,产生了强烈反响。

美国的航天飞机

航天飞机是一种像火箭一样垂直发射入轨,再入大气层后像普通飞机一样水平着陆的天地往返运输系统。它具有许多运载火箭和其他航天器所不具备的特点和功能。航天飞机的研制是航天技术向纵深发展的需要促成的。70年代以前,航天技术已取得了惊人进展,但存在的问题和不足也是十分明显的。例如,运载火箭和载人飞船都是一次性使用的,这使得航天发射的成本很高,代价很大;各种应用卫星都是高技术的产物,研制发展费用昂贵,郊果因没有进入轨道或因故障而不能投入使用,损失也是巨大的;载人航天最重要的是安全,如果飞船发生故障,势必威胁着宇航员的生命财产。60年代的研究表明,研制可重复使用酌航天飞机是解决这些问题的有效途径之一。

首次载人登月成功之后,乘阿波罗计划的东风,美国宇航局提出了雄心勃勃的未来航天计划,其核心目标是载人登上火星。但这个计划受到尼克松政府的断然否决。在这种情况下,宇航局又提出了航天飞机计划,它实际上是载人火星飞行计划的一个小项目。为了获得批准,宇航局非常乐观地描述了航天飞机的价值,包括经济价值和国防价值:(1)作为由宇航局和国防部联合使用的航天运输工具,能取代现有的12种不同的运载火箭;(2)当地球或空间出现有关国家安全的严重事件时,可用航天飞机迅速查明情况;(3)能迅速回收或更换与国家安全密切有关的失效或失误的航天器;(4)能捕捉、使其失效或摧毁不友好的航天器;(5)能回收或在轨修理出现故障的卫星;(6)能迅速救援处于困境或生病的宇航员,使他们摆脱困境。除了这些以往航天器不具备的能力外,宇航局还许诺说,利用航天飞机发射有效载荷入轨的成本只有一次性运载火箭的十分之一。

经过宇航局频繁游说,先后说服了国防部和预算委员会,最后也打动了尼克松总统。1972年,尼克松批准了航天飞机计划。美国国会在批准这项预算时,要求航天飞机的发展费用不得超过50亿美元。

航天飞机设计方案经过了很长时间才得以确定。它由最初的完全可重复使用的两极方案变成三位一体方案:一架轨道器(航天飞机)背驮了一只巨大的一次性使用的推进剂外贮箱,外贮箱的两侧各有一枚大型固体助推器。这种布局降低了总研制费。但由于外贮箱不能重复使用,从而提高了发射成本。航天飞机系统的尺寸为:轨道器长27.21米,翼展23.79米,机高17.39米。它的中部有一个长18.3米,直径4.6米的载荷舱。外贮箱长47.1米,直径8.38米,两枚固体助推器长45.5米,直径3.7米。为了实现“普通人也能坐航天飞机”的设想,航天飞机在起飞过程中的最大过载限制在3g以下,在返回时的过载限制在1.5g以内。航天飞机在研制过程中,解决了一系列高难度的技术问题,包括研制可重复使用的高性能液氢液氧发动机、大推力可重复使用的固体助推器、可重复使用的防热瓦等。

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