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1、气象卫星用来观察地球天气，以便使气象专家准确做出天气预报；遥感卫星让我们对海洋及变化多端的环境了如指掌；导航卫星使远洋船只多了双眼睛，可以随时躲过冰山；地球观测卫星用来监视植被，勘察偏远地区，探索地下资源，还能帮助人们迅速发现即将到来的环境灾难。卫星技术的发展，极大地改变了地球上的生活，人们越发渴望对宇宙的探索。1961年是载人航天时代的开始。苏联空军军官尤里加加林成为进入太空的第一人。火箭将5吨重的航天仓送入了预定轨道，人类首次成功地离开了地球。90分钟后，加加林安全返回了地球。美国决定以将人送上月球方式来赢得这场竞赛。1969年7月20日，阿波罗11号登上了月球，全世界五亿人通过电视观看了

2、阿姆斯特朗的月球漫步，登月仓在月球表面停留了21小时36分钟，然后离开月球，返回地球花了三天时间。如今太空开发已成了国际事务，人类已经把航天飞机和空间站都送上了太空，不仅研究太阳、木星、土星和火星，还要探讨其他星系的秘密，人类还要开发和利用空间资源。二、第一颗人造卫星简况世界上第一颗人造地球卫星人造地球卫星1号，是1957年10月4日发射的。它的本体是一只用铝合金做成的圆球，直径58厘米，重83.6公斤。圆球外面附着4根弹簧鞭状天线，其中一对长240厘米，另一对长290厘米。卫星内部装有两台无线电发射机频率分别为20.005及40.002兆周，无线电发射机发出的信号，采用一般电报讯号的形式，每

3、个信号持续时间约0.3秒，间歇时间与此相同。此外还安装有一台磁强计，一台辐射计数器，一些测量卫星内部温度和压力的感应元件及作为电源的化学电池。它在拜克努尔发谢场由一支三级运载火箭发射。起飞以后几分钟，卫星从第三级火箭中弹出，达到第一宇宙速度（7.9公里/秒），进入环绕地球飞行的轨道。它距离地面最远时为964.1公里，最近时为228.5公里，轨道与地球赤道平面的夹角为65度，以96.2分钟时间绕地球1周，比原来预计的所需时间多1分20秒。在秋夜的晴空中，有时它象一颗星星在群星中移动，肉眼可以看到它。这颗卫星的运载火箭于1957年12月1日进入稠密大气层陨毁。卫星在天空中运行了92天，绕地球约14

4、00圈，行程6000万公里，于1958年1月4日陨落。为了纪念人类进入宇宙空间的伟大时刻，苏联在莫斯科列宁山上建立了一座纪念碑，碑顶安置着这个个造天体的复制品。附：世界主要国家第一颗卫星的重量和大小国别发射日期重量（公斤）形状尺寸（米）苏联1957.10.4 83.6球体直径0.58美国1958.2.1 8.3圆柱体高0.75直径0.153英国1962.4.26 60高0.56直径0.58加拿大1962.9.29 144.7扁球高0.81直径1.06法国1965.11.26 41.7圆柱锥体高0.53直径0.55澳大利亚1967.11.29 71.2锥体高1.52径0.62西德1969.11.

5、8 72长1.226直径0.762日本1970.2.11 38高1.00底径0.48中国1970.4.24 173球形多面直径1.00印度1975.4.19 365高1.19直径1.59三、人造卫星的分类从1970年4月24日到2000年10月31日，我国发射了74个航天器，它们覆盖了地球所拥有的4种轨道。其中有国产的实验飞船1艘，国产的人造卫星47颗，外国制造的卫星26颗。现以47颗国产卫星为主，简要介绍一下它们的运行轨道。1.顺行轨道顺行轨道的特点是轨道倾角即轨道平面与地球赤道平面的夹角小于90度。在这种轨道上运行的卫星，绝大多数离地面较近，高度仅为数百公里，故又将其称为近地轨道。我国地处

6、北半球，要把卫星送入这种轨道，运载火箭要朝东南方向发射（为什么不是东北？），这样能够利用地球自西向东自转的部分速度（利用科里奥利力？），从而可以节约火箭的能量。地球自转速度可以通过赤道自转速度、发射方位角和发射点地理纬度计算出来。不难想象，在赤道上朝着正东方向发射卫星，可利用的速度最大，纬度越高能用的速度越小。我国用长征一号、风暴一号两种运载火箭发射的8颗科学技术试验卫星，用长征二号、二号丙、二号丁3种运载火箭发射的17颗返回式遥感卫星以及用长征二号F运载火箭发射的神州号试验飞船，都是用顺行轨道。它们都是从酒泉发射中心起飞被送入近地轨道运行的。通过长征三号甲运载火箭发射的1颗北斗导航试验卫星也

7、是采用顺行轨道。2.逆行轨道逆行轨道的特征是轨道倾角大于90度。欲把卫星送入这种轨道运行，运载火箭需要朝西南方向发射。不仅无法利用地球自转的部分速度，而且还要付出额外能量克服地球自转。因此，除了太阳同步轨道外，一般都不利用这类轨道。由于地球表面不是理想的球形，其重力分布也不均匀，使卫星轨道平面在惯性空间中不断变动。具体地说，地球赤道部分有些鼓涨，对卫星产生了额外的吸引力，给轨道平面附加了一个力矩，使轨道平面慢慢进动（绕地轴转动？），进动方向与轨道倾角有关。当轨道倾角大于90度时，力矩是逆时针方向，轨道平面由西向东进动。适当调整卫星的轨道高度、倾角和形状，可使卫星轨道平面的进动角速度每天东进0.

8、9856度，恰好等于地球绕太阳公转的日平均角速度，这就是应用价值极大的圆形太阳同步轨道。在太阳同步轨道上运行的卫星，可在相同的时间和光照条件下观察卫星云层和地面目标。气象、资源、侦察等应用卫星大多采用这类轨道。我国用长征四号火箭发射的2颗风云一号气象卫星和2颗测量大气密度的地球卫星，用长征四号2火箭发射的1颗风云一号气象卫星、1颗中国和巴西合制的资源一号卫星、1颗中国资源二号卫星、1颗实践五号科学试验卫星，都采用这种轨道。它们都是从太原发射中心升空的。长四乙火箭在发射资源一号卫星时，还用1箭双星的方式把1颗巴西小型科学应用卫星送入太阳同步轨道。3.赤道轨道赤道轨道的特点是轨道倾角为0度，卫星在

9、赤道上空运行。这种轨道有无数条，但其中的一条地球静止轨道具有特殊的重要地位。由于卫星飞行速度随距地面的高度而变化，轨道越高，速度越小，环绕周期越长，故由计算可知，当其在赤道上空35786公里高的圆形轨道上由西向东运行1周的时间，恰好是23小时56分4秒，正与地球自转一周的时间相同，这条轨道就被称为地球静止轨道。因为卫星环绕周期等于地球自转周期，两者方向又一致，故相互之间保持相对静止。从地面上看，卫星犹如固定在赤道上空某一点。在静止轨道上均匀分布3颗通信卫星即可进行全球通信的科学设想早已变为现实。世界上主要的通信卫星都分布在这条轨道上。有的气象卫星、预警卫星也被送入静止轨道。我国用长征三号火箭先

10、后发射了1颗试验卫星、5颗东方红二号系列通信卫星、2颗风云二号气象卫星、用长征三号甲火箭发射了1颗实践四号探测卫星、2两颗东方红三号通信卫星、1颗中星22号通信卫星，这些卫星中有10颗进入静止轨道预定位置。发射这类卫星，星上要携带远地点发动机，运载火箭把卫星送入大椭圆同步转移轨道后，地面再发出指令，让星上远地点发动机点火，将卫星移入静止轨道。4.极地轨道就卫星轨道类型来说，还有一种轨道倾角为90度的极地轨道。它是因轨道平面通过地球南北两极而得名。在这种轨道上运行的卫星可以飞经地球上任何地区上空。我国虽未研制运行于此类轨道的卫星，但发射过此类轨道的卫星。长征二号丙改进型火箭以1箭双星的方式6次从

11、太原起飞，把12颗美国铱星送入太空，就属于这种发射方式。 四、人造卫星的上天与控制人造地球卫星和载人飞船是航天技术发展的丰硕成果。据不完全统计，世界上有60多个国家参与了空间活动，飞行过的和正在飞行的各种空间飞行器大约有5000颗左右。航天技术的发展已与人类的生活密不可分，航天技术的成果已经走进千家万户。为了让大家对有关人造地球卫星和载人飞船的知识和技术有进一步的了解，在此谈一谈人造卫星及其他的航天器是怎样上天的。要便卫星上天，需要一系列的保障条件，这是一个极其复杂的大系统工程，主要包括了三个方面。1.产生动力的系统：运载火箭卫星必须靠一种动力装置把它送上天并使它达到一定的速度，在满足一定的条

12、件后才能围绕地球飞行，目前这种动力装置就是火箭。火箭的主要任务就是起到运和载的作用，因此也被称为运载火箭或者运载工具。下文中的火箭单指用于发射卫星用的火箭。火箭根据使用的燃料是液态还是固态分为液体火箭和固体火箭。目前一般采用液体火箭或者是固、液混合的火箭系统，而且是多级运载火箭。火箭不需要大气中的氧气进行助燃，在它的每一级内都有两个携带燃料的大储箱。在储箱内分别装有氧化剂和燃烧剂，利用这两种物质的混合燃烧，产生高温、高速的气体，从发动机的喷管中喷出后产生与火箭的喷流方向相反的推力。这个推力使火箭带着卫星离开了发射台，一边升高一边加速。当火箭的第一级工作结束关闭发动机后，自动地与第二级分离并且被

13、抛掉。这时火箭的第二级马上工作，继续升高加速就这样一级一级地工作，高度越来越高，速度越来越大，最后达到预定的高度和速度时，火箭全部和卫星分离了，卫星开始了自己的航程。火箭的构造是很复杂的，除了燃料、发动机外，还有控制火箭飞行、使火箭按照程序转弯的控制系统，以及监测火箭飞行的测控系统等。2.卫星地面发射场卫星地面发射场是发射卫星的专用场地。在发射场地内有复杂和完备的发射系统、测试厂房、各种测试仪器设备、燃料储存库和加注系统、气象观测系统、发射台和发射塔架、各种光学和无线电的跟踪测轨系统及用于对火箭卫星的飞行情况进行跟踪、轨道测量、接收信号、发送指令等功能的各种雷达和发射指挥控制中心，该中心对全过

14、程的工作进行指挥调度，作出各种决策。整个发射场一般分为两部分：一部分称为技术区，另一部分称为发射区。从卫星、火箭制造厂出厂的产品首先运到发射场的技术区，在技术区内完成对火箭和卫星的装配、测试和其他性能的检查。检查合格的火箭卫星再运到发射区，把火箭竖立在发射台上，再把卫星吊装对接在火箭上，然后进行联合测试。测试合格后火箭再加注燃料，一切准备就绪后实施发射任务。火箭和卫星连在一起后竖立在发射台上，火箭竖立在巨大的发射台上，发射台的旁边有近百米高的发射塔架，围绕着它周身上下有多层可以合拢的工作平台，当工作平台合拢时，把火箭层层环抱起来，形成多层工作平台，供工作人员进行检查操作，发射前，平台自动转到背

15、后。在远离发射台的飞行控制指挥中心，一排排的仪器设备紧张地忙碌着，火箭和卫星的每一个数据都传送到这里，显示在荧光屏上。操作者按照指挥员的命令进行一步步的检查测试。显示屏幕把整个火箭映射在上面，每一步的工作状态都历历在目，火箭起飞的飞行状况和飞行轨迹也清晰地显示出来。目前，我国有西昌、酒泉和太原等儿个卫星发射中心。3.呈罗棋布的测控网当火箭飞离了发射台，携带卫星开始它的征程、卫星在空中翱翔的时候，要使它们一直处于受控制的状态。这就好像是放风筝一样，火箭、卫星的飞行也是如此，有一条无形的“线”一直牵着它们，分布在全国各地的地面测控系统，就好像风筝线，一直在跟踪和控制着卫星。又因为卫星在空中不停地围

16、绕地球飞行，它每时每刻处于不同的地点上空，因此地面的测控站不能只设在一点，而是在全国各地，甚至在海上和其他国家都可能布站，即尽量做到大范围和全天候的跟踪测量，这就组成了一个星罗棋布的测控网。由于各种原因，做不到全球布站，但测控站尽可能多一点好。测控站要完成的任务是很多的。一方面当火箭、卫星在天上运行的时候，首先要知道它们是不是按照事先设计的飞行轨道在飞行。如果有误差至少要知道目前的实际轨道是什么样子，这就是轨道跟踪和测量。根据这些数据就可以推算它们在每一个时刻会飞到什么地方，这就是轨道预报。卫星测控的另一个任务就是遥测任务。当卫星在天上飞行时，不但要跟踪它，了解它的位置，而且还需要知道它工作的

17、情况是否正常等，以便采取相应的措施。火箭和卫星上有许多描述它们工作情况的信息，称之为遥测信号。这些信号通过无线电波发射到地面，由地面雷达接收站接收后变换成可进行分析的信息。它很像医生用仪器对病人进行检查，通过取得的数据来确定病情一样。不过，卫星是通过遥远的空间用无线电波进行星地的联系。对于载人的飞船，除了传输仪器设备的工作信息外，还要传送宇航员的工作情况和生理参数等。测控系统的另一项任务就是遥控，地面人员不但可以跟踪卫星，掌握它的工作状态，而且还可以对它进行干预和控制。当卫星出现了故障时，要把故障仪器关掉，命令备份仪器马上投入工作;临时决定要卫星完成什么工作时，对卫星发出命令；对于返回式卫星，

18、如果动力系统的管路破裂导致燃料泄漏（这是严重的故障），一旦漏光就有无法返回的危险，地面人员发现这个故樟后，马上向卫星发出控制指令，命令它停止一切其他工作，立即执行返回命令，此时的卫星就要紧急返回。由此可以看出遥控功能对在遥远的太空飞行的卫星来说是何等的重要。航天测控系统由两部分组成，一部分装在火箭和卫星上；另一部分在地面上，也就是地面的测控系统。地面的测控系统主要由测控指挥中心和分布在各地的地面测控站组成。测控站又分为陆基站、海基站和空基站，在这些地面测控站中，配备有各种光学设备、无线电雷达设备、信息接收及发送和处理设备，以及大型电子计算机等。各地面台站接收的卫星信息被送到测控中心，进行处理和

19、决策。4.地球同步轨道卫星的发射（吴健生）地球同步轨道卫星的发射很困难，技术很复杂。但如果一个国家的卫星发射场建在地球的赤道上，那这种卫星的发射就简单多了，在赤道上由西向东发射，达到要求的轨道高度，在适当的位置定点，问题就解决了。可惜的是，许多发射卫星的国家不在赤道上，也不可能在赤道上建立卫星发射场。这样给卫星的发射带来了许多的困难，要经过几次的轨道变换才能成功。现在我们结合下面的图来看看地球静止轨道卫星是如何发射的。为了便于说明和理解，首先假设从赤道面发射卫星，如图l所示。火箭起飞后达到一定的高度时， 一级火箭熄火并自动分离，火箭携带卫星爬升一段时间，即图中的惯性飞行，然后末级火箭点火工作，

20、当达到一定的轨道高度，火箭熄火。我偿再接着看图2，这时卫星进入一个距离地球很近的轨道，我们称它为初始轨道。当卫星到达初始轨道的远地点时，发动机再次点火工作，把卫星加速到一个大椭圆轨道 （转移轨道）上，这时大椭圆轨道的近地点就是初始轨道的远地点，而大椭圆轨道的远地点要正好是36000千米的高度，这时火箭的末级与卫星分离。当卫星再次转到大椭圆轨道的远地点时，卫星上的远地点发动机点火工作，把卫星推入36000千米的圆轨道，这就进入了地球同步轨道。我们再看看图3，由于大多数国家的发射场不在赤道上，所以实际上卫星发射时的轨道面和地球的赤道面总是有一个夹角，即轨道倾角。从图上可看出，卫星的轨道面和地球的赤

21、道面不重合，因此首要要的任务就是使卫星进入赤道平面，即要改变它的运动方向。因此在卫星的远地点发动机点火之前，首先要调整卫星的姿态，使发动机的轴线和轨道面成-定的角度。这时，当卫星飞经赤道上空时，恰好远地点发动机点火工作，给卫星一个沿发动机轴线方向的附加速度，如图3中的v1而卫星在原来轨道上飞行时有一个轨道速度，如图中的v。;这两个速度就按照力学的速度合成原理，合成一个新速度。这个新速度的方向是两个速度组成的平行四边形的对角线方向，如图中的v2。这个v2，速度是非常关键的，它的速度方向一定要刚好沿着地球的赤道方向，这时卫星才能在赤道上空飞行。此后，卫星还有一个定点的任务，还要经过姿态的调整和精确

22、的姿态修正。这是因为当卫星的远地点发动机熄火后，产生各种误差的原因往往使卫星的实际位置与要求的定点位置不一致。卫星定点实际上是卫星的轨道微调。卫星上除了装有远地点发动机外，在它的各个特定方向还装有成对的小发动机，按不同的误差起动不同的小发动机来进行轨道控制，精确修正轨道，使它慢慢贴近静止轨道并且停止漂移，这时卫星就完全定点于预定的地点上空了。但即使卫星已经定点很准了，当工作时间一长，由于地球形状的影响（地球不是正圆）、地磁场的影响，以及太阳甚至月亮的引力都使得卫星的位置发生变化 （轨道摄动），所以时不时的还要进行轨道修正，要随时控制它的状态和位置，这种修正我们称为卫星的轨记保持。从以上的介绍，

23、我们可以看出发射地球同步轨道卫星比发射一轨道卫星要复杂得多，而中国多成功地发射了地球静止轨道的通信卫星，充分说明中国已经完全掌握了它的发射和定点技术。五、卫星怎样返回地面在卫星家族中有一种返回式卫星，也就是要求卫星不但要能发射到太空飞行，而且还要再返回地面。到目前为止，世界上只有俄罗斯、美国和中国掌握了卫星的返回技术，这也是中国在世界航天史上引以自豪的项目之一。中国自1975年11月第一次成功地发射和回收卫星以来，已经发射了20多颗返回式卫星，也是我国发射最多的一类卫星。为什么有的卫星需要返回呢?它又是怎样返回的呢?相信许多人不一定能说清楚，我们现在就谈谈这个问题。1.为什么有的卫星要返回地面

24、?原来，我们设计的各种卫星都是为了完成一定的任务的。而有的只要发射到空中，飞行正常、卫星工作正常就能完成任务，不需要再返回地面，如通信卫星、气象卫星等。它们都是把接收到的相关信息再发送到地面，地面站接收到这些信息后经过一系列的变换，就能得到我们需要的信息，所以不需要再返回地面。而另一种卫星它们的用途不同，它们取得的工作成果必须在卫星返回地面以后我们才能得到，如可见光的照相侦察卫星及可见光照相的地球资源考察卫星。它们都是利用与我们常见的照相机相同的原理工作的，也就是把信息存储在胶片上，只有拿到胶片再经过加工，处理，我们才能得到信息。再比如，空间微重力实验卫星，它们把需要实验的装置和材料通过卫星带

25、到空间,经讨不同时间的飞行,也必须把它们回收以后才能进行分析和利用，所以这些用途的卫星就需要返回地面。2.卫星应具备什么条件才能返回地面?卫星的返回是个极其复杂的技术，它的难度比起发射卫星要大得多。这是因为卫星在发射时，它的速度是从零逐渐被加大的，在大气层飞行的时间短而且速度也低，更何况大多数卫星在发射时都被装在一个被称为整流罩的罩子里，在卫星飞出大气层以后整流罩才被抛掉。而卫星的返回则不同了，它在轨道上是以每秒钟8000千米的速度飞行，当它返回时，它像一个技艺高超的杂技演员，要在空中准确地完成一系列的高难动作，才能返回。同时，它以这么高的速度冲向地球，当飞行到大气层时，会和气体产生强烈的摩擦

26、，在被减速的同时，也会被强烈地加热，使卫星的表面产生几千度的高温，这叫做气动加热。卫星必须能可靠地防热，否则会被烧毁在大气层中。因此卫星要想安全地返回，起码要具备以下几个条件。（1）卫星的控制系统要能够准确地调整卫星的状态，使它从轨道的飞行姿态调整成返回姿态。（2）如果卫星是由多舱段组成而且部分回收的话，必须能够可靠地分离。大多数的卫星都是部分返回的，也就是说，只有带有成果的部分返回地面，而卫星的另一部分分离后就留在了太空，这样做的目的是为了节省能量。（3）卫星要自带动力系统，使它能够脱离原来的飞行轨道进入返回轨道。（4）要有良好的防热性能和隔热性能，不但卫星不能被烧毁，而且要很好地保护内部的

27、成果和仪器设备，温度不能过高。（5）卫星上要有良好的减速和缓冲设备，使它安全地降落在地面。（6）卫星上还要有控制和标位的装置，能在返回时控制它的飞行，在接近地面甚至落地以后能够发出各种信号，以使被迅速地找到和回收。3.卫星怎样返回地面?卫星是怎么样返回地面的呢?这是一个复杂的问题，首先还得从它的轨道飞行谈起。一般返回型卫星的轨道高度都不太高，在200400千米左右，这就是说，它围绕地球飞行一圈的时间（周期）大约90分钟。而我们知道，地球是自西向东自转的，24小时转一圈，那我们可以想象得出，卫星转过一圈时，地球只转过了一个小角度。而卫星不是只要落在国内就行，而是定点、定时着陆的，它要按照预定的时

28、间准确地落在预定的地点，这就要求不管卫星在天上飞行多长时间，它的最后一圈飞行的轨道一定要经过回收点上空，这是起码的条件，否则就不可能定点回收。要达到这个条件就要求轨道设计得很准确，而且要求运载火箭准确地把卫星发射到预定轨道，二者缺一不可。现在让我们结合图1来看看卫星具体的返回飞行。原来在轨道上飞行、执行任务的卫星，当它完成飞行任务需要返回时它真像一个优秀的杂技演员，在空中要完成一系列的高难动作。（1）调整姿态，也就是要卫星调一个头，从原来的飞行姿态由控制系统调整成返回时的姿态。这个调头的角度要求是非常严格的，不能大也不能小，因为卫星是在预定的时间着陆在预定的地点，如果调整的角度不准，那它就不可

29、能进入预定的返回轨道，也就不可能在预定的地点着陆，不知会落在何方，有时甚至会掉在海里或者别的国家。（2）舱段分离。一般大一点的卫星都是由几个舱段组成的，为了节省能量只有带有成果的返回舱返回，因此其他的舱段要与返回舱分离，留在轨道上。（3）返回舱旋转。在返回前还必须使返回舱以一定的速度旋转起来，目的是为了在返回动力装置工作时保持和稳定它的姿态。我们有这样的经验，高速旋转的陀螺就能稳定它的姿态，就是这个道理。（4）脱离飞行轨道。在返回舱上装有动力装置，一般是具有一定推力的固体火箭，我们称它为反推火箭或者叫制动火箭。返回舱旋转起来后，制动火箭点火工作，给返回舱一个推力，就会产生一个速度，这个速度方向当然是沿着返回舱的纵轴方向。而卫星在原来的轨道上飞行时也有一个速度，是向前的。按照力学或者速度的合成原理，正像图上表示的，这两个速度合成一个新的速度和方向，要恰好是返回轨道的方向，这时的返回舱就会脱离原来的飞行轨道而进入返回轨道，并沿着这个方向向地球飞行了。火箭的推力大小、推力方向必须很准确，否则也不能定点着陆。当火箭熄火后，还得让返回舱再消旋。所谓消旋就是便它的旋转速度慢下来，因为要准备接受气动加热的考验。我们从图上看到，由