人造衛(wèi)星繞地球轉(zhuǎn)為什么沒有能量損耗

【專家解說】：在太空中環(huán)繞行星旋轉(zhuǎn)的星體，叫做衛(wèi)星。如果我們利用火箭，將一些物體發(fā)射到太空，使它環(huán)繞地球旋轉(zhuǎn)，這些物體就是人造衛(wèi)星。 要把人造衛(wèi)星發(fā)射到太空，必須使用強力的多節(jié)火箭和高能的燃料。同時，火箭的速度和方向必須控制非常恰當，才能正確地使人造衛(wèi)星進入軌道。人造衛(wèi)星的內(nèi)部，裝置著各種精密的儀器。為了保護這些儀器，人造衛(wèi)星內(nèi)部需要填充氣體，來調(diào)節(jié)壓力和溫度。 目前，人造衛(wèi)星多用在軍事、通訊、資源探測和氣象觀測等方面。它們將觀測到的資料，透過高頻率的無線電波傳回地球，提供科學家參考研究。 人造衛(wèi)星的外型 人造衛(wèi)星的外型多半設(shè)計成球型、羽毛球型或陀螺型等流線型，以減少在太空中受到阻力。人造衛(wèi)星的高度，依照它的功能而有不同。它是以慣性在太空中運轉(zhuǎn)，受到阻力時，會逐漸下降，而燒毀隕落。所以，為了延長它的壽命，通常都盡量射高一點。 要把人造衛(wèi)星戲上幾百乃至幾萬公里的高空，必須要有強大的火箭發(fā)動機，以及優(yōu)良的高能燃料作為推進劑;由于火箭的噴氣速度很高，火箭的外殼及發(fā)動機的噴口都需用特材料制造;此外，在制造火箭體的外殼時，還需要注意到它的形體均勻完整問題。因為如果火箭體的外殼稍有皺紋或裂痕，或是對稱幾何的形狀結(jié)構(gòu)上稍有偏差，那么，當火升空時，高速的摩擦力就會使火箭體的外殼粉身碎骨。 人造衛(wèi)星是人類科學文化發(fā)展的產(chǎn)物。為了科學探測的需要，在人造衛(wèi)星上必須裝配上各種儀器，同時又因為人造衛(wèi)星是在『天外』運行的物體，宇宙空間的陽光輻射和宇宙射線等等的強度，比起地面都要大上千百倍。所以，人造衛(wèi)星的設(shè)計，無論在構(gòu)造和質(zhì)量上，需要高度技巧以適應『天外』的環(huán)境。 人造衛(wèi)星的外形多數(shù)被配成為球體、半橢圓的羽毛球體或陀螺球體等流線型式。因為人造衛(wèi)星不斷地繞著地球運轉(zhuǎn)，速度非常快，以普通的人造衛(wèi)星而論，每繞地球一圈，只需114分鐘，在這高度運動中，如果不設(shè)計成上述形，將會受到非常大的阻力，至少，流星、隕石和稀薄的外層大氣都會將它的運動速度逐漸減低。 因人造衛(wèi)星受到的太陽輻射和宇宙射線的強度特別厲害，所以，在設(shè)計上人造衛(wèi)星往往是十分明亮、反光性特別好的球體，所以有些人造衛(wèi)星便被制成一個轉(zhuǎn)動的陀螺體或球體，使太陽輻射均勻地照在它的球面或面上，不致因陽光高度集中在一個質(zhì)點，而產(chǎn)生高熱將合金燒熔。事實上，增加人造衛(wèi)星的反光性，還可以使人容易看到，為了這個原因，有些國家所發(fā)射的人造衛(wèi)星，就涂成橙色或鮮紅色，以利于地面上用光敏電阻儀器去追蹤。 在人造衛(wèi)星的內(nèi)部，一般都裝有許多『高級』的精密科學儀器，所以在人造衛(wèi)里面還要充入定量的氣體，其目的一是保溫、一是調(diào)節(jié)壓力。所謂保溫，因為人造衛(wèi)星每繞地球一周，就有差不多一半的時間在地球背后黑暗的影子里移動，接觸不到陽光，這時候溫度可以降低到攝氏零下200多度，而在曬到陽光的另一半時間里，溫度就急劇上升得很高，冷熱差異十分強烈，如果不利用氣體來保溫調(diào)節(jié)，人造衛(wèi)星內(nèi)所有的無線電儀器便不能準確工作了。至于調(diào)節(jié)壓力，因為地面的儀器裝設(shè)都是在正常的地球大氣壓力下進行，一旦升到高空，因為沒有大氣壓力，許多儀器會失靈。為此，不但要在人造衛(wèi)星里充滿空氣，還要把人造星密卦，并安裝『強制性』的氣體循環(huán)系統(tǒng)，以便保證人造衛(wèi)星艙內(nèi)的氣體壓力均衡，及時調(diào)節(jié)艙內(nèi)的溫度。 地面上把各種信號送到很遠的地方，需要有強功率的發(fā)射設(shè)傋和強大的電源，發(fā)射功率愈大，所需的電源功率也就相對愈大，一般來說就要增加電源的體積和重量，但對人造衛(wèi)星而言，又笨又重的電源會給它的發(fā)射增加困難。 那么人造衛(wèi)星上的電臺用的是什么樣的能量呢?人造衛(wèi)星發(fā)射無線電訊號使用的是電池。目前使用在人造衛(wèi)星上的電池有兩種，化學能電池和太陽能電池。有的衛(wèi)星采用化學能電池供電，供電的時間有一定的期限，當電池能量消耗完，人造衛(wèi)星也就不再發(fā)送訊號。有的衛(wèi)星是采用兩種電池聯(lián)合使用的方法，在人造衛(wèi)星外表面上密集地排列著一組光電池，它是由一種半導體所制成，能將太陽光直接轉(zhuǎn)換成電能，這樣多個元件組成的電池組發(fā)電功率較大，太陽能是取之不盡、用之不竭的，但是由于人造衛(wèi)星地球運行，有時會進入地球的陰影之內(nèi)，陽光被地球遮蔽，這時太陽電池就會立即停止工作，但是人造衛(wèi)星上的電臺、儀器決不能因此而斷電，便采另一組電池──一種類似鎘鎳電池的電池來供電，它可以用光電池反復進行充電，這樣太陽電池和蓄電池聯(lián)合使用，就能不間斷地給衛(wèi)星供電。 一顆人造衛(wèi)星發(fā)送的訊號世界各地都能收到，其主要原因一是人造衛(wèi)星發(fā)射無線電波的功率相當大，一是由于用20.009兆周的頻率。 一般電臺的廣播采用的都是中波，是自500千周到1500千周這一段頻率。中波靠地面?zhèn)鞑?，容易受到障礙而傳送不遠，同時為發(fā)射天線的長度與頻率高低成反比，頻率愈低天線就要愈長，這樣電臺設(shè)備就很龐大，顯然在人造衛(wèi)星上是不合適的。當無線電波頻率大于這個范圍，而漸漸升到達短波段時(一般指3兆周至30兆周)，無線電波損耗就很小，而能夠穿過稠密低空大氣層，到達電離層(距地面約50公里)，由于電離層有反射或折射短波的作用，短波被反射或折射回地面，這樣電波就在地球表面和電離層之間來回射而傳送遠處，每當夜間由于太陽活動響減弱，電離層就升高，電波反射能傳得更遠，這就是為什么使用短波能收到遠處電臺，并且晚間收音機特別靈敏的原因。 那么人造衛(wèi)星上采用任意頻率的短波是否可以呢?人造衛(wèi)星在幾百公里高空，遠在電離層之上，如果采用一般短波，就會受到電離層的反射而返回太空，很難到達地面。人們發(fā)現(xiàn)，電離層有反射短波的作用，但有一些特殊頻率的短波，卻能穿過電離層，人造衛(wèi)星用它來傳播通訊所受反射極少，就像光線能穿過窗口照進屋子里一樣，這幾個頻率也就稱之為『窗口』頻率，20.009兆周正是這種窗口頻率中的一個。有了強大的電源，高頻、大功率的管子，先進的電子技術(shù)，產(chǎn)生20.009兆周的強力電波，太空中一顆人造衛(wèi)星能使其訊號通行無阻地播送到世界各地。 軍事衛(wèi)星 發(fā)射到太空中從事大關(guān)軍事任務(wù)的衛(wèi)星，叫做軍事衛(wèi)星。軍事衛(wèi)星的發(fā)明，將人類帶進太空戰(zhàn)爭的時代。 目前，衛(wèi)星在軍事指揮上占有重要的地位:利用軍事通訊衛(wèi)星，可以在瞬間獲得世界各地的情報;軍事偵察衛(wèi)星，可以偵測到敵國的飛彈基地、軍事基地、軍艦動態(tài)、甚至潛水艇的位置;預警衛(wèi)星可以測出前來攻擊的飛行物體。這些資料都是制定作戰(zhàn)計畫的參考。 另外，還有殺手衛(wèi)星，它具備了雷射或小型飛彈，是專門用來摧毀敵國太空船或飛彈的武器。目前人類的戰(zhàn)爭已從地打到高空，美國的前任總統(tǒng)雷根積極推動『策略性防衛(wèi)計畫』(俗稱『星戰(zhàn)計畫』)，他的目的就是要在太空中確保自由世界的安全和軍事優(yōu)勢。 通訊衛(wèi)星 地面無線電短波通訊是靠高空電離層的反射來進行，但人們逐漸發(fā)現(xiàn)，在某些特殊的情況下，如太陽活動劇烈時，電離層會到突然『騷擾』，這使得短波無線電訊號立即衰弱甚至完全中斷，其時間短則幾分鐘，長者可達一小時左右。 這種通訊中斷現(xiàn)象在軍事上影響很大，利用人造衛(wèi)星作通工具就是有效的措施之一;人造衛(wèi)星可以作為通訊的中繼站，夾轉(zhuǎn)播無線電波，所以用人造星建立起來的通訊網(wǎng)，即使在戢時，也可以不受電離層的干擾而暢通無阻。 同時，如果在人造衛(wèi)星上裝上特殊的攝影機和電視機，它就可以仔細地拍攝地形，偵察軍事基地，并將這些地方的位置精確測量出來，然后再把資料用無線電波傳回地面。如果在人造衛(wèi)星上附設(shè)一些儀器，如紅外線傳感器、X射線偵察器等，就可以用來辨別導彈的發(fā)射，作為空中警戒站，也可用來觀察高空的核爆情況，另外在人造衛(wèi)星上也可以裝自動武器，如導彈核武器等。 在高空中的衛(wèi)星，可以將從甲地接收到的訊息，傳給距離遙遠的乙地，便稱通訊衛(wèi)星。我們在臺灣可以同時從電視上收看到正在美國舉行的世界少棒賽，就是透過通訊衛(wèi)星。 通訊衛(wèi)星可以傳遞電話、電報、廣播和電視畫面等訊息。方法是利用微波(高頻率的無線電波)，載送要傳遞的訊號，穿過地球大氣的外層，到達衛(wèi)星上的接收器，衛(wèi)星把收到的電訊放大后，再傳到地面上等待接收的地點。這樣的通訊方式，不但打破了地理上的障礙，也使得國際之間交換資料更加方便。 人類從1950年美國發(fā)射第一枚氣球式通訊衛(wèi)星以,來，便不斷地改進和增加它的功能。1964年8用美國發(fā)射同步通訊衛(wèi)星三號，是第一枚將電視畫面橫貫太平洋，從美國傳到東方的通訊衛(wèi)星。未來，衛(wèi)星通訊的業(yè)務(wù)，將發(fā)展衛(wèi)星群和高動力通訊衛(wèi)星連線作業(yè)，并且制造像口袋般大小的收發(fā)器，讓人類在世界各個角落，都能互相通訊聯(lián)絡(luò)。 資源衛(wèi)星 資源衛(wèi)星的完整名稱是地球資源探測衛(wèi)星。它的功能是用來探測地球表面的資源分布情況，例如礦物的蘊藏、水的分布、農(nóng)作物種植的狀況、森林災害和海水污染等現(xiàn)象。 資源衛(wèi)星可以利用本身的照相設(shè)備，清楚地拍攝地面景像，傳送到地面的資料處理中心。同時，它也能收集各地面站發(fā)送來的當?shù)丨h(huán)境資料，再將這些資料傳送到地面資料處理中心。科學家利用這些資料，可以制定土地運用計畫、鑒定農(nóng)作物病蟲害、監(jiān)視火山或地震等自然現(xiàn)象，對人類生活幫助很大。 目前，唯一做為商業(yè)用途的資源衛(wèi)星，是美國的大地衛(wèi)星，它能在每25秒內(nèi)拍攝185平方公里的區(qū)域，這些照片直接傳送到地面接收站，用電腦分析，并且印出來，提供科學家從事研究。