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第8章 宇航科技使人類飛向太空(4)

當然,這五個基本條件同時都具備不容易,但至少要優(yōu)先保證緯度盡可能低些、氣候盡可能好些這兩條。

隨著航天事業(yè)的發(fā)展,有條件的國家都在努力建設自己的發(fā)射場,或與別國合作建設。據(jù)統(tǒng)計,到1990年底,全世界已公開的航天發(fā)射場共有17個。

近幾十年來,全世界有4200多次的航天器成功發(fā)射都是在這些神秘的場區(qū)進行的,人類走上探索宇宙的“金橋”就是從這里開始邁出第一步的。近兩三年來這些嚴守秘密的航天器始發(fā)站開始逐步揭開一角,為世人所見,大開了眼界。

(2)宇航測控

航天器進入茫茫太空,運轉(zhuǎn)速度快,軌道復雜,航天器在空間航行,必須與地面保持密切的聯(lián)系,由地面對航天器進行跟蹤、遙測、遙控和通信。測控系統(tǒng)由分布在全球各地的臺、站、船等組成。這些地面設備具有非常完備、高級的電子設備,是航天技術中的重要組成部分。

第一步,從升空到運行的測控。航天器隨運載火箭離開發(fā)射臺之后,很快進入看不見、摸不著的宇宙太空,要跟蹤和測量航天器的飛行路線,掌握其工作狀態(tài),預報其運行軌道,以及改變其運行軌道,就只能通過無線電波等手段,同時建立實時的信息聯(lián)系。

地面測控網(wǎng)要按照航天器的飛行軌道和任務,比如:入軌點、機動變軌段、回收段等,在地面上布置以控制計算中心為核心的多處測控站,在海上布置以測量指揮船為核心的測控船隊和島嶼測控點。它的主要任務就是:一要接收記錄遙測信息,并向測控計算中心傳送;二要在跟蹤測軌獲得初軌的基礎上進行計算,以作出航天器運行軌跡的全球性預報;三要控制計算中心綜合并計算各測控站的數(shù)據(jù)、實時顯示航天器的各種工作狀態(tài);四要通過地面遙控系統(tǒng),向航天器及時發(fā)出遙控指令,對航天器進行遙控。

為保障長期執(zhí)行航天測控任務,除少數(shù)測控航隊可臨時機動派遣外,絕大多數(shù)測控站是常設的。比如,我國航天測控網(wǎng)的衛(wèi)星測控中心設在陜西渭南,輻射到全國各地,在各地建立了20多個航天器(當前還是人造地球衛(wèi)星)觀測站,形成了廣闊而密集的測控網(wǎng)絡。地面測控網(wǎng)規(guī)模宏大、系統(tǒng)綜合性強,要能對航天器“抓得住、測得準、報得及時、指控得力”,必須建立一個綜合控制的統(tǒng)一的測控網(wǎng)。這種“綜合測控技術”在60年代后期我國首先采用,取得優(yōu)異成效,在“計算機錄取和交換數(shù)據(jù)”、“四機聯(lián)網(wǎng)指令鏈”和“系統(tǒng)仿真模擬”等應用技術方面,對解決航天器進入太空、返回地面、同步定點問題發(fā)揮了突出作用。從80年代中期開始,我國西安衛(wèi)星測控中心開發(fā)出了利用一套測控網(wǎng),連續(xù)8年同時對多顆不同類型的在軌運行的長壽命衛(wèi)星實施“一網(wǎng)管多星”的獨特模式,闖出一條科學、高效、經(jīng)濟的衛(wèi)星測控管理之路,使這一測控技術達到世界先進水平。

第二步,從繞地到定點的指揮。通信衛(wèi)星,通常設在地球同步靜止軌道上,故也稱地球同步衛(wèi)星或靜止衛(wèi)星。它定點于赤道上空35786公里的軌道上,比測控近地軌道上的航天器要復雜得多。在保證中、低軌道測控網(wǎng)的基礎上,必須增加大功率、高靈敏度、超遠距離的測控設備,才能適應靜止軌道航天器的測探要求。為實現(xiàn)這種超遠距的測控任務,通常要采取和解決下述三類措施的問題。

——分散測控系統(tǒng)

這是采用微波跟蹤測量設備,加上超短波遙測、遙控等設備組成測控網(wǎng),而這種分散測控系統(tǒng)的功能系統(tǒng)“各自為政”,互相獨立。這種系統(tǒng)單個設備功能全,精度相對高,但協(xié)調(diào)統(tǒng)一難度大、耗資多,整體效益并不很高。

——微波統(tǒng)一系統(tǒng)

即將多種功能統(tǒng)一在一套設備上,采用微波頻段進行協(xié)調(diào)。由一個天線、一套收發(fā)設備組成的微波統(tǒng)一系統(tǒng),具有跟蹤測軌、遙測、遙控、數(shù)傳的能力,即“四合一系統(tǒng)”。

——同步控制系統(tǒng)

航天器在進入同步軌道靜止定點過程中,要經(jīng)過變軌和軌道調(diào)整等多種程序。航天器在進入轉(zhuǎn)移軌道后,測控系統(tǒng)一要測量航天器與運載火箭分離后的衛(wèi)星軌道參數(shù),二要遙測監(jiān)視其工作情況和姿態(tài)、轉(zhuǎn)速等參數(shù),三要對建立點火姿態(tài)及點火控制等進行控制。

當航天器進入準靜止軌道后,測控系統(tǒng)一要對其即將越出地面測控站作用范圍前測出準靜止軌道參數(shù);二要對其進行遙測和遙控,使其建立軌道法向姿態(tài);三要進行軌道調(diào)整控制。首先使其向預定軌道位置漂移。當其到達預定位置后,進行軌道調(diào)整。當進入同步定點軌道時,使其停止漂移,并使其運行周期與地球自動周期相近(約差4分鐘)。

當航天器進入靜止軌道定點正常運行時,測控系統(tǒng)轉(zhuǎn)入常規(guī)測控,一要定期測軌,及時調(diào)整其偏離值;二要測量其工作狀態(tài);三要對其姿態(tài)及轉(zhuǎn)速進行測量和調(diào)整;四要對消旋定向天線對地定向的情況進行測量。

為了保證這些測控任務的完成,要派出遠測量船隊,對超出國土以外的航天器運行過程進行測控。

有的地球靜止衛(wèi)星采取自旋姿態(tài)穩(wěn)定辦法對其軌行修正和姿態(tài)修正時,要使衛(wèi)星上的小發(fā)動機的噴氣與衛(wèi)星自旋同步。這種“同步控制”可有幾種方式。比較先進的是采用“星地間測控大回路的”的同步控制,即由遙測測出衛(wèi)星自旋的周期和瞬時相位以及其他姿態(tài)參數(shù),由遙控系統(tǒng)發(fā)出遙控指令,使衛(wèi)星小發(fā)動機的噴氣脈沖正好在衛(wèi)星自旋到相應的相位上。這對測控回路的傳輸及調(diào)制、解調(diào)方式的要求十分嚴格。只有這樣,才能保證同步控制的時間精度達到小于1毫秒。

因此,確保航天器到達地球同步軌道,不僅要有一大批測控臺、站、船隊的相互配合、協(xié)同行動,而且要有大量計算機、通信設備來予以保證。通常要有一個擁有多臺計算機的測控中心、兩個精度高、作用距離遠的微波統(tǒng)一系統(tǒng)和三艘遠洋測量船。此外,還要有設置在廣大國土地面上的雷達站、遙測站、光學跟蹤站等眾多的臺站協(xié)同動作,各司其職,同步行動。

第三步,從脫軌到返回的召喚。要使航天器發(fā)射上天,固然很不容易;但要使其在茫茫太空運行中,按人的意志返回地面指定地點(或海面濺落),同樣相當困難。截止到1992年,世界上也才只有三個國家具有航天器回收技術能力,我們中國就是其中之一。

對返回式航天器的測控,不僅對航天器本身要有特殊的要求,比如接收測控指令的靈敏度、制動姿態(tài)轉(zhuǎn)變的控制系統(tǒng),以及再入大氣層時的能夠忍耐1000℃以上的高溫防護措施和軟著陸或濺落裝置;在載人航天器上還要有人工緊急操縱系統(tǒng)和救生逃逸系統(tǒng)等,這些都大大不同于非回收式航天器的技術要求,而且對地面測控系統(tǒng)技術也提出了更高的特殊要求。它不但要能進行發(fā)射、升空、運動等軌跡跟蹤測控,而且要能對其脫軌、再入、回收等準確無誤地進行測控。

返回式航天器測控網(wǎng)負有重要的歷史使命。其主要任務:一是對航天器進行跟蹤觀測,取得數(shù)據(jù);二是進行數(shù)據(jù)處理,計算初軌并對初軌進行修正,計算精軌,選擇回收圈,預報發(fā)出回收調(diào)姿、分離指令的時間和粗略落點;三是接收和處理遙測數(shù)據(jù),并對其中重要參數(shù)實時處理;四是對航天器發(fā)出遙控指令,以控制航天器上對應的設備及時進行開(關)機,同時還要校準航天器上的計時裝置;五是根據(jù)軌道壽命和遙測參數(shù),作出判斷是否需要緊急回收的決定;六是在航天器回收段,要完成再入控制、跟蹤、觀測,再入彈道計算、安全判斷和安全控制等任務。

綜上所述,我們可以看到,從航天器發(fā)射升空、地球靜止軌道同步定點,到返回式航天器返回成功,都與地面測控系統(tǒng)技術的不斷提高有著密切關系。

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