通信卫星的发射和应用.doc

通信卫星的发射和应用据人民日报载文，1997年5月12日零时17分我国研制新一代通信卫星东方红三号。由新型长征三号甲运载火箭在西昌卫星发射中心发射升空。经过三次变轨和多次定点捕获进行轨道修正，于5月20日15时1分成功定点于东经125度赤道上空。即将交付中国广播通信卫星公司投入使用。 听到这则振奋人心的消息后，同学们有什么感想？难道不为我们祖国的科学技术水平的发展而感到骄傲吗？你想知道有关卫星的知识吗？好，在这里向大家作一介绍。这次讲座的题目是通信卫星，讲三个方面的问题： 1.什么是人造地球卫星； 2.卫星的发射； 3.卫星的种类和应用。 一、人造地球卫星 要认识什么是人造地球卫星，先从卫星说起。 星光闪烁的夜空，向我们展现了深远而广阔的宇宙。正如我国古代诗人、哲学家柳宗元歌唱的那样：天际没有尽头啊，宇宙辽阔无边！宇宙有些什么？远在三千多年前的殷周时期，我国古代劳动人民和古代科学家，开始对宇宙有了初步认识，经过几千年人们的观察研究，现在知道：宇宙是无数颗星体组成的。我们看得见的亮星都是一颗颗火热的太阳，我们看到的天河，是由千千万万颗以上的恒星组成的，称为银河系（恒星系），宇宙有千千万万个像银河系一样的恒星组成。各种星体都在不停地运动着。 太阳系是银河系中微不足道的一个星系，而太阳系又是由什么组成的呢？（放投影灯片）太阳系由九大行星（依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星）和成千上万颗小行星及160颗彗星组成的，各行星都在绕太阳高速旋转。 太阳系的九大行星中，有些行星周围又有小星体围绕它运转，周围绕行星转的小星体叫卫星。现已探明：火星的卫星有两颗、木星有14颗、土星有17颗、天王星有5颗、海王星有两颗，我们居住的地球周围天然存在的卫星只有一个，就是月球。 现在人类已经制造出具有某种功能的小天使，发射到空中绕着地球转动，这就是人造地球卫星。 二、人造地球卫星的发射 把一颗人造地球卫星发射到空中，使它绕地球转动并不是一件容易的事。我们知道，在同一高度，沿水平方向投石头，出手速度越快，石头被投得越远；如果水平投出速度一定，所处位置越高，石头被抛得越远。在特定的高度抛石头，当速度足够大时，会使石头绕地球一周后回到原来抛出点仍然掉不下来，这块石头就会继续绕地球转动起来，成为地球的一颗卫星。 那么，这个特定高度是多高呢？人们通过计算，至少为160km，是珠穆朗玛峰海拔高度的近20倍！投石头难，投100多公斤（多者4.8吨）的卫星更难！再说这个很大速度又有多大才能使卫星绕地球转动呢？经理论计算为7900m/s，（称为第一宇宙速度，）让我们想象这个速度是多快：火车速度为60km/h，合17m/s，飞机速度合500m/s，普通炮弹速度为1 000m/s.也就是说卫星环绕速度为普通炮弹速度的8倍！ 怎样把卫星送入预定高度和得到那么快的速度呢？靠火箭。下面讲讲火箭的原理和构造。先看原理，将充有空气的玩具气球（用手捏口）放开，气球会向空气喷出方向的反方向飞去。点燃冲天炮，燃气向下喷出，冲气炮向上冲去，这类现象叫反冲运动。火箭就是靠反冲运动产生动力，把卫星推向高空的。 再来看火箭的结构和功能，它有外壳、两个储藏室、两个输送泵、燃烧室和喷管等组成。它能自动带燃料和氧化剂，通过输送泵输入燃烧室，产生的燃气从部喷管高速喷出，燃气对箭体产生巨大的反冲力把火箭和卫星推向太空。 由于一个火箭所装燃料和氧化剂都是有限的，因此它所达到速度也是有限的，据推算单级火箭速度可达4500m/s，达不到7900m/s.能不能把火箭做大些，多装燃料，延长喷气时间而增大速度。但是如果将火箭和卫星在地球附近较密集的大气层内速度过大，火箭会跟空气摩擦产生5000以上高温，把它熔成灰烬，就跟我们在晚上看到的流星一样。怎样解决这个矛盾呢？人们设计了长时间加速的三级火箭。用三级火箭可以很方便地把卫星送入空中轨道，第一级火箭首先点火发动，速度逐渐加快，竖直向上运动约4分钟，第一节燃料耗尽后它的驱壳就会自动离开，同时第二级点火发动，速度由慢到快，方向也由竖直变成水平，接着第三节点火，使火箭体、卫星加速，将卫星送入预定轨道。以上动作都是在地面监控下完成，不能有半点闪失。 火箭技术是高科技尖端技术，我们中国在这方面走在世界前列。我们建有酒泉、西昌、太原三个卫星发射中心，拥有长征和风爆运载火箭系列，从1970年4月24日发射成功第一个实验卫星以来，已经为国内外升空各种人造卫星50多颗，其中17颗为回收卫星，回收率100%，目前具有这们回收水平的只有美国、俄罗斯和我们中国共有三个国家。我们还掌握了一箭三星技术，即用一枚火箭，同时发射三颗卫星。我们不但为国内发射卫星，还能为其他国家和地区发射卫星，取得商业利益。在1990年4月8日，为亚洲广播公司发射了亚洲一号卫星，在1991年发射升空了澳星一号通信卫星。据悉，目前（1998年4月）已有十六个国家和地区的近40个公司要求中国为其发射卫星。 人类发射的人造地球卫星有哪些用途呢？归纳起来，有科学实验卫星、通信卫星、气象卫星、导航卫星、侦察卫星、截击卫星等，这里，我们只是介绍通信卫星。 三、通信卫星的种类和应用 通信卫星是用来传播电视信号的人造地球卫星。如奥运会赛况、香港回归交接仪式等通过卫星传到世界各地区，供人们收视。 （1）通信卫星分类，通信卫星分为静止通信卫星和运动通信卫星两种。 第一种是静止通信卫星。静止卫星又叫做地球同步轨道通信卫星，这类卫星定点后虽然绕地心转动，但是地球上的人却觉得它在空中静止不动（为什么？），它围绕地球一周的时间为24小时（实际上23小时56分4.1秒）。静止通信卫星要求圆轨道必须在赤道上空，否则从地球上各点看来不可能是静止不动的，这是因为地球的自转是自西向东围绕过南北极的轴而旋转的。这一点对静止通信卫星的发射和控制就提出了极其严格的要求。 第二种卫星是运动通信卫星。这种卫星是相对静止通信卫星而言的，它绕地球一周时间小于24小时，这种卫星发射比较容易，但由于卫星是运动的，如果只有一颗或几颗卫星，就不能保证地面站之间连续通信。要实现连续通信，必须发射8颗至几十颗，地面站跟踪设备要求很高。除非特殊情况，如战争时被破坏，可迅速补充代用，一般尽可能采用静止通信卫星。 （2）卫星通信系统设备组成 除了发射通信卫星的设备（火箭、发射场及其遥控等设备）外，卫星通信系统本身包括通信卫星、卫星控制中心和卫星通信地面站三部分。 通信卫星是由电子设备、电源系统和远地点发动机组成。电子设备是通信天线和中继转发器，它的作用是接收来自地面的信号，经过放大，频率变换后再向地面发射。此外电子设备还包括无线遥测遥控指令装置。电源系统供给卫星上各种设备所需的电能，由太阳电池和蓄电池构成。 卫星控制中心的作用是对卫星进行遥测遥控。发射中入轨点定测试就是由控制中心下达指令完成的。 地面站由天线系统、控制系统、发射系统、接收系统、终端系统及电源系统等六部分组成。天线系统是供发射、接收信号用的，地面站天线较大。发射系统将要发出去的音频信号或视频信号调制到工作波段的载波上，用大功率放大器放大后经天线向卫星发射。接收系统将卫星发来的信号接收下来（外形如锅底为接收天线），经过放大，检波后送到终端系统。终端系统把电报、传真、电话信号传送到电信局或通信中心；把电视信号送到电视广播台。通信控制系统控制地面站各系统的工作状况。 （3）卫星通信的特点 卫星通信技术是现代化航天技术和电子技术相结合而产生的重要通信手段。同明线、电缆线、微波等通信手段相比，具有传输距离远、通信容量大、通信质量好、建设成本低等优点。以电视节目传输为例，过去传递方式是每隔50km左右建一个中继站，把接收到的信号放大后向外发射，也就是接力棒似的，把节目信号传递到用户。而通信卫星是建在高空的转发站，它高高在上（如东方红3号卫星距地面近地点为209km，远地点为36194km），电波覆盖的面积大，在覆盖面内，无论是地面还是天空，也无论是海上还是山谷，都能畅通无阻。 （4）通信卫星的用途由于通讯卫星能以电磁波为载体传递声音信号和图像信号，因此可用来传递日常的电视、广播、电话、传真、电报等信号。还可以用于军事上，沟通指挥部和战场指挥官的联络，有效地对战场形势进行监视与控制，及时调动和部署兵力等。也可以用来传递求救信号，如在海上遇难的船只，只要通过SOS卫星系统发出呼救信号SOS，情报站收到信号后，经过信息处理，就可以确定遇难船只的精确位置，其误差不超过12海里，立即组织救援。 结束语：本次讲座，我们讲了三个问题，即什么是人造地球卫星；人造地球卫星的发射；通信卫星的应用。从上面的讲座，我们知道：1、人造地球卫星技术是多学科知识相结合的尖端科学技术。2、我国的卫星制造、发射和应用技术已走在世界先进行列。你们作为新世纪的建设者和接班人，你想在将来为我国的卫星事业做出贡献、为国争光吗？那么从现在起希望你们扎扎实实的学好基础文化知识，全面提高各种素质。有志的同学们，努力吧！ 思考和讨论 1、人造地球卫星发射通常用几级火箭，为什么？ 2、通信卫星分哪两类？ 3、通信卫星有哪些用途？ 参考资料 1、陶望平，卫星通信，北京人民出版社，1978版。 2、天文普及年历（1978）科学出版社，1977版。 3、文中新闻根据人民日报三次新闻辑录。 （本讲座材料完成于1998年，曾获湖北省二等奖，并录入初中物理科学技术社会教育教学实例一书）人造地球卫星的发射过程是非常复杂的，并非我们想象的点燃火箭、火箭起飞后就没事了那样简单。要把一颗卫星送入预定的轨道，需要有科学的理论计算和尖端的火箭监控技术外，通常是经过三个阶段进行的，你知道这些过程吗？ 首先，当装有卫星的运载火箭耸立在发射台上，全部准备工作完毕，按照倒计数程序”进入最后预备阶段。随着地面控制中心的发射指令9. 8. 76、5. 4、3. 2、1 ，发射！”第一级火箭发动机点火，运载火箭开始脱离发射架上升，而且速度越来越快。这就是加速度飞行段开始了。 运载火箭从地面发射到把有效载荷送入预定轨道，称为发射阶段。在这一阶段所飞经的路线就叫做发射轨道。运载火箭的发射轨道一般为三大部分，即加速飞行段。惯性飞行段和最后加速段。运载火箭垂直起飞后 10秒钟数到0秒钟后，开始按预定程序缓慢地转弯。发动机继续工作约100多秒后，运载火箭已上升到70千米左右高度，基本达到所需的入轨速度和与地面接近平行的方向时，第一级火箭发动机关机分离，同时，第二级火箭发动机点火，继续加速飞行。此时，已飞行 23分钟，高度已达150千米一200千米，基本已飞出稠密大气层，按预定程序抛掉箭头整流罩。接着，在火箭达到预定速度和高度时，第二级火箭发动机关机、分离，至此加速飞行段结束。 这时，运载火箭已获得很大动能，在地球引力作用下，开始进入惯性飞行段，一直到与卫星预定轨道相切的位置，第三级火箭发动机开始点火，进入最后加速段飞行。当加速到预定速度时，第三级火箭发动机关机，卫星从火箭运载器弹出，进入预定的卫星运行轨道。至此，运载火箭的任务就算完成了。广播通信卫星的入轨过程谢利民我国自1984年以来利用我们自己研制的多用途三级运载火箭“长征三号”发射的6颗国内通信广播卫星，以及1990年4月7日发射的“亚洲一号”通信卫星，都是地球静止轨道卫星。它们都在距地面约3万6千千米的圆轨道上绕地球运行，其轨道平面与赤道平面重合。这些卫星由于它们绕地球一圈的时间与地球自转周期都是一昼夜，所以我们从地面上看，卫星就像“固定”在天上不动一样。由于运载能力的限制和发射场一般不在赤道上，多数运载火箭不直接把卫星送到静止轨道。卫星的入轨过程一般分为三个阶段：第一步，用运载火箭把卫星送到一个大椭圆轨道。轨道近地点高度一般为200千米，远地点高度接近3万6千千米，轨道平面与赤道平面之间夹角一般大约等于发射场的纬度值。这个轨道称为“同步转移轨道”（见图02）。第二步，在“同步转移轨道”的远地点，点燃卫星上的远地点发动机，使轨道近地点的高度由200千米抬高到差不多等于静止轨道的高度；同时，也使卫星轨道平面与地球赤道平面重合。为了达到这一目的，在远地点发动机点火之前，需要通过地面的控制操纵把卫星姿态调整到所需要的方向上。第三步，由于远地点发动机点火后，还不能完全达到静止轨道的要求，又由于远地点发动机点火后，并不是所要求的定点位置，在此之后，还需要使用卫星上的小发动机多次调整卫星的轨道。最后，使卫星达到定点位置，并且满足了静止轨道的要求。人造地球卫星的发射过程发射人造地球卫星时，运载火箭从地面起飞到进入卫星轨道可分为加速飞行段、滑行段（惯性飞行）和最后加速三个阶段。加速飞行段是指运载火箭由地面垂直起飞，在发动机推力的作用下，运载火箭飞出了稠密大气层后，达到预定速度熄火。运载火箭熄火后推力等于零，这时靠自己获得的能量，在地球引力的作用下滑行，一直飞到与卫星轨道相切的位置时，火箭再一次点火，稍许增加一点速度，使卫星最后加速入轨。为了对发射人造地球卫星有一个比较全面的了解，以一枚三级火箭（液体火箭）为例，将卫星的发射与入轨的一般过程略述如下：当卫星及其运载火箭出厂运送到发射场，经技术阵地检测合格后，再运送到发射阵地，竖立在发射台上，尔后进行卫星和运载火箭的对接、