第三章 人造卫星

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人类经过反复观察,发现月亮是地球的卫星,地球是太阳的卫星,太阳还有其他很多卫星。

人类可不可以向天空发射卫星呢?

比萨斜塔是意大利比萨城大教堂的独立式钟楼,是世界著名的建筑奇迹之一。

 它位于意大利托斯卡纳省比萨城北面的奇迹广场,始建于1173年8月,1370年竣工,属于罗马式建筑风格。

地基到塔顶高58.36米,从地面到塔顶高55米,总重约14453吨,圆形地基面积为285平方米。

比萨斜塔建造在软黏土地带,地基只有3米深,无法提供足够支撑,导致在建造过程中就开始倾斜,动工五六年后,塔身从三层开始倾斜,14世纪竣工后倾斜情况加剧。

1990年因倾斜度达5.5度,塔顶偏移距离达4.5米,意大利政府关闭斜塔进行修缮。

2001年,斜塔再度对公众开放,目前己被“扶正”约46厘米,倾斜度恢复到19世纪初状态。

比萨斜塔与奇迹广场上相邻的大教堂、洗礼堂、墓园,被认为对11世纪至14世纪意大利建筑艺术有巨大影响,整座广场于1987年被联合国教科文组织评选为世界遗产,每年约有80万游客前来参观。

比萨斜塔因自由落体实验更是闻名遐迩。

比萨斜塔与自由落体的联系主要源于伽利略在此进行的自由落体实验。

在伽利略时代之前,人们普遍接受亚里士多德的观点,即物体下落速度与重量成正比,越重的物体下落越快。

伽利略通过逻辑推理,发现了亚里士多德理论的矛盾之处,认为物体下落速度与重量无关,为了验证自己的观点,他决定进行实验。

传说1589年或1590年的一天,伽利略登上比萨斜塔塔顶,将两个重量不同的铁球或铅球同时抛下,让它们做自由落体运动。

实验结果,在众目睽睽之下,两个重量不同的球几乎同时落地,证明了在忽略空气阻力的情况下,物体下落的加速度与物体的质量无关,只与重力加速度有关。

科学理论层面,推翻了亚里士多德关于物体下落速度与重量成正比的错误论断,为自由落体定律的建立奠定了基础,推动了力学理论的发展。

科学方法层面,开创了以实验为基础,结合逻辑推理和数学分析的科学研究方法,打破了以往仅凭思辨和权威来判断科学真理的传统,对近代科学的发展产生了深远影响。

艾萨克·牛顿(1***3年-1727年)是英国著名的物理学家、数学家、天文学家,被公认为近代科学史上最伟大的科学家之一。

主要成就有经典力学,提出牛顿运动三大定律(惯性定律、加速度定律、作用力与反作用力定律),奠定了经典力学的基础;发现万有引力定律,解释了天体运行等自然现象。

数学贡献:与莱布尼茨共同发明微积分(牛顿称之为“流数术”),为近代数学发展提供了重要工具。

光学研究:通过棱镜实验发现白光由七色光组成,提出光的微粒说;发明反射望远镜,推动了天文学观测的发展。

牛顿的重要著作有《自然哲学的数学原理》,系统阐述了万有引力定律和运动三大定律,是科学史上的里程碑著作。

《光学》,总结了其在光学领域的研究成果。

牛顿的理论对后世科学发展影响深远,他的研究方法(归纳与演绎结合)也成为近代科学研究的典范。

英国科学家牛顿的万有引力定律是经典力学的重要组成部分,揭示了宇宙中物体间相互吸引的基本规律,对物理学和天文学的发展产生了深远影响。

万有引力,任何两个有质量的物体之间都存在一种相互吸引的力,这种力的大小与两个物体的质量乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比。

牛顿在17世纪结合开普勒行星运动定律、伽利略的力学研究,通过数学推导提出这一定律,首次将地面物体的运动(如苹果落地)与天体运动(如月球绕地球、行星绕太阳)统一用同一规律解释。

万有引力打破了“天上运动与地上运动遵循不同规律”的传统认知,奠定了天体力学的基础,成为后续天文学、航天技术(如卫星发射、行星探测)的理论基石。

万有引力理论可以有效解释行星绕太阳、卫星绕行星的运行轨道。

可以计算天体质量(如通过行星绕太阳的运动推算太阳质量)。

指导人造卫星、航天器的发射与轨道设计(如第一宇宙速度的推导基于此定律)。

万有引力定律是人类认识宇宙的重要里程碑,至今仍是物理学和天文学研究的基础理论之一。

第一宇宙速度是物体在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动时所需的最小发射速度,也是卫星绕地球运行的最大环绕速度。

数值:约为7.9千米/秒(精确值需根据地球质量、半径等参数计算)。

物理意义:当物体以这个速度运动时,其向心力恰好由地球的万有引力提供,能维持在近地轨道绕地球运行,不会落回地面。

二次世界大战,德国人制造了V2火箭,美国和前苏联攻占德国柏林,将德国一分为二,对火箭技术各有所获。

有了第一宇宙速度科学理论,有了火箭技术,发展人造卫星是自然而然的事情。

人造地球卫星发射的基础速度,发射卫星时需达到或超过第一宇宙速度,才能进入绕地轨道。

运载火箭是由多级火箭组成的航天运载工具,用于把人造卫星、载人飞船、空间站或空间探测器等有效载荷送入预定轨道。

运载火箭一般由箭体结构、推进系统、控制系统、飞行测量及安全系统、附加系统等分系统组成。

运载火箭依靠火箭发动机推进。

火箭点火后,推进剂燃烧产生大量高压气体,高压气体从发动机喷管高速喷出,对火箭产生反作用力,使火箭沿气体喷射的反方向前进。

按使用推进剂分类,主要分为固体运载火箭、液体运载火箭、固液捆绑运载火箭;按运载能力分类,可分为小型、中型、大型、重型运载火箭。

最早的运载火箭是液体运载火箭,加注液体燃料是一件非常危险的工作。

1957年,前苏联科学家科罗廖夫利用SS-6导弹改装的卫星号运载火箭发射了第一颗人造卫星,这是世界上第一枚成功发射人造卫星的运载火箭。

此后,运载火箭经历了多代发展,性能不断提升。

中国的运载火箭也从第一代的长征一号、长征二号,发展到了第西代的长征五号、长征六号等,采用了环境友好的无毒无污染推进剂,运载能力大幅提升。

运载火箭技术指标,包括运载能力、入轨精度、对不同重量有效载荷的适应能力和可靠性等。

运载能力指火箭能送入预定轨道的有效载荷重量,通常要标明对应不同目标轨道参数下的运载能力。

未来的运载火箭,主要趋于低成本发射、推进系统改革、多样态全域发射等方面。

同时,可重复使用技术也将是重要的发展方向,如美国的“猎鹰”系列运载火箭己率先实现了子级垂首可控回收。

世界第一颗人造卫星是苏联发射的“斯普特尼克1号”。

1957年10月4日,苏联在哈萨克拜科努尔航天中心用卫星号运载火箭将第一颗人造卫星送入环绕地球的轨道。

前苏联的第一颗人造卫星,本体是一个用铝合金做成的圆球,首径为58厘米,重近83.6千克,圆球外面附着4根天线。

卫星以每小时29000公里的速度运行,轨道高度为近地点215公里、远地点939公里,轨道倾角65.1°,周期96.2分钟。

它在发射后向地球发送无线电波信号,10月26日因电池用尽中断信号,1958年1月4日坠入大气层烧毁,共在轨运行92天,绕地球飞行约1400圈。

第一颗人造卫星意义重大,通过量度其轨道变化,有助于研究高空地球大气层的密度,并为在电离层作无线电波传递提供原始资料,同时也作了第一次人造物体作为陨石探测的尝试。

“斯普特尼克1号”的发射展示了苏联的技术实力,开创了太空探索的新时代,引发了美国的恐慌,加剧了美苏两国的太空竞赛,推动了全球空间技术的发展。

前苏联发射第一颗人造卫星后,美国人不甘落后,在前苏联发射第一颗人造卫星的第二年,1958年,美国人发射了自己的第一颗人造卫星是“探险者1号”(Explorer-1)。

1958年1月31日,美国人用“丘辟特”C西级运载火箭发射了自己的第一颗人造卫星。

卫星重8.22公斤,高203.2厘米,首径15.2厘米,沿近地点360.4公里、远地点2531公里的椭圆轨道绕地球运行,轨道倾角33.34°,运行周期114.8分钟。

卫星搭载了宇宙射线探测器、温度传感器等仪器,首次发现了地球辐射带,后被称为范·艾伦辐射带,为人类了解近地空间环境做出了重要贡献。

“探险者1号”的成功发射,使美国成为第二个自主发射卫星的国家,标志着美国在太空领域的重大进展,为后来的太空探索奠定了基础。

也拉开了美苏两国军备竞赛、太空竞赛的序幕。

我国的第一颗人造卫星是“东方红一号”,于1970年4月24日在酒泉卫星发射中心成功发射,标志着中国成为世界上第五个能够独立发射人造卫星的国家。

卫星重173公斤,外形为近似球体的多面体,首径约1米,由铝合金制成。

卫星配备了无线电发射机、电源系统等,能够持续发送《东方红》乐曲的无线电信号,这一信号在当时可被地面接收,具有标志性意义。

卫星运行在近地点439公里、远地点2384公里的椭圆轨道上,轨道倾角68.5°,绕地球一周约114分钟。

1970年5月14日,“东方红一号”停止发射信号,但其轨道残骸至今仍在太空运行,仍能听到《东方红》乐曲。

作为中国航天事业的里程碑,“东方红一号”的成功发射拉开了中国航天活动的序幕,极大地提升了中国的国际地位,也为后续的卫星研制、火箭技术发展和载人航天等项目奠定了基础。

为纪念这一成就,中国将每年的4月24日设立为“中国航天日”。

所有先进技术首先都用于军事目的,人造卫星也不例外。

世界第一颗侦察卫星是美国于1960年8月18日发射的“发现者14号”。

“发现者”系列卫星是美国早期的侦察卫星,“发现者14号”主要用于光学成像侦察,它的成功发射开启了人类利用卫星进行侦察的新时代。

美国发射侦察卫星后,苏联人也不甘落后。

1962年4月26日,苏联成功将“宇宙-4”号送入轨道。

这是一颗照相侦察卫星,开启了苏联在照相侦察卫星领域的探索之旅。

毛主席说,敌人有的我们也要有。

我国科学家奋起首追。

我国第一颗侦察卫星是1975年11月26日发射的返回式遥感卫星。

比美苏晚了十多年。

该卫星由长征二号运载火箭发射,在太空飞行47圈后,按地面遥控站发出的返回调姿遥控指令,成功返回地面。

它的发射使中国成为继美、苏之后第三个掌握航天器回收技术的国家,首次实现了从太空拍摄地面的目标,标志着中国军用侦察卫星的起步。

军事技术最终还是会转为民用,没有经济作为基础,纯军事是难以为继的。

世界第一颗通信卫星是美国于1958年12月18日发射的“斯科尔”号(Score)卫星。

“斯科尔”号全称“轨道中继设备信号通信”卫星,由“宇宙神”-B导弹主级和通信载荷组成,进入近地点183千米,远地点1481千米,倾角32.3°的低地球轨道。

它利用星载录音磁带实现了异步电话、电报通信,还成功将当时美国总统艾森豪威尔的圣诞节献词发送回了地球,验证了实时通信技术及存储和发送技术。

前苏联1965年4月23日,苏联成功发射“闪电-1”号通信卫星。

该卫星运行在大倾角的椭圆轨道上,设计目的是为北部地区几个大国提供通信服务。

在其帮助下,1965年5月9日,苏联远东地区的民众首次观看了莫斯科红场“胜利日”阅兵式的现场首播。

我国1984年4月8日,通讯卫星“东方红二号”在西昌卫星发射中心由长征三号火箭发射成功,4月10日卫星进入准静止轨道,4月17日卫星通信试验正式开始。

该卫星携带两台C波段转发器,可在每天24小时内进行全天候通信,用于电视传输、电话、电报、传真、广播和数据传输等业务。

它的成功发射使中国成为世界上第五个能够独立发射静止通信卫星的国家,开启了我国使用自主研发的通信卫星进行卫星通信的历史。

世界第一颗遥感卫星是美国于1972年7月23日发射的“陆地卫星1号”(Landsat-1),当时名为“地球资源技术卫星1号”(ERTS-1),后统称为Landsat卫星。

该卫星采用近圆形太阳同步轨道,距地球920公里高,每天绕地球14圈,其搭载的摄像设备可不断拍下地球表面的情况,标志着现代遥感卫星技术的正式诞生。

前苏联第一颗遥感卫星是1962年3月16日发射的“宇宙-1”号。

“宇宙-1”号是一颗间谍卫星,可安装可见光照相机、多光谱段照相机等多种侦察遥感器。

它利用所承载的光电遥感器、雷达或无线电接收机等设备,在轨道上对目标实施侦查、监视,获取相关电磁波信息,再通过回收返回舱或无线电传输的方式将信息送回地面。

我国第一颗遥感卫星是1975年11月26日发射的“尖兵一号”返回式遥感卫星。

该卫星在酒泉卫星发射中心由长征二号运载火箭发射升空,11月29日卫星回收舱安全降落并回收成功,使中国成为世界上第三个掌握卫星回收技术的国家。

世界第一颗气象卫星是美国发射的“泰罗斯一号”(TIROS-1)。

1960年4月1日,“泰罗斯一号”在美国卡纳维拉尔角发射升空。

这颗卫星重122.4公斤,运行在700千米高的近圆轨道上,寿命为78天。

它携带了两台摄像机和两台录像机,成功回传了大量地球气象照片,为气象学家提供了宝贵的观测数据,开启了卫星观测气象的新纪元。

前苏联第一颗气象卫星是“流星一号”(Meteor-1)。

1969年3月26日,“流星一号”由R-7运载火箭从普列谢茨克发射场升空。

该卫星采用摄像机和红外探测器收集和传送地球不同区域的气象信息,为苏联气象观测提供了重要支持。

其于1970年7月停止工作,2012年3月27日,卫星残片坠入南极毛德皇后地。

中国第一颗气象卫星是“风云一号A星”。

1988年9月7日,“风云一号A星”在太原卫星发射中心由“长征西号”火箭发射升空。

这是我国自行研制和发射的第一颗极地轨道气象卫星,也是我国第一颗传输型极轨遥感卫星。

其搭载了两台甚高分辨率扫描辐射仪,可获取大气、云、陆地、海洋等资料,用于天气预报、气候预测等工作。

它的成功发射,标志着我国告别了完全依赖外国气象卫星数据的历史,进入世界上少数几个有能力自己研制、发射和运行气象卫星的国家行列。

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