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各顯神通的人造衛星
(2005年12月17日 13:19:12)
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□作者: 朱毅麟
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一見這標題,你可能會說,人造衛星繞地球不斷地旋轉以及旋轉的道理,在前面幾節中已經介紹過,怎麼還要向我們介紹呢?這可是個誤會。這里所要講的衛星旋轉不是衛星繞地球旋轉,而是指衛星繞著自身對稱軸的旋轉。就好比我們的地球既圍繞著太陽公轉,同時又圍繞地軸自轉一樣。當然,不是所有的衛星都要自旋,而是某一類衛星。
人造衛星為什麼要不停地繞自身軸旋轉呢?這主要是因為考慮到人造衛星在飛行當中不能允許它隨便翻滾,而要求它保持一定的姿態,要麼挺直站著,要麼躺倒,要麼始終朝著某一方向。衛星在太空中采取什麼樣的姿態,要根據它擔負的任務而定。
例如偵察衛星,它的照相機鏡頭要對準正下方的地面;通信衛星,要使它的天線始終對準地面的通信區域;返回式衛星在返回的時候也要求保持固定的方向。又比方說,在離地面35800千米處的靜止通信衛星,如果它的天線沒有對準通信區域,哪怕是偏差一度的話,它的通信信號傳送到地面時,就會造成600多千米的偏差。假定原來天線對準的是北京,天線向東偏差一度,那麼天線對準的目標就移到遼寧省丹東市了。真是“失之毫厘,謬以千里”呀!
怎樣才能做到使衛星在太空中始終保持著固定的方向呢?一種最簡單的方法就是使它們不停地旋轉。太空中幾乎沒有空氣,所以空氣產生的摩擦力微不足道,衛星一旦旋轉起來,不需要再加動力,它可以自己長期維持旋轉,做到“自旋穩定”。
什麼叫做“自旋穩定”呢?讓我們舉一個生活中可以見到的例子。在雜技表演中,見到過表演抖空竹吧!表演者兩只手握著一根細細的繩子,把空竹一抖,空竹就在繩子上旋轉起來。小小空竹發出娓娓動听的響聲,像小鳥一樣在表演者的身前身後飛來飛去,從這個表演者的繩子跳到另一個表演者的繩子上。有時候它突然飛到半空中,又穩穩地落到繩子上,都仍舊能平穩地旋轉。
空竹為什麼不會從繩子上掉下來呢?因為它在圍繞著自己的對稱軸高速旋轉,旋轉的時候能夠使旋轉軸總是保持水平,即使在空中飛舞時,旋轉軸也仍然保持水平狀態。
我們不是玩過拋飛碟和抽陀螺的游戲嗎?飛碟必須將它旋轉著拋出去,它才能平穩地飛到對方的手中。陀螺也必須把它抽得飛快旋轉起來,它才能站著不倒下,轉得越快,站得越穩。這些,都是“自旋”造成的“穩定”現象。
在現代技術中,不少需要保持穩定狀態的儀器裝置,都采取了這種不停地旋轉的方法。所以,當人們需要人造衛星在太空中保持一種穩定姿態的時候,就讓它不停地旋轉。我國早期發射的“東方紅2號”和“東方紅2號甲”通信廣播衛星都是采用這種自旋穩定的方法,來保持它的旋轉軸總是與地球赤道平面垂直。
說到這兒,你可能會問︰人造衛星離地面這麼高,它的旋轉速度不可能靠人去控制,那它的旋轉的快慢又靠什麼來調節呢?
這個問題提得很好。物理學上有一個重要的原理︰在不受外界力矩的作用下,一個轉動著的物體,如果它的直徑變大,它轉動的速度就會減小;如果它的直徑變小,它轉動的速度就會增大。
讓我們來舉一個芭蕾舞蹈表演的例子。冰上芭蕾舞的女演員張開雙臂,隨著音樂在冰上轉圈子。當她突然把兩臂收攏在胸前,雙腳並攏時,人就飛快地旋轉起來。只要雙臂一張開,她旋轉的速度就馬上減慢下來。
人造衛星也可以利用這種方法來自動調整旋轉的速度。
比如說,當需要人造衛星減慢旋轉速度的時候,從正在旋轉著的衛星的兩側,對稱地伸出天線,或者張開貼著太陽能電池的帆板,就像高速度旋轉的芭蕾舞演員,突然伸開她的雙臂使旋轉速度減慢一樣,旋轉著的衛星由于伸出了天線或張開了帆板,使衛星的直徑加大,速度就減慢下來。
當然,在衛星上,我們也可以在它上面安裝微型火箭,利用噴氣反作用的原理,來提高和降低衛星的旋轉速度。這里就不詳細介紹了。 |
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文章作者:朱毅麟
責任編輯:skylook
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