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各显神通的人造卫星

(2005年12月17日 13:19)

□作者: 朱毅麟

[1]

  
  一见这标题,你可能会说,人造卫星绕地球不断地旋转以及旋转的道理,在前面几节中已经介绍过,怎么还要向我们介绍呢?这可是个误会。这里所要讲的卫星旋转不是卫星绕地球旋转,而是指卫星绕着自身对称轴的旋转。就好比我们的地球既围绕着太阳公转,同时又围绕地轴自转一样。当然,不是所有的卫星都要自旋,而是某一类卫星。
  人造卫星为什么要不停地绕自身轴旋转呢?这主要是因为考虑到人造卫星在飞行当中不能允许它随便翻滚,而要求它保持一定的姿态,要么挺直站着,要么躺倒,要么始终朝着某一方向。卫星在太空中采取什么样的姿态,要根据它担负的任务而定。
  例如侦察卫星,它的照相机镜头要对准正下方的地面;通信卫星,要使它的天线始终对准地面的通信区域;返回式卫星在返回的时候也要求保持固定的方向。又比方说,在离地面35800千米处的静止通信卫星,如果它的天线没有对准通信区域,哪怕是偏差一度的话,它的通信信号传送到地面时,就会造成600多千米的偏差。假定原来天线对准的是北京,天线向东偏差一度,那么天线对准的目标就移到辽宁省丹东市了。真是失之毫厘,谬以千里呀!
  怎样才能做到使卫星在太空中始终保持着固定的方向呢?一种最简单的方法就是使它们不停地旋转。太空中几乎没有空气,所以空气产生的摩擦力微不足道,卫星一旦旋转起来,不需要再加动力,它可以自己长期维持旋转,做到“自旋稳定”。
  什么叫做“自旋稳定”呢?让我们举一个生活中可以见到的例子。在杂技表演中,见到过表演抖空竹吧!表演者两只手握着一根细细的绳子,把空竹一抖,空竹就在绳子上旋转起来。小小空竹发出娓娓动听的响声,像小鸟一样在表演者的身前身后飞来飞去,从这个表演者的绳子跳到另一个表演者的绳子上。有时候它突然飞到半空中,又稳稳地落到绳子上,都仍旧能平稳地旋转。
  
  空竹为什么不会从绳子上掉下来呢?因为它在围绕着自己的对称轴高速旋转,旋转的时候能够使旋转轴总是保持水平,即使在空中飞舞时,旋转轴也仍然保持水平状态。
  我们不是玩过抛飞碟和抽陀螺的游戏吗?飞碟必须将它旋转着抛出去,它才能平稳地飞到对方的手中。陀螺也必须把它抽得飞快旋转起来,它才能站着不倒下,转得越快,站得越稳。这些,都是“自旋”造成的“稳定”现象。
  在现代技术中,不少需要保持稳定状态的仪器装置,都采取了这种不停地旋转的方法。所以,当人们需要人造卫星在太空中保持一种稳定姿态的时候,就让它不停地旋转。我国早期发射的“东方红2东方红2号甲通信广播卫星都是采用这种自旋稳定的方法,来保持它的旋转轴总是与地球赤道平面垂直。
  说到这儿,你可能会问:人造卫星离地面这么高,它的旋转速度不可能靠人去控制,那它的旋转的快慢又靠什么来调节呢?
  这个问题提得很好。物理学上有一个重要的原理:在不受外界力矩的作用下,一个转动着的物体,如果它的直径变大,它转动的速度就会减小;如果它的直径变小,它转动的速度就会增大。
  让我们来举一个芭蕾舞蹈表演的例子。冰上芭蕾舞的女演员张开双臂,随着音乐在冰上转圈子。当她突然把两臂收拢在胸前,双脚并拢时,人就飞快地旋转起来。只要双臂一张开,她旋转的速度就马上减慢下来。
  人造卫星也可以利用这种方法来自动调整旋转的速度。
  比如说,当需要人造卫星减慢旋转速度的时候,从正在旋转着的卫星的两侧,对称地伸出天线,或者张开贴着太阳能电池的帆板,就像高速度旋转的芭蕾舞演员,突然伸开她的双臂使旋转速度减慢一样,旋转着的卫星由于伸出了天线或张开了帆板,使卫星的直径加大,速度就减慢下来。
  当然,在卫星上,我们也可以在它上面安装微型火箭,利用喷气反作用的原理,来提高和降低卫星的旋转速度。这里就不详细介绍了。



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文章作者:朱毅麟
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