走近通信卫星

八、走近通信卫星

每当在天气晴朗的夜晚，仰望万里苍穹，可见繁星点点。其中就有千百颗人造通信卫星。然而，由于卫星运行轨道高，人们很难亲眼见它的“尊容”。如能走近观看，就能发现通信卫星在外形上千姿百态，丰富多采。现在仔细看一看它的“庐山真面目”。

从外观上看，通信卫星的模样是各式各样的。它们有的是球形，有的是圆柱形，有的是方形，还有的是多面菱形。具体到某一颗卫星，选择什么形状好，往往取决于卫星采取哪一种稳定方式。采用自旋稳定的卫星，因为要像陀螺一样旋转，所以大多选择圆柱形或球形。国际通信卫星1～4号和6号以及我国的东方红2号等，由于采用的都是自旋稳定方式，所以它们都选择了圆柱形。而采用纵向、横向和轴向旋转都加以控制的三轴稳定方式的卫星，则多选择六面体的箱形外观，像国际通信卫星5号和我国的东方红3号等。

看过卫星的外观，再来看一看卫星的内部结构。通信卫星的结构如同人体一样，虽然“长相”千差万别，但是“五脏六腑”却基本相同，它们包括结构系统、温控系统、控制系统、能源系统、远地点发动机和跟踪、遥测与遥控系统。

结构系统是组成卫星基本形状，将卫星连成一个整体的主要部件，就好比是人体的骨骼一样。因此，卫星的结构系统被人们称为“卫星的骨架”。为了减轻卫星的结构重量，结构系统的材料一般选取耐高温的轻型金属和非金属材料。我国的东方红2号通信卫星就使用了很多铝镁和碳纤维材料，既减轻了卫星重量，又保持了足够的强度。

通信系统主要由转发器和天线组成。其中转发器是通信卫星的关键部件，转发器会接收来自地球的一个频率范围内的信号，并且把信号放大，再用另外一个下行频把它发回到地面。转发器的数量多少决定了一颗通信卫星本领的高低。早期的通信卫星，只有一两台转发器，所以通信能力非常有限，而如今的通信卫星已有五十多台转发器，甚至更多。天线是用来和地面进行信息交流的，也就是捕获信息或把转换放大了的信号变成微波发射到地面站。

通信卫星的控制系统相当于人体的平衡器官。因为有了平衡器官，人才能站得住、行得稳。如果这个器官出了毛病，人就会失去平衡能力，走路或者站立时就会栽跟头。同样，一颗通信卫星只有靠控制系统保障，才能有一个稳定的姿态。控制系统包括用来测量卫星姿态的姿态敏感器和许多用来调整姿态的轴向、经向和切向小发动机。

温控系统是指用传热的方法平衡卫星内仪器所受到的各种热流，以使仪器的温度能够一直保持在正常工作的范围内。通信卫星需要温控系统就像我们冬、夏季节需要暖气和空调一样，因为卫星的各种元器件非常“娇贵”，冷了热了都不行，轻则卫星功能降低，重则整个卫星报废。比如卫星上的固体远地点发动机，温度必须控制在−20℃以上，否则会使发动机脆裂，点火时很容易引起爆炸。

能源系统是通信卫星的“发电厂”，用途是为卫星上的各种仪器提供源源不断的电能。能源系统的电能主要来源于太阳能电池。太阳能电池是由几万个仅厚零点几厘米、面积为十几平方厘米的单晶硅片制成的，它是利用半导体的光电转换特性，直接把太阳能转变为电能。早期通信卫星的太阳能电池都贴在卫星圆柱体的表面，因为卫星在不停地转动，太阳能电池的有效工作时间仅有三分之一左右。以后，随着三轴稳定卫星技术的发展，太阳能电池演变成由若干个单晶硅片组成的长方形阵列，俗称太阳能电池帆板。随着通信卫星发射功率的增加，太阳能电池帆板的尺寸也随之不断增大，比如国际通信卫星5号太阳能电池帆板的长度达15米之多。

为了使卫星在轨道上能正常工作，完成特定的任务，必须随时了解卫星在太空的精确位置和工作状况，必要时还要对它进行一系列控制。完成这些工作所依靠的设备就是跟踪、遥测与遥控系统。有了这套系统，通信卫星就能随时被专家们看得见，而不至于像断线的风筝一样失去控制。

通信卫星称得上“麻雀虽小，五脏俱全”。就像人体的器官缺一不可一样，通信卫星不论少了哪个系统，都无法发挥它应有的功能。

下面介绍卫星的发射和定位。

现在我们已经知道了卫星的结构，可能又会产生一个问题，就是通信卫星这个“超人”是如何跑到离地面那么高的太空中去的呢？其实是利用各种运载火箭把卫星运送上去的。我们地球外包覆着一层气体，我们称其为大气层。其气体密度随着高度的增加而减少，大约到160千米高处，空气几乎已不存在了。由此往外算起，我们称其为“太空”。一个物体要想成为环绕地球运行的卫星，所需具备的最小速度为7.91千米/秒。这一速度为沿着地球切线方向运行的速度，一般又称之为第一宇宙速度。当一物体具备了这一速度，即可沿着地球表面作圆周运动，当然，这是不考虑任何阻力的理想状况。为了克服地球的引力，火箭必须要有很强大的推力才行，所以一般看到的运载火箭都高达十几层楼的高度！同时为了节省燃料，一般的运载火箭都为多节火箭，且大都为二到四节的设计。其原因为哪一节烧完就抛弃哪一节，如此每一节发动机所需负载的重量比不脱节所负载重量将大大减少，同时也提高了推进效率。卫星本体存放在运载火箭的最顶端，卫星外面都会有一层保护罩。这层保护罩在卫星即将进入轨道之前就会自行往外掀开脱离。卫星进入运行轨道称为入轨，进入运行轨道的初始位置称为入轨点。而入轨点也就是运载火箭最后一级发动机熄火之点。

卫星运行的原理是如何呢？在这儿有一个很简单的说明。当你在一栋很高的建筑物上，往水平方向丟出一块石头，此时石头必定以抛物线的轨迹飞行一段时间后便落到地面上。在这之后，如果你用更大的力量来丢这一块石头呢？很明显的，这块石头必定会比之前的石头落得更远。不过比较两次石头落地的时间，它们却都是一样的，因为石头是在相同的高度以水平的角度被拋射出去。如果我们一次又一次地把力量加大，结果会如何呢？答案是，当石头被水平拋射时，如果达到某一速度，它将会绕着物体作圆周运动。这可由牛顿运动定律推导出来。此时我们可以把丟石头的地点逐渐加高，而由牛顿定理我们可以得到，在越高的轨道作圆周运动所需的速度越慢。

卫星发射升空以后，接着就要进入预定的轨道。卫星的轨道是由任务需求来决定的，一般来说，人造卫星的轨道就高度而言可分为低轨(LEO)、中轨(MEO)与高轨(HEO)三种。但是对于它们之间的分界高度并没有一个很清楚的定义，不过大致上我们可以用1000千米当做低轨和中轨的分界，用10000千米当中轨和高轨的分界。若依轨道性状来划分，则可分为圆形轨道与椭圆形轨道。若依轨道周期与其他性质来划分，则分为一般轨道、地球同步轨道等。若依轨道倾角来划分，可分为与赤道同平面之轨道、极轨、顺向轨道、逆向轨道。卫星作圆周运动时，因为速度所产生的离心力正好可以抵消地球的万有引力，所以卫星可以固定在一个轨道上。为了能够使卫星发挥作用，定位可说是非常重要的一环。就目前通信卫星而言，在各种轨道上都有它们的踪影。如图4-6所示是我国自行研制的中星−22号A通信卫星，在西昌卫星发射中心由长征3号甲运载火箭发射升空的图片。

图4-6　中星－22号A通信卫星发射升空