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奇迹的孕育 解读中国四大卫星发射场站

时间:2016年01月07日 信息来源:中关村在线 点击: 【字体:

1957年10月4日,沉寂的哈萨克荒原发出一声沉闷的巨响,一枚载有58厘米直径铝制圆球的火箭,在举世瞩目的直插云际。这是人类历史上成功发射的第一颗人造卫星。航天时代就这样夹杂着火光和轰鸣走进了我们的世界。面对天际的呼唤,翌年五月,毛泽东在中共八届二中全会上,一锤定音:“我们也要搞人造卫星!”世界也一时听到了“中国追赶”的急促跃进。

  

中国航天,在众多的“第一次”中迎来了热情似火的一个又一个高潮,1960年9月10日,就在苏联撤走专家后的第17天,中国航天人用苏联专家认为会爆炸的中国国产燃料,成功地发射了一枚苏制P-2导弹。56天以后的11月5日上午9时,中国第一枚仿制的火箭东风一号发射成功。1964年6月29日,东风二号连续三发都取得了成功。它标志着中国从此拥有了可以远程打击的导弹,同时也为中国的进一步空间探索打下基础。1964年7月19日,中国第一枚内载小白鼠的生物火箭在安徽广德发射成功,中国的空间科学探测迈出了第一步。1968年4月1日,中国航天医学工程研究所成立,开始选训航天员和进行载人航天医学工程研究。1970年4月24日,中国成功地将自己的第一颗人造地球卫星东方红1号送上了天空。响彻全球的“东方红”乐曲,宣告中国也进入了航天时代。

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对于无边无际的宇宙 地球是如此渺小

至此,中国成为世界上第五个独立研制和发射人造卫星的国家。我国第一颗返回式卫星总设计师、中国科学院院士王季希曾说:“我们国家需要从轨道的高度来观测我们国家,因为这样的高度来观测我们国家,可以把我们国家的整个面积,包括周边海洋、海岸都能够看得很清楚。如果靠别的手段来做就很难。”如今我们中华儿女的航天梦就寄托在那些散布在祖国大漠深处,甚至是高原之巅的“钢铁巨人”身上。

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也许你根本想象不到 我们头顶有成百上千的人造卫星在飞跃

或许大家对中国的四大发射场并不陌生,但琳琅满目的各类卫星并不是想在哪发就在哪发,这些发射场之所以设计在不同高度以及不同经纬度的地方是有其道理的。根据需求,我们发射的卫星会有高、低轨道,太阳同步轨道,地球同步轨道,赤道轨道,极低轨道等种种不同的区分。我们往往会根据需求选择最合适的发射场。


● 火箭结构小揭秘

以我们国家最普遍的长征系列运载火箭来说,看似高大的火箭,最后能真正长久派上用场的其实就仅仅是一小部分,但也不能否定其它结构在辅助升空中的功劳。

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长征五号运载火箭结构图

这份结构图并不需要分部位的详细解析,很明显可以看到,火箭的大部分结构都是用来装载燃料推进火箭的。在以往的电视节目直播中,我们会听到“xxx级脱离!”这样的指令,其实就是“油箱”用完了为了不给上一级造成负担,就直接丢弃用毕的下一级结构。

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长征三号丙运载火箭结构

当然,要想让火箭上天,最最重要的就要数这燃料和助燃剂了。我国目前普遍的长征系列火箭中,除长征三号系列的第三级是使用氢氧发动机外,其余多采用含有巨毒,比冲高,污染大的偏二甲肼(UDMH)作燃料,四氧化二氮(N2O4)作为助燃剂。其对环境水体的影响至今还在备受世界各国的关注。

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长征系列运载火箭

这其中“偏二甲肼”是一种无色透明,易燃易爆易溶于水的剧毒物质,它易溶于水,并且可以穿透皮肤组织造成很强的致癌性。对于偏二甲肼污染的水体,在处理起来成本非常高,技术难度也非常大。所以诸多国家都不再使用这种燃料。但我们可能会有疑问,为什么我们国家的火箭不去使用更安全环保的氢氧物质呢?其实,这是由于在火箭运转中,发动机实际上是要用燃料进行冷却的,液态氢气沸点太低,遇高温会迅速膨胀到远大于50倍的体积,容易引发事故。所以由于我国相应的技术还不够成熟,在保证更高安全性的同时就不得不使用这种燃料了。

不过话说回来,这种“偏二甲肼”剔除“有毒”这一字眼,其经济效益和生产效益还是值得肯定的。其不仅节约成本,还可以在助推中实现更高的效能,在常温运输中也十分可靠。


● 如何看火箭发射——边边角角知多少

“5、4、3、2、1、点火……”

随着指挥员的一阵指令,满脸的表情除了激动啥都没有,再之后那些完全听不懂的数据似乎就和我们这些看热闹的没关系了。以前,貌似我们都在这样看火箭发射吧……

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虽然我们并不是搞监测、搞研发的,但这卫星怎么个飞,怎么个转也算是一种“略显高大上”的常识,所以小编今天就要借此机会来和您说说,那些个“乱七八糟”究竟是个啥!首先,你肯定不敢想象,这地球脑袋上看似不大的地方却也乱七八糟飞着不下千颗卫星,但是它们真的是在“肆意”飞行吗?当然不是,这些卫星根据需求不同,往往有自己的轨道,根据一定的计算和操作使它符合一定的速度和高度。但无论如何,这些卫星在地球上空都是按照固定的运动轨迹在天空中某一相交于地球质心的平切面画着封闭的椭圆形(圆形)。

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各类卫星飞行轨道

茫茫天空,卫星却那么渺小,科学家是怎样去快速定位所要寻找的卫星在天空中的位置呢?联想我们上学时学习的物理和数学,要确定一些点就需要知道一些距离和角度。所以,在了解各种轨道的分类前,我们要先了解一些专有名词。

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通过肉眼几乎不可能直接观测到人造卫星

卫星轨道的形状和大小是由长轴和短轴(椭圆直径中最长和最短的直径)决定的,而交点角Ω、近地点幅角ω和轨道倾角i则决定轨道在空间的方位。这五个参数称为卫星轨道要素(根数)。有时还加过近地点时刻tp,合称为六要素。有了这六要素,就可知道任何时刻卫星在空间的位置。

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卫星轨道参数是用来描述在太空中卫星运行的位置、形状和取向的各种参数,卫星轨道六要素:长轴、短轴、交点角Ω、近地点幅角ω、轨道倾角i、过近地点时刻tp。

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在阅读以下名词前我们必须知道一点,受到地球引力的影响,任何绕着地球自由飞行的物体都不可能走循A环的轨迹,A环所成平面的椭圆形不可能切过地心。假设上图中的圆形为球形的地球,球中正点为地球的质量中心(地心),我们可以把E所成的椭圆形比喻成一把刀片,在这个球体上可以有无数种下刀的切法可以经过球体正中心(地心),既然有无数的“椭圆形”,那么这些椭圆形的边环就是卫星的轨迹,在这无数种可能的轨迹中,在下一页我们会了解到它不同的几种分类。

长轴和短轴:图中C为椭圆无数直径中最长的一根;D为无数直径中最短的一根。

倾角:赤道平面与卫星轨道平面间的夹角,具体计算是在卫星轨道升段时由赤道平面反时针旋转到轨道平面的夹角。(想象一下张嘴的动作,下颚是X卫星轨道所成平面,上颚是W卫星轨道所成平面,嘴张大后尾部相交轴处所成的角度就是“倾角”)

高度:卫星离地球表面的距离。

星下点:卫星与地心连线与地球表面的交点。

升交点:卫星由南向北飞行轨迹在赤道上的交点。

周期:卫星绕地球一周需要的时间。

截距:卫星绕地球一周,地球转过的度数。

偏心率:焦距与轨道半长轴之比。

近地点角:在轨道平面内升交点和近地点与地心连线间的夹角。

平均近点角:若卫星通过近地点的时刻为tp,卫星的平均角速度为n,则任一时刻的平均近点角M=n(t-tp)。

当然,上面出现的一些小公式和数据如果您有兴趣可以更深入的去研究。

 

● 如何看火箭发射——人造卫星的轨迹

对于人造地球卫星来说,其轨道按高度可分为低轨道和高轨道,按地球自转方向可分为顺行轨道和逆行轨道。这中间有一些特殊意义的轨道,如赤道轨道、地球同步轨道、地球静止轨道、极轨道和太阳同步轨道等。

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高低轨道:其并没有明确的划分界限,一般把离地面几百千米的卫星轨道称为“低轨道”,轨道高度超过1000千米的称为“高轨道”。

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GPS卫星大多采用中高轨

赤道轨道:轨道倾角为零,轨道平面与地球赤道平面重合。

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美国高级X射线天文物理设施卫星采用低地球轨道

地球同步轨道:轨道高度为35788千米(一般近似为36000千米)时,卫星的运行周期和地球的自转周期相同,都是24小时,这种轨道叫“地球同步轨道”。

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采用低轨飞行的和平号空间站

地球静止轨道:如果地球同步轨道的倾角为零,则卫星正好在地球赤道上空,以与地球自转相同的角速度统地球飞行,从地面上看,卫星好像是固定在天上的某一点,这种卫星轨道叫“地球静止轨道”,简称“静止轨道”,它是地球同步轨道的特例。静止轨道只有一条,其轨道资源十分宝贵,目前通信卫星、部分气象卫星多采用这种轨道。

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通信卫星大多采用地球静止轨道

极地轨道:轨道倾角为90度时,轨道平面通过地球南北两极。

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极地轨道示意图

太阳同步轨道:还有一种轨道,轨道平面绕地球自转轴旋转的方向与地球公转的方向相同、旋转角速度等于地球公转的平均角速度,这样卫星轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向,例如始终保持垂直,这种轨道就称为“太阳同步轨道”。部分气象卫星、照相侦察卫星、地球资源卫星多采用这种轨道。

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美国陆地7号资源卫星采用太阳同步轨道

看到这里我们就知道人造卫星在空中是以怎样婀娜的姿势移动啦!


● 太原卫星发射中心(主要发射:极低轨道、太阳轨道卫星等)

太原卫星发射中心位于山西省太原市西北部的黄土高原地区,地处温带,海拔1500米左右,夏季气候怡凉,但冬季却寒风刺骨,最低温可以达到零下几十度。这里是中国试验卫星、应用卫星和运载火箭发射试验基地之一,主要承担太阳同步轨道和极地轨道航天器发射任务。

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太原卫星发射中心的发射塔架

1988年9月7日,中国第一颗“风云一号”气象卫星顺利进入太阳同步轨道,直到这时人们才发现,除了酒泉、西昌之外,还有一个太原卫星发射中心。那些年可能我们都忽视了这里。太原卫星发色中心是我国自主设计建设的第一座火箭卫星发射中心。

  

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太原卫星发射中心驻地的冬天异常寒冷

1968年12月18日在零下36摄氏度的寒冷中,太卫的第一代“创业者”把中国第一代自行设计研制的液体运载火箭送上太空。这一次的成功有利的粉碎了“中国人没有他国帮助,要想拥有自己的火箭至少需要10年”的恶意讥讽。后来美国《基督教科学箴言报》评论说:中国从此将拥有一支作战使用的中远程运载火箭力量。

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茫茫荒原的“与天对话”

然而,年复一年,当“嫦娥”和“神舟”向世人展示中国与日俱增的航天力量时,西昌和酒泉也因此获得了世界更为广泛的关注。在祖国南疆滨海之地,文昌发射中心的蓝图也气势高昂的宣布:航天梦,将进入普通中国人的生活方式。但这一刻太原卫星发射中心却似乎被没落了。然而真的是“太原”不行吗?其实,“太卫”早已跻身世界先进航天发射场却不张扬,当年炙手可热的摩托罗拉“铱”星组网发射计划。发射由中、美、俄三国分担。在客户的犹疑中,太原发射中心分6次以“一箭双星”的方式,成功将12颗“铱”星送入太空。摩托罗拉公司发射服务经理宣布:在三国的组网发射中,中国的发射时间最准、入轨精度最高。

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冬日里的“太卫”

92年澳星爆炸、96年长征三号乙坠落爆炸……然而历经近50载,太原卫星发射中心却始终以100%发射成功率一直独揽中国四大卫星发射中心榜首。这一切是因为什么?是这里的科研人员更聪明?工作环境更优良?其实并非如此,相比其它三座发射场,太原卫星发射中心五月飘雪、十月落叶,冬日里天寒地冻寸草不生,吃的除了白菜、土豆似乎找不到其它的东西。但即使这样,太卫却依然还在创造着一次又一次的奇迹。太卫人的成功源于这“岚漪之巅”的精神,正是这艰苦奋斗的创业精神和着眼试验甘愿吃苦的奉献精神,塑造了这片不毛之地的勃勃生机。

  

● 酒泉卫星发射中心(主要发射:载人航天发射及保障、高倾角轨道卫星等)

酒泉卫星发射中心位于甘肃省酒泉以北的戈壁滩上,海拔1000米,始建于1958年10月,占地面积约2800平方公里。它的另外一个名字我们一定非常熟悉,那就是——东风航天城。这里是中国科学卫星、技术试验卫星和运载火箭的发射试验基地之一,也是中国唯一的载人航天发射场。

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酒泉卫星发射中心发射场

在中国四大卫星发射中心中,酒泉卫星发射中心组建最早,也是目前中国唯一的载人航天发射场。该中心组建57年以来先后成功发射了87颗卫星、1个目标飞行器和10艘“神舟”飞船。

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酒泉卫星发射中心主塔架

1960年11月5日,这里成功地发射了中国制造的第一枚地地导弹。1966年10月27日,中国第一次导弹核武器试验也在这里试验成功。1970年4月24日,长征一号运载火箭在此成功发射中国第一颗卫星——“东方红一号”。1980年5月18日,中国第一枚远程运载火箭也在这里发射成功。2003年10月成功发射神舟五号载人飞船以来,先后将杨利伟、费俊龙、聂海胜、翟志刚、刘伯明、景海鹏等航天员顺利升空。

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图解四大卫星发射中心

在才过去不久的2015年12月17日,中国暗物质粒子探测卫星“悟空”在此发射。这是迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的空间探测器。从“东方红”到“悟空”近半个多世纪的太空探索,其不仅仅是满足工程应用和人类生存,取得直接的国防经济效益,更在源源不断的深入解答着有关宇宙命运的谜题。


● 西昌卫星发射中心(主要发射:地球静止轨道卫星等)

西昌卫星发射中心位于四川省凉山彝族自治州境内,始建于1970年,主要担负着地球静止轨道卫星以及通信、广播、气象卫星等试验发射和应用发射任务。

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西昌卫星发射中心发射塔架

发射中心于1983年建成,1984年以来发射过中国第一颗试验通信卫星、实用通信广播卫星及实用通信卫星。1986年正式对外开放。2004年4月,“试验卫星一号”和“纳星一号”在西昌卫星发射中心顺利升空,是这个中心首次发射太阳同步轨道卫星,标志着这个中心的航天发射能力有了进一步提高,可以进行多射向、多轨道卫星的发射。西昌中心目前已具备发射我国自行研制的长征三号甲、长征三号乙等五种大型运载火箭,年发射能力10次至12次。

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西昌卫星发射中心正在执行火箭发射任务

这里由于纬度低、海拔高,发射倾角好,地空距离短等特点,在这里发射卫星,既可以利用地球自转的离心力,又可以缩短地面到卫星轨道的距离。同时坚实的地质结构,对地面发射设施设备、跟踪测量、通讯布网有利。西昌中心晴好天气多,几乎没有雾天,试验周期和允许发射的时间较多;交通通讯方便,为运输火箭、卫星和燃料提供保障。因此,西昌卫星发射中心又被称为“天然发射场。

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西昌卫星发射中心发射塔架

几十年来,一代代西昌航天人发扬“艰苦奋斗,求实创新,团结奉献”的西昌航天精神,实现了中心建设发展的重大跨越,谱写了中国航天发展史上的多个“第一次”(第一次发射试验通信卫星、第一次发射实用通信卫星、第一次发射国际商业卫星、第一次发射大推力捆绑式运载火箭、第一次发射月球探测卫星)

  

● 文昌卫星发射中心(大质量极轨卫星、大吨位空间站、深空探测器等)

文昌卫星发射中心,位于海南省文昌市龙楼镇,毗邻南海。该发射中心2009年开始建设,目前已基本竣工。作为中国第一个滨海发射场,它不仅具有良好的海上运输条件,还可利用纬度低的优势,提高地球同步轨道卫星运载能力,延长卫星使用寿命。而且火箭航区和残骸落区安全性好,不会对人类聚集区造成威胁。

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文昌“航天城”一座座钢筋铁骨正在拔地而起

作为新时代全现代化、信息化的航天城,文昌发射中心建设工程于2009年9月14日正式开工,2014年10月中旬基本竣工。与国内其它三座卫星发射中心相比,文昌卫星发射中心有着目前无法超越的优势。酒泉卫星发射中心是中低轨道发射中心,卫星运行绕地球一周是90-120分钟,轨道高度500-5000公里;西昌卫星发射中心是地球同步轨道,高度36000公里;太原卫星发射中心是太阳同步轨道,适合发射气象卫星。

  

然而文昌卫星发射中心却把国内这三个卫星发射中心的功能全都包括在内,也就是说,基本所有类型的卫星都能在文昌发射。而且文昌卫星发射中心是一座全信息化的发射场,同时也是无毒、无害、无污染的绿色环保发射场,发射采用的液氢液氧加煤油的燃料,释放出的二氧化碳和水,比全世界任何一个发射中心都更加优越。

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我们都知道,火箭发射时运载的火箭如果脱落在城市或农村等人口集聚区,将带来无法估计的损失,而且脱落的火箭残害也很有可能会污染地下水,所以火箭脱落必须是在没有人烟的地方。文昌卫星发射中心就有这样得天独厚的优势,火箭升空后,第一节火箭会脱落在三沙海域,第二节火箭会脱落在南太平洋海域,这就意味不会给城市农村带来影响,脱落在大海的火箭带来的污染会被海水稀释,不会造成更为严重的损失。

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建设中的文昌卫星发射中心

在不久后,文昌卫星发射中心的建成并投入使用将极大提升我国商用卫星在世界市场上的位置,进而巩固我国的世界航天大国地位。估计从2016年-2025年,将有上百颗卫星在文昌卫星发射中心发射。同时,该发射中心也将建成中国第一座名副其实的“航天城”。

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文昌卫星发射中心具备得天独厚的区位优势

这里将建设航天发射港、太空主题公园、火箭组装厂、火箭发射基地、指挥中心等。发射中心建成后,主要承担地球同步轨道卫星、大质量极轨卫星、大吨位空间站和深空探测卫星等航天器的发射任务,这将使得我国航天事业迈向更为深远的征程。


(作者:佚名)
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