人造衛星 人造衛星一般指人造地球衛星,是在圍繞地球的軌道上、基本按照天體力學(xué)的規律運行的無(wú)人航天器,一般由有效載荷和平臺組成。 人造衛星是目前發(fā)射數量最多、用途最廣、發(fā)展最快的航天器。
衛星按照用途可以劃分為科學(xué)衛星、應用衛星和技術(shù)試驗衛星等。 其結構主要由承力結構、外殼、安裝部件、天線(xiàn)結構、太陽(yáng)能電池陣結構、防熱結構及分離連接裝置等組成。 截止到2023年4月22日,全世界在軌衛星共有10829顆,其中7766顆處于活躍狀態(tài)。
類(lèi)型劃分
按衛星用途劃分 按照衛星的用途,可以分為科學(xué)衛星、應用衛星和技術(shù)試驗衛星。
科學(xué)衛星 科學(xué)衛星是用于科學(xué)探測和研究的衛星,主要包括 空間物理探測衛星 和天文衛星,用來(lái)研究高層大氣、地球輻射帶、地球磁層、宇宙線(xiàn)、太陽(yáng)輻射等,并可以觀(guān)察其他星體。
應用衛星 直接為國民經(jīng)濟、軍事和文化教育服務(wù)的人造地球衛星稱(chēng)為應用衛星,主要有通信及廣播衛星、氣象衛星、 測地衛星 、 地球資源衛星 、 導航衛星 和偵察衛星等,還有專(zhuān)門(mén)軍事用途的截擊衛星,部分衛星還具有多種功能。
偵察衛星 在各類(lèi)應用衛星中偵察衛星發(fā)射得最早(1959年發(fā)射),發(fā)射的數量也最多。偵察衛星有照相偵察和 電子偵察衛星 兩種。 照相偵察衛星 是用光學(xué)設備對地面目標進(jìn)行拍照的衛星。20世紀50年代以來(lái),前 蘇聯(lián) 和美國每年發(fā)射的 軍用衛星 中,約有1/3的衛星用于各種形式的照相偵察,它們在近地軌道上進(jìn)行普查和詳查。 電子偵察衛星利用星載電子設備截獲空間傳播的電磁波,并轉發(fā)到地面,通過(guò)分析和破譯,獲得敵方的情報。電子偵察的目的是確定他方的飛機、雷達等系統的位置和特征參數,竊聽(tīng)他方的無(wú)線(xiàn)電和微波通信。電子偵察衛星以無(wú)線(xiàn)電探測和記錄設備完成這些使命。
氣象衛星 氣象衛星利用所攜帶的各種氣象遙感器,接收和測量來(lái)自地球、海洋和大氣的可見(jiàn)光輻射、紅外線(xiàn)輻射和微波輻射信息,再將它們轉換成電信號傳送給地面接收站。氣象人員根據收集的信息,經(jīng)過(guò)處理,得出全球大氣溫度、濕度、風(fēng)等氣象要素資料。幾小時(shí)就可得到全球氣象資料,從而做出長(cháng)期天氣預報 ,確定臺風(fēng)中心位置和變化,預報臺風(fēng)和其它暴。氣象衛星對于保證航海和航空的安全,保證農業(yè)、漁業(yè)和畜牧業(yè) 生產(chǎn),都有很大作用。 氣象衛星已由單純的氣象試驗,發(fā)展到多學(xué)科和多領(lǐng)域的綜合應用;由低軌道系統,發(fā)展到高軌道系統,形成了全球氣象衛星觀(guān)測網(wǎng)。氣象衛星在軍事活動(dòng)中的應用也日益加強,有的國家已建立了全球性的軍事氣象資料的收集系統,向軍事單位提供實(shí)時(shí)的或非實(shí)時(shí)的氣象資料。
地球資源衛星 資源衛星是在偵察衛星和氣象衛星的基礎上發(fā)展而來(lái)的。利用星上裝載的多光譜遙感器獲取地面目標輻射和反射的多種波段的電磁波,然后將其傳送到地面,再經(jīng)過(guò)處理,變成關(guān)于地球資源的有用資料。它們包括地面的和地下的,陸地的和海洋的等等。
地球資源衛星可廣泛用于:地下礦藏、海洋資源和地下水源調查;土地資源調查,土地利用,區域規劃;調查農業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)和水利資源合理規劃管理;預報農作物長(cháng)勢和收成;研究自然植物的生成和地貌;考查和監視各種自然災害如病蟲(chóng)害、森林火災、洪水等;環(huán)境污染、海洋污染;測量水源,雪源;鐵路,公路選線(xiàn),港口建設,海岸利用和管理,城市規劃。地球資源衛星具有重大的經(jīng)濟價(jià)值和潛在的軍事用途。
海洋衛星 海洋是生命的搖籃和風(fēng)雨的故鄉,海洋與人類(lèi)的密切關(guān)系正逐漸被認識。海洋控制著(zhù)自然界中水的循環(huán)和大氣運動(dòng),主導調節大陸的氣候,提供廉價(jià)的運輸條件和高質(zhì)量的水產(chǎn)食物。海洋中蘊藏著(zhù)巨大的能源和礦物資源。
海洋衛星的任務(wù)是海洋環(huán)境預報,包括遠洋船舶的最佳航線(xiàn)選擇 ,海洋漁群分析,近海與沿岸海洋資源調查,沿岸與近海海洋環(huán)境監測和監視,災害性海況預報和預警,海洋環(huán)境保護和執法管理,海洋科學(xué)研究,以及 海洋浮標 、臺站、船舶數據傳輸,海上軍事活動(dòng)等。
通信衛星 利用衛星進(jìn)行通信和平常的地面通信相比較,具有下列優(yōu)點(diǎn):通信容量大;覆蓋面積廣;通信距離遠; 可靠性高;靈活性好;成本低。通信衛星一般采用地球靜止軌道,相當于靜止在天空上。若有3顆地球靜止軌道衛星,彼此相隔120度,就可實(shí)現除地球兩極部分地區外的全球通信。
通信衛星已用于國際、國內和軍事通信業(yè)務(wù),同時(shí)開(kāi)展了區域性通信和衛星對衛星的通信。 衛星通信技術(shù) 已賦有很濃的軍事色彩,它在戰略通信和戰術(shù)通信中占有絕對的優(yōu)勢。各國已有的國際、國內 衛星通信系統 都承擔著(zhù)軍事通信任務(wù)。
廣播衛星 廣播衛星是一種主要用于電視廣播的通信衛星。這種廣播衛星不需要經(jīng)過(guò)任何中轉就可向地面轉播或發(fā)射電視廣播節目,供公眾團體或者個(gè)人直接接收,因此又稱(chēng)為直播 衛星。普通的家庭電視機配一架直徑不大的天線(xiàn)和 機頂盒 就可以直接接收直播衛星的電視廣播節目。
跟蹤和數據中繼衛星 跟蹤和數據中繼衛星是通信衛星技術(shù)的一個(gè)重大發(fā)展。它是利用衛星來(lái)跟蹤與測量另一顆衛星的位置,其基本思想是把地球上的測控站搬到地球同步軌道上,形成星地測控系統網(wǎng)。這樣,可大大增加對 近地軌道衛星 ,如氣象衛星、偵察衛星、資源衛星、海洋衛星、通信衛星等的跟蹤測軌弧段,提高測軌精度,減少地面站的設置數量。
導航衛星 這種衛星發(fā)出一對頻率非常穩定的無(wú)線(xiàn)電波,海上船只、水下的潛艇和陸地上的運動(dòng)體等都可以通過(guò)接收衛星發(fā)射的電波信號來(lái)確定自己的位置。利用導航衛星進(jìn)行導航是航天史上的一次重大技術(shù)突破,衛星可以覆蓋全球進(jìn)行全天候導航,而且導航精度高。
測地衛星 衛星測地的原理與衛星導航 的原理相似。由于地面上的測量站是固定的,所以測量精度比對艦船導航定位的精度高。衛星測地達到的精度比常規大地測量的精度高幾十倍以上。 測地衛星可完成大地測量、地形測定、地圖測繪、地球形狀測量,以及重力和地磁場(chǎng)測定。測地衛星有主動(dòng)和被動(dòng)之分,可采用三角測量、 激光測距 、多普勒系統等多種手段達到測地目的。
攔截衛星 衛星作為一種武器在軌道上接近,識別并摧毀敵方空間系統,這種衛星被稱(chēng)為 反衛星衛星 。反衛星衛星的攔截方式可以有多種,主要有:使攔截衛星在空間與目標衛星相遇,然后自爆以摧毀目標;從攔截衛星上發(fā)射 反衛星武器 ,如激光、粒子和微波等定向高能束射武器;攔截衛星用自身攜帶的小型火箭助推器加速,與目標衛星相碰撞;設法使目標衛星失去工作能力,如利用核輻射擊毀目標衛星的電路與結構,向目標衛星 相機鏡頭 上噴射物質(zhì),等等。
軌道轟炸系統 軌道轟炸系統是一種空間對地的進(jìn)攻型武器。其任務(wù)是將武器部署在地球軌道上,當它繞地球運行到指定位置時(shí),用反推減速火箭使其減慢速度,降低軌道,按地面指令射向目標。
技術(shù)驗證衛星 技術(shù)驗證衛星是對航天領(lǐng)域中的各種新原理、新技術(shù)、新系統、新設備以及新材料等進(jìn)行在軌實(shí)驗的衛星。 航天技術(shù)中有很多新原理、新材料、新儀器,其能否使用,必須在天上進(jìn)行試驗;一種新衛星的性能如何,也只有把它發(fā)射到天上去實(shí)際“鍛煉”,試驗成功后才能應用;人上天之前必須先進(jìn)行動(dòng)物試驗等等。這些都是技術(shù)試驗衛星的使命。 多數情況下,科學(xué)衛星也兼有技術(shù)試驗功能。
按衛星軌道高度劃分 按運行軌道高度劃分,衛星可分為低軌道衛星、中軌道衛星、高軌道衛星。
一般把200千米~2000千米高的軌道稱(chēng)之為低軌道,2000千米~20000千米高的軌道稱(chēng)之為中軌道,20000千米以上的軌道稱(chēng)之為高軌道。如,大部分 對地觀(guān)測衛星 運行都在低軌道。若軌道過(guò)高,航天器將進(jìn)入或接近地球輻射帶;若軌道過(guò)低,殘余大氣阻力明顯增加,大大提高保持航天器軌道的推進(jìn)劑消耗量。而對地觀(guān)測衛星會(huì )運行在500~1000千米高的軌道,這樣既能獲得清晰度較高的地面圖片,也有一定的覆蓋范圍。
按衛星重量劃分 按重量劃分,重量在1000kg以上的衛星統稱(chēng)為大衛星或大型衛星,500至1000千克的為小型衛星;100至500千克的叫微小衛星;10至100千克的是微型衛星;1至10千克的叫納衛星;0.1至1千克的叫皮衛星;重量小于0.1千克的叫飛衛星。
技術(shù)特點(diǎn)
基本結構 衛星的結構形式因其具體用途而有較大差別,但從功能上看主要都是由承力結構、外殼、安裝部件、天線(xiàn)結構、太陽(yáng)能電池陣結構、防熱結構及 分離連接裝置 等組成。
承力結構 承力結構與運載火箭相連接,承受發(fā)射時(shí)火箭的推力,因而需要有很高的強度和剛度,一般由鋁合金、鈦合金或 纖維增強復合材料 的薄壁結構或蜂窩夾層結構制成的殼體或桿件組成。
外殼 外殼構成衛星本體的外形,也承受一部分外力,起到承力構件的作用。外殼的形狀可以是球形、多面柱形、錐形或不規則多面體等。除維持外形外,外殼還應滿(mǎn)足容積、熱控制、防輻射等功能要求。其結構形式有半硬殼式、蜂窩結構和 夾層結構 、整體結構和柔性張力表面結構等。
安裝部件 安裝部件是安裝儀器設備并保證安裝精度和防震、防磁、密封等要求的結構,它可以是儀器艙式或者安裝盤(pán)式。
天線(xiàn)結構 天線(xiàn)結構為拋物面形或平板形,有固定式和展開(kāi)式。由于發(fā)射的要求,大的天線(xiàn)在發(fā)射時(shí)是折疊起來(lái)的,進(jìn)入太空后再展開(kāi)。為防止熱變形影響天線(xiàn)的電性能,通常用線(xiàn)膨脹系數很小的石墨纖維復合材料制成。可展開(kāi)式天線(xiàn)有傘式、花瓣式、漁網(wǎng)式和桁架式。
太陽(yáng)能電池陣 太陽(yáng)能電池陣可以是一組粘貼在外殼表面的 太陽(yáng)能電池片 ;為了增大太陽(yáng)能電池的面積,也可以是太陽(yáng)能電池帆板。電池帆板是在進(jìn)入太空后展開(kāi)成翼狀,所以也稱(chēng)太陽(yáng)能電池翼。在空間不必考慮空氣阻力的問(wèn)題,因而太陽(yáng)能電池帆板可以是非對稱(chēng)的。
衛星穩定結構 衛星功能的實(shí)現對其姿態(tài)都有一定的要求,如通信衛星要求轉發(fā)天線(xiàn)始終朝向地面的接收地點(diǎn),太陽(yáng)觀(guān)測衛星要求其射線(xiàn)探測儀始終對準太陽(yáng)等。衛星通過(guò)姿態(tài)控制系統穩定自己的姿態(tài)。衛星的姿態(tài)穩定控制有自旋穩定、重力梯度穩定和三軸穩定控制等方式。
自旋穩定 自旋穩定方式的衛星要求構型是軸對稱(chēng)結構,這類(lèi)衛星的形狀一般是圓柱形、球形或橢球形。衛星通過(guò)繞對稱(chēng)軸的轉動(dòng),利用陀螺的定軸性進(jìn)行穩定控制。如中國的“實(shí)踐”1號實(shí)驗衛星,是典型的球形對稱(chēng)結構;“東方紅”2號通信衛星是圓柱形結構,并且圓柱的直徑大于高度,這是為了使自轉軸與最大轉動(dòng)慣量軸重合,有利于穩定。衛星本體繞圓柱軸線(xiàn)旋轉,天線(xiàn)部分則反向等速旋轉,構成雙自旋穩定結構。
重力梯度穩定 重力梯度穩定方式的衛星有一根頂端裝有一定質(zhì)量的重力桿,利用衛星各部分質(zhì)量受到的不相等引力產(chǎn)生的重力梯度力矩來(lái)穩定衛星的姿態(tài)。為了獲得足夠的控制力矩,重力桿一般大于衛星高度,為使發(fā)射時(shí)能裝入運載火箭整流罩內,重力桿做成可伸縮機構,發(fā)射時(shí)重力桿收攏在衛星體內,入軌后再伸展到需要的長(cháng)度。
三軸穩定控制 三軸穩定控制對外形的要求比較自由,它是通過(guò)姿態(tài)敏感器、姿態(tài)控制器和 姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機 組成的姿態(tài)控制系統控制姿態(tài)。另外還有以三軸慣性飛輪為主,姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機 為輔的三軸姿態(tài)控制方式。對于用三軸姿態(tài)控制穩定方式的衛星,其結構不需要是對稱(chēng)的,如中國和 巴西 合作 的中巴資源衛星 ,由于其冷卻系統要求一面不能朝向太陽(yáng),因而設計成單太陽(yáng)能電池帆板式。日本地球資源衛星除了有單太陽(yáng)能電池帆板的特點(diǎn)外,還有很大的合成孔徑天線(xiàn)。
系統組成 人造地球衛星無(wú)論從外形還是內部結構上講,可以說(shuō)千差萬(wàn)別,但是它們在系統組成上都包括兩大部分,即公用系統和專(zhuān)用系統。衛星的公用系統是指不管任何類(lèi)型和用途的衛星都必須配備的系統,公用系統的集成現統稱(chēng)為“平臺”;而專(zhuān)用系統則是指不同用途的衛星,為了完成技術(shù)任務(wù)而配備的特有系統,專(zhuān)用系統現統稱(chēng)為“有效載荷”。
公用系統 衛星的公用系統(平臺)一般包括以下幾個(gè)系統:結構與機構系統、熱控制系統、電源系統、姿態(tài)和軌道控制系統、測控系統和數據管理系統等。
專(zhuān)用系統 衛星的專(zhuān)用系統(有效載荷)是衛星用于完成任務(wù)的有效部分。不同用途的衛星有不同的有效載荷。例如,資源衛星的有效載荷就是各種遙感器,它包括可見(jiàn)光照相機、多光譜相機 、 多光譜掃描儀 、紅外相機、微波輻射計和微波掃描儀和合成孔徑雷達等;氣象衛星的有效載荷包括掃描輻射計、紅外分光計、垂直大氣探測器和大氣溫度探測器等;通信衛星的有效載荷主要是通信轉發(fā)器及通信天線(xiàn);天文衛星的有效載荷是各種類(lèi)型的天文望遠鏡,包括紅外天文望遠鏡、可見(jiàn)光天文望遠鏡和紫外天文望遠鏡等。
發(fā)射國家和機構 能夠自行發(fā)射人造衛星的國家及發(fā)射的首顆人造衛星
國家
衛星名稱(chēng)
運載火箭
發(fā)射時(shí)間(UTC)
發(fā)射地點(diǎn)
重量/kg
蘇聯(lián)
斯普特尼克1號
衛星號運載火箭
1957年10月4日19時(shí)28分34秒
拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)1號發(fā)射場(chǎng)區
83.6
美國
探險者1號
朱諾1號運載火箭
1958年2月1日3時(shí)47分56秒
卡納維拉爾角空軍基地26號工位A發(fā)射臺
13.7
法國
阿斯泰利克斯
鉆石號A型運載火箭
1965年11月26日14時(shí)47分21秒
特種火箭聯(lián)合測試中心B2發(fā)射場(chǎng)布里吉特發(fā)射工位
42
日本
大隅號
拉姆達-4S
1970年2月11日4時(shí)25分
內之浦宇宙空間觀(guān)測所拉姆達發(fā)射臺
23.8
中國
東方號一號
長(cháng)征一號運載火箭
1970年4月24日21時(shí)35分45秒
酒泉衛星發(fā)射中心二號發(fā)射陣地5020工位
173
英國
普洛斯帕羅
黑箭號運載火箭
1971年10月28日4時(shí)9分29秒
伍默拉試驗場(chǎng)五號發(fā)射場(chǎng)區B發(fā)射臺
66
印度
羅希尼1B號
衛星運載火箭(3 D1)
1980年7月18日2時(shí)33分45秒
薩迪什·達萬(wàn)航天中心一號發(fā)射臺
40
以色列
地平線(xiàn)1號
沙維特運載火箭
1988年9月19日09時(shí)34分
帕勒馬希姆空軍基地
157
烏克蘭
六顆俄羅斯制天箭三號衛星
旋風(fēng)三號運載火箭
1991年9月28日7時(shí)5分
普列謝茨克航天發(fā)射場(chǎng)32號發(fā)射場(chǎng)區
6×220
俄羅斯
宇宙2175號
聯(lián)盟-U型運載火箭
1992年1月21日15時(shí)00分00秒
普列謝茨克航天發(fā)射場(chǎng)43號發(fā)射場(chǎng)區
6600
伊朗
希望號衛星
信使2號運載火箭
2009年2月2日18時(shí)34分
塞姆南發(fā)射場(chǎng)
27
朝鮮
光明星3號
銀河3號
2012年12月12日00時(shí)49分46秒
西海衛星發(fā)射場(chǎng)
100
韓國
0.2噸的技術(shù)示范衛星和1.3噸的衛星模型
世界號運載火箭
2022年6月21日
羅老宇宙中心
1500
典型衛星型號
斯普特尼克1號 斯普特尼克1號衛星即 人造地球衛星1號 ,是前蘇聯(lián)研制發(fā)射的第一顆地球衛星,也是人類(lèi)研制發(fā)射的第一顆人造地球衛星,開(kāi)啟了人類(lèi)的航天時(shí)代。該衛星于1957年10月4日由 衛星號運載火箭 在拜科努爾發(fā)射場(chǎng)發(fā)射,主要用于獲取高層大氣密度、無(wú)線(xiàn)電電離層傳輸等方面測量數據。該衛星在軌工作了22天,于1958年1月4日再入大氣層燒毀。斯普特尼克1號衛星在軌運行期間還探測到空間 微流星體 。 1957年10月4日,世界上第一顆人造地球衛星“斯普特尼克1號”升空飛行。“斯普特尼克1號”(俄語(yǔ):Спутник-1,又稱(chēng)“衛星一號”,俄語(yǔ)名原意“旅行者”)由前蘇聯(lián)火箭專(zhuān)家 科羅廖夫 利用導彈改制而成,由衛星號運載火箭從 哈薩克斯坦 的拜科努爾發(fā)射場(chǎng)發(fā)射升空。“斯普特尼克1號”在軌運行了92天,繞地球飛行約1400圈,運轉了六千萬(wàn)公里,最后于1958年1月4日脫離軌道墜入大氣層燒毀 這顆衛星的本體是一只用鋁合金做成的圓球,直徑為58厘米,重近83.6千克。圓球外面附著(zhù)4根彈簧鞭狀天線(xiàn),其中一對長(cháng)240厘米,另一對長(cháng)290厘米。在發(fā)射后的3個(gè)星期內,衛星以20.005和40.002兆赫的頻率向地球發(fā)送無(wú)線(xiàn)電波信號。
當“斯普特尼克1號”于哈薩克拜科努爾航天中心發(fā)射之時(shí),正值是 聯(lián)合國 所公布的國際地球觀(guān)測年(又譯作國際地球物理年),器成為第一個(gè)進(jìn)入外層空間的人造物體,在外層空間向地球發(fā)送無(wú)線(xiàn)電波信號,并可由 業(yè)余無(wú)線(xiàn)電 用戶(hù)所接收。其發(fā)送一直持續至1957年10月26日,才因為電池用盡而中斷。1958年初,“斯普特尼克1號”失去動(dòng)力,脫離其工作軌道并墜入大氣層。 “斯普特尼克1號”升空的意義,在于通過(guò)量度其軌道變化,有助研究高空 地球大氣層 的密度,并為于電離層作無(wú)線(xiàn)電波傳遞提供原始的資料。“斯普特尼克1號”也作了第一次人造物體作隕石探測的嘗試。。
東方紅1號 1970年4月24日,中國第一顆人造地球衛星在 酒泉衛星發(fā)射中心 成功發(fā)射,由此開(kāi)創(chuàng )了中國航天史的新紀元,使中國成為繼蘇、美、法、日之后世界上第五個(gè)獨立研制并發(fā)射人造地球衛星的國家。東方紅1號衛星重173 千克,由 長(cháng)征一號運載火箭 送入近地點(diǎn)441千米、遠地點(diǎn)2368千米、傾角68.44度的橢圓軌道。它測量了衛星工程參數和空間環(huán)境,并進(jìn)行了軌道測控和《東方紅》樂(lè )曲的播送。 1967年初,國防科委正式確定中國第一顆人造衛星要播送《東方紅》樂(lè )曲,讓全世界都聽(tīng)一聽(tīng)遠東中國的聲音。年底,國防科委又為這顆衛星正式命名為“東方紅一號”。1968年1月,國家正式批準了“東方紅一號”人造地球衛星的研制任務(wù)書(shū)。
1970年1月30日,供預期飛行試驗用的兩級火箭發(fā)射成功,表明中國已具備發(fā)射衛星的能力。在先后完成空間模擬實(shí)驗和地面測控跟蹤系統之后,裝載衛星和火箭的專(zhuān)列于當年4月1日秘密抵達位于 酒泉 的衛星發(fā)射基地。4月17日,“長(cháng)征一號”運載火箭和東方紅一號衛星順利進(jìn)入2號發(fā)射陣地。18日,火箭與衛星開(kāi)始垂直測試;19日,各分系統測試,一切準備就緒。 1970年4月24日21時(shí)35分,東方紅一號衛星由長(cháng)征一號運載火箭發(fā)射升空,中國成為世界上第五個(gè)獨立研制并發(fā)射人造地球衛星的國家。
1970年5月14日,東方紅一號衛星停止發(fā)射信號,《東方紅》樂(lè )曲停止播放,衛星結束了其工作壽命。