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第20章 “明星”家庭众星齐闪烁(1)

随着人类卫星技术的逐步提高和卫星应用领域的扩大,人造卫星大家族的成员越来越多,队伍愈发庞大,除了上面章节里提到的卫星外,还有用于生命实验的生物卫星,用于观测太空的天文卫星,用于救援失事船只和人员的救援卫星,还有专门用来截杀卫星的反卫星卫星等,这些卫星遨游在广袤的太空中,发挥着各自的作用。

生命实验卫星——生物卫星

用于生命科学实验的卫星叫生物卫星。生物卫星是为人类上天开辟道路的先驱,各种动物就是先行者,有狗、猴子、猩猩、小白鼠等。实验的目的是了解空间环境对生命的影响,为人类上天铺平道路。当然,人进入太空工作后,总是要回到地面上来的,返回式生物卫星就是要验证宇航员返回的技术。

1957年11月3日,苏联“伴侣2号”卫星把一只名叫莱伊卡的小狗送入地球轨道飞行了6天,这是世界上第一只飞上太空的动物。

美国自1959年12月至1961年,先后3次发射“水星”号生物卫星,将猴子、老鼠、猩猩送入太空进行试验,均取得成功。

在生物卫星上进行科学实验,有许多特殊的优点和有利条件,是载人飞船和航天站所不能取代的,因此,它是进行太空生命科学研究必不可少的工具。

“明星”家庭众星齐闪烁生物卫星主要由服务舱和返回舱2部分组成。返回舱是卫星的主体,是返回地面的部分,内装各种实验生物(如狗、猴子、老鼠等)、记录仪器、制动火箭和回收系统。舱的外面是防热保护层。为了有效地保持舱内适宜温度,里面还有一层涂铝的聚酯薄膜。舱内还有脱离轨道、分离和回收设备,以保证卫星按时同服务舱分离,准确脱离轨道,安全、完整无损地返回地面。返回舱的外形有的呈球形,有的呈碗形,重三四百千克至一二吨。服务舱是卫星与运载火箭的接合部分,内装有卫星的姿态控制系统、电源系统和其他保证卫星正常工作的设备。卫星上还包括电源、回收等分系统,如回收部分,除减速伞和主伞外,还有闪光灯、海水染色剂和回收示位信标等设备。这些东西是为了在返回舱着陆以后,便于回收人员寻找和发现。

猩猩进行轨道试验生物卫星上的实验生物是多种多样的,主要是狗、猴子、猩猩和大小白鼠,此外,有些生物卫星也有细菌、植物、种子、爬行类动物、昆虫、蛙、蝇、兔、犬、鱼类和其他哺乳动物等。各种生物放置在特制的容器中,如装大白鼠的鼠笼,常制成圆筒形,5个一组连成一排。每个笼都有单独的照明、供水、食物、空气流通和废物处理装置。照明时间12小时,然后维持12小时黑暗,以模拟地面的昼夜节律。老鼠吃的是一种糊状饲料,每天4次,每次10克。水的供应不限量,随时都有。空气从鼠笼后端进入,通过笼的内壁的许多小孔眼,吹到老鼠身上,这样还可将粪便和臭味吹走。粪便吹进废物收集袋,收集袋隔两天自动更换一次。从鼠笼排出的空气,经过活性炭过滤,又被送入笼内。

在生物卫星上,可以进行许多生物学实验,如重力生理学实验、放射生物学实验、发育生物学实验等。

研究失重和超重的生物效应是人类航天的重要课题之一。失重(又称微重力)是航天中一种特殊的物理现象。研究长期失重的生物效应对长期载人航天活动有重要意义。长期失重现象无法在地面模拟,只能在太空的环境中进行实验。在生物卫星上,重力生理学的实验重点是研究像狗和猴等这类哺乳动物的心血管系统、感觉系统、神经系统、血液系统和骨骼肌肉系统的反应和变化,其中又以研究骨质脱钙、血液动力学的变化机理最为重要。这是因为在载人航天活动中,许多航天员在这些方面都出现不同程度的变化。

此外,人们还要寻找有效的防护措施,如混编在苏联的“宇宙”号卫星系统中的生物卫星,曾进行了人工重力的实验,用一种小型离心机模拟产生人工重力,用以观察人工重力能否对抗失重的影响。

宇宙辐射是航天过程中另一种重要的环境因素,也是不容易在地面实验室中模拟产生的。宇宙辐射作用于生物机体,能产生生物效应,其中的高能粒子还能对人体产生严重的伤害。在长期航天中,为了保证人的安全,必须收集宇宙辐射中各种粒子在空间分布的数据,测量生物体可能耐受的剂量,研究宇宙辐射对生物各种器官和组织的影响、宇宙辐射的复合效应以及防护措施等。

发育生物学实验主要包括失重对昆虫、蛙卵、细胞、微生物、植物的生长、发育和代谢的影响,以及航天过程中对生物昼夜节律变化的研究等。

动物不仅是人类进入太空的先驱,而且多年来一直用它们的鲜血和生命为人类的航天事业作出贡献。这是因为太空环境极其恶劣,人在太空中会受到失重、加速度、宇宙辐射、噪声和振动等因素的影响。人类是不愿轻易拿自己的生命去冒险的,因此,在征服太空的道路上,就用动物作先导,为人类探路。

许多的太空医学和生物学问题需要通过动物实验来解决。如航天病,折磨着许多航天员,使他们胃部不适、恶心和呕吐,特别是在飞行的关键时刻,降低了他们的工作能力,使他们不能按计划完成飞行任务;长期持续性的骨骼脱钙,使航天员面临着骨质疏松病的威胁;宇宙辐射的生物效应,可使航天员更快地衰老,出现贫血,还可能导致癌症。

为了解决医学问题,使航天员在太空中更健康地生活和工作,人类只得大量使用各种生物做试验对象,特别是猴子、狗和老鼠,安放在生物卫星、航天飞机、载人飞船等航天器上。可以这样说,没有动物的先驱飞行,就没有今天的载人航天活动。

知识点生物卫星上选用猴子和白鼠做试验的原因

猴子属灵长类,在身体各方面与人类相近。通过猴子在太空的反应,可以帮助科学家了解它们的内脏器官在飞行初期处于什么状态,它们心血管、骨骼、血液、神经和感觉系统在失重环境中的变化以及宇宙辐射对身体器官的影响等。白鼠体积小、繁殖力强,它们14天就可以繁殖一代,可以在太空中受孕,回地面繁殖,也可以受孕后上天在太空中繁殖,这些特性有利于科学家进行多元化研究。

“太空天文台”——天文卫星

浩瀚无垠的茫茫太空中充满着各种天体,它们不仅能辐射出可见光和无线电波,而且还可辐射出包括红外线、紫外线、X射线、γ射线在内的各种电磁波。人们研究天体的电磁辐射及其变化,就能进一步探索宇宙的奥秘,发现新的天体。遗憾的是X射线和γ射线会遭到大气阻拦;紫外线也被臭氧层所吸收;无线电波则受电离层的影响,所以,要在地球上研究天体的这些辐射是十分困难的。

为窥测茫茫宇宙,人们利用愈来愈大的天文望远镜,然而效果一直不尽如人意。人造卫星的上天,无疑开辟了天文观测的新时代。这些被人们称为“太空天文台”的天文卫星,逐渐打开一座座通往“天宫”的大门,冲破一个个揭示宇宙秘密的屏障,为我们展现出更加真切的宇宙面目。而且,天文卫星的观测还推动了太阳物理、恒星和星系物理的迅速发展,并且促进了一门新型的分支学科——空间天文学的形成。

AXAF是一种X射线天文物理观测卫星第一颗天文卫星是美国在1960年发射的太阳辐射监测卫星(Solrad-1),它测到了太阳紫外线和X射线通量。美国在20世纪六七十年代发射了3个系列的轨道观测台类型的天文卫星,即轨道太阳观测台(OSO)、轨道天文台(OAO)、高能天文台(HEAO),此外还发射了观测X射线、γ射线的天文卫星。

知识点太阳辐射监测卫星

太阳辐射监测卫星早期称格雷勃号卫星,是美国发射的对太阳X射线进行连续监测的卫星系列。其中1号是世界第一颗天文卫星。前5颗太阳辐射监测卫星为球形,基本上取900千米近圆轨道,倾角70°,周期103分钟。9~10号为12边棱柱形,近地点430~520千米,远地点630千米~880千米,倾角51°~59.4°,周期95~98分钟。1976年成对发射的11A和11B号为车胎形,取11万多千米近圆轨道,倾角25.3°~25.4°,周期118~123小时。

宇宙背景辐射探测器是一种专用的天文卫星1983年1月25日,荷兰、美国和英国合作,发射了世界上第一颗红外天文卫星,人们称它为“飞行望远镜”。

这个“飞行望远镜”是人们观测红外辐射天体的天文卫星。它的主要任务是探测宇宙中的红外源,如对太阳系天体、恒星、电离氢区、分子云、行星状星云、银核、星系、类星体等进行普查,并在普查基础上绘制红外天体图和对选定的天区及红外辐射源进行专门的观测,人们也期望它解答太阳系内是否有第10颗行星的疑问。

这颗卫星呈圆柱状,高3.6米,直径3.24米,重1076千克,位于900千米高的近圆形太阳同步轨道,卫星运动周期103分钟。卫星上装有一台重810千克的用液氦制冷的大型红外望远镜。望远镜长3米,镜面直径60厘米,底部有62个红外探测器,能探测2千米之外的一粒尘埃,能分辨出星体和宇宙射线。如果打个比方,相当于从1万千米远的地方接收到一支功率相当1瓦的小电灯泡所发出的光,或者说,一个人在北京能看到放在新疆喀什的一个小棒球。

红外天文卫星在对小行星探测中发现了一颗新彗星,它首次出现的信息是1983年4月25日传到地球的。与此同时,日本业余天文学家和英国业余天文学家也报告观察到这颗彗星。

这颗彗星后经地面望远镜拍照,辨认出是一颗以极快速度运动的彗星。1983年5月10日傍晚,这颗彗星距地球最近,这时与地球距离500万千米,是地球与月球之间距离的12倍,是已知的最靠近地球的彗星。

这颗彗星的光散布的面积比月亮面积的16倍还大,一般用肉眼看显得非常朦胧,难于看到它,但它在红外望远镜中却特别亮。它是红外望远镜发现的第一颗彗星。

天文学家另一个愿望,就是把大型望远镜送上地球轨道。

1990年4月25日清晨,美国佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心,数百名天文学家和技术专家翘首注目。远处巨大的发射平台上,“发现”号航天飞机如同展翼欲升的鲲鹏,正巍然倚靠在发射塔边。航天飞机此次飞行肩负着重要使命,就是把耗资巨大、深受世人瞩目的“哈勃”空间望远镜(HST)送入太空。美国东部时间上午8时34分,随着指令的发出,航天飞机喷云吐焰,在轰鸣声中直上蓝天,标志着人类探索宇宙的历程揭开了新的一页。

“哈勃”空间望远镜以当代美国天文学家哈勃的名字命名,是由美国国家航空航天局主持建造的四座巨型空间天文台项目中的第一台,也是迄今为止天文观测项目中投资最多、最受关注的项目之一。

“哈勃”空间望远镜外观像一个5层楼高的圆筒,其主体长13.2米,最大直径4.3米(其中光学主镜口径为2.4米),2块长达12米左右的太阳能电池翼板伸展在镜筒两侧,总重量达11.5吨。这是一座高度自动化的空间天文台,它的主要性能要比通常的地面光学望远镜优越一个量级以上。“哈勃”空间望远镜从1979年蓝图设计到1990年投入观测,历时10余年,耗资15亿美元。若按重量计算,平均每克造价接近130美元,比纯金还贵。天文学家期望着凭借“哈勃”望远镜那锐利无比的“神眼”,去洞察宇宙深层的奥秘,开辟天文观测的黄金时代。

“哈勃”望远镜拍摄的天鹅座星云照片然而事与愿违。在“哈勃”望远镜上天之后,经过最初几周紧张的测试与调整,人们发现望远镜的成像质量与预期效果存在很大差距。面对严峻的挑战,美国国家航空航天局和其他科研机构的科学家们使出周身解数,力挽狂澜。美国国家航空航天局在1993年12月对其作了为期12天的太空维修。令人们欣慰的是,这次太空维修行动最终获得圆满的成功。

1997年2月,“发现”号航天飞机升空与“哈勃”望远镜再次相会,此次服务飞行的主要任务是为“哈勃”望远镜换装上两台新一代的仪器。一台名为“空间望远镜成像光谱仪”,它使用新的、更为灵敏的探测器,并且能同时对多个目标作光谱测量,而原先的光谱仪一次只能观测一个目标,新旧两种设备的工作效率不可相提并论;另一台是“近红外照相仪”,原先“哈勃”望远镜上的照相机只能在可见光和紫外波段观测,近红外照相仪则可在2.5微米以下的近红外波段进行成像观测,尤其适合观测研究恒星形成区和高红移星系方面的诸多神秘现象。仪器设备的更新换代使“哈勃”空间望远镜观测宇宙的能力百尺竿头,更上一步。对“哈勃”望远镜的最后一次维修飞行于2002年进行。此后,随着岁月流逝,渐渐能量耗散,设备毁损,“哈勃”望远镜将在太空中孤独地走完最后的历程,直至“寿终正寝”。

21世纪之初,美国航空航天局计划实施一系列重大空间观测项目。预期在前后10余年时间之内,把4台大型天文观测设备送入外层空间。此项宏伟规划,是继20世纪90年代“哈勃”太空望远镜取得辉煌成功之后,NASA跨世纪太空探测蓝图中承前启后的又一次大手笔。

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