苏联人造地球卫星 [复制链接]

第5版()
专栏：

苏联人造地球卫星
苏联“真理报”编辑部
1957年10月4日，世界上发生了一件大事——苏联发射第一颗人造地球卫星获得了成功。发射卫星的消息传遍了世界每一个角落。各大洲有很多人观察到了卫星飞过。人造卫星的制成，是大批苏联科学家、工程师和工业人员长期刻苦研究和设计的结果。
早在二十世纪初，杰出的俄国科学家齐奥尔科夫斯基就已经从理论上解决了把宇宙飞船发射到地球大气层之外的问题，他证明星际飞行的工具应当是火箭。齐奥尔科夫斯基的著作中研究了星际飞行的一系列重要问题；并且指出，建造人造地球卫星是第一个必要阶段。
建造人造地球卫星要求解决一系列极为复杂的完全新的科学技术问题。最大的困难是设计把人造卫星发射到轨道上去的火箭。为了发射人造卫星，创造了结构上极度完善的火箭，创造了在极高的温度条件下运转的、马力强大的发动机，研究出了火箭运动的最佳条件，保证能够最有效地利用火箭。火箭要把卫星发射到轨道上就必须具有规定的运动规律，为了保证这种规定的运动规律，设计出了一种十分精密和有效的火箭自动控制系统。
这些问题和很多其他极困难的问题之所以能够解决，是由于运用了各方面科学技术的最新成就，首先是由于苏联火箭制造业的高度技术水平。我国科学技术潜力的高度水平，科学研究机关、设计局和工业企业的精确有组织的工作，保证了能够在这样短的期间内制成了人造地球卫星。
人造卫星发射之前还进行了大量实验工作，来创造和调整个别设备和整个体系。人造卫星的发射成功，完全证实了制造运载火箭和人造卫星时的计算和采用的基本技术是完全正确的。
第一颗卫星的发射是广泛的科学研究计划的开始。在国际地球物理年内，这个计划将利用接连发射的许多人造卫星来继续执行，这些人造卫星的重量和体积都还要进一步增加。制造人造卫星是征服星际空间和实现宇宙飞行的第一步。
人造卫星呈球形。它被安置在运载火箭的前端，用圆椎形的保护体封住。运送人造卫星的火箭垂直地发射出去。在发射以后不多的时间内，依靠设计的结构，火箭的轴开始逐渐离开垂直线。在进入轨道去的那一段路程的最后时刻，火箭位于几百公里的高处，以每秒约八千公尺的速度与地球表面平行地运动。在火箭发动机工作结束以后，圆椎形的保护体脱掉，人造卫星就离开火箭，开始单独运行。
目前，围绕地球运转的是一个装载仪器的人造卫星、还有火箭和圆椎形的保护体。因为保护体脱离人造卫星和人造卫星脱离火箭的速度不大，火箭和保护体在一段时间内同人造卫星离得不远，它们沿着同人造卫星的轨道相接近的轨道围绕地球运行。随后，由于脱离时候的相对速度和大气的阻力程度的大小而造成的运行周期的不同，三个物体分散了，而在继续运行的过程中，在同一时期内，它们将会在地球表面的完全不同的点上出现。
卫星的轨道
卫星的轨道接近椭圆形，椭圆的焦点之一是地心。卫星飞行时距地面的高度不是固定的，而是周期性地在改变着，最高的时候可达将近一千公里。目前，轨道的近地点（它的最低点）在北半球，而远地点（轨道最高点）则在南半球。
轨道的平面方向对恒星来说几乎是固定的。因为地球自转，因此卫星每转一圈就应当出现在其他地区的上空，每转一圈移动的位置大约相隔经度二十四度。实际移动的经度将稍微大些，因为由于引力场的偏离中央，轨道的平面将绕着地轴，朝着与地球自转相反的方向慢慢地旋转。轨道平面的这种移动距离不大，每转一次相隔大约四经度。由于地球和轨道平面的相对运动。卫星每转一周，在莫斯科的纬度上就要比十一次偏西一千五百公里左右。在赤道一带位移较大，将为二千五百公里左右。
轨道平面和地球赤道平面之间的倾斜角度是六十五度。因此，人造卫星的轨道约在地球南极圈和北极圈之间的各地区上空经过。由于地球环绕地轴自转，轨道和赤道之间的倾斜角是和轨道平面的倾斜角不相同的。飞到北半球时，轨道向东北方向成七十一点五度角穿过赤道。然后轨道逐渐转向东方，与北纬六十五度的纬线相切时偏向南方，随后向东南方向成五十九度角穿过赤道。在南半球，轨道与南纬六十五度的纬线相切，然后偏向北方再次经过北半球。
随着时间的消逝，由于人造卫星在地球大气上层受到的阻力，卫星轨道的形状和大小将逐渐发生变化。因为在卫星运行的高空，大气的密度极小，轨道的演变最初将是很慢的。远地点的高度将比近地点的高度减少得更加迅速，因此轨道将越来越接近圆形。当人造卫星进入密度较大的大气层时，它受到的阻力就变得极为强大。人造卫星燃烧和烧毁的情形将类似流星从宇宙坠入地球大气层烧毁的情形。
目前，我们对大气上层的密度了解得不够精确。因此，暂时还无法准确地预测人造卫星在轨道上存在的时间。根据目前已有的大气上层密度资料和对轨道进行测量的结果，可以肯定人造卫星将环绕地球运行很长一个时期。
现在人造卫星旋转周期为九十六分钟。随着轨道的降低，周期将因而缩短。周期变化的速度将成为轨道形状变化速度的标志。因此准确地测量人造卫星旋转周期是一项极其重要的任务。
苏联人造卫星的轨道参数使得在各大洲很大的纬度范围内都能观察到这颗卫星。这为解决各种科学问题开辟了广泛的可能性。可以指出，把卫星发射到这个轨道上比把卫星发射到接近赤道平面的轨道上更要困难。沿赤道发射卫星时有可能在很大程度上利用地球环绕轴心旋转的速度来加快运载火箭飞行的速度。
对卫星运行的观察
借助人造地球卫星所进行的研究的十分重要的组成部分，是观察卫星的运行，研究观察结果并且根据研究结果推测卫星继续运行的情况。观察卫星可以通过无线电设备，也可以在天文台中通过光学仪器进行。除了专家们用他们的设备进行观察以外，还广泛地吸收无线电爱好者和一些天文学爱好者在天文台上通过专用的光学仪器进行观察。目前苏联有六十六个光学观察站和二十六个支援陆海空军志愿协会俱乐部用大量无线电观察设备定期地观察卫星。此外还有成千上万的无线电爱好者个人单独观察卫星。
科学站是用雷达和无线电测向仪进行观察的。同时也用光学方法进行观察，并且把卫星运行的情况拍摄下来。
我们来谈一下天文学爱好者和无线电爱好者的观察方法，因为这些方法是广大的关心卫星运行的人们都可以采用的。天文学爱好者手中有着大量专门的天文学望远镜，这种望远镜光学上很完善，视角也很大。观察站还有整套的设备，能够在一定时间测定卫星在天空中的位置。
现在有一种仪器，光学仪器观察站就是用这种仪器来观察天空中的卫星情况的，用这种仪器来测量，其精确度可到一度，而观察这个情况的时间误差不超过一秒。光学仪器观察站在早晨或晚上观察人造卫星，在这个时候，地球表面已呈昏暗，而在高空的卫星本身却受到太阳的照射。
应当指出，用天文仪器来观察卫星是有一定困难的，而且和观察通常的天文目标不同，因为这个卫星在天空中运行很快，其平均速度约为每秒一度。
为了保证观察的可靠性，每个光学仪器观察站都配置有一个或二个由一些管子组成的“光学屏”，这种光学屏是按照同所要观测的卫星轨道相垂直的垂直圈方向而放置在子午线上的。此外，在寻找卫星时采用了以所谓“本地时间规则”为基础的方法。这个方法利用这样一种情况，即人造卫星的轨道并不参加地球的自转，而卫星本身将在本地星时内通过预定的纬度，星时随着轨道的旋转而慢慢变化，轨道由于引力场离开引力中心而在绝对空间围绕地球轴心旋转。因此，在一个观察站上卫星在运行过程中将顺序地通过天空中的许多点，这些点可以叫做等待点。如果把光学仪器的轴加以调整，使它事先对准天空中顺序的等待点，那么迟早必定会发现人造卫星。
大批无线电爱好者用专门设计的收音机对卫星进行着观察。这类收音机的图样和收音机测定方位的装置的图样早在发射人造卫星以前很久就在通俗的无线电技术科学杂志“无线电”上发表了。无线电爱好者所提供的有关人造卫星运行的情况，不仅可以用于研究无线电波通过大气层的规律，而且当无线电爱好者使用测定方位的装置时，还可以利用他们所提供的情报粗略地测定卫星轨道要素。
截至目前为止。无线电爱好者已经提供了大量的对人造卫星的观察材料。在许多地方，卫星的通过就是天文学爱好者发现的。在其他一些地方，很遗憾，由于云量的关系直到目前还不能进行光学观察。
科学站以及无线电和光学观察爱好者的全部材料目前正在集中和加工整理。把这些材料整理完毕后，将测定出轨道要素及其今后长久的维护。在整理材料时，使用最新的计算工具，如电子计算机。整理之后，将校正轨道参数和预告卫星的运行。此外，来自观察站的材料还可以用来利用卫星进行许多地球物理学研究，如测定卫星轨道参数演变的大气密度等等。
卫星的特性
如前所述，卫星呈球形。它的直径为五十八公分，重八十三点六公斤。卫星的密封外壳是用铝合金制成的。卫星的表面光滑，并且经过特别加工。体内装置有卫星的全部器械需要以及器械的能源。在发射之前，人造卫星体内装满了氮气。
在卫星体的外面装置了长二点四到二点九公尺的四根杆状天线。在发射卫星时，天线杆紧缩在火箭体上。在卫星射出去后，天线杆扭转自己的接头，而呈照片上所描绘的样子。
人造卫星沿轨道运行时，周期性地受到激烈无常的热影响——在地球向阳的一面时是阳光的灼热，在地球背光的一面飞行时的冷却以及大气的热影响等等。此外，卫星内仪器设备在工作时也发散出一定的热量。在热度方面，人造卫星是处于与周围空间进行辐射热交换状态的一个独立天体。因此，在长时间内保证卫星上有卫星机器设备进行工作所必须的正常温度状态是一件原则性上新的相当复杂的任务。第一颗卫星必要温度状态之所以能够保证，是因为卫星表面具有相应的辐射和吸收太阳辐射能的系数值，并且因为由卫星体内氮气的强制循环产生的卫星外壳和卫星内装的设备之间的热的阻力得到了调整。
卫星上装有两个无线电发射机不断发出讯号，频率是二○·○○五和四○·○○二兆周（波长分别为十五公尺和七点五公尺）。应当指出，在苏联制造的人造卫星上由于它的重量较大而能够装置功率大的无线电发射机。这就使得能够在很远的距离收听到卫星的讯号，使全世界各个地方的广大无线电爱好者能够观察到卫星。卫星运行的头几天的观察情况，证实了在几千公里的距离内普通的无线电收音机就能够有把握地收听到卫星的讯号。在个别情况下，在一万公里的距离内可以收听到卫星的讯号。
卫星的无线电讯号
无线电发射机使用任何频率都是以电报信号的形式发射讯号。一种频率的讯号在另一种频率讯号的休止时发射。每种频率的讯号平均持续时间约为零点三秒。这些讯号用来观察卫星的轨道和解决一些科学课题。为记录卫星上发生的各种过程，卫星上装置了一些敏感机件，在卫星的某些参数（温度等）有所变化时，这种机件能改变讯号的频率和讯号与休止之间持续时间的对比。收听卫星发射出的讯号时，对这些讯号进行记录，以便译出加以分析。
应当考虑到，在一定时间之后，无线电发射机就要停止发射讯号了。例如，流星碎块击破了卫星的外壳或损坏了天线都会使无线电发射机停止工作。此外，卫星携带的电能有限，发射机停止工作以后，将用光学方法和雷达来观察卫星。
观察卫星发射的无线电波分布情况有巨大的意义。截至目前为止，获得电离层的主要材料的方法是：研究由地球发射出去的、从位于电离层最大电离作用区之下的电离区域反射回来的无线电波。现在，实际上还不知道电离层的上界的高度是多少。
由于人造卫星的发射，就有可能从以前无法进行长期观察的、在电离层中电离程度最大的部分以上的、也许整个电离层以上的部分，长期收到两种不同频率的无线电信号。
测量所收到的信号级和各种频率的无线电波的折射角，就可以得到以前没有研究过的电离层部分的无线电波衰减的资料和关于这些部分的结构的若干资料。
人造地球卫星的科学测量计划是十分广泛的，包括大气上层物理学的很多部门和研究地球附近的宇宙空间。
这些问题包括：研究电离层的情况，它的化学组成，测量压力和密度，测量磁性，研究太阳粒子辐射的性质，宇宙射线的原始组成和变化，太阳的紫外和X光谱段，以及大气上层的静电位场和微粒。第一颗人造卫星已经可能对其中很多问题提供资料。
在研究宇宙线方面，计划规定要获得关于各种核在基本宇宙辐射中的相对数量的材料。特别是要确定锂、錧和硼核的相对数量，以及电荷很大的核的相对数量。在这方面，可能得到用过去的研究方法得不到的材料。
卫星上装置的仪器还可以研究整个宇宙线的变化。装置在地球上的仪器研究宇宙线是有困难的，因为地球表面上有很厚一层大气层。得到的材料可以搞清楚一昼夜、半昼夜和二十七昼夜的变化；并可以研究这种变化同太阳上的现象的关系。卫星能在整个地球上进行上述测定。
由于大气层吸收太阳的短波辐射，这种辐射到现在还没有被研究过。卫星既然以极大的高度绕地球运行，那就可以在上面装上我们的物理学家设计的仪器来研究太阳光谱紫外线和X线部，能够查明辐射强度的变化。这一点很重要，因为根据现代的见解，太阳的短波辐射引起大气层的上层的游离。因此，这些结果将使人进一步了解电离层的形成过程。太阳的短波辐射是由于太阳的光环引起的，因此据短波辐射的材料可以获得有关太阳光环结构的新结果。
除太阳的短波辐射外，太阳的微粒辐射对大气层上层的种种变化起着巨大的作用。因此，解决微粒辐射的本质、辐射的强度、太阳产生的粒子的能谱等问题和查明太阳微粒辐射在形成极光中的作用，是很重要的。用新制造的仪器装在人造卫星上就能解决这些问题。
卫星在大气电离层上飞行，使我们能够检查根据这种或那种假设所作出的关于大气上层存在的环流的一系列结论。人造卫星还使我们能够研究地球磁场的迅速变化情况。
在高空（一千公里）研究静电场和解决地球和大气层是否带电系统的问题有很大意义。与通过观察无线电波传输的间接方法研究电离层的同时，卫星研究计划规定直接测量各种高度的离子集中度，而将来还要用光谱方法研究质体电离层的化学成份。如果关于高空没有负离子这一现代概念是正确的话，那么这种试验将提供关于电离层成份的完备资料。
这里不准备谈国际地球物理年期间现在和将来用卫星进行的全部科学观察，但我们还要提一下研究大气上层流星体的问题。计划要获得质体光谱和从宇宙空间落到大气中的微粒子的速度。
人造卫星是征服宇宙空间的第一步。为了达到实现载人作宇宙飞行的理想，必须研究宇宙飞行条件对生物机体的影响。首先应该用动物来进行这种研究。同发射过的高空火箭一样，苏联将发射有动物作为旅客的卫星，并且将对它们的动作和生理变化过程进行详细的考察。
可以肯定地说，用人造地球卫星来实现预定的科学研究计划将在物理学、地球物理学和天体物理学许多问题方面起革命的作用。
随着人造地球卫星的发射成功，在科学和技术上已经完成了一次崭新的质的突变，同时使我们对直到现在还不可达到的宇宙空间能够运用直接方法进行科学测量，而且为将来的星际旅行开辟了广阔的道路。　（新华社）