天星内功

人造卫星是怎样构成的？它肚子里藏着什么秘密？

人造卫星由包含各种仪器设备的若干系统组成，这些系统可分为保障系统和专用系统两类。保障系统主要有结构系统、热控制系统、电源系统、姿态控制系统和轨道控制系统等。有些卫星还装有计算机系统，用以处理、协调和管理各分系统的工作。返回型卫星还有返回着陆系统，它由制动火箭、降落伞和信标机组成。

卫星的保障系统可保证各种卫星正常工作的基本条件。比如卫星都要有一个结实的外壳，这个外壳要有保护“内脏”不受高空辐射，不遭宇宙垃圾碰撞，保证内部仪器的容积等功能；卫星上还要有太阳能电池阵，这些电池有的贴在卫星的外壳上，有的做成可展开的太阳翼；卫星还要有天线，有固定式的，也有像伞一样的展开式的，这些都属于人造卫星的结构系统。

人造卫星是在十分严酷的温度条件下工作的，卫星朝向太阳时，温度可高达几百度，背向太阳的地方却又一下子低到了零下几百度。1995 年美国“发现”号航天飞机与前苏联“和平”号空间站进行轨道交会试验时，美国宇航员身穿最新式的宇航服，曾在航天飞机舱外的背阴处停留了 20 分钟，结果宇航员高呼：“手快要冻僵了！好像在冰箱冷冻室里！”而此时的温度才仅仅为—80℃。返回式卫星从发射到返回要经历—200℃以下至 10000℃以上的环境温度变化；卫星上的仪器设备有的需要恒温环境，有的需要超低温环境；有的要求强化散热。而卫星大约在 65％～70％的时间内，会受到太阳的强烈照射，致使卫星体温达 100～200℃，如此高的温度，影响绝大多数仪器的正常工作。卫星按照轨道运行到地球的阴影区时，表体温度又会骤然下降至— 100～—200℃。而在此种环境中，卫星内的仪器也无法使用。如何控制卫垦内外的热交换过程，使其热平衡温度处于要求范围，保证卫星能工作？这便是卫星的热控制系统的主要任务。

据说，早期航天专家们为解决这一难题而苦苦探索之时，蝴蝶还帮了大忙。当时，正值气温与阳光照射变化较大之时，蝴蝶却毫无感觉。后来，在生物学家的帮助下，解开了这一科学之谜。原来蝴蝶的身体表面覆盖着一层细小的鳞片，形成无数个反光镜。当气温升高时，鳞片会自动张开，增加反射太阳光的角度，令其减少太阳光的照射，免受太阳灼伤。当气温下降时，鳞片会紧紧地贴在身体表面，让太阳光直射在鳞片上从而吸收更多的太阳能，增加体温。于是，科学家们茅塞顿开，研究成一种巧妙而灵敏的仿生学装置。这种装置的外形很像气象站的百叶窗，每扇叶片两个表面的辐射散热功能相距甚远。百叶窗的转动部位装有一种对温度极敏感的金属丝。利用金属丝热胀冷缩的物理性质，当卫星飞至地球阳面时，温度超过标准，金属丝就会受热膨胀，使叶片纷纷张开，将辐射散热能力大的那个表面向着太空。当温度迅速下降时，也就是卫星飞行至地球阴面时，金属丝会遇冷而收缩，使每个叶片紧紧闭合，让辐射散热能力小的那个表面暴露在太空，抑制卫星散热。

人造卫星工作需要电源，一般来说，一颗人造卫星上的电源质量占了整个卫星质量的 15％～25％。这些电源按能源方式的不同分为化学电源、太阳能电池阵源和核电源。早期发射的卫星多用化学电源，如锌汞电池、锌银电池、镉镍电池。50～60 年代的科学试验卫星、空间探测器和返回式卫星多采用锌银电池，它的放电电流和比能量都很大，是短期飞行卫星的主要电源。另外镉镍电池、镉银电池和镍氢电池也常用来作为太阳电池阵的蓄能器。太阳能电池阵电源是人造卫星及其他航天器上最常用的电源，在地球外层空间，太阳辐射强度为地面的 1.3～1.7 倍。采用太阳能电池阵可减轻卫星的质量，太阳电池阵由一个个太阳能电池组成，或贴于卫星表面，或成伞状、翅膀状，它可以吸收太阳光把光能转换成电能然后转存入蓄电池中，这样就可以解决卫星进入轨道背阴区时的供电问题。这种电源系统的工作寿命可达 10 年以上。有的卫星上还用核电源，比如放射性同位素温差发电器、核反应堆温差发电器和热离子发电器，它们都是采用原子核的突变所释放的能量来发电。这些能量以热的形式输出，由热电转换器转换成电能。核电源寿命长、工作可靠，对宇宙空间的核辐射、强带电粒子场和微流星轰击等的承受能力强。但是价格贵，而且，万一卫星坠落，核电源污染环境危害较大。以上种种电源都属于人造卫星的电源系统。

无论是执行什么任务的卫星，都必须有姿态控制系统。对地观测卫星的照相机或其他遥感器必须对准地面；通信卫星的天线必须对准地球上的服务区；卫星上的太阳翼必须对准太阳；卫星返回地面时，其制动防热面必须对准迎面气流方向等，如果没有良好的控制系统，卫星即使被发射上天，也是徒劳无用的。卫星的姿态靠什么来控制呢？可以靠喷气机构、磁力矩器和飞轮来控制。喷气机构通过喷出高速气体或离子流对卫星产生反作用力矩，实现卫星姿态控制；磁力矩器利用卫星内通电绕组所产生的磁矩和环境磁场作用来实现控制；而飞轮则是一种由电机驱动的调整转动部件，通过卫星与装在卫星内的飞轮之间的动量交换来控制卫星的姿态。

卫星的轨道控制系统也十分重要。比如，通信卫星、广播卫星定点在一定的轨道上运行，其轨道不能乱变，如果随便乱动，一则影响地面上的跟踪接收，另则会干扰邻星的工作，使电波互相“打架”；对地观测卫星一般选用太阳同步轨道，这条轨道必须保持不变才能使卫星每过一定的整数天飞经同一地点一次；再如，用多颗星组成的导航星全球定位网，为了使地面用户能同时看到几颗星，卫星之间要保持一定的相对位置等，这些都是卫星轨道控制系统要解决的“难题”。卫星的轨道控制系统比较复杂，要进行大量的测量和计算。

上述这些分系统，都是属于人造卫星的保障系统这一类的，是卫星上共有的系统，那么，卫星还有什么专用系统呢？

卫星的专用系统是指与卫星所执行的任务直接有关的系统，大致可分为探测仪器、遥感仪器和转发器三类。科学卫星使用各种探测仪器，比如红外天文望远镜、宇宙线探测器和磁强计等，探测空间环境和观测天体；通信卫星则通过通信转发器和通信天线传递各种无线电信号；对地观测卫星使用各种遥感器，如可见光照相机、侧视雷达、多光谱相机等，获取地球的各种信息。