5章天文观测工具和手段

§5.4-2 空间天文观测

四、航天器

航天器是太空航天器工程系统的核心组成部分（如图5.18）。航天器是航天运载器的有效载荷，是在太空轨道上运动，并具有满足地面特定需求的人造天体。世界上第一个航天器是原苏联的\人造卫星\号。航天器因任务的不同，有不同的种类、不同的功能和不同的轨道。

1． 航天器的分类

航天器不仅种类众多，而且形态各异，图5.19所列只是其中一些。

按是否载人，可分为无人航天器和载人航天器两大类。若按照所执行的任务和飞行方式可作进一步划分。载人航天器可分为载人飞船、航天飞船、太空实验室和空间站等几种。 （1） 无人航天器

目前太空中大量的航天器是无人航天器，它们按照事先设置的程序自动进行或受地面指令控制实施。主要包括地球卫星和空间（深空）探测器。地球卫星按用途可分为科学卫星、技术实验卫星和应用卫星等。例如：1990年4月美国发射的\哈勃\太空望远镜就是天文卫星；1997年6月10日我国发射的风云2号是气象卫星。空间探测器依探测的目标不同，可分为月球探测器和行星探测器。例如：\勘测者\号月球探测器，\先驱者\号探测器等。 （2） 载人航天器

由于航天技术的发展，出现了载有宇航员的航天器。象\阿波罗\号载人飞船首次实现了人类登月的宿愿。

空间站是指在地球轨道上运行的、适于人类长期工作、生活的大型航天器。例如：\和平\号空间站、\自由\号空间站和\阿尔法\号国际空间站。

\和平\号空间站由俄罗斯1986年2月发射进入太空，2001年3月23日告别太空，结束15年的历史使命。\阿尔法\的空间站，是以美国和俄罗斯为主，16个国家参与的国际空间站。它始建于1998年，是人类在太空领域最大规模的科技合作项目，也是世界航天史上第一个国际合作建设的空间站。空间站包括1个基础舱、6个实验舱、1个居住舱、两个连接舱以及后勤服务舱等。其规模是俄罗斯\和平\号的5倍，太阳能电池板展开后空间站的面

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积有两个足球场大，整个密封容器约为1300M整个工程要耗资630亿美元，现已基本完成。

21世纪，中国的航天事业正蓬勃发展，其中特别是载人航天实现了历史性的突破。2003年\神舟五号\载人飞船成功返回，2005年\神舟六号\载人巡天安全着陆。在这些基础上，中国一定有能力建设未来的空间实验室和空间站。

人类载人航天第一人：

第一个进行太空旅行的人是尤里·加加林（1961.4.12）（1963.6.16）；第一个飞进宇宙的女性是瓦莲金娜?捷列什科娃；第一个在太空行走的宇航员是阿列克塞?列昂诺夫（1965.3.18）；第一个遇难的航天员是科马罗夫（1967.4.23）；第一个登上月球的人是尼尔?阿姆斯特朗（1969.7.）；第一个进入太空的华人是王赣骏（1985.4.29.－1985.5.6.）；第一个自费的太空游客是丹尼斯·蒂托（2001）；第一个在太空展示五星红旗的中国宇航员是杨利伟（2003.10.15）。

空间站，特别是长期性空间站不仅为人类长时间驻留外层空间提供了可能，而且为人类创造性才能的发挥，空间工业化和商业化的实现，更好地认识地球和宇宙，更大规模地开展航天活动等创造了条件。宗旨，空间站是人类的伟大创举，是一项开拓性的事业，它可成为太空生产基地、观天测地的场所和航天活动的中继站。

2． 航天器的组成

航天器要在太空执行满足地面特定需求任务，必须提供航天器的服务和支持系统。因此，航天器上应有直接执行有关航天任务的仪器、设备和系统，有的航天器还载有宇航员、生物，称为航天器的有效载荷。对有效载荷，航天器需要提供能量、信息、物质和创造适宜的人工环境和条件，所有这些构成航天器的整体，如下列网络图5.20。

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3． 航天器的轨道

航天器是用航天运载器发射的，其发射弹道一般指运载器从地面起飞直到把航天器送入某一轨道的飞行轨迹。

航天器轨道是指航天器在太空中飞行时质心的运动轨迹。按航天器任务，一般可有人造卫星运行轨道、月球探测器轨道、行星探测器轨道等几类；按飞行范围，又可分为绕地球质心运行段、绕月球质心运行段、绕太阳质心运行段和绕行星（地球除外）质心运行段等不同的阶段。

航天器在太空中运行会受到周围天体引力的作用，航天器的轨道一般由开普勒轨道和轨道摄动两部分组成。用轨道要素可以精确计算航天器的位置。 （1）人造卫星轨道

在地球引力作用内，环绕地球运动时其质心的运动轨迹。一般卫星飞行高度500～6000km之间，对人造卫星来说，多数运行方向和地球自转相同，因为这样能在发射时可用地球自转速度，节省能源。若采用地球静止轨道，卫星将始终固定在地球赤道某点的上空如图5.21（a），地面站对卫星的指向可保持不变，便于地面站对卫星进行观测（如通讯卫星、气象卫星等）。若采用偏东且在低纬地区上空运转，则要设计如图5.21（b）中的1。要想卫星运转起来几乎可以覆盖自转着的地球，则轨道的设计要如图5.21（b）中的2、3。还有采

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用太阳同步轨道，轨道平面相对太阳方位不变，有利于进行可见光测试（如地球资源卫星、气象卫星、照相卫星等）。采用复现轨道，卫星可以周而复始地对地面目标进行监控，能发现目标地动态变化，如资源、气象卫星；采用低轨道，卫星获取到的地面信息较强。采用大椭圆轨道，卫星能探测深度较大的空间区域，如空间物理探测卫星对环绕地球的运行的载入航天器，应避开地球辐射带，一般应小于500km。

（2）月球探测器轨道

月球探测器受地月引力共同作用，轨道按顺序首先分为环绕地球的停泊轨道和地球-月球之间的转移轨道。若要软着陆还要设计着陆轨道。若需返回地球的探测器，还有返回轨道。（如图5.22）

（3）行星探测器轨道

行星探测器轨道按运动过程中受到的主要天体的引力，可分为绕地心运动阶段，绕日心运动阶段和绕行星质心的运动阶段。这3个运动阶段分别与地球引力作用、太阳引力作用、行星引力作用相对应。在这3个运动阶段中，行星探测器被认为是分别相对地球、太阳和行星的质心运动的。从地球向行星飞行的两种过渡轨道示意图5.23所示。

在行星探测器飞行目标行星的过程中，也可借助其它行星的引力时探测器相对太阳的速度加大，从而可缩短航行时间和减少发射初速。

卡西尼号探测器将采用借助金星（1）-金星（2）-地球-木星-土星引力来加速的轨道如图5.24。值得一提，科学家要探测太阳系天体时，在选择发射探测器的时间也会充分考虑到利用1982年\九星聚会\的天象（旅行者1号和旅行者2号分别在1977年8月20日和9月5日发射成功）。因为是九星聚会，九大行星都比较集中在同一个方向附近，这对于公转

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周期长的土星、天王星、和海王星、冥王星来说，实在是机会难得。这就提供了一种可能性：探测器飞行轨道的设计者们可以让探测器在探测和飞越一颗行星的同时，利用其引力作用作为\跳板\，改变原来的飞行方向，拐弯转向下一个探测对象。正是在这样的安排下，\旅行者1号\和\先驱者11号\都先后探测了木星和土星；\旅行者2号\除了探测木星和土星外，还拜访过天王星和海王星。

美国宇航局计划2006年发射的探测器――“新视野”号，它的飞行轨迹见图5.25。“新视野”号升空后，探测器将首先飞向木星，飞临木星时并借助其引力飞向冥王星。在飞经木星的过程中，“新视野”还将顺便对木星的大气、磁层以及它的20多颗卫星进行为期4个多月的探测工作。此后，探测器便将一直飞向冥王星，并于2015抵达冥王星和冥卫附近。21世纪是航天时代，21世纪的科技发展一定更迅猛，象太空站的建成、寻找太空中的类地行星、建造星际火箭、用光子引擎制造星际飞船一定能实现。

自从人类开始航天活动以来，火箭发射后的遗骸，失效的人造航天器等自行爆炸或互相碰撞，形成越来越多的空间碎片。这些空间碎片长期滞留在地球的外层空间，被称为太空垃圾。太空垃圾在不同高度，不同轨道平面上运行，在地球周围形成一层层的“包围圈”，严重污染了地球的外层空间环境。同时，由于太空垃圾的存在，使得航天器的发射和轨道和运行受到严重威胁。现在，世界各国已认识到这个问题的严重性，并从改进火箭和航天器的设计及进行国际立法来限制太空垃圾的增加。

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