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独具特色的材料与外形

时间:2019-06-20    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大

独具特色的材料与外形

 

什么是人造卫星呢?人造卫星是人类制造的围绕行星运转的天体。我们

知道太阳系有九大行星,围绕行星运转的天体就是卫星,如月球,就是地球


的卫星。但人造卫星并不一定像月亮那样是个圆圆的东西,它们的形状千奇

百怪,纷繁复杂,分起来大约有圆形,如前苏联 1957 年 10 月 4 日发射的“人

造卫星—1”;球形多面体,如我国 1970 年 4 月 24 日发射的“东方红”卫星;

圆锥形,如 1967 年 11 月 29 日美国为澳大利亚发射的“武器研究—1”;圆

柱形,如 1958 年 1 月 31 日美国发射的“探险者—1”;多面柱形,如 1971

年 10 月 28 日发射的英国卫星“普罗斯帕罗”;箱形,如 1974 年 8 月 28 日

由美国发射的荷兰卫星“天卫星—1”;不规则形,如日本卫星“大隅”等。

人造卫星为什么不像飞机那样采用流线型的机身外形呢?这是因为人造卫星

是在空气稀薄的宇宙中运行,而不需要像一般飞机那样要同稠密的空气作斗

争。人造卫星只要获得第一宇宙速度,就可以放心大胆,自由自在地围绕地

球翱翔了。而人造卫星的速度常常是由推动它的火箭给予的,所以本身不必

过分考虑什么形状。

但卫星为了尽量减轻重量,特别是它毕竟要受末级火箭头部整流罩的限

制,所以一般都做得小巧玲戏。早期的卫星常做成球形,因为在同样的容积

下,球形卫星的外壳表面积最小,重量最轻;而且更重要的是,对于球形人

造天体来说,无论它在空间站成怎么样的姿式,其受光面积都是一样的,从

温度设计上也比较方便,世界上大多数自行发射卫星的国家,如前苏联、美、

日、法、中的首颗卫星都是这样。

不过,人造卫星的形状也受姿控方式、是否回收和太阳能电池的影响。

姿控方式,就是说卫星要保持好一定的姿式。卫星既要站稳,还要自行旋转,

所以它们的横向尺寸一般要求比较长。许多要求自动旋转的卫星,不管是气

象卫星、通讯卫星还是科学实验卫星,总要做成直径大于高度的圆柱形、鼓

形或扁球形。要回收的卫星外形结构也很奇特,它的头部很大很钝,在返回

时头部一般向前,这是为了散热和减速。当然返回式卫星快要接近地面或海

洋时,反推火箭和降落伞也要派上用场。至于太阳能电池,因为它是贴在卫

星上的,所以一般不做成纯粹的球形,多面球体常是一种好的设想。

接下来说说人造卫星的整流罩和结构材料。整流罩是人造卫星在发射时

的帽子。这个帽子其他的人造天体也有,如宇宙探测器。它主要是为了避免

人造卫星在飞行中受空气压力和高温的破坏。火箭飞行,每秒可达数千米的

速度,由于摩擦生热的原因,整流罩与低层大气摩擦要产生巨大的热量和很

高的温度。为了克服这一险恶条件,科学家们常用铝镁合金、玻璃钢和玻璃

钢蜂窝夹层结构来作整流罩的材料。不过,它们分别有一定的优缺点。如铝

镁合金虽然耐高温,却重量大;玻璃钢轻是轻,却容易对人造天体产生污染

破坏;玻璃钢蜂窝夹层结构在重量、强度上都不错,但不牢靠。

还要告诉大家的是,人造卫星的帽子并不是要一直戴到头上。到了目的

地,人造卫星会毫不吝惜地将其扔掉,这个扔掉过程就叫整流罩分离。整流

罩分离有两种方式,一是过顶式分离,一是剥开式分离。

过顶式分离,就是直接把整流罩从头上抛出去,就像拔掉钢笔帽似的。

不过这个拔帽子的过程要稳要准。因为人造卫星在飞快地运行,拔慢了扔得

不远,整流罩就会反弹或者撞到卫星上,产生破坏作用。为了保证整流罩从

头顶上分离成功,发动机常常要被关掉,以防卫星加速。

剥开式分离,就像剥蚌壳一样,从两边把整流罩剥开。整流罩的两半是

用螺栓拴住的,或者用导爆索捆着。当到了剥离的时间时,螺栓或导爆索会

自动引爆,使整流罩解锁,并从运载火箭上抛出。


整流罩这顶帽子的形状很有意思。它高高的、尖尖的。像一个长形的钟。

剥离式整流罩外面看起来像一支钢笔的笔尖,中间还分叉呢。

就像人造卫星的整流罩结构非同寻常一样,人造卫星整体的结构材料也

别具一格。在我们寻常人看来,太空中空气稀薄,没有水,真有致命的危险。

不错,卫星运行的宇宙空间几乎是一种高度真空状态。如果按大气压力来看,

在近地 500 公里的高空,大气压力还不到地球海平面大气压力的一亿分之

一;而到 900 公里的高空时,大气压力只有百亿分之一毫米汞柱了。当然这

样的条件对人造卫星只能说无关痛痒,最要命的要数空中热环境、电磁辐射、

带电粒子环境等。

热环境关系到人造卫星的表面温差问题。在向阳的一面高温可达 100~

200℃,而背阳的一面低温可达—100℃~—200℃,这就是讲,人造卫星的表

面温差极其悬殊。人造卫星如果处理不好温差问题,就会成为死星。日本首

颗卫星,就是因为没有解决好热设计这一难题,使星内电子设备温度高达 60

℃,仅在轨道运行 36 圈就停止了工作。

电磁辐射主要来源于太阳。太阳对外进行着大量的 X 射线和紫外射线辐

射,给人造卫星造成很大的麻烦。因为紫外线和人造卫星的一些材料会发生

化学反应。例如,在紫外线的照射下,材料分子量会降低,材料本身会分解、

裂析、变色、弹性也会下降。

带电粒子流包括太阳宇宙线(指太阳耀斑极光、太阳风等)、银河宇宙

线等,它们也会影响人造卫星的太阳能电池、光学材料、半导体器材等。

另外,微流星也会给人造卫星造成威胁。这里讲的微流星并不是指直径

达几公里的大流星。大流星可能会击毁人造卫星,微流星极小,直径小于一

毫米,质量在一毫克以下,不过它的破坏性不可低估,因为人们很难发现它

们的行踪,但它们能穿透卫星的外壳,破坏卫星的电池和各种装置。据说,

在目前发射失败的卫星中,罪魁祸首首先就是它。

不过,科学家们已经找到了保护好人造卫星的方法,那就是给人造卫星

穿上好的防护衣,并且对卫星进行结构材料更新。现在,人造卫星的结构材

料能够承受各种恶劣的空间环境条件,达到很满意的效果。人造卫星的结构

材料一般都比较轻。在外型方面,钛合金、铍合金、硼、碳纤维金属复合材

料等得到了运用。

钛是一种银灰色的金属,在真空条件下熔铸成锭后,加入适量的铝、钒、

锆、铜等元素,就配制成了钛合金。可别小看了这种钛合金,它强度很高,

一平方毫米的面积可以承受 100 千克的重压;耐热性也好,能耐受 500℃的

高温;抗腐蚀性也不错。看来,它真像孙悟空一样不怕天不怕地了。钛合金

在火箭发动机、载人宇宙飞船上也得到了重用。铍合金也不弱于钛合金,它

不仅轻,强度大,而且耐高温。许多军事通信卫星以及深空探测器都少不了

它。碳纤维增强塑料、硼纤维增强塑料也各有自己的卓越性能。到目前,一

些新型的结构材料,如硼纤维增强铝合金、碳化硅纤维复合材料等,也已经

研制成功,并得到了重用。

 

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