東方紅1號仍在天上飛,能否用天宮空間站的機械臂,把它帶回來?

fans news 發佈 2021-12-07T11:08:39+00:00

東方紅1號衛星,是我國於1970年4月24日發射的第一顆衛星,當時正處於美蘇爭霸的白熱化時期,兩個國家在諸多領域包括太空探索上都展開了激烈的競爭,誰在某個方面占據了上風,那麼就會在國際大舞台上的話語權和權威性都提高一分。

東方紅1號衛星,是我國於1970年4月24日發射的第一顆衛星,當時正處於美蘇爭霸的白熱化時期,兩個國家在諸多領域包括太空探索上都展開了激烈的競爭,誰在某個方面占據了上風,那麼就會在國際大舞台上的話語權和權威性都提高一分。在兩個國家相互競爭的影響下,世界上很多國家也相繼開展航空航天領域的科技攻關和實踐探索,我國自然也不例外。


那個時期,正是我國經濟復甦的關鍵期,正需要一些重大事件來提氣。我國的科學家們夜以繼日,奮發圖強,自主研發和建造了我國第一顆衛星,並以「東方紅1號」加以命名,向全世界展示了我國冉冉升起的東方大國形象。4月24日,隨著長征一號運載火箭徐徐升空,將這顆重達173公斤、比其他很多國家發射的第一顆衛星都要重的「巨無霸」衛星送上了近地軌道,標誌著我國成為繼前蘇聯、美國、法國和日本之後,第5個能夠掌握衛星的獨立研發和發射的國家,並且為之後我國航空航天事業的迅速發展,打下了堅實的基礎,提供了豐富的經驗。


「東方紅1號」屬於一顆實驗性質的通訊衛星,衛星本身採用72面體設計,直徑在1米左右,總重量173公斤。在運行時的姿態調整方式為自旋模式,轉一圈的時間僅為0.5秒左右,衛星攜帶的主要儀器,主要包括供測量之用的太陽角計、供穩定姿態之用的紅外地平儀,另外,衛星還攜帶了音樂播放設備,持續著播放「東方紅」樂曲。由於衛星所攜帶的電池電量,僅能供其正常工作20天左右,所以該衛星在實際運行28天之後電池電量耗盡,與地面徹底失去了信號聯繫,也無法再播放「東方紅」歌曲了。


那麼,為什麼50多年過去了,「東方紅1號」衛星沒有像其他很多衛星在「退役」後,墜入大氣層而被焚毀呢?這與衛星在近地軌道內的運行速度有直接關係。偉大的物理學家牛頓在提出萬有引力之時,曾經做過一個思想實驗,即在地面上的一處高地上架起一門大炮,沿著水平面方向射出炮彈,如果炮彈的速度越快,那麼炮彈落到地面上的點距離發射點就會越遠。當炮彈的初始速度達到一定程度,那麼炮彈因引力而下墜的趨勢,就會與地球表面的曲率相「平行」,雖然炮彈一直在墜落,但永遠也落不到地面上。這個時候的炮彈水平速度臨界值,就是後來的地球表面的第一宇宙速度。


按照萬有引力充當物體圍繞地球運行的向心力之間的關係,我們可以輕鬆地計算出,在地球表面的第一宇宙速度,即最低環繞運行速度V=√(GM/R),其中G為萬有引力常數,M為地球質量,R為物體與地心的距離。從這個公式可以看出,物體能夠實現環繞地球飛行的最低極限速度,僅與和地心的距離有關,與物體的質量大小沒有關係。理論上,物體距離地球表面越近,那麼這個最低環繞速度就會越大,反之就越小。而物體能夠環繞地球運行的第一宇宙速度,即理論上貼在地球表面飛行的最小值,為7.9公里/秒。


然而,在現實中,要想以7.9公里/秒的速度沿著地球表面飛行而不落下來,是不可能的,因為越是靠近地表,地球的大氣層密度就越大,物體在以如此高的速度飛行時,所受到的空氣阻力是非常明顯的,所以發射的衛星,在距離地表越近,則所需的環繞速度值就越大。而隨著高度的增加,由於空氣變得越來越稀薄,阻力效應就會越來越弱,進一步拉低了環繞速度的數值。


「東方紅」1號環繞地球飛行的軌道,實際上是一個橢圓形,其近地點距離地球約為439公里,遠地點距離地球達到2384公里。即使在近地點,該區域的大氣密度僅為地球表面的數百億分之一,空氣非常稀薄,幾乎不受到空氣的阻力作用。而且衛星環繞飛行的速度,均超過了所在高度的最低環繞速度,所以衛星能夠長時間沒有墜落,仍然馳而不息地環繞著地球飛行。


我國的天宮空間站已經進入到全面建造的階段,預計明年年底前完成建造任務。在「天和」核心艙的上部,就安裝有可以「爬行」的七自由度機械臂,所謂七自由度就是能夠像人的手一樣,具備七自由度的活動水平,通過機械臂的旋轉,可以上下前後左右的各個方向、各個角度來抓取物體,從而有效地實施伸縮、轉動、抓握和拖拽的目的。


「天和」核心艙的機械臂全部展開,可以達到10.2米,並且還可以與實驗艙上部的機械臂進行「合體」,合體之後的大機械臂總長可以達到15米,定位的精度可以控制在45毫米以內,最大抓舉、拖拽物體的重量可達25噸。我國空間站上的這個「活寶」,對於空間站各個艙體之間的轉位、輔助對接飛行器、貨物搬運、飛行器捕獲、支持航天員出艙執行太空行走等,將會發揮出越來越重要的作用。


「東方紅1號」衛星的總重量只有173公斤,距離天宮空間站最大抓舉能力25噸還相差甚遠,所以理論上,應用空間站的機械臂來捕獲該衛星,完全不在話下。最大的問題就是「東方紅1號」和天宮空間站的運行軌道相隔較遠,在衛星的近地點上垂直相距都有40公里左右,如果在不同的垂直面、以及遠地點,相隔得就更遠了。


如果真的想抓住衛星,由於衛星已經「退役」,那就只能驅動和調整空間站變換運行軌道了,這就需要耗費相當多的能量,然後在不斷靠近的過程中,隨時調整與衛星之間的合適距離,在距離足夠近、二者相對速度很低的情況下才能實施「抓捕」,這個過程對空間站的安全來說,也有很大的風險。因此,雖然理論上從技術層面看可以做到,但考慮到執行任務的目的性、性價比和安全性,現在完全沒有必要這麼做,用不著這麼冒險。

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