基本介紹
- 中文名：天文遠地衛星
- 分類：衛星
- 軌道：多數為圓形或近圓形
- 高度：數百公里,但一般不低於400公里
- 結構：很高的安裝精度和結構穩定性
發展史,設備信息,軌道,控制,結構,觀測儀器,衛星軌道,類別,壽命,重大發現,
發展史
第一顆天文衛星是美國1960年發射的“太陽輻射監測衛星”（Solrad-1）,測到了太陽的紫外線和X射線通量。1962年開始，美國又發射了專門觀測太陽的“軌道太陽觀測台”(OSO)衛星系列。1968年和 1972年發射的“軌道天文台” (OAO)衛星是最早的專門用於紫外天文觀測的衛星。1970年發射的“小型天文衛星” 1號(SAS-1)，是第一顆X射線觀測衛星，取得了重要的成果,使發現的X射線源劇增到 161個。第一顆專門用於γ射線天文觀測的衛星是1972年發射的“小型天文衛星”2號(SAS-2)。用於紅外天文觀測的衛星發射得較晚,1983年初才發射了第一顆紅外天文衛星(IRAS)。世界各國已經發射了許多天文衛星。
設備信息
軌道
天文衛星的軌道多數為圓形或近圓形，高度為數百公里,但一般不低於400公里。這是因為太陽系以外的天體離開 地球極遠，增加軌道高度並不能縮短距離和改善觀測能力，徒然增加運載器的運載能力。軌道太低時大氣密度增加，衛星難以維持長時期運行。
控制
天文衛星必須在廣闊的宇宙空間找到所觀測的特定天體，並把觀測儀器指向這個天體，這就要求具有極為精確的定向能力和衛星姿態控制精度。已經發射的天文衛星的定向和控制精度已達到角分或角秒的數量級，比其他衛星的定向精度高几十倍甚至上千倍。一些巡天測繪的天文衛星往往是自旋的，對控制的要求並不高，但仍然要求具有很高的定向能力。因此，天文衛星通常利用太陽和其他恆星位置作為定向的參考基準。在衛星上裝有星敏感器、星圖儀等高精度的測量儀器，把測到的星圖與標準星圖進行比較，以確定和計算方向。
結構
天文衛星在結構上必須有很高的安裝精度和結構穩定性。有些天文衛星裝有光學望遠鏡，結構熱變形必須降低到最小才能保證觀測精度，因此結構設計和選材要求很高。
觀測儀器
天文衛星上裝有各種複雜的科學觀測儀器,如紅外、紫外、X射線和可見光學望遠鏡等。這些儀器的構造複雜，製作困難。紅外望遠鏡需要使用液氦或液氫長期冷卻，探測元件必須處於接近絕對零度的超低溫條件下。天文衛星的觀測數據輸出量大，衛星控制複雜，往往需要使用衛星上電子計算機來進行信息處理和操作控制。
美國在60～70年代發射過 3個系列的軌道觀測台類型的天文衛星，它們是：“軌道太陽觀測台”，“軌道天文台”，“高能天文台”。此外，美國和聯邦德國正在聯合研製一顆“空間望遠鏡”天文衛星。它的主體是一個直徑2.4米的反射式光學天文望遠鏡,觀測波長範圍從近紅外直到遠紫外，可能觀測到的宇宙距離比地面上最大的光學望遠鏡觀測到的距離還遠許多倍。
衛星軌道
衛星軌道就是衛星在太空中運行的軌跡。
具體來說就是衛星在太空中圍繞著它的“主體”運行的時候所形成的路徑，一般都是橢圓型的。通常情況下，這個軌道相對於其“主體”是固定的。衛星軌道平面與地球赤道平面的夾角叫“軌道傾角”，它是確定衛星軌道空間位置的一個重要參數。軌道傾角小於90度為順行軌道，軌道傾角大於90度為逆行軌道；軌道傾角為0度則為赤道軌道；軌道傾角等於90度，則軌道平面通過地球南北極，亦稱“極軌道”。
人造地球衛星繞地球運行，當它從地球南半球向北半球運行時，穿過地球赤道平面的那一點叫“升交點”。所謂升交點赤經，就是從春分點到地心的連線與從升交點到地心的連線的夾角。近地點幅角、半長軸、偏心率、傾角、升交點赤經和近地點時間這6個參數合稱為人造地球衛星軌道的6要素。人造地球衛星在軌道上的每一個位置都會在地球表面上有一個投影，這叫“星下點”。所有星下點連成的曲線叫星下點軌跡。由於地球自轉，星下點軌跡不只一條。相鄰兩條軌跡在同一緯度上的間隔正好等於地球在衛星軌道周期內轉過的角度。根據星下點軌跡，可以預報衛星什麼時候從什麼地方上空經過。在航天指揮中心大廳的大型螢幕上，常可以看到上面顯示的一條條星下點軌跡。相對於地球表面，星下點軌跡不斷在平移。
類別
x射線天文遠地衛星
X射線天文衛星是觀測天體的X射線輻射為主要目的的人造衛星，是X射線天文學的主要研究設備。第一顆X射線天文衛星是1970年12月12日美國在肯亞發射的烏呼魯衛星，該衛星原名“探險者42號”，又名“小型天文衛星1號”（SAS-1），因發射當天正值肯亞獨立7周年紀念日而得名Uhuru（茲瓦西里語意為“自由”）。衛星上裝有兩個相互反向的X射線探測器，利用衛星的旋轉進行了系統的X射線巡天，確定了約350個X射線源，發現了許多銀河系中的X射線雙星、來自遙遠星系團的X射線，以及第一個黑洞候選天體——天鵝座X-1。烏呼魯衛星的觀測取得了極大的成功，被認為是X射線天文學發展史上的一座里程碑。除了烏呼魯衛星以外，1970年代至1980年代，各國還相繼發射了一系列X射線天文衛星，包括英國的羚羊5、荷蘭天文衛星、美國的小型天文衛星3號、高能天文台1號（1977年）和高能天文台2號(又名“愛因斯坦衛星”)、歐洲的X射線天文衛星（EXOSAT）、日本的銀河衛星等，其中1978年發射的愛因斯坦衛星首次採用了大型掠射式X射線望遠鏡，能夠對X射線源進行成像，是1970年代取得成果最多的X射線衛星。1999年發射的錢德拉X射線天文台20世紀90年代，義大利和荷蘭共同研製的BeppoSAX衛星發現了伽瑪射線暴的X射線餘輝。德國、美國、英國聯合研製的倫琴衛星（ROSAT）首次在軟X射線波段進行了巡天觀測，在9年時間裡新發現了7萬多個X射線源，使X射線源的總數達到了12萬個。1993年日本發射的ASCA衛星則首先將CCD設備用於X射線成像。美國的羅西X射線時變探測器（RXTE）雖然不能成像，但是能夠探測X射線源的快速光變。1999年，兩個重要的X射線天文衛星先後發射升空——美國的錢德拉X射線天文台和歐洲的XMM-牛頓衛星。前者具有極高的空間解析度（小於1角秒）和較寬的能段（0.1-1keV），後者則具有非常高的譜解析度。它們是21世紀初X射線天文學主要的觀測設備，取得了一大批重要的研究成果。除此之外，1990年代升空的X射線望遠鏡還有俄羅斯發射的探測高能X射線的伽馬1衛星、日本發射的用於觀測太陽耀斑的陽光衛星等。
小型天文衛星
美國發射的一種天文衛星系列﹐英文縮寫是SAS。被列入“探險者”(Explorer)衛星系列的編號。計畫發射四顆﹐ 現已發射三顆﹐在X射線和γ射線波段範圍探測宇宙。計畫軌道是高度555公里左右的圓軌道﹐沿赤道運行﹐周期95分。衛星形狀為圓柱體﹐直徑60厘米左右﹐高度不超過1米半﹐總重量小於200公斤。SAS-A(“探險者”42號)於1970年12月12日發射﹐適值肯亞獨立紀念日﹐故命名為“自由號”(Uhuru﹐斯瓦希里語自由之意)。攜帶的儀器有兩個X射線準直正比計數器組﹐重量63.5公斤﹐每組由六個單獨的正比計數器組成﹐探測的能量範圍是2～20千電子伏﹐探測極限約為2×10光子數/(厘米·秒)。衛星的探測任務是：進行高靈敏度﹑高解析度的X射線源巡天觀測。研究X射線源強度隨時間的變化。確定X射線源在2～20千電子伏範圍內的能量分布。“自由號”衛星首次完成了X射線波段系統的巡天工作﹐提供了全天的X射線源分布圖﹐並據以編成自由號X射線源表﹐這標誌著X射線天文學發展到一個新階段。SAS-B(“探險者”48號)於1972年11月15日發射。攜有火花室探測γ射線﹐以研究銀河系及河外的γ射線源的空間分布和能量分布﹐探測能段是20～200兆電子伏。飪盼佬欠⑾忠?酉抵行撓屑?岣壞摩梅?洎r並探測到顯然是來自河外星系的γ輻射和來自巨蟹座星雲的高能γ輻射。SAS-C(“探險者”53號)於1975年5月7日發射。衛星沿Z軸穩定地以每秒01的速度轉動。自轉軸的指向受地面指令控制﹐X軸在±25範圍內相對一選定的源以每秒001的速度來迴轉動。SAS-C進行四項實驗﹕河外X射線源分析﹐目的是確定極弱的河外X射線源的位置﹔探測器包括轉動調製準直器和鈹窗正比計數器。銀河X射線源分析﹐目的是確定銀河X射線源位置﹐並監測這些源的強度變化﹔探測器包括轉動調製準直器﹑板式準直器和鈹窗正比計數器。天蠍座X-1源的連續X射線變化監測。目的是以 約1/4的衛星轉動時間監測亮X射線點源﹔探測器包括板式和管式準直器﹑鈹窗和鈦窗正比計數器。銀河X射線吸收測繪﹐目的是測量低能瀰漫X射線背景強度隨銀緯的變化﹐以確定星際物質的密度和分布﹔探測器包括薄窗和鈹窗正比計數器﹑管狀準直器和X射線集光器等。
紅外線天文衛星
紅外線天文衛星(IRAS)是在太空中的天文台，以紅外線巡天，執行勘查整個天空的任務。紅外線天文衛星是美國的NASA、荷蘭的NIVR與英國的SERC聯合執行的計畫，於1983年1月25日發射升空，任務執行了10個月之久。IRAS以12、25、60和100微米的四種波長描繪了96%的天空，在12微米上的解析力是0.5'，100微米的解析力是2'。他發現了500,000個紅外線源，迄今還有許多個尚待進一步的研究。大約有75,000個相信是仍然處在恆星誕生階段的星爆星系，其他許多則是處在行星形成階段，有塵埃組成的星盤環繞著的一般恆星。新的發現包括環繞在織女星周圍的塵埃盤和銀河核心的第一張影像。IRAS的壽命，像其他的紅外線衛星一樣，受限於冷卻系統：有效的在紅外領域中工作，衛星必須冷卻到難以想像的低溫。IRAS攜帶了720升的超流體氦，藉由超流體的蒸發讓衛星保持在1.6K(-272°C)的低溫。衛星溫度一旦上升，便會妨礙觀測的進行。
壽命
天文衛星的壽命同其他人造衛星，取決於許多因素。第一大影響衛星壽命的因素是衛星本身。衛星正常功能的發揮，需要衛星本身各系統都能良好地工作，而衛星各部件都是有壽命的，某部件過了壽命期，它一出故障就會導致整個衛星失效。所以，人造衛星在設計研製過程中，都要分析各部件的壽命，對於一些壽命較短的部件，可以採取備份的方法提高其壽命，從而提高衛星整體的壽命。另外，由於生產製造可靠性的因素或空間環境的作用，一些部件在到壽之前也會提前損壞，這就要求在地面上提高加工製造精度，並且對一些容易損壞的重要部件實行多餘度備份。大型套用衛星需要不斷地對軌道和姿態進行調整，以使之能正常使用。軌道調整和姿態保持主要靠火箭發動機，它在不斷消耗推進劑。為此，通信衛星等套用衛星也就越來越大，以儘可能攜帶更多的推進劑，來延長其使用壽命。第二大影響衛星壽命的因素是空間環境。人造衛星在運動過程中要受到各種外力的作用，包括地球非球形的形狀攝動，大氣阻力攝動，太陽光壓攝動，日、月引力攝動等。這些攝動的影響常常導致人造衛星的軌道形狀和大小都發生變化，對衛星的運動軌道在空間的位置和壽命的長短都起著重要作用。此外，空間的重粒子事件也會對衛星部件產生不利作用，會導致某些部件失效，為此，必須對一些易受影響的部件進行防護。第三大影響衛星壽命的因素是軌道因素。一般低軌道衛星壽命都比較短，高軌道衛星壽命相對較長，這主要是因為軌道高度不同，大氣產生的阻力不同。提高衛星的壽命，可以產生很大的效益，因此在衛星設計製造階段，要綜合考慮影響衛星壽命的種種因素，並儘可能消除或削弱不利因素，提高其使用壽命。
重大發現
天文衛星的種類很多，各國發射的數量也不少，取得的成果相當豐碩。1978年1月26日，美國和歐洲聯合研製的“國際紫外探險者衛星”發射，獲得了大量突出成果。它觀測到多達26顆彗星，測量到來自彗星的氫氧輻射；通過對恆星的觀測證明了大質量恆星會輻射強大的恆星風；對正在形成的 新恆星進行了細緻觀測；研究了一些冷恆星的表面氣體光譜輻射；研究了超新星遺蹟；觀測了球狀星團；分析了麥哲倫星雲的元素豐度；探測到並研究了活動星系和類星體發出的紫外輻射；嘗試估計了黑洞的質量，確定在NGC4151星系中可能存在一個黑洞；對“大麥哲倫”星雲中的超新星1987A進行了連續數小時的觀察，獲得了它的紫外輻射流信息。1989年11月18日，美國研製的“宇宙背景輻射探測衛星”（COBE）發射升空，它發現了宇宙大爆炸時產生的“漣淇”，揭示出目前所知最大並且最古老的宇宙結構，部分解答了宇宙學的最大奧秘。1995年11月16日，歐洲空間局研製的紅外天文衛星“紅外空間觀測台”發射升空，進入遠地點達71000千米的大橢圓軌道。它的新發現有：對深空的冷氫分子進行了紅外觀測，直接觀察到了這種過去無法看到的暗物質，為宇宙中存在大量暗物質的理論提供了極好的證據；通過對正在消亡的恆星的細緻觀測，發現了深空天體產生的水蒸氣；發現了過去一無所知的新星系；拍攝到兩個星系劇烈碰撞的圖像；拍攝到遠離地球2000萬光年的旋渦星系的圖像，表明在其旋臂的特定位置正在誕生一顆恆星；觀察到恆星正在消亡的細節，如距地球3000萬光年的NGC6543星等。當然，哈勃太空望遠鏡取得的成果更加突出，主要有：增進了人類對宇宙年齡和大小的了解；證明某些星系中央存在超高質量的黑洞；觀察了數千個星系和星系團；探測到了宇宙誕生早期的原始星系，使科學家有可能跟蹤研究宇宙發展的歷史；對神秘的類星體和其存在的環境進行了深入觀測；更深入揭示了恆星的不同形成過程；對宇宙誕生早期恆星形成過程中重元素的組成進行了研究；揭示了已死亡的恆星周圍氣體殼的複雜組成；對獵戶座星雲中年輕恆星周圍的塵埃環進行了觀測，揭示出銀河系中存在其他行星系統；對蘇梅克彗星與木星相撞進行了詳細觀測；對火星等行星的氣候情況進行了觀測；發現木星的兩顆衛星大氣層中存在氧。
