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天文卫星

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天文卫星
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天文卫星,是对宇宙天体和其他空间物质进行科学观测的人造地球卫星。传统的天文观测都是在地面上由天文台利用各种天文仪器进行的。但是来自天体的辐射绝大部分被地球大气层所阻挡,很大部分的宇宙真相不能看到。天文卫星在离开地面几百千米或更高的轨道上运行,因为没有大气层的阻挡,卫星上所载的仪器能接收到来自天体的从无线电波段到红外波段、可见光波段紫外波段直到X射线波段和γ射线波段的电磁波辐射。天文卫星的观测推动了太阳物理、恒星和星系物理的迅速发展,并且促进了一门新型的分支学科——空间天文学的形成。

目录

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发展史编辑本段回目录

天文卫星
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第一颗天文卫星是美国1960年发射的“太阳辐射监测卫星”(Solrad-1),测到了太阳的紫外线和X射线通量。

1962年开始,美国又发射了专门观测太阳的“轨道太阳观测台”(OSO)卫星系列。

1968年和 1972年发射的“轨道天文台” (OAO)卫星是最早的专门用于紫外天文观测的卫星。

1970年发射的“小型天文卫星” 1号(SAS-1),是第一颗X射线观测卫星,取得了重要的成果,使发现的X射线源剧增到 161个。

第一颗专门用于γ射线天文观测的卫星是1972年发射的“小型天文卫星”2号(SAS-2)。

用于红外天文观测的卫星发射得较晚,1983年初才发射了第一颗红外天文卫星(IRAS)。世界各国已经发射了许多天文卫星。

设备信息编辑本段回目录

轨道  

天文卫星的轨道多数为圆形或近圆形,高度为数百公里,但一般不低于400公里。这是因为太阳系以外的天体离开

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地球极远,增加轨道高度并不能缩短距离和改善观测能力,徒然增加运载器的运载能力。轨道太低时大气密度增加,卫星难以维持长时期运行。

控制  

天文卫星必须在广阔的宇宙空间找到所观测的特定天体,并把观测仪器指向这个天体,这就要求具有极为精确的定向能力和卫星姿态控制精度。已经发射的天文卫星的定向和控制精度已达到角分或角秒的数量级,比其他卫星的定向精度高几十倍甚至上千倍。一些巡天测绘的天文卫星往往是自旋的,对控制的要求并不高,但仍然要求具有很高的定向能力。因此,天文卫星通常利用太阳和其他恒星位置作为定向的参考基准。在卫星上装有星敏感器星图仪等高精度的测量仪器,把测到的星图与标准星图进行比较,以确定和计算方向

天文卫星
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结构 
 

天文卫星在结构上必须有很高的安装精度和结构稳定性。有些天文卫星装有光学望远镜,结构热变形必须降低到最小才能保证观测精度,因此结构设计和选材要求很高。

观测仪器  

天文卫星上装有各种复杂的科学观测仪器,如红外、紫外、X射线和可见光学望远镜等。这些仪器的构造复杂,制作困难。红外望远镜需要使用液氦或液氢长期冷却,探测元件必须处于接近绝对零度的超低温条件下。天文卫星的观测数据输出量大,卫星控制复杂,往往需要使用卫星上电子计算机来进行信息处理和操作控制。

美国在60~70年代发射过 3个系列的轨道观测台类型的天文卫星,它们是:“轨道太阳观测台”,“轨道天文台”,“高能天文台”。此外,美国和联邦德国正在联合研制一颗“空间望远镜”天文卫星。它的主体是一个直径2.4米的反射式光学天文望远镜,观测波长范围从近红外直到远紫外,可能观测到的宇宙距离比地面上最大的光学望远镜观测到的距离还远许多倍。

卫星轨道编辑本段回目录

天文卫星
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卫星轨道就是卫星在太空中运行的轨迹。

具体来说就是卫星在太空中围绕着它的“主体”运行的时候所形成的路径,一般都是椭圆型的。通常情况下,这个轨道相对于其“主体”是固定的。卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角叫“轨道倾角”,它是确定卫星轨道空间位置的一个重要参数。轨道倾角小于90度为顺行轨道,轨道倾角大于90度为逆行轨道;轨道倾角为0度则为赤道轨道;轨道倾角等于90度,则轨道平面通过地球南北极,亦称“极轨道”。

人造地球卫星绕地球运行,当它从地球南半球向北半球运行时,穿过地球赤道平面的那一点叫“升交点”。所谓升交点赤经,就是从春分点到地心的连线与从升交点到地心的连线的夹角。近地点幅角、半长轴、偏心率、倾角、升交点赤经和近地点时间这6个参数合称为人造地球卫星轨道的6要素。人造地球卫星在轨道上的每一个位置都会在地球表面上有一个投影,这叫“星下点”。所有星下点连成的曲线叫星下点轨迹。由于地球自转,星下点轨迹不只一条。相邻两条轨迹在同一纬度上的间隔正好等于地球在卫星轨道周期内转过的角度。根据星下点轨迹,可以预报卫星什么时候从什么地方上空经过。在航天指挥中心大厅的大型屏幕上,常可以看到上面显示的一条条星下点轨迹。相对于地球表面,星下点轨迹不断在平移。

卫星类别编辑本段回目录

X射线天文卫星

X射线天文卫星是观测天体的X射线辐射为主要目的的人造卫星,是X射线天文学的主要研究设备。

天文卫星
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第一颗X射线天文卫星是1970年12月12日美国在肯尼亚发射的乌呼鲁卫星,该卫星原名“探险者42号”,又名“小型天文卫星1号”(SAS-1),因发射当天正值肯尼亚独立7周年纪念日而得名Uhuru(兹瓦西里语意为“自由”)。卫星上装有两个相互反向的X射线探测器,利用卫星的旋转进行了系统的X射线巡天,确定了约350个X射线源,发现了许多银河系中的X射线双星、来自遥远星系团的X射线,以及第一个黑洞候选天体——天鹅座X-1。乌呼鲁卫星的观测取得了极大的成功,被认为是X射线天文学发展史上的一座里程碑。

除了乌呼鲁卫星以外,1970年代至1980年代,各国还相继发射了一系列X射线天文卫星,包括英国的羚羊5、荷兰天文卫星、美国的小型天文卫星3号、高能天文台1号(1977年)和高能天文台2号(又名“爱因斯坦卫星”)、欧洲的X射线天文卫星(EXOSAT)、日本的银河卫星等,其中1978年发射的爱因斯坦卫星首次采用了大型掠射式X射线望远镜,能够对X射线源进行成像,是1970年代取得成果最多的X射线卫星。

1999年发射的钱德拉X射线天文台20世纪90年代,意大利和荷兰共同研制的BeppoSAX卫星发现了伽玛射线暴的X射线余辉。德国美国英国联合研制的伦琴卫星(ROSAT)首次在软X射线波段进行了巡天观测,在9年时间里新发现了7万多个X射线源,使X射线源的总数达到了12万个。1993年日本发射的ASCA卫星则首先将CCD设备用于X射线成像。美国的罗西X射线时变探测器(RXTE)虽然不能成像,但是能够探测X射线源的快速光变。1999年,两个重要的X射线天文卫星先后发射升空——美国的钱德拉X射线天文台和欧洲的XMM-牛顿卫星。前者具有极高的空间分辨率(小于1角秒)和较宽的能段(0.1-1keV),后者则具有非常高的谱分辨率。它们是21世纪初X射线天文学主要的观测设备,取得了一大批重要的研究成果。除此之外,1990年代升空的X射线望远镜还有俄罗斯发射的探测高能X射线的伽马1卫星、日本发射的用于观测太阳耀斑的阳光卫星等。

小型天文卫星

美国发射的一种天文卫星系列﹐英文缩写是SAS。被列入“探险者”(Explorer)卫星系列的编号。计画发射四颗﹐

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现已发射三颗﹐在X射线和γ射线波段范围探测宇宙。计画轨道是高度555公里左右的圆轨道﹐沿赤道运行﹐周期95分。卫星形状为圆柱体﹐直径60厘米左右﹐高度不超过1米半﹐总重量小于200公斤。SAS-A(“探险者”42号)于1970年12月12日发射﹐适值肯尼亚独立纪念日﹐故命名为“自由号”(Uhuru﹐斯瓦希里语自由之意)。携带的仪器有两个X射线准直正比计数器组﹐重量63.5公斤﹐每组由六个单独的正比计数器组成﹐探测的能量范围是2~20千电子伏﹐探测极限约为2×10光子数/(厘米·秒)。卫星的探测任务是:进行高灵敏度﹑高分辨率的X射线源巡天观测。研究X射线源强度随时间的变化。

确定X射线源在2~20千电子伏范围内的能量分布。“自由号”卫星首次完成了X射线波段系统的巡天工作﹐提供了全天的X射线源分布图﹐并据以编成自由号X射线源表﹐这标志著X射线天文学发展到一个新阶段。SAS-B(“探险者”48号)于1972年11月15日发射。携有火花室探测γ射线﹐以研究银河系及河外的γ射线源的空间分布和能量分布﹐探测能段是20~200兆电子伏。饪盼佬欠⑾忠酉抵行挠屑岣坏摩梅洎r并探测到显然是来自河外星系的γ辐射和来自巨蟹座星云的高能γ辐射。SAS-C(“探险者”53号)于1975年5月7日发射。

卫星沿Z轴稳定地以每秒01的速度转动。自转轴的指向受地面指令控制﹐X轴在±25范围内相对一选定的源以每秒001的速度来回转动。SAS-C进行四项实验﹕河外X射线源分析﹐目的是确定极弱的河外X射线源的位置﹔探测器包括转动调制准直器和铍窗正比计数器。银河X射线源分析﹐目的是确定银河X射线源位置﹐并监测这些源的强度变化﹔探测器包括转动调制准直器﹑板式准直器和铍窗正比计数器。天蝎座X-1源的连续X射线变化监测。目的是以
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约1/4的卫星转动时间监测亮X射线点源﹔探测器包括板式和管式准直器铍窗钛窗正比计数器。银河X射线吸收测绘﹐目的是测量低能弥漫X射线背景强度随银纬的变化﹐以确定星际物质的密度和分布﹔探测器包括薄窗和铍窗正比计数器﹑管状准直器和X射线集光器等。

红外线天文卫星

红外线天文卫星(IRAS)是在太空中的天文台,以红外线巡天,执行勘查整个天空的任务。

红外线天文卫星是美国的NASA、荷兰的NIVR与英国的SERC联合执行的计划,于1983年1月25日发射升空,任务执行了10个月之久。IRAS以12、25、60和100微米的四种波长描绘了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'。他发现了500,000个红外线源,迄今还有许多个尚待进一步的研究。大约有75,000个相信是仍然处在恒星诞生阶段的星爆星系,其他许多则是处在行星形成阶段,有尘埃组成的星盘环绕着的一般恒星。新的发现包括环绕在织女星周围的尘埃盘和银河核心的第一张影像。

IRAS的寿命,像其他的红外线卫星一样,受限于冷却系统:有效的在红外领域中工作,卫星必须冷却到难以想像的低温。IRAS携带了720升的超流体氦,借由超流体的蒸发让卫星保持在1.6K(-272°C)的低温。卫星温度一旦上升,便会妨碍观测的进行。

寿命编辑本段回目录

天文卫星跟别的人造卫星一样,寿命取决于许多因素。

第一大影响卫星寿命的因素是卫星本身。卫星正常功能的发挥,需要卫星本身各系统都能良好地工作,而卫星各
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部件都是有寿命的,一旦某一部件过了寿命期,它一出故障就会导致整个卫星失效。所以,人造卫星在设计研制过程中,都要分析各部件的寿命,对于一些寿命较短的部件,可以采取备份的方法提高其寿命,从而提高卫星整体的寿命。

另外,由于生产制造可靠性的因素或空间环境的作用,一些部件在到寿之前也可以提前损坏,这就要求在地面上提高加工制造精度,并且对一些容易损坏的重要部件实行多余度备份。大型应用卫星需要不断地对轨道和姿态进行调整,以使之能正常使用。轨道调整和姿态保持主要靠火箭发动机,它在不断消耗推进剂。为此,通信卫星等应用卫星也就越来越大,以尽可能携带更多的推进剂,来延长其使用寿命。

第二大影响卫星寿命的因素是空间环境。人造卫星在运动过程中要受到各种外力的作用,包括地球非球形的形状摄动,大气阻力摄动,太阳光压摄动,日、月引力摄动等。这些摄动的影响常常导致人造卫星的轨道形状和大小都发生变化,对卫星的运动轨道在空间的位置和寿命的长短都起着重要作用。

此外,空间的重粒子事件也会对卫星部件产生不利作用,会导致某些部件失效,为此,必须对一些易受影响的部件进行防护。第三大影响卫星寿命的因素是轨道因素。一般低轨道卫星寿命都比较短,高轨道卫星寿命相对较长,这主要是因为轨道高度不同,大气产生的阻力不同。提高卫星的寿命,可以产生很大的效益,因此在卫星设计制造阶段,要综合考虑影响卫星寿命的种种因素,并事先想办法尽可能消除或削弱不利因素,提高其使用寿命。

重大发现编辑本段回目录

天文卫星的种类很多,各国发射的数量也不少,取得的成果相当丰硕。

1978年1月26日,美国和欧洲联合研制的“国际紫外探险者卫星”发射,获得了大量突出成果。它观测到多达26颗彗星,测量到来自彗星的氢氧辐射;通过对恒星的观测证明了大质量恒星会辐射强大的恒星风;对正在形成的

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新恒星进行了细致观测;研究了一些冷恒星的表面气体光谱辐射;研究了超新星遗迹;观测了球状星团;分析了麦哲伦星云的元素丰度;探测到并研究了活动星系和类星体发出的紫外辐射;尝试估计了黑洞的质量,确定在NGC4151星系中可能存在一个黑洞;对“大麦哲伦”星云中的超新星1987A进行了连续数小时的观察,获得了它的紫外辐射流信息。

1989年11月18日,美国研制的“宇宙背景辐射探测卫星”(COBE)发射升空,它发现了宇宙大爆炸时产生的“涟淇”,揭示出目前所知最大并且最古老的宇宙结构,部分解答了宇宙学的最大奥秘。

1995年11月16日,欧洲空间局研制的红外天文卫星“红外空间观测台”发射升空,进入远地点达71000千米的大椭圆轨道。它的新发现有:对深空的冷氢分子进行了红外观测,直接观察到了这种过去无法看到的暗物质,为宇宙中存在大量暗物质的理论提供了极好的证据;通过对正在消亡的恒星的细致观测,发现了深空天体产生的水蒸气;发现了过去一无所知的新星系;拍摄到两个星系剧烈碰撞的图像;拍摄到远离地球2000万光年的旋涡星系的图像,表明在其旋臂的特定位置正在诞生一颗恒星;观察到恒星正在消亡的细节,如距地球3000万光年的NGC6543星等。当然,哈勃太空望远镜取得的成果更加突出,主要有:增进了人类对宇宙年龄和大小的了解;证明某些星系中央存在超高质量的黑洞;观察了数千个星系和星系团;探测到了宇宙诞生早期的原始星系,使科学家有可能跟踪研究宇宙发展的历史;对神秘的类星体和其存在的环境进行了深入观测;更深入揭示了恒星的不同形成过程;对宇宙诞生早期恒星形成过程中重元素的组成进行了研究;揭示了已死亡的恒星周围气体壳的复杂组成;对猎户座星云中年轻恒星周围的尘埃环进行了观测,揭示出银河系中存在其他行星系统;对苏梅克彗星木星相撞进行了详细观测;对火星等行星的气候情况进行了观测;发现木星的两颗卫星大气层中存在氧。

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