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五大登月創新改變人類生活
發布時間: 2019-07-22 08:58:25 文章出處: 科技日報 浏覽次數: 165 文字大小:【   打印文章

      從1969年7月到1972年12月,總共有12位美國宇航員通過“阿波羅計劃”踏上了月球。


  物理學家組織網日前報道,從火箭到衛星,從個人計算機到深空網絡,再到我們對地球和人類自身的認知,都與登月息息相關。


  建造火箭


  1957年10月4日,太空時代曙光初現。當時蘇聯朝著宇宙發射了第一顆人造衛星“斯普特尼克1號”(Sputnik 1)。


  自此,太空推進和衛星技術迅速發展:1959年1月4日,“月球1號”(Luna 1)無人探測器脫離地球的引力場試圖撞向月球,但並沒有成功,在掠過月球之後開始圍繞太陽公轉。


  1961年4月12日,蘇聯宇航員尤裏·加加林乘坐“東方1號”宇宙飛船進入地球軌道,花1小時48分鍾繞地球一周後平安返回地球,成爲第一個進入地球軌道的人。


  終于,日曆翻到1969年7月20日,德國科學家沃納·馮·布勞恩領導設計的當時世界上最大的火箭“土星5號”,第一次把人送上了月球。這枚火箭高110.6米,起飛重量超過了3000噸,總推力達到3400噸。如果沒有它,阿波羅計劃是不可想象的。事實上,“土星5號”運載火箭直到今天仍然是人類所建造的推力最大的火箭之一。


  這些火箭幫助衛星、宇航員和其他航天器離開地球表面,並從其他世界帶回信息,拓展了人類的視野。


  發射衛星


  將人類送上月球的初心,促使科學家建造出了足夠強大的運載火箭,可以將有效載荷發射到地球表面以上34100—36440公裏的高度。


  在這樣的高度,衛星的軌道速度與行星旋轉的速度一致,所以衛星保持在固定點上,即位于所謂的地球同步軌道。地球同步軌道衛星負責通信、提供互聯網連接和電視節目。


  1962年7月10日,第一顆商業衛星“電視之星”(Telstar)讓電視信號穿越大西洋。


  截至2019年初,有4987顆衛星在地球軌道上運行。僅在2018年,全球就發射了超過382顆衛星。目前正在運行的衛星中,有40是通信衛星,36是觀測衛星,11是技術演示衛星,7是導航和定位衛星,而6的衛星主要目的是進行太空和地球科學任務。


  計算機微型化


  太空任務,不管是過去的還是現在的,都對其設備和載荷的大小和質量有嚴格限制,因爲將它們送入軌道需要很多能量。這些限制促使航天工業不惜一切代價追求讓物體更輕、更小的辦法:即使是月球著陸模塊的內壁也減少到兩張紙的厚度。


  當然,在追求更輕、更小方面,計算機的變化最爲明顯。在20世紀60年代,爲了更好地執行太空任務,讓計算機小型化的需求促使整個行業設計出更小、更快、更節能的計算機,幾乎影響了當今生活的方方面面——從通信到健康,從制造到運輸。


  這方面的變化也非常驚人:從20世紀40年代後期到60年代後期,電子産品的重量和能耗至少減少了幾百倍——從重30噸、功率160千瓦的電子數字積分器和計算機,到重70磅、功率70瓦的阿波羅引導計算機。


  人們估計,“阿波羅計劃”讓芯片産業的發展加速了10—20年,使電腦芯片的運算速度越來越快,價格越來越低,最終成爲一種普通商品,“飛入尋常百姓家”。


  深空網絡


  與1969年登月有關的一個重要突破是全球地面站網絡——深空網絡(Deep Space work)的建立,該網絡能讓地球上的控制設備與位于高橢圓形地球軌道或更遠地方的航天器即時通信。


  NASA的這一深空網絡主要由3部分組成,分別位于美國加州、西班牙馬德裏以及澳大利亞,3處約成120°分布。這主要是適應地球自轉,而且,這一策略性分布使每個航天器始終位于其中一個地面站的範圍內,沒有一個“漏網之魚”。


  由于航天器的功率容量有限,科學家在地球上建造了大型天線來模擬“大耳朵”以聽到微弱的信息,並充當“大嘴”來大聲播放指令。事實上,深空網絡被用來與執行“阿波羅11號”任務的宇航員進行交流,並被用來傳送尼爾·阿姆斯特朗登上月球的第一個電視畫面。


  執行“阿波羅13號”任務的3名宇航員曾死裏逃生,該網絡至關重要。該飛船于1970年4月11日發射,是NASA第三次載人登月任務。發射僅兩天,太空艙內氧氣罐爆炸使飛船損失大量氧氣和電力,最終3位宇航員在深空網絡的幫助下,使用登月艙作爲太空救生艇返回地球。


  目前,有數十個任務使用深空網絡來探索太陽系以及更遙遠的宇宙。此外,深空網絡使地面能與位于高橢圓軌道上的衛星通信,以監測地球的兩極並傳送無線電信號。


  改變對地球認知


  進入太空可以讓我們更好地認識並了解地球,而這要歸因于從太空拍攝的幾張地球圖片給人類帶來的沖擊。


  1959年8月,“探索者5號”(Explorer Ⅵ)衛星在一次任務中,從太空拍攝了第一張地球的照片,爲阿波羅計劃做准備。


  差不多10年之後,1968年底,執行“阿波羅8號”的宇航員爲地球拍攝了著名的“地升”(Earthrise)照片。照片中,地球正從月球表面升起。這張圖片讓人們意識到,地球是一個美麗的整體,人類的命運是連在一起的,保護地球環境促進了環保運動的興起。


  此後,人們一直在從太空拍攝地球,這給人類帶來了巨大的福祉。比如,“陸地衛星”(Lsat)拍攝的圖像被用于確定作物的健康狀況,識別藻類繁殖並找到潛在的石油沉積物。其他用途還包括,確定哪種類型的森林管理方法能最有效地減緩野火蔓延速度和趨勢,識別全球性的變化,如冰川覆蓋和城市發展的變化等。



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