1961年4月12日,苏联成功地把世界上第一个载人的卫星式宇宙飞船“东方号”发射到围绕地球运行的轨道上,并在环绕地球飞行一周后,准确地在预定地区着陆。这一伟大的成就,开辟了人类进入宇宙的新纪元,具有划时代的意义。这是苏联人民,在苏联共产党和政府领导下取得的卓越功绩,也是社会主义制度的伟大胜利。
第一个载入宇宙飞船的发射成功,又一次雄辩地证明了苏联科学技术的领先地位。宇宙飞行象焦点一样,集中地反映着许多尖端科学的成就。例如如果没有巨型的多级火箭,就不可能把这样重而大的卫星式飞船送上天去,如果没有精确的自动控制和远距离控制设备,就不可能使飞船按预定的轨道飞行,并在预定的地区着陆;如果没有无线电遥测,就不可能从飞船上获得所需的科学实验数据等等。这里仅就无线电遥控、遥测技术在宇宙飞行中应用的几个方面,作一个简略的介绍。
宇宙飞行轨道的控制
发射人造卫星的时候,运载火箭要把卫星送到一定的高度,并给予一定的速度。这时对精确度的要求比较地说不算太高。高度和速度的误差,只影响卫星的轨道形状,使卫星还是发射成功了。如果在宇宙飞行中,情况就大不相同。星际火箭的航行距离极远,真是“差之毫厘,失之千里”。从地球到月球的距离约为36万公里,如果要去中月球的某一指定地区,而火箭弹道方向只要有0.05°的误差,就会带来360公里的距离误差。从地球到火星和金星比到月球要远得多,因此飞往火星或金星时,火箭的轨道的控制精确度要求更高,并需要从地面上经常修正飞行轨道。显然,宇宙飞船也需要利用无线电遥控的方法,从地面上控制飞行轨道。
一般说来,宇宙火箭和飞船的无线电遥控系统包括三个部分:轨道测量部分、计算部分、控制部分。
轨道控制的精确度首先决定于轨道要素(火箭在空间的位置、速度等等)测量的精确度。可以采用相位比较的方法来确定距离,而利用多普勒效应来测定速度。这时地面上的接收站至少要有三个成为一组,每两个站之间要有足够的距离作为基准距离,这个距离要有100公里甚至1000公里以上,并经过精密地测定。确定距离时,比较每两个站所接收到的信号的相位差,就可以决定距离差。这样,应用三角原理就可以测得火箭在空中的位置。用多普勒法测得的火箭速度,也可以和用上法求得的结果互相验证。轨道要素的计算(每一瞬间宇宙火箭在空间的位置及其速度),是由轨道数据计算机来完成的。这种计算机,可以在0.1秒之内完成全部计算工作,并把结果送到控制计算机里去。
在控制计算机里,人们已经事先把预想的控制方案放了进去,规定了火箭应该飞行的轨道。轨道数据计算机的计算结果,在这里与预定的理想轨道相比较,得出轨道的误差值。根据误差的大小和性质,计算机应得出修正误差的方案,并且把这个方案送给远距离控制设备。
远距离控制设备把控制命令自动编码,并调制地面的无线电发射机,经由无线电波把命令送到火箭上去。在火箭上,接收到的信号被译出后送到自动驾驶仪,以控制火箭的飞行方向、速度,或执行其他的操作命令。
上述三个部分构成了整个无线电控制系统。这个系统的地面部分,分布在广大的面积上,各个部分的协调工作以及数据的传送等,也需要运用遥控遥测技术(不一定都用无线电)。
宇宙飞船返航的控制原理和上面所说的差不多。当飞船到达指定位置时,地面发出了下降命令,开动了制动发动机。下降轨道,也是预先规定的。无线电控制系统保证飞船沿着这个轨道减速下降,到达预定着陆地点。
飞行中试验数据的取得
实现人的宇宙飞行之前,必须占有大量有关宇宙空间控制系统、火箭性能、以及动物在宇宙飞行中的生理反应等等方面的宝贵资料。如何从飞行中的宇宙实验室(包括卫星、宇宙火箭、飞船等等)取得这些资料呢?主要是用无线电远距测量(无线电遥测),就是将宇宙实验室中各种仪器所测得的数据通过无线电即时送到地面上来。
由于在宇宙飞行中所测得的数据是多种多样的,通过一个无线电发射机来传送时,通常有两种方法。一种是所谓频率划分方法,即每一种数据采用一个频率(低频频率,所谓付载波)来传送,这些付载波混合起来再去共同调制发射机。另一种方法是时间划分方法,即把所有的数据依次按时间顺序循环传送。还可以把上述两种方法混合起来应用。时间划分方法适合于传送慢变化的数据,如温度、压力等等,它可以同时传送数量极多的数据。频率划分法适合于传送变化较快的数据,如振动等等,但是可以同时传送的数据总数量较少。
在宇宙实验室中获得的数据,人们总是希望能完整地送到地面。但由于地球的自转,宇宙飞行器环绕地球飞行,而地面接收站又不能遍设于地球的几个地点,无线电联系有时可能隔断。因此有时也采用下面的方法:把测量数据先记录在磁带上,当宇宙飞行器飞到指定地区(在本国领土上空时),由地面发出无线电控制命令,使磁带上的记录全部送到地面。
当人类踏上别的星球之前,一定要先送一些自动实验室到那个星球上去。这个实验室的工作是自动进行的。也可以是由地面控制的。实验室中配备有电视,可以把“看”到的一切送到地面来;装有各种化学及物理仪器,可以自动地测定星球上的各种化学物理数据,并经由无线电遥测把数据发回地球。并且我们也可以预想到,在地球上的人们可以通过电视及遥控遥测等设备来控制实验室的工作。
无线电信道的问题
宇宙飞行中传送遥控、遥测信号进行通信联系靠无线电信道。地面和宇宙飞行器的无线电联系具有一系列特点。首先是波长的限制,其次是超远距离通信的问题,最后是飞行器上设备重量和体积的限制。
地球大气层上部的电离层,使波长从100米到20米的无线电波不能通过,并加以反射。因此在宇宙飞行中必须选择波长短于20米(频率15兆赫以上)的超短波。但是当波长小于3厘米时,地面大气层的吸收十分严重。可选用的波段约在20兆赫至9000兆赫(即15米至33厘米)之间。
人造卫星至地面的距离约在数百公里到数千公里的范围之内。但是在星际航行中,火箭或飞船距地面就会大到数千万公里以上。我们知道在完全相同的条件下,接收到的功率和距离的平方成反比。这就可以看出实现星际间的无线电联系是有一定困难的。
不仅如此,由于宇宙飞行器中负载及容积有限,无线电发射机的功率也受到极大限制。看来,单纯追求增加发射功率是不合理的,而且也难以办到。因此,关键在于增加地面接收设备的灵敏度,增加信号噪声比。目前一般的办法是使用极大的定向跟踪天线(例如直径几十米的抛物面天线),采用低噪音的前置放大器(如量子放大器,参量放大器)以及采用现代化的信息传输和接收方法。
飞行器接收地面控制命令时,恰恰相反。地面应尽量用大功率的发射机和大尺寸的天线。空中天线尺寸受到限制,但接收机的灵敏度要极高,在条件容许时,使空中的天线对地球自动定向可以有很多好处。
苏联“东方号”开辟了人类飞往宇宙的道路。沿着这条道路前进,人们将飞往月球,金星,以及更遥远的宇宙中去。无线电电子学的工具和方法,遥控、遥测和通信技术的进一步发展,将作为重要条件之一,保证这种远距离宇宙飞行顺利进行,获得必要的科学资料,并安全地返回地球上来。(王亩)