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衛星通訊的構想與應用(一)-洋洋得意報NO.32

 日期:4/20/2019 11:58:44 AM

衛星通訊的構想與應用(一)-洋洋得意報NO.32

洋洋實業團隊 撰 2008/9/21

       在古今中外幾千年的歷史裡,人類一直夢想在浩瀚的星空中遨遊,人類自有文明以來,觀察鳥類飛行,不斷以自身經歷去探索天空的世界。1903年,萊特兄弟實現了人類遨遊天際、自由飛翔的千年夢想,他們發明了飛機,人類第一次有機會離開地面,飛向天空。繞著「恆星」(如太陽)運轉的星球稱為「行星」(如水星、金星、地球…等),繞著行星運轉的星球稱為「衛星」(如月亮);人類製造,且在太空中繞著行星或衛星運轉的飛行器,便稱之為「人造衛星」,它是人類繼飛機發明後的偉大夢想,使得我們對外太空與自身居住的地球,有了更進一步的瞭解與掌控。「人造衛星」(Satellite)的構想,可說是從1903年說起,俄國的宇宙航行之父-齊奧爾科夫斯基(Kostantin E. Tsiolkovsky)正式發表了一篇很長的論文,稱之為《依靠火箭的動力作宇宙航行》,它導出火箭理論中著名的《齊奧爾科夫斯基公式》。齊奧爾科夫斯基曾說:『在最初階段,應當建造一個人造的地球衛星,地球是人類的搖籃,但是人類不能永遠生活在搖籃裡,要小心翼翼地穿出大氣層,征服太陽系』。這些論述當時因為他沒有經費進行實驗,僅僅停留在理論研究的階段。

       亞瑟‧克拉克1917年出生於英國,因小兒麻痺併發症而癱坐於輪椅上,早在1945年時,他便提出了地球同步衛星的構想,因此被譽為「同步衛星之父」。1945年,曾是英國國際星際學會的主席的科學家亞瑟‧克拉克(Arthur C. Clarke)倡議將人造衛星用火箭射入赤道上空距離地面35,870公里處(即2.2萬英里),並可依軌跡與地球同速度運轉,以做為科學或通訊的用途,稱之為「同步衛星」(Synchronous Satellite或Geostationary Satellite)。從理論上同步衛星靜止的位置相對於地球說是不動的,但是實際上它並不是經常能夠保持這種「相對靜止」的狀態。人造衛星按照天體力學規律繞地球運動,實際運動情況要比想像中複雜得多,主要原因是受非球形地球引力場的影響。而低軌道衛星還要受大氣阻力的影響,高軌道衛星,特別是靜止軌道衛星還要受日、月引力和光壓的影響,人造衛星要達到實際可運行的目的,還需要許多的努力。

       所謂「同步衛星」(Synchronous Satellite)是:固定在地球表面上,與地球維持同步旋轉,它環繞地球旋轉,相對地球自轉來講,同步衛星從地面看,它恰似停在空中靜止不動,它的運行與地球自轉同步,迴轉速度每秒約3,068公尺,即每小時11,042公里,約為波音飛機公司747客機的11倍,約為音速的9倍(音速每秒約340公尺),運行週期為一日,即23小時56分04秒。同步衛星固定在地球表面上方35,870公里的軌道,與地球維持同步旋轉。因此,可視為地球上某個固定點,由於傳輸的距離遠,訊號延遲將達250~280毫秒(ms)。

       著名的科幻小說-「2001:太空奧德塞」(2001:A Space Odyssey)即出於克拉克手筆,後來其小說中的科幻題材都一一實現,一九四五年他所提出了通訊衛星的構想,一九八二年得到法朗克學院所頒贈之金質獎章,以表彰其在真實與科幻世界正確的預言。同步衛星放置在約六個地球半徑高度的地方,距離地面35,870公里的高度可以俯視約三分之一的地球表面,因此僅需三枚人造衛星就可以涵蓋整個地球,聯結成涵蓋全球的「國際傳播」網路。

       在古老中國的宋朝時代便有火箭,利用火箭發射將人造衛星載送衝出地球飛向太空,要使火箭飛向太空的基本條件有兩個,克服地球引力的限制與降低空氣的影響。要滿足上述這些條件,使用飛機運送是不可能的,因為飛機靠發動機的燃料燃燒來產生推力,但太空中並沒有氧氣可供燃燒,而火箭則自備了氧化劑,為燃料提供大量的氧氣來助燃,這樣火箭可以不受大氣的限制,直接將衛星送入地球軌道,火箭得以飛向太空所需的條件,整理如下:

  1. 克服地球引力的限制:為了克服引力,一定要減少火箭重量,提供足夠的推力使 物體達到每秒11.2公里的速度,才能飛離地球;

  2. 降低空氣的影響:火箭飛行不需要依賴空氣,它是靠尾部噴出氣體所產生的反作用力前進的。

       神話中「嫦娥靠仙藥飛向月亮」,現實中「人類則是靠火藥才能衝向太空」。1926年,美國「火箭之父」羅伯‧哈金斯•戈達德(Robert H. Goddard,1882~1945年)發明了人類第一枚液態燃料火箭,整個實驗時間僅有短短的2.5 秒,火箭只飛了56公尺高,但他仍寫下了世界上第一枚液體火箭的紀錄。戈達德的貢獻在於將火箭的動力改為液態燃料,之此之前的火箭都是固態燃料,因為固態燃料所釋放出的能量絕對不足以讓火箭做為人類上太空的交通工具,但戈達德突破了這個困境,給予後來人造衛星發射的主要動力來源的基礎。而在歐洲大陸上,德國的科學家奧伯特(Hermann Oberth)雖然在理論上不及前述的俄國科學家齊奧爾科夫斯基(Kostantin E. Tsiolkovsky),製作上也落後戈達德許多,但是他使火箭的理論變得更完善,後來又參加了德國「V-2火箭」的研製。

       1927年,奧伯特為首的一批德國科學家與工程師成立了民間的德國宇宙航行協會(Verein für Raumfahrt),這是全世界第一個航太科技研究協會。二次大戰後期,德國納粹的V2火箭飛越英倫海峽,轟炸英國倫敦,對英國的社會人心造成莫大影響,V2火箭的研發成功,後人公認他與齊奧爾科夫斯基、戈達德;齊名為現代航天學的奠基者。以多節火箭來發射人造衛星的構想,是由蘇聯科學家-科羅涅夫(Sergei P. Kordev,1907~1961年)實現,他是世界上第一顆人造衛星-「史波尼克一號」(Sputnik 1)的設計者。直到1957年7月至1958年12月的「國際地球物理年」(IGY-International Geophysical Year)這段期間內,全球的科學家們將對地球科學、地質學、氣象學、地震學和海洋學…等科學做一系列的探測活動。當時有許多科學家便有發射人造衛星這一個建議,因此發射人造衛星的念頭,便自此時萌生。

       1957年10月4日,它從鹹海附近的拜科努爾發射場升空,順利衝出地球,將人造衛星送上了太空,航向星際。這顆衛星是利用一種「火箭運載式」的傳統方式發射,由兩級液體燃料轉運火箭載運。史波尼克一號發射後的一個月(1957年11月)蘇聯接著又發射「史波尼克二號」(Sputnik 2)。史波尼克一號衛星的軌道離地面最近215公里,最遠947公里,每96.2分鐘繞行地球一圈,以橢圓軌道運行。當時它在太空中只運行了92天,環繞地球1,400圈。1958年初,短命的史波尼克一號墜入大氣層焚毀消失。它未過百日生命,但卻為人類啟動了征服宇宙的開端。蘇聯連續二次的衛星升空,消息轟動全球,讓自詡是世界第一強國的美國感到無比的錯愕與驚訝。美國因而積極加速衛星計劃,就在1958年2月1日,也把一顆外形像把摺著雨傘的「探險家一號」(Explorer 1)送上天空,從此開啟了美、俄兩國無止盡的太空競賽。

       人類史上第一顆人造衛星的發射成功,意味著人類的活動疆域已經從陸地、海洋、大氣層擴展到了宇宙空間,人類從此打開天門,放眼宇宙。1950年代末到60年代初期,各國發射的人造衛星主要用於探測地球空間環境和進行各種衛星技術試驗。1960年代中期,人造衛星開始進入應用階段,各種應用衛星先後投入使用。1970年代起,各種新型專用衛星相繼出現,性能不斷提高。到1984年底,世界各國共發射了3,022顆人造衛星。據統計截至二十世紀末的1996年底,人類已把4,830顆各種航天器送往天空,其中包含人造衛星4,382顆,佔總數的90.7%。這些人造衛星是人類開發太空、利用太空資源的主力,也是發展航太、探測星際、觀察地球、國際通訊與傳播寰宇的重要基礎。歷年來,全球科學家不停實驗與實踐下,征服外太空、超越地平線,已不再只是一個「夢想或構想」,人類的科技已將這一切成為「事實」。


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