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五大登月创新改变人类生活2019/07/21
    从1969年7月到1972年12月,总共有12位美国宇航员通过“阿波罗计划”踏上了月球。

物理学家组织网日前报道,从火箭到卫星,从个人计算机到深空网络,再到我们对地球和人类自身的认知,都与登月息息相关。

建造火箭

1957年10月4日,太空时代曙光初现。当时苏联朝着宇宙发射了第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”(Sputnik1)。

自此,太空推进和卫星技术迅速发展:1959年1月4日,“月球1号”(Luna1)无人探测器脱离地球的引力场试图撞向月球,但并没有成功,在掠过月球之后开始围绕太阳公转。

1961年4月12日,苏联宇航员尤里·加加林乘坐“东方1号”宇宙飞船进入地球轨道,花1小时48分钟绕地球一周后平安返回地球,成为第一个进入地球轨道的人。

终于,日历翻到1969年7月20日,德国科学家沃纳·冯·布劳恩领导设计的当时世界上最大的火箭“土星5号”,第一次把人送上了月球。这枚火箭高110.6米,起飞重量超过了3000吨,总推力达到3400吨。如果没有它,阿波罗计划是不可想象的。事实上,“土星5号”运载火箭直到今天仍然是人类所建造的推力最大的火箭之一。

这些火箭帮助卫星、宇航员和其他航天器离开地球表面,并从其他世界带回信息,拓展了人类的视野。

发射卫星

将人类送上月球的初心,促使科学家建造出了足够强大的运载火箭,可以将有效载荷发射到地球表面以上34100—36440公里的高度。

在这样的高度,卫星的轨道速度与行星旋转的速度一致,所以卫星保持在固定点上,即位于所谓的地球同步轨道。地球同步轨道卫星负责通信、提供互联网连接和电视节目。

1962年7月10日,第一颗商业卫星“电视之星”(Telstar)让电视信号穿越大西洋(600558)。

截至2019年初,有4987颗卫星在地球轨道上运行。仅在2018年,全球就发射了超过382颗卫星。目前正在运行的卫星中,有40%是通信卫星,36%是观测卫星,11%是技术演示卫星,7%是导航和定位卫星,而6%的卫星主要目的是进行太空和地球科学任务。

计算机微型化

太空任务,不管是过去的还是现在的,都对其设备和载荷的大小和质量有严格限制,因为将它们送入轨道需要很多能量。这些限制促使航天工业不惜一切代价追求让物体更轻、更小的办法:即使是月球着陆模块的内壁也减少到两张纸的厚度。

当然,在追求更轻、更小方面,计算机的变化最为明显。在20世纪60年代,为了更好地执行太空任务,让计算机小型化的需求促使整个行业设计出更小、更快、更节能的计算机,几乎影响了当今生活的方方面面——从通信到健康,从制造到运输。

这方面的变化也非常惊人:从20世纪40年代后期到60年代后期,电子产品的重量和能耗至少减少了几百倍——从重30吨、功率160千瓦的电子数字积分器和计算机,到重70磅、功率70瓦的阿波罗引导计算机。

人们估计,“阿波罗计划”让芯片产业的发展加速了10—20年,使电脑芯片的运算速度越来越快,价格越来越低,最终成为一种普通商品,“飞入寻常百姓家”。

深空网络

与1969年登月有关的一个重要突破是全球地面站网络——深空网络(DeepSpaceNetwork)的建立,该网络能让地球上的控制设备与位于高椭圆形地球轨道或更远地方的航天器即时通信。

NASA的这一深空网络主要由3部分组成,分别位于美国加州、西班牙马德里以及澳大利亚,3处约成120°分布。这主要是适应地球自转,而且,这一策略性分布使每个航天器始终位于其中一个地面站的范围内,没有一个“漏网之鱼”。

由于航天器的功率容量有限,科学家在地球上建造了大型天线来模拟“大耳朵”以听到微弱的信息,并充当“大嘴”来大声播放指令。事实上,深空网络被用来与执行“阿波罗11号”任务的宇航员进行交流,并被用来传送尼尔·阿姆斯特朗登上月球的第一个电视画面。

执行“阿波罗13号”任务的3名宇航员曾死里逃生,该网络至关重要。该飞船于1970年4月11日发射,是NASA第三次载人登月任务。发射仅两天,太空舱内氧气罐爆炸使飞船损失大量氧气和电力,最终3位宇航员在深空网络的帮助下,使用登月舱作为太空救生艇返回地球。

目前,有数十个任务使用深空网络来探索太阳系以及更遥远的宇宙。此外,深空网络使地面能与位于高椭圆轨道上的卫星通信,以监测地球的两极并传送无线电信号。

改变对地球认知

进入太空可以让我们更好地认识并了解地球,而这要归因于从太空拍摄的几张地球图片给人类带来的冲击。

1959年8月,“探索者5号”(ExplorerⅥ)卫星在一次任务中,从太空拍摄了第一张地球的照片,为阿波罗计划做准备。

差不多10年之后,1968年底,执行“阿波罗8号”的宇航员为地球拍摄了著名的“地升”(Earthrise)照片。照片中,地球正从月球表面升起。这张图片让人们意识到,地球是一个美丽的整体,人类的命运是连在一起的,保护地球环境促进了环保运动的兴起。

此后,人们一直在从太空拍摄地球,这给人类带来了巨大的福祉。比如,“陆地卫星”(Landsat)拍摄的图像被用于确定作物的健康状况,识别藻类繁殖并找到潜在的石油沉积物。其他用途还包括,确定哪种类型的森林管理方法能最有效地减缓野火蔓延速度和趋势,识别全球性的变化,如冰川覆盖和城市发展的变化等。(科技日报)

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