航天飛機為地球繪圖

周以蘊

今年2月11日至22日，美國“奮進”號航天飛機進行了新千年的首次飛行，其主要目的是完成航天飛機雷達測繪任務(wù)。這次飛行共耗資3.64億美元。在11天的航天飛行中,航天飛機 用C－波段和X－波段合成孔經(jīng)雷達獲取全球80％的區(qū)域(從北緯60°至南緯56°之間)高精度地形數(shù)據(jù)，然后對它們進行綜合處理而獲得垂直高度的分辨率為16米、可用于軍事目的、科研和環(huán)境的最完整和最精確的三維地貌圖。

對這次航天機飛行所獲的數(shù)據(jù)需要18個月進行處理，由美國航宇局的噴氣推進實驗室負責(zé)，最終產(chǎn)生的高分辨率地球地貌圖將由隸屬于國際部的國家成像和測繪局負責(zé)管理。這些測量數(shù)據(jù)的公布權(quán)由美國防部掌握。

測繪任務(wù)的實施

2月11日升空的“奮進”號航天飛行載有6名宇航員，其中包括德國和日本宇航員各一名，他們分為兩個組，每組工作12小時，夜以繼日地用雷達測量記錄地球表面的雷達反射信號，航天飛機貨艙內(nèi)裝有12米長的發(fā)射天線，向地面定向發(fā)出雷達信號，雷達射束每次能掃描225公里寬的地帶，從地面上反射回的信號幾乎同時被貨艙中的天線和距航天飛機60米的雷達天線接收，綜合這兩種數(shù)據(jù)能繪制出精度為現(xiàn)有地圖30倍的三維地形圖。這一套雷達系統(tǒng)總重為14.5噸。它所消耗的電能為900千瓦·小時，是航天飛機18年飛行史中耗電量最大的，足夠供一個家庭用上2～3個月。用相隔一定距離的兩個雷達天線對地球進行測繪，就好像人用兩只眼睛看東西一樣，一只眼睛不能使人有深度感，用兩只眼睛看物體才有立體感。

值得指出的是，為了提高測繪精度和獲得立體感，雷達測繪系統(tǒng)除了使用裝在貨艙里的雷達外，還增加了一個稍小一些的雷達天線，這就是這次飛行所用的測繪設(shè)備的重要改進部分。當(dāng)航天飛機進入高度為230公里、傾角為57°的軌道后，宇航員們通過一個專門設(shè)計的伸縮桿，將這個新增加的長8米的天線部署到離航天飛機約60米的空間。部署完畢后，伸縮桿與雷達構(gòu)成一個T形結(jié)構(gòu)。這種特制的伸縮桿由87個立方體狀的柱段構(gòu)成，是用碳纖維增強塑料制造的。在發(fā)射前，伸縮桿被疊成1.32米高的堆體裝入一個容器內(nèi)。伸縮桿的每個柱段的四角都裝有滾輪，它們嵌入容器內(nèi)壁的凹槽里，當(dāng)航天飛機進入軌道后，宇航員啟動發(fā)動機使伸縮桿轉(zhuǎn)動，于是每塊柱段就從容器中緩緩地旋轉(zhuǎn)而出，最后形成一個長近60米的懸臂桿。這個過程共花費17分鐘。伸縮桿上裝有約200公斤重的光纖電纜，以便把裝在此桿端頭的X波段和C波段接收系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳回地面。伸縮桿端頭還裝有一個重356公斤的精確調(diào)整裝置，它被固定在一個三腳架上，以保持安裝在桿端的雷達系統(tǒng)的精確定向。桿端的接收機是靠全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器和光二極管定向的。

為了保持精確的測繪軌道，宇航員每天用兩個小推力器，將航天飛機的軌道高度提高約3公里。為了防止長60米的伸縮桿過度的來回抖動，宇航員們都要嚴(yán)格按照“預(yù)定飛行機動”程序，謹慎操作航天飛機完成一系列的機動飛行。為此，在每次提升軌道開始時，宇航員先啟動兩個推力器1.5秒，使此桿以預(yù)先計算好的方向彎曲，然而，此桿還會正常挪回原位；在其挪回動作開始的那一瞬間，宇航員再次點燃推力器，以產(chǎn)生加速度力來抵消伸縮桿挪回運動的力，從而保持伸縮桿處于正確狀態(tài)。

在整個航天飛機的飛行中，伸縮桿曾出現(xiàn)兩次故障。

(1)2月13日，航天飛機上連接地球測繪雷達的伸縮桿的閥門出故障。在正常情況下，伸縮桿內(nèi)的氮氣管中應(yīng)保持恒定的氣流，但由于有一閥門未能提供足夠的氣流，地面控制中心認為可能氮氣管存在泄漏問題。由于氣流不足，伸縮桿和雷達不能處于正確的位置，這會影響宇航員的測繪工作的質(zhì)量?！皧^進”號上的駕駛員不得不點燃航天飛機上的推力器，利用航天飛機的加速產(chǎn)生的沖量把伸縮桿調(diào)整到正確的位置。然而，這一補救措施額外消耗了航天飛機上攜帶的燃料，使地面控制中心認為測繪工作的時間可能要縮短數(shù)小時；與此同時，美航宇局下令要求“奮進”號上的機組人員千方百計地節(jié)省燃料，盡可能地減少所造成的縮短測繪時間的影響。結(jié)果，由于宇航員采取了多項節(jié)省燃料的措施，不僅保證了原定的9天測繪時間，還增加了6個多小時。

(2)2月21日，宇航員關(guān)閉雷達裝置，并開始將一直伸展在太空的伸縮桿收回時，該桿像手風(fēng)琴那樣慢慢地縮進貨艙里的容器中。18分鐘后，整個伸縮桿被收了回來，但由于插銷合不上，容器的蓋子無法關(guān)閉。宇航員只能等待陽光把機械和電纜曬更多時間，使其富有彈性，然后再一遍遍地嘗試合上蓋子。經(jīng)過4次努力，宇航員才終將容器的蓋子合上。此過程共花費了2.5小時。隨后，宇航員利用貨艙中的雷達又進行了計劃外的9小時測繪工作。

測繪成果及其意義

在完成9天6小時的測繪工作后，“奮進”號航天飛機于22日傍晚返回地面。這次飛行對約1.2億平方公里的陸地進行了一次測繪，基本上100％完成了預(yù)定任務(wù)；對1.127萬平方公里的地域測繪了兩次，完成了預(yù)定任務(wù)的94.5％。在北緯60°到南緯56°之間只剩下近26萬平方公里的地區(qū)未作測繪，不過美國對該地區(qū)的大部分早已掌握了高分辨率的地貌數(shù)據(jù)。航天飛機共帶回了332盤高密度數(shù)碼磁帶盒，其信息量相當(dāng)于20000個光盤和美國國會圖書館全部資料的總?cè)萘?。?shù)量如此巨大的數(shù)據(jù)將在美國航宇局噴氣推進實驗室和國家成像與測繪局進行一年半的處理，從而獲得迄今為止最精細的立體地圖。

最終于2001年9月綜合處理完的數(shù)據(jù)，不僅是一整套精度極高、完全數(shù)字化、可在計算機中使用的測繪圖，而且其測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一連貫，不是把目前來自各種不同來源的數(shù)據(jù)拼湊在一起。因此，它將在軍用和民用兩方面得到廣泛的應(yīng)用。精度較高的測繪圖將成為美國的最高軍事機密，它可提高美國五角大樓識別和打擊地球上任何目標(biāo)的能力。通過這種全球勘測，美國國防部及其聯(lián)盟將保證獲得“全球信息優(yōu)勢”。這種“全球信息優(yōu)勢”是構(gòu)成美國以及盟國“空間控制和優(yōu)勢”戰(zhàn)略所需要的內(nèi)容之一，它驅(qū)動著美國力求部署新的天基武器系統(tǒng)。高精度測繪圖的其它軍事應(yīng)用還包括：后勤規(guī)劃、飛行模擬器、空中交通管制、導(dǎo)彈和武器控制系統(tǒng)、戰(zhàn)場管理、戰(zhàn)術(shù)行動以及低空突破敵方領(lǐng)空等。

精度中等和較低的數(shù)據(jù)將提供美國科研和商業(yè)使用，它們在非軍事領(lǐng)域有許多用途，如地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、地震研究、火山監(jiān)視，還可用于飛機逼近地面的增強預(yù)警系統(tǒng)、土地利用規(guī)劃以及對潛在的熔巖流、山崩和水災(zāi)等自然災(zāi)害進行模擬，規(guī)劃橋梁、大壩和管道的建設(shè)，改進航線規(guī)劃、導(dǎo)航以及蜂窩電話通信塔的布局，甚至還可以幫助徒步旅行者。■