航天技术导论 第九章

1、第九章 航天技术的应用回顾世界航天技术发展的历史，作为航天技术基础的现代火箭技术，在20世纪40年代就开始用于军事，第二次世界大战结束后的十几年内，开始出现包括洲际导弹在内的各种不同类型的导弹武器。20世纪50年代苏联发射第一颗人造地球卫星之后的最初几年，苏、美两国也只是将发展航天技术作为显示自己实力和科技水平的象征；到60年代中期，世界各国才开始注意发展应用卫星和卫星的应用，在航天器上使用各种专门仪器进行遥感、信息传输和搜集各种探测数据的初期试验；70年代以来，开始对空间环境及其高远位置进行各种开发利用试验，突破了通信、导航、气象、资源、科学、军事和星际探测等众多应用领域的关键技术；目前，应

2、用卫星已经进入国际商业化阶段，极大地推动了人类社会政治、军事、经济和文化生活的丰富和发展。在50多年的时间内，航天技术飞速发展并取得一系列的成就，显示出它对促进国民经济发展的重大作用。航天技术不仅为经济建设、科学文化和社会生活等各个领域提供了有力的工具，带来了传统技术无法达到的经济和社会效益，而且，它的发展已成为体现一个国家综合国力和科学技术发展水平的重要标志。航天技术的广泛应用，正在使越来越多的人们亲身体验到航天技术在经济建设和日常社会生活中的重要作用。可以预见，随着航天技术的发展和对空间资源的进一步开发利用，必将对人类未来的经济发展、社会文明和进步产生巨大而深远的影响。20世纪50年代后期

3、，我国开始发展航天事业，经过40多年的努力，取得了举世瞩目的成就，跻身于世界先进行列。我国将研制和发展应用卫星，作为发展航天技术的主要方针，建成了研制各类人造地球卫星和运载火箭的科研生产基地。截止2003年底，我国自行研制并成功发射了57颗不同类型的科学试验卫星、返回式遥感卫星和地球同步通信广播卫星。与此同时，利用国内外卫星建立了卫星气象地面系统，卫星通信广播地面系统，资源卫星地面系统，卫星定位系统。这些应用卫星和卫星应用系统的建立和投入使用，使我国航天技术进入了实际应用阶段。航天技术应用的逐步扩大，对促进经济发展，带动科技进步，增强国防实力，提高我国的国际地位等方面，正在发挥越来越大的作用。

4、下面，将就航天技术应用的主要方面作进一步介绍。9.1 航天技术在基础产业建设中的应用9.1.1 在农业现代化建设中的应用农业是国民经济的基础，利用航天技术为农业的现代化建设服务，是航天技术应用的一个重要方面，也是航天人义不容辞的责任和义务。我国航天事业发展的实践证明，通信广播卫星、资源卫星、气象卫星、返回式遥感卫星，均在农业现代化建设中得到广泛的应用。取得明显的经济和社会效益。航天高科技与现代农业技术相结合，正在形成一门新兴的科技产业航天农业。这将对推进高产、优质、高效农业的发展做出新的贡献。（1） 卫星遥感对农业土地资源的调查土地资源是最重要的农业资源。发展农业首先必须了解土地，根据土壤不同

5、质地，因地制宜地实施耕作、种植、施肥和土壤改良。土地资源的数量、质量及其利用状况，很大程度上制约着一个国家农业发展的水平。只有全面掌握土地资源数据，才能制定出科学的、切合实际的农业发展规划。进行农业土地资源调查，一般需要运用航空、航天、地面调查等各种手段相结合的方法，采用可见光、红外、多光谱等不同的遥感手段。运用航天遥感手段调查监测土地资源的主要内容和作用如下：a根据遥感图象的判读和分析，掌握各种土壤、土地的分布情况，绘制出县、地、省以至全国或大地区、大流域的各种比例尺的土壤、土地分布图。b. 根据遥感图象的判读和分析，调查研究各地区土地利用状况，分析土地利用强度和利用管理水平，以及管理中成功

6、的经验和存在的问题，寻找宜农、宜林、宜牧的后备土地资源，进行各类土地面积的数量统计和质量评价，为进一步合理开发利用土地资源制定科学规划，进行合理的农业发展分区。c. 根据遥感图象分析探测土壤肥力状况，包括耕作层结构，腐殖质含量、温度、湿度，地下水位深度，土壤侵蚀程度，土壤盐渍化、沼泽化、风沙化程度，以及影响植物正常生长的因素等，绘制全国土地侵蚀图，为制定水土保持规划提供依据。同时，还可对土壤改良、水资源等进行动态调查和监测。我国已利用航天、航空遥感技术，进行了全国土壤普查、土地利用状况调查、西藏高原土地资源详查、全国水土流失概查。基本上查清了国土资源的状况，包括水田、旱地、水浇地面积；森林、草

7、原、沼泽、湖泊、水库、戈壁、沙漠、盐碱滩面积；冰川、雪山、荒坡的数量等。为建立土地利用信息管理系统奠定了基础。（2） 利用卫星对农作物进行监测和估产航天遥感技术可用以对农作物进行监测，为政府有关部门及时掌握农业生产现状提供了十分有效的手段。包括对各类粮食和经济作物的播种面积，各生长期的长势情况进行监测，以适时地指导田间管理，如灌溉、施肥、中耕、防治病虫害等。同时借以估计粮食产量，指导调整国家的粮食调拨、贮存、进口和出口，为宏观决策部门提前对粮食、经济作物的预测、预报提供依据。美国是世界粮食出口大国，为掌握主动权，20世纪70年代末，美国开始利用气象卫星对前苏联、澳大利亚、中国、阿根廷、印度和加

8、拿大等国家的农作物生产状况和产量进行监测，以及时调整其粮食进出口策略和价格，从中受益匪浅。目前，美国、俄罗斯、加拿大等国利用航天遥感对小麦估产的准确度已达到90%以上。日本、印度、巴西、澳大利亚、泰国、菲律宾等国也相继开展小麦、水稻、大豆、玉米、棉花、甜菜、甘蔗等作物的卫星估产研究，取得可喜的结果。我国利用气象卫星对冬小麦进行估产研究，经过5年试验，总预报准确度已达95%以上，并开发了玉米、水稻、大豆、牧草、大白菜等的估产试验研究，也取得良好成绩。（3） 开发太空资源培育农作物良种航天技术开拓了太空环境资源为人类所利用，包括高远位置、微重力、强宇宙辐射、高真空、高洁净和太阳能等，给人类带来了巨

9、大的利益。其中利用太空环境研究植物生长和发育变异，就是航天飞行任务的重要内容之一。1987年以来，我国开始利用返回式卫星和载人飞船进行农作物种子搭载和育种试验，取得良好的成绩和效益。这种经太空处理后，再到地面选育农作物新品种的方法称之为航天育种。已经进行的项目中，粮食作物类有：水稻、小麦、大麦、高粱、玉米、谷子；豆类有：大豆、绿豆、青豆、黑豆；经济作物类有：棉花、红麻、烟草、甜菜；蔬菜类有：丝瓜、黄瓜、青椒、番茄、西瓜、甜瓜、萝卜、胡萝卜、西兰花；观赏和药用植物类有：石刁柏、鸡冠花、三色堇、龙葵、菊花、甘草；林木类有：油松、白皮松等。航天育种是在距地球200400km的轨道上，利用强宇宙射线、

10、高真空、微重力等综合空间环境条件对植物种子产生的诱变作用，先在地面优选良种，再由返回式卫星搭载上天，经历十多天的太空飞行后返回地面再播种，经过34代的优选，种子产生遗传学上的变异并稳定下来。航天育种的特点：有益变异多、变辐大、稳定快，因而容易培育出高产、优质、早熟、抗病的良种。如水稻出现了大穗、大粒、优质、高产的惊人效果；小麦在株高、品质等性状上发生了很大变化，获得多种矮株、丰产、早熟的后代；青椒的优势特别明显，已培育出一种高产、优质、抗病力强、维生素含量高的新品系，最大的一个青椒重达700多克，国内已大面积推广种植，产量比一般良种提高30%以上。（4）卫星通信是农业现代化的重要手段航天技术、

11、信息技术和计算机的应用，正在有力地推动农业技术的进步。卫星电视教育已成为提高城乡劳动者文化素养、劳动技能的有力工具，目前全国有1000多万农民和乡镇企业职工收看农村技术培训的电视节目。卫星电视教育已成为形成智力资源优势，然后转化为实际生产力的重要手段。卫星通信和卫星遥感的综合应用，不但形成了对风灾、水灾、旱灾、森林火灾和病虫害等自然灾害进行长期监测的系统，而且为建立全国农业信息系统和农业综合管理系统奠定了基础。9.1.2 卫星通信的应用与空间信息高速公路通信卫星是各种应用卫星中对社会影响最大、效益最显著的卫星。卫星通信在促进社会进步和信息化过程起着十分重要的作用。卫星通信具有包括光纤在内的其它

12、现代通信手段所不能代替的特殊优点：（1） 通信距离远，覆盖面积宽。一颗静止轨道卫星可覆盖地球面积的42%。（2） 系统安全可靠。整个通信链路的环节少，通信可供性和可靠性高。（3） 无缝覆盖。是对偏远地区、复杂地形地貌、空中和海上任何地方，在任何时间都能提供可靠通信的最重要手段。（4） 机动灵活。可不受当时当地条件的限制，快速、灵活地建立话音、数据或视频通信，实现世界范围内重大事件响应、自然灾害紧急救援、以及战争情况下的通信。（5） 适应性强的网络构成能力。能实现点对点、一点对多点、多点对多点，对称或不对称容量的，多种业务类型的通信网络。到目前为止，全世界已发射的通信广播卫星有1400多颗，占全

13、部空间飞行器发射总数的26%。在轨工作的通信卫星有200多颗，应用于包括固定通信、移动通信、军用通信、电视直播、数据中继、公众互联网、微机直联等各种通信领域。我国自1984年成功发射第一颗静止轨道试验通信卫星东方红2号以来，已成功发射了6颗通信卫星，实现了覆盖全国的信号传输，大大改善了我国的国际通信以及西部边远山区的通信状况，对国民经济和国防建设发挥了巨大的作用。目前，中央电视台开通了13个频道的卫星电视节目，各省、市、自治区也都开通了卫星电视频道，卫星电视广播已成为人民日常生活的必需品。在远程教育方面，全国已有1500多个卫星电视教育收转台，9000多座卫星教育电视接收站，70000多个电视

14、教学点，接受远程教育的人数达到2000多万。人类社会正在进入信息社会，信息已成为世界上最重要的战略资源。大力发展信息产业，加速国民经济信息化，是发展我国社会主义市场经济，保持国民经济持续、快速、健康发展的客观要求。而信息高速公路，则是国民经济信息化的基础设施。什么是信息高速公路？它是一个能向用户提供大量信息，由通信网、计算机、数据库，以及日用电子产品组成的完备网络。具体地说，就是在全国范围内，建立以光缆为主的信息流通的干线，通过多媒体向全国提供教育、科研、卫生、商务、金融、文化娱乐等广泛的服务，实现实时信息交流和资源共享。我国幅员辽阔，地形复杂，显然仅靠光纤和移动通信等难以形成全面覆盖全国的完

15、备网络。要进一步形成覆盖全球的信息网络就更是如此。因此，自然考虑到利用卫星通信的无缝覆盖、机动灵活、适应性强的特点。因此，建立信息高速公路也离不开卫星通信的参与。空间信息高速公路是信息高速公路的拓展和延伸。可以将它理解为以卫星光纤为主体，辅以其它通信手段作为“公路”，并利用集电脑、电话、电视、传真为一体的多媒体，形成可覆盖全国乃至全球，能够高速传递信息并实现信息共享的大范围的三维空间立体通信网络。在空间信息高速公路中，卫星无线电通信频带宽，很容易实现双向高速的数据传输和可视电话服务，同时适合单向多通道的电视节目传输。而且，随着卫星通信技术的发展，除了利用静止通信卫星网外，还可以利用低轨道位于不

16、同轨道面的多颗卫星来转发地面用户的信号。将来，还可以利用卫星激光通信技术，将静止轨道卫星、低轨道卫星、飞船、航天飞机、空间站连接在一起，形成无形的光通信网络，使信息畅通无阻，成为名副其实的“高速公路”。9.1.3 在交通现代化建设中的应用交通运输包括铁路、水运、公路、民航和管道5种方式，作为物质生产的一个重要环节，是国民经济的基础之一，是社会再生产和商品经济发展的先决条件。自人造卫星出现以来，卫星便不断被开发应用于通信、导航、气象、勘探等领域，随后又将其在这些领域的成果延展到航空、海运等交通运输领域。近年，卫星通信和定位等技术，又开始应用到铁路和公路运输领域，作为车辆定位、通信、调度和交通管制

17、的有力手段。航天技术与航空、航海、铁路、公路相结合，必然大大提高现代高速立体交通系统的经济和社会效益，有力地促进国民经济的发展。（1） 卫星遥感在交通建设中的应用我国幅员辽阔，现有的铁路、公路网密度却远低于美国，也低于印度，与我国国民经济的高速度增长很不相称。随着经济的发展和西部大开发，大量的铁路将要在自然条件复杂的山区建设。然而，由于传统的铁路勘测技术较为落后，难以适应山区艰巨的勘测任务。铁路建设的关键是选好线路，除考虑政治、经济、国防等因素外，还必须掌握足够的地形、地质、水文等资料，进行反复研究，才能选出最佳方案。卫星遥感具有测量范围宽、视野宽广、形象逼真，可不受交通条件的限制在室内反复判

18、读研究。在新线勘测中，具有指导野外作业，提高勘测质量和效率，改善劳动条件，避免选线失误等优点。我国在铁路的勘测中采用了卫星遥感技术，取得较高的技术经济效益。青藏铁路位于号称“世界屋脊”的青藏高原，从格尔木至拉萨段全长1100km，有大约600km要跨越海拔4200m以上的常年冻土区，气候恶劣，交通闭塞，供给困难，地质条件复杂，野外作业地质调查的难度可想而知。采用卫星遥感图象调查，只用25人，花费半年时间就完成了约4000km遥感图片填图作业。铁路勘测采用卫星遥感技术后，可行性研究较常规方法提高工作效率23倍；初测阶段提高效率12倍；西北地区进行地质测绘效率提高35倍；西南地区进行长隧道勘测和泥

19、石流调查，效率提高23.5倍；滇藏线在测制洪水水位平面图时，工作效率提高了60%。（2） 卫星导航定位系统是交通安全和提高运能的保证卫星导航定位系统是利用人造卫星对地面、海洋、空中与空间的用户进行导航定位的技术。通常由在特定轨道上运行的若干卫星向用户发布测距码和时间信息，用户接收距离最近的34颗卫星的信号，根据信号的时延即可测算与卫星之间的距离，从而确定自己所处的三维位置坐标。如美国发射的，由24颗卫星组成的GPS全球定位系统，可以保证地球表面（包括近地空间）任何一点在任意时刻都可以同时观察到最少4颗卫星，装有GPS接收机的用户随时可以利用它进行定位、测速或定时。用户根据授权不同，单独接收粗码

20、的用户定位精度约为100m，测速精度为50cm/s，定时精度为386ns；同时接收粗码和精码的用户，定位精度约为10m，测速精度为20cm/s。定时精度为100ns；而军用码的精度可达米级。目前，GPS几乎已进入到世界各国的军、民用的各个领域。在交通运输领域成为保证安全、提高运输效率不可缺少的现代化手段。卫星导航定位具有覆盖范围大，全天候、全天时、高精度、实时性和用户终端设备轻便等优点，所以一出现就得到广泛的重视和应用。地面、海上和空中的各种交通工具，只要安装有定位系统的用户机，就可以随时知道自身的准确位置，导航就变得非常简单；海上航行的远洋轮船，就可使轮船准确沿着最短线航行，从而大大节省航行

21、时间和燃料消耗。据估算，一艘大型油轮穿过大西洋，采用卫星导航一个航次就能节省几百万美元。不仅大大降低了运输费用，而且提高了航行的安全。民航飞机可以获得连续实时的三维位置和速度信息，不仅使导航精度大大提高，而且对空中交通管制、控制两机之间的间隔、着陆进场安全等都有显著的改善。铁路上运行的列车通过卫星定位系统将随时所获得的准确位置和速度信息传送给调度中心，调度中心通过计算机的控制与调整，可最大限度地发挥线路的通过能力，做到每车间隔优化，从而使运能成倍提高。目前正在试验推广的“先进列车控制系统”就是利用卫星定位与地面定位相结合，对列车运行进行监控和优化的调度系统。原来采用传统的自动闭塞方式运行时，每

22、隔8分钟才能发一列车，采用“先进列车控制系统”后，可以做到每隔4分钟发一列车。使得一条线路当两条用，运能提高一倍。（3） 卫星移动通信是现代交通通信的发展方向卫星移动通信是指地面的移动终端通过卫星与另一移动终端或固定终端之间的通信。它能为行进中的车辆、船舶、飞机等移动物体提供多种通信业务。目前用于移动业务的卫星有海事卫星、航空通信卫星、陆地移动通信卫星，以及相关的导航定位、搜救和营救卫星等。由于远洋船只航行安全和通信的需要，船上又容许安装较昂贵的跟踪天线，因而船载卫星移动通信首先得到发展。目前国际上已有5000多艘船只安装了卫星通信设备。我国的远洋船只也正在按照国际海事卫星组织的要求，逐步安装

23、卫星通信设施。卫星移动通信在航空中的应用，按照国际航空组织未来航行委员会的建议，今后的飞机导航和通信将以卫星为主，并将二者综合应用构成自动监视系统，以完成空中交通管理的功能。为确保空中安全，要求航空移动通信有固定的专用频段，并逐步实现话音通信。目前，装备卫星通信设备的飞机已近4000架，到2010年将增至8000架。近年，我国铁路专用卫星通信网也得到迅速发展。在未来的高速列车上，卫星移动通信将与卫星定位设施组合成统一的交通管制系统。卫星移动通信与卫星定位组合的管理调度系统的应用前景更为诱人。目前北京等大城市的部分出租汽车已开始安装这种系统。在小小的屏幕上显示汽车所在位置附近的城市交通地图，随着

24、汽车行驶地图随之更新，并以红点动态地显示汽车在道路上的位置，司机和乘客可以随时了解自身所在的位置和动向。同时，喇叭中不断传出调度中心发出的调度信息和道路交通状况信息。9.1.4 在能源现代化建设中的应用能源是社会发展和技术进步的物质基础。能源的发展以电力为中心，包括煤炭、石油、天然气等资源的勘探开采，以及核能、风能、太阳能等新能源的开发。整个能源系统含盖从资源开采、运输、储存、加工转换、输送、分配到最终使用的各个环节。随着航天技术的迅速发展，对地观测卫星、通信卫星、导航定位卫星等已在能源开发的各个环节得到广泛应用并取得显著的效益。为了保持人类社会的的持续发展，人们正在探索开发空间资源，向太阳、

25、月球要能，不断给航天技术提出新的课题，同时也促进航天技术的进一步发展。（1） 对地观察卫星在资源勘探开发中的应用对地观测卫星在能源资源勘探开发中的应用，已显示了前所未有的广阔前景，成为煤炭、石油、水利、电力、地矿开发的重要手段。在世界范围内，从20世纪80年代开始，卫星遥感资料就开始应用于煤田地质勘探，煤炭储量的全面普查，开采的地质条件研究和煤质的调查和预测。通过卫星遥感进行储量分析，不仅能反映储量的准确性，而且还可从经济、工程和地质因素进行综合研究，建立资源信息管理系统和数据库。煤炭是我国能源的基础，如何分析现状，规划未来，成为我国能源发展中的重要问题。我国利用国土普查卫星开展了航天、航空遥

26、感和地面观测三层空间的的同步遥感，形成了多方面、多时相、多波段的遥感组合，取得了重大成果。如在大兴安岭西坡圈定了18个含煤盆地（其中新发现4个），新增预测储量40亿吨；在大比例尺地质填图上应用，平均提高工效3倍，降低成本40%60%。石油是当今世界最主要的支柱能源。如何在油气勘探中应用航天遥感技术探明储量，促进石油产量大幅度增长，具有极其重要的经济和战略意义。我国石油地质专家根据卫星遥感图象上的色调、纹理和水系特征，分析判读含有油气资源的局部构造和隐伏构造，为进一步勘探提供靶区。近年，利用卫星遥感资料建立数据库，通过地理信息系统技术，综合分析正常含油气的有利地区，从而达到利用卫星遥感直接找油的

27、目的。此外，卫星对地观测技术在石油天然气管道工程、油田环境监测、地形图修测等方面也有着广泛的应用前景，在水利、水力发电、火力发电等工程的调研、规划和勘测中也得到广泛应用并取得较大效果。三峡工程的论证、库区移民、土地资源调查、工程地质构造分析等工作都利用了卫星遥感图象资料，取得良好的效果。（2） 卫星通信在能源产业中的应用电力生产的特点是发电、输电、变电、配电、用电在同一时刻完成。因此，为保证电网运行的安全性和经济性，需要通过计算机和电力系统通信网对电网进行实时指挥和调度。卫星通信和互联网的出现，为电力系统通信网和电网自动化管理的现代化提供了高速高效的手段。近年，我国电力卫星通信网得到很快的发展

28、，已有20多个卫星地区站在网内运行，形成了以北京为中心，东到吉林云峰水电站，西到拉萨、乌鲁木齐，南到海口，北到内蒙古伊敏的星状网。每天通过该网传递了大量的数据、生产信息和各种经营报表，大大提高了生产和工作效率。随着我国石油工业的发展，石油系统已初步建成了以河北固安地球站为中心的专用卫星通信网，实现了与相距遥远的16个油田的迅速、稳定、可靠的通信，极大地改善了原来油田地处边远地区通信难的状况，为及时了解石油勘探开发前线的生产状况，实时指挥和生产调度提供了可靠的保证。与此同时，随着石油系统计算机网络的建立和应用，勘探、开发、钻井和其它应用数据库的建立，通过卫星通信网实现数据库的远程查询和大批数据的

29、远程调度，正在加强和促进石油企业之间的信息交流，逐步实现资源和信息共享。（3） 向空间索取新能源随着航天技术的发展，在地球上面临能源危机的今天，向宇宙空间索取新能源不但是必要的，而且正在日趋成为现实可能。向空间索取能源至少存在两种途径：一是在空间采集太阳能并以微波形式传输到地面；二是从地外天体采集核聚变燃料。太阳能是人类至关重要的一种能源。太阳辐射的总功率为3.821023kW。在空间利用太阳能发电，可以充分发挥静止轨道航天器的作用，在那里有90%以上的时间能接受到太阳光照射，比地面日照时间大1倍多，同样面积的太阳能利用率为地面的5倍。同时，在空间微重力环境下，具有构筑大型太阳电池阵或太阳能搜

30、集器的有利条件。在空间采集太阳能存在两种方案：一种是建造大型太阳能发电卫星，即在地球轨道上部署大型太阳能电池阵，以微波形式将电能定向传递到地面，地面接收站通过整流天线将微波转换成可利用的电能；另一种方案是在月球表面安装太阳能采集器，将采集到的能量送往地球。对于从地外天体获取核聚变燃料，主要是利用月球上的氦-3作为反应堆的燃料，采用热离子和温差发电机等高效复合能量转换系统，直接将核能转换为电能。设想中的月球核能源基地，将包括核燃料供应厂、核发电设施和输电设施。月球上的电力通过高传输率的短波激光束输送到地球静止轨道上的能量中继卫星，再转换成在空气中损失少波长的激光，传送到地面接收站，最后由地面接收

31、站将能量分配到各地区用户。也可将氦-3从月球运送至地球。用氦-3做原料，核反应堆成本可降低一半，而且无污染。世界各国的科学家在开发空间能源方面已做了大量有意义的工作，一旦取得突破，人类将源源不断地从空间获取洁净的能源，人类将不再受到地球能源短缺的困扰。9.1.5 空间资源的开发利用和空间产业宇宙空间蕴藏着极其丰富的资源。从技术角度空间资源可分为两类：一类是是天然存在的，如高真空、强辐射、超低温和高洁净环境资源、太阳能资源、月球和其它行星资源等；另一类是由于航天器在轨道上运行而产生的，如航天器相对于地面的高远位置资源、航天器微重力环境资源等。对于这些资源的开发应用，我们在前几节已经做了一些介绍，

32、如卫星通信、卫星导航定位、卫星遥感和对地观察技术等，就是利用航天器相对于地面的高远资源；航天育种开发利用的是高真空、强辐射、微重力等综合环境作用下对种子的诱变作用；太阳能和核聚变燃料则是宇宙空间天然存在的资源。本节主要介绍以开发利用空间微重力资源而产生的空间材料加工和空间药品加工。在空间高真空、微重力环境下，物体能自由悬浮，冶炼金属可以不用容器，用微弱的静电力或电磁力即可约束它的位置进行加热。一方面没有空气和容器的接触，无污染，可以获得很高的金属纯度；另一方面，由于不受容器耐热能力的限制，可以冶炼锆、钨等高熔点金属。在微重力条件下，液体中不同密度物质的分层和上浮、下沉现象消失，不同密度物质可以

33、均匀混合，可以制作组织和成分都非常均匀的合金或复合材料；还可以利用熔融物质内部不产生热对流的条件，制造没有丝毫辉纹、具有极好光学性能的玻璃。在微重力条件下，由于没有自重，表面张力使液态金属自然形成圆球，可制造具有理想球形的滚珠和吹制薄壁空心滚珠；固体金属不产生自重变形，可制造椭圆度极小的球体、极薄的金属膜和极细的金属丝。在微重力条件下制取半导体单晶，可得到高纯度、无缺陷的大块单晶体，其尺寸比地面上提取的大几十倍。化合物半导体晶体的空间生长又大、又快、又好。在太空利用微重力条件，可以大大提高电泳法制取生物药品的效率和纯度。电泳法的原理是利用电场作用，使溶液中不同质量，带有不同电荷的细胞、血球等生

34、物微粒分离出来。在地面由于重力的影响，生物微粒常常沉底或者因对流而混杂。在太空电泳法的生产效率比地面提高400倍，纯度提高5倍。目前，至少可制取十几种特效生物药品，如治疗糖尿病的细胞、治疗侏儒病的生长激素、治疗贫血的红血球生长素、抗溶血因子、治疗病毒性疾病和癌症的干扰素等。9.2 航天技术与减灾防灾、环境保护和国土资源管理9.2.1 航天技术在减灾防灾中的应用生活在地球上的人类，时刻面临着各种自然灾害的袭击。据联合国统计，全世界自然灾害造成的经济损失，20世纪60年代约400亿美元，70年代为600亿美元，80年代为1200亿美元。90年代以来全世界因自然灾害损失的增长速度显著加快，仅1994

35、年就达650亿美元，1995年高达1000亿美元。我国是一个人口众多，幅员辽阔的国家，也是个多灾的发展中国家。水、旱、风、雹、地震、滑坡、泥石流和病虫害等重大自然灾害频频发生，近年自然灾害造成的损失也有明显上升的趋势，平均每年自然灾害造成的损失高达人民币1000亿元以上，成为制约国民经济发展的一大因素。将卫星技术用于减灾防灾，是航天技术应用的一个重要方面。将气象卫星、资源卫星、海洋卫星、通信卫星、导航卫星等用于自然灾害的监测、预测、预报和控制，为人类防止或减轻自然灾害服务，正在发挥越来越重要的作用。气象卫星出现之前，海洋、沙漠、极地等占地球表面80%的地方是气象观察的空白区，人们很难掌握整个大

36、气层的运动规律，大大影响了大尺度天气预报的准确率。气象卫星的应用为人们提供了能够连续观察全球整个大气层运动规律的有力工具，为全球天气预报和中、长期天气预报奠定了基础，同时还可及时发现热带风暴、暴雨、暴风雪等灾害性天气，进行演变过程监测和路径预报，从而提前采取防御措施，减少和避免生命和财产损失。利用气象卫星资料进行准确的降水区和雨量预测，有效地了解降水的发展和运动方向，帮助决策部门及时采取措施减小洪水和洪涝灾害的损失。利用气象卫星资料还可进行受灾地区洪水前后和历年同期绿度值的变化分析，从而估计受灾范围和程度，进行灾情评估，提高救灾工作的针对性和效率。例如1998年我国长江、嫩江和松花江流域发生特

37、大洪水期间，利用多颗国内外遥感卫星对受灾地区进行了全过程、全区域的动态监测，及时准确地获取了汛情发生和发展的重要数据，为国务院、国家防总和各省市防总制定抗洪救灾决策提供了科学依据。陆地资源卫星的主要用途是对包括农、林、水利、矿产等资源进行勘测，同时也可用于对自然灾害的动态监测方面。其主要功能是：监测水土流失、土地沙漠化、河湖变迁；确定森林、草场火灾发生的时间、地点、灾情、火势曼延速度和方向，指导扑灭火灾；利用卫星图片显示断裂带数量、分布、延伸及走向，判断应力方位，确定地震重点监测区，监测和预报地震。海洋遥感卫星是专门监测海洋表面状况和动态的卫星。几乎全球所有的气候变化，以及风灾、水灾和旱灾的形

38、成，无一不与海洋有关，因而要研究和控制这些自然灾害，也要从海洋环境的研究入手。海洋卫星通常装载有合成孔径雷达、雷达高度计、微波辐射计和红外辐射计等遥感器，可以获取波浪高度、长度和波谱、海洋风速、风向、海水温度、海流、环流、海貌、海冰、水色、全球水准面和大气含水量等海洋数据。海洋卫星的出现和实际应用，使海洋研究有了突飞猛进的发展。测地卫星的主要功能是测量平均海平面高度的变化、海洋表面几何形状变化和起伏、观察陆地冰川移动、测定地球板块运动、研究地壳运动和大陆漂移。从而可以为板块运动理论提供统一的解释，探讨地震发生的机制，建立精确的全球地震模型，为地震预报提供信息。所以，测地卫星在地震预报中具有显著

39、的不可替代的作用。导航卫星能够接收并转发遇难飞机或船舶发出的求救信号，经地面台处理后获得遇难者的位置信息。因此，导航卫星已成为搜索和救援系统重要的组成部分。在进行灾害信息传递和组织抢救时，通信广播卫星和移动通信卫星具有十分重要的作用。同时也是灾情上报和救灾指挥调度的必要手段。综上所述，由于航天技术的介入和应用，对自然灾害的预测、预报和控制，正在形成一个综合性的防灾减灾系统。它综合利用各种功能的应用卫星和其它途径获得的观察数据和信息资源，通过包括卫星通信在内的通信系统集中到指挥控制中心，经过汇总融合，作出减灾方案提交领导作出决策。由于应用卫星系统所特有的时空优势，为防灾减灾提供了无可比拟的，全面

40、有效的信息保障，在防灾减灾活动中已显示出强大的生命力，取得显著的社会效益和经济效益。9.2.2 航天技术在环境保护中的应用当前，人类正面临有史以来最严峻的环境危机，全球再面临着气候变暖、臭氧层破坏、生物多样性减少、酸雨蔓延、森林锐减、土地荒漠化、大气污染、海洋污染、固体废弃物污染等环境问题，人类的生存与发展遇到了巨大的挑战。在环境保护中，卫星遥感技术是重要的手段之一。例如，利用气象卫星、海洋卫星都可以对气候变化、大气环境污染和江、河、湖、海的水质污染以及对生态环境有重要影响的温室效应气体进行监测。陆地资源卫星和其它遥感卫星拍摄到的卫星照片对城市和工矿区带有详尽的记录，可以从中发现工业对城市的污

41、染，为研究城市环境污染提供准确的资料。还可发现沿海、沿江城市对水域的污染，以及污染所引起的宏观生态变异。我国环境保护部门在研究2000年春季华北地区罕见的沙尘天气的形成、影响和防治对策时，依据历年的卫星遥感图象和实时的卫星遥感监测数据，准确地圈定了沙漠化的范围、发展趋势、沙土的起源、迁移途径和影响范围。通过分析指出沙尘暴天气是反厄尔尼诺现象和地表覆盖状况整体恶化造成的，从而制定了相应的对策。9.2.3 航天技术在国土资源管理中的应用自然资源是人类生活和生产资料的来源，是人类社会和经济发展的物质基础，也是构成人类生存环境的基本要素。我国是世界上资源丰富的国家之一，又是按人口平均资源十分短缺的国家

42、。利用包括航天技术在内的各种现代技术，对国土资源进行合理的管理、开发和综合利用，是摆在我们面前十分重要的任务。（1） 利用卫星进行国土资源普查和管理利用人造卫星进行国土资源普查，通常可采取如下两种方式：一是对返回式卫星获取的大量空间胶片进行图象处理，绘制各种类型的专题图；二是在可见光、红外、微波各个电磁波段上，从空间摄取地面的图象，在卫星上进行预处理后，通过无线电发回地面进一步处理、判读和应用。卫星资源普查可迅速获得资料，一张卫星照片能覆盖地面34000km2，将全国国土勘测一遍仅需大约500张照片，而且能比较充分地录取地面的景观细节，是其它手段所无法比拟的。美国自1972年发射第一颗资源遥感

43、卫星以来，先后发射了近20颗资源卫星，获得全球30年来的遥感数据。这些图象真实地记录了30年来地表变化的情况。利用高速图象处理技术，对不同时间的图象进行对比，可获得诸如河道变化过程、海口泥沙淤积速度、湖泊的消长演化、水土流失程度、森林覆盖变化、土地利用状况和城镇面积扩展等与人类生存密切相关的数据信息，为可持续发展决策提供基础数据。我国在19981999年租用了几颗国外资源卫星的数据和资料，监测了全国66个50万人口以上城市在1998年10月至1999年10月期间建设占用耕地的情况。不仅及时发现了因执法检察不到位而隐漏的土地使用违法行为，为土地执法检查提供了科学依据，而且据此及时制定和完善了国土

44、资源规划、管理、保护和合理利用的政策措施，在国民经济建设和国土资源管理中发挥了重要作用。（2） 卫星在地质矿产调查中的应用利用卫星遥感技术进行地质矿产调查具有视野宽广，快速高效等优点。前苏联曾利用卫星拍摄的照片，发现了3个金刚石矿，在第聂伯-顿涅茨沼泽地区发现了油田。美国帮助巴基斯坦找到了2个铜矿。在南非发现了世界上最大的镍矿。我国在1982年开始利用卫星遥感照片进行国土普查，用较短的时间就完成了二十万分之一和十万分之一的全国地质图；完成了200多幅五万分之一的区域遥感地质图；提取了有较大价值的矿产资源信息。而用传统方法自全国解放初到1982年，用了近30年时间，才完成二十万分之一的全国地质图

45、的64% 。首都钢铁公司在有关部门的协同下，根据卫星遥感资料指示的范围，在北京郊区找到了7个成矿预测区。冶金工业部门利用卫星遥感资料，在内蒙古寻找金属矿基也收到了好效果。石油部门通过对卫星遥感照片的分析判读，证实了柴达木盆地冷湖区的石油地质构造，为继续开发该油田的决策提供了可靠的依据。（3） 卫星在海洋资源调查中的应用地球是一个“水球”，海洋面积占地球表面积的72% 。海洋上形成的台风、洋流、海啸，对人类居住的陆地生态环境有很大的影响。海洋中的资源、海上交通又对人类社会的繁荣和发展起着重要的作用。航天技术的实际应用，使人们对海洋的研究有了突飞猛进的发展，并产生了一门新的学科卫星海洋学，为21世

46、纪开发海洋资源提供了有力的手段。卫星遥感技术首先应用于对海岸带和大洋的调查。海岸带指海岸线向海洋延伸至1.5km等深线的地带。海岸线从海面至海底，资源十分丰富，又是世界各国经济联系的大门，因此各国都十分重视对海岸带资源的调查和开发利用。我国拥有大约35万平方公里的海岸带，1980年对海岸带资源进行综合调查，动员了15000多名科技和管理人员，历时4年，耗资近2亿元。显然，利用卫星进行海岸带调查会有十分显著的经济效益，而且可进行经常性的动态监测。1983年以来，我国有关部门利用卫星遥感资料进行海口海岸变迁研究，查明了黄河、滦河、海河三大河流淤泥流沙的活动规律及其相互作用，为研究渤海湾内的流系规律

47、及天津新港淤泥流沙回流问题，开发滩涂资源提供了科学依据。另外还查明了黄河每年入海的泥沙在海口造陆面积为23.5km2，淤涨岸段的海岸线平均每年向海扩展420m，入海口沙嘴每年向外延伸约3km。这些资料为合理开发利用滩涂资源提供了极其有用的数据。渔业资源是一种重要的海洋资源。卫星遥感技术在渔业上的应用主要有3个方面：一是根据卫星获得的红外图象绘制海面温度图和渔业海况速报图，以海洋温度峰、中尺度旋涡和上升流等信息指导海洋捕捞。日本从1981年开始发布卫星海况速报图，发现鱼群的准确率高达83%100%，受到广大渔民的欢迎。我国于1986年开始试发海况速报图，取得良好效果，估计每年的经济效益达1亿元。

48、二是通过水色遥感得到海水浑浊度和叶绿素含量的分布图，从而可确定虾场的位置和进行海洋牧场分类。三是通过潮滩资源与环境分带以及对红树林生态环境的评价，选择水产养殖基地的位置。9.3 航天技术在军事上的应用航天技术是国家战略防卫能力的重要支柱和保证，是国防现代化的重要组成部分。火箭和导弹的军事用途是不言而喻的，本节主要介绍各类卫星在军事上的应用。9.3.1 军用卫星的种类和用途军用卫星是指用于各种军事目的人造地球卫星。目前，世界军用卫星发射的数量约占卫星发射总数的2/3以上，足见军用卫星在现代军事和国防中的重要地位。军用卫星按用途一般可分为侦察卫星、军用通信卫星、军用导航卫星、军用气象卫星、军用测地

49、卫星和拦截卫星等。部分民用卫星也兼有军事用途。（1） 侦察卫星侦察卫星主要承担战略侦察任务，也可执行战术侦察任务或为战术侦察情报提供旁证。利用卫星从空间进行侦察有许多优点：a. 速度快、侦察范围广，可在短时间内侦察辽阔的地域；b. 可长期、反复地监视全球，也可定期或连续地监视某一地区；c. 可在短期内或实时提供侦察情报，容易满足军事情报的时效性要求；d. 不受国界和地理条件的限制；e. 能获得其它手段难以得到的情报。侦察卫星又分为照相侦察卫星、电子侦察卫星、海洋监视卫星、导弹预警卫星和核爆炸监视卫星。它们利用各种不同的遥感器或无线电接收机等侦察设备收集地面、海洋或空中目标的信息，获取军事情报。

50、照相侦察卫星有光学成像和雷达成像两种，可对地面摄影以获得军事情报。它将目标信息记录在胶片或电磁存贮器上，由地面回收胶片或接收无线电传输的图象信息，经加工处理后，判读确定军事目标的性质和地理位置。它可用来侦察地面机场、海港、导弹基地、交通枢纽、城市设防、工业布局、兵力集结及其它军事设施。高级侦察卫星上装有长焦镜头，不仅能拍摄大型军事设施，还能识别导弹和飞机的种类，区分地面各种小型军事装备和无线电通信设备等。最先进的光学成像侦察卫星的地面分辨率可达0.1m。雷达成像卫星的分辨率稍低，但可以全天候、全天时工作，排除恶劣天气造成的障碍。电子侦察卫星上装有无线电接收机和天线等电子设备，专门用来窃听和截获

51、敌方进行军事活动的各种无线电信号。例如各种无线电通信的内容，预警雷达、防空雷达和反导雷达发出的电磁波，航天器和导弹试验时发出的遥测信号等。根据截获的信息，可以发现敌方导弹试验的情况，确定雷达和各种通信设备的频率和坐标位置、信号特征和作用距离等性能参数。海洋监视卫星一般装有合成孔径雷达、无线电接收机和红外监测器等遥感设备，用以监测海情，监视海面舰艇和水下潜艇。海洋占全球表面积的72%，若用船只或飞机进行监视，需要动用成千上万的船只和飞机。利用卫星从空间向下俯视，一目了然，几颗卫星就能往返巡视全球的海面，发现和跟踪海上的军用船只。导弹预警卫星通常在地球同步轨道或周期为12小时的大椭圆轨道上运行，装

52、有红外探测器，能探测到数千公里以外导弹发动机喷焰的红外辐射，从而发现和跟踪导弹，并迅速将信息传至地面，从而争取到约30分钟的预警时间，比地面预警雷达长一倍。核爆炸监视卫星利用卫星上安装的探测器，探测核爆炸产生的X射线、射线，对核爆炸产生的中子计数，记录核爆炸火球的闪光，测量核爆炸发射的电磁脉冲。根据这些信息可以估计核爆炸的地点和规模。（2） 军用通信卫星军用通信卫星可分为战略通信卫星和战术通信卫星两大类。战略通信卫星通常在地球同步轨道上运行，提供全球性战略通信服务。战略通信卫星通常按照核加固设计，具有抗干扰和防电子辐射的能力，在核战争场合下仍能继续工作。战术通信卫星一般在周期为12小时的椭圆轨

53、道上运行，主要提供地区性近程战术通信，以及军用飞机、舰艇、车辆以至单兵背负终端机的通信。与民用卫星通信相比，现代军用卫星通信具有抗干扰性能好、机动灵活、可靠性高、生存力强等显著特点。军用通信的保密性靠地面通信终端对信息作特殊处理来保证。（3） 军用导航卫星军用导航卫星通过发射无线电信号为地面、海洋和空中的军事用户提供导航和定位服务。军用导航卫星定位精度高，能在各种天气条件下在全球范围内提供导航信息，而且用户终端设备简单，质量也很轻。军用导航卫星主要为核潜艇提供全天候的全球导航定位服务，也为地面部队、战车、火炮、机动发射导弹、水面舰艇、空中飞机提供精确的位置、速度和时间信息。用来为攻击地面固定目

54、标的导弹精确制导和定位，使导弹武器的杀伤力和打击效率倍增。特别是美国GPS全球定位系统投入运行以后，GPS几乎进入了所有的军事领域，手持型GPS接收机已装备到单兵。用GPS制导的导弹和可制导炸弹能够全天候作战而不受恶劣天气的影响，而且命中精度大大提高。（4） 军用气象卫星利用气象卫星提供全球范围的战略地区和战场上空的实时气象资料，在现代军事活动中具有相当重要的地位。例如，用可见光照相的侦察卫星侦察敌方重要军事目标或飞机执行轰炸任务之前，需要了解当地云层的情况。海上航行的舰艇需要了解未来台风、风浪、水流速度、是否有大雾等气象情报。洲际导弹的命中精度更与大气的温度、压力和风速等密切相关。（5） 军

55、用测地卫星现代战争需要各种地球物理信息，特别需要其中的大地测量信息。大地测量包括确定地球的大小和形状，地球重力场，城市、村庄和军事目标的位置，以及绘制详细地图等等。如若不能准确得到上述资料，洲际导弹、巡航导弹等就很难命中目标。因此，各国都在利用卫星进行全球大地测量。（6） 拦截卫星拦截卫星即天基武器，包括拦截卫星的卫星和安装有定向能武器的大型卫星。拦截卫星的卫星一般不带炸药，依靠红外或微波导引接近目标，直接撞毁敌方卫星。定向能武器有太空激光武器、粒子束武器和电磁炮等，可以击毁敌方的卫星、弹道式导弹、高空巡航导弹和飞机等。9.3.2 军用卫星在战争中的应用早在20世纪70年代初，美国和前苏联就在

56、当时的印巴冲突、阿以战争和塞普路斯危机期间，发射侦察卫星从空间对战场进行监视。90年代以来的局部战争中，航天技术的应用日趋广泛。各种军用卫星集中应用，已成为现代战争的基本特征之一。它们发挥了其它装备无法替代的重要作用，是当代不可缺少的现代军事装备。1991年初的海湾战争，历时仅42天，但却成为一场大规模的现代化高技术战争。几十年来各国研制的各种最新式的武器都纷纷登台亮相，作了淋漓尽致的表演。据统计，为海湾地区多国部队军事行动服务的军用卫星就有32颗以上，涉及美国12个军用卫星系统和少数民用卫星，调用了包括通信卫星、导航卫星、电子侦察卫星、海洋监视卫星、导弹预警卫星和气象卫星。另外，英国提供了“

57、天网4”军用通信卫星，法国提供了“波斯特”商用遥感卫星。战争中，通信卫星为沙特阿拉伯的指挥中心、地面部队、舰队、空军和美国最高军事当局提供通信联系，并传送各类侦察、监视、预警卫星送来的情报。电子侦察卫星昼夜不停地监听伊拉克军事系统之间的通信联系和军事活动的各种无线电信号，为对伊进行有效的电子战提供了重要情报。海洋监视卫星对海湾地区海面舰艇和水下潜艇的活动进行监视，对不明船只进行探测、跟踪定位和识别。GPS全球定位系统则为军舰、飞机、地面部队精确导航，为导弹武器系统提供定位和制导信息。包括可见光成像和雷达成像卫星在内的几种不同功能侦察卫星互相配合，对伊拉克方面各种战略、战术目标进行全天候、全天时

58、的实时侦察，获得的情报经通信卫星送至美国的地面处理中心处理，然后将发现的目标和查明的情况以图像的形式再送回海湾多国部队指挥中心，供前线作为各级指挥作战系统重要决策的依据，为军事行动的正确决策和实施创造了良好的条件。多年来，由于美国使用各种先进的卫星，建立了多种全球性的卫星系统，在海湾战争中占有绝对的空天优势，充分发挥了航天技术在军事上的各种支援作用，使海湾战争具备了历史上空前未有的高技术特点。1999年，以美国为首的北约发动了空袭南联盟的科索沃战争，是又一场局部高技术战争的典型。战争中，美国和欧洲使用了十几种不同类型的卫星50多颗，包括美国的3颗光学成像侦察卫星，2颗雷达成像侦察卫星，2颗电子侦察卫星，1颗海洋监视卫星，3颗小型侦察卫星，24颗GPS导航定位卫星，近10颗军用通信卫星，4颗国防气象卫星，4颗民用“诺阿”气象卫星，2颗欧洲静止轨道气象卫星，英国的“天网”通信卫星，法国的“太阳神侦察卫星，以及美国的“陆地”、法国的“斯波特”等民用遥感卫星。这些卫星直接参与了北约部队的侦察、评估、制导和协调等许多任务，特别是制定空中打击目标和评估打击的效果，在这场战争中发挥了至关重要的作用。科索沃地区天气多变，给空袭带来很多麻烦，对拍摄特定目标图象的侦察卫星影响也不小，为此北约投入了10颗气象卫星参战，为空袭行动提供全面准确的气象服务。GPS全球定位系统在科索沃战争中也发挥了巨大的作用