航天飞机为地球绘图

周以蕴

今年2月11日至22日，美国“奋进”号航天飞机进行了新千年的首次飞行，其主要目的是完成航天飞机雷达测绘任务。这次飞行共耗资3.64亿美元。在11天的航天飞行中,航天飞机 用C－波段和X－波段合成孔经雷达获取全球80％的区域(从北纬60°至南纬56°之间)高精度地形数据，然后对它们进行综合处理而获得垂直高度的分辨率为16米、可用于军事目的、科研和环境的最完整和最精确的三维地貌图。

对这次航天机飞行所获的数据需要18个月进行处理，由美国航宇局的喷气推进实验室负责，最终产生的高分辨率地球地貌图将由隶属于国际部的国家成像和测绘局负责管理。这些测量数据的公布权由美国防部掌握。

测绘任务的实施

2月11日升空的“奋进”号航天飞行载有6名宇航员，其中包括德国和日本宇航员各一名，他们分为两个组，每组工作12小时，夜以继日地用雷达测量记录地球表面的雷达反射信号，航天飞机货舱内装有12米长的发射天线，向地面定向发出雷达信号，雷达射束每次能扫描225公里宽的地带，从地面上反射回的信号几乎同时被货舱中的天线和距航天飞机60米的雷达天线接收，综合这两种数据能绘制出精度为现有地图30倍的三维地形图。这一套雷达系统总重为14.5吨。它所消耗的电能为900千瓦·小时，是航天飞机18年飞行史中耗电量最大的，足够供一个家庭用上2～3个月。用相隔一定距离的两个雷达天线对地球进行测绘，就好像人用两只眼睛看东西一样，一只眼睛不能使人有深度感，用两只眼睛看物体才有立体感。

值得指出的是，为了提高测绘精度和获得立体感，雷达测绘系统除了使用装在货舱里的雷达外，还增加了一个稍小一些的雷达天线，这就是这次飞行所用的测绘设备的重要改进部分。当航天飞机进入高度为230公里、倾角为57°的轨道后，宇航员们通过一个专门设计的伸缩杆，将这个新增加的长8米的天线部署到离航天飞机约60米的空间。部署完毕后，伸缩杆与雷达构成一个T形结构。这种特制的伸缩杆由87个立方体状的柱段构成，是用碳纤维增强塑料制造的。在发射前，伸缩杆被叠成1.32米高的堆体装入一个容器内。伸缩杆的每个柱段的四角都装有滚轮，它们嵌入容器内壁的凹槽里，当航天飞机进入轨道后，宇航员启动发动机使伸缩杆转动，于是每块柱段就从容器中缓缓地旋转而出，最后形成一个长近60米的悬臂杆。这个过程共花费17分钟。伸缩杆上装有约200公斤重的光纤电缆，以便把装在此杆端头的X波段和C波段接收系统的数据传回地面。伸缩杆端头还装有一个重356公斤的精确调整装置，它被固定在一个三脚架上，以保持安装在杆端的雷达系统的精确定向。杆端的接收机是靠全球定位系统(GPS)接收器和光二极管定向的。

为了保持精确的测绘轨道，宇航员每天用两个小推力器，将航天飞机的轨道高度提高约3公里。为了防止长60米的伸缩杆过度的来回抖动，宇航员们都要严格按照“预定飞行机动”程序，谨慎操作航天飞机完成一系列的机动飞行。为此，在每次提升轨道开始时，宇航员先启动两个推力器1.5秒，使此杆以预先计算好的方向弯曲，然而，此杆还会正常挪回原位；在其挪回动作开始的那一瞬间，宇航员再次点燃推力器，以产生加速度力来抵消伸缩杆挪回运动的力，从而保持伸缩杆处于正确状态。

在整个航天飞机的飞行中，伸缩杆曾出现两次故障。

(1)2月13日，航天飞机上连接地球测绘雷达的伸缩杆的阀门出故障。在正常情况下，伸缩杆内的氮气管中应保持恒定的气流，但由于有一阀门未能提供足够的气流，地面控制中心认为可能氮气管存在泄漏问题。由于气流不足，伸缩杆和雷达不能处于正确的位置，这会影响宇航员的测绘工作的质量。“奋进”号上的驾驶员不得不点燃航天飞机上的推力器，利用航天飞机的加速产生的冲量把伸缩杆调整到正确的位置。然而，这一补救措施额外消耗了航天飞机上携带的燃料，使地面控制中心认为测绘工作的时间可能要缩短数小时；与此同时，美航宇局下令要求“奋进”号上的机组人员千方百计地节省燃料，尽可能地减少所造成的缩短测绘时间的影响。结果，由于宇航员采取了多项节省燃料的措施，不仅保证了原定的9天测绘时间，还增加了6个多小时。

(2)2月21日，宇航员关闭雷达装置，并开始将一直伸展在太空的伸缩杆收回时，该杆像手风琴那样慢慢地缩进货舱里的容器中。18分钟后，整个伸缩杆被收了回来，但由于插销合不上，容器的盖子无法关闭。宇航员只能等待阳光把机械和电缆晒更多时间，使其富有弹性，然后再一遍遍地尝试合上盖子。经过4次努力，宇航员才终将容器的盖子合上。此过程共花费了2.5小时。随后，宇航员利用货舱中的雷达又进行了计划外的9小时测绘工作。

测绘成果及其意义

在完成9天6小时的测绘工作后，“奋进”号航天飞机于22日傍晚返回地面。这次飞行对约1.2亿平方公里的陆地进行了一次测绘，基本上100％完成了预定任务；对1.127万平方公里的地域测绘了两次，完成了预定任务的94.5％。在北纬60°到南纬56°之间只剩下近26万平方公里的地区未作测绘，不过美国对该地区的大部分早已掌握了高分辨率的地貌数据。航天飞机共带回了332盘高密度数码磁带盒，其信息量相当于20000个光盘和美国国会图书馆全部资料的总容量。数量如此巨大的数据将在美国航宇局喷气推进实验室和国家成像与测绘局进行一年半的处理，从而获得迄今为止最精细的立体地图。

最终于2001年9月综合处理完的数据，不仅是一整套精度极高、完全数字化、可在计算机中使用的测绘图，而且其测量数据统一连贯，不是把目前来自各种不同来源的数据拼凑在一起。因此，它将在军用和民用两方面得到广泛的应用。精度较高的测绘图将成为美国的最高军事机密，它可提高美国五角大楼识别和打击地球上任何目标的能力。通过这种全球勘测，美国国防部及其联盟将保证获得“全球信息优势”。这种“全球信息优势”是构成美国以及盟国“空间控制和优势”战略所需要的内容之一，它驱动着美国力求部署新的天基武器系统。高精度测绘图的其它军事应用还包括：后勤规划、飞行模拟器、空中交通管制、导弹和武器控制系统、战场管理、战术行动以及低空突破敌方领空等。

精度中等和较低的数据将提供美国科研和商业使用，它们在非军事领域有许多用途，如地质学、地球物理学、地震研究、火山监视，还可用于飞机逼近地面的增强预警系统、土地利用规划以及对潜在的熔岩流、山崩和水灾等自然灾害进行模拟，规划桥梁、大坝和管道的建设，改进航线规划、导航以及蜂窝电话通信塔的布局，甚至还可以帮助徒步旅行者。■