【7】人造衛星的故事                     作者:陳瓊芬

★上一集,其亞與玉兒在夜空看見了怪異的光線,當其亞查看時發現是個墜落的人造衛星,不過,這便引起了其亞的教學念頭,他決定要在課堂上與小朋友一起討論人造衛星的故事。第二天,課外活動時間一開始,小朋友們早就對昨天的事件議論紛紛。

其亞:小朋友,有誰剛好見到昨天掉下來的人造衛星碎片的情況呢?
這時,全部的人都熱烈的表示意見,雖然全班沒有一位幸運的同學見到衛星零件墜落的情況,但是大家繪聲繪影的討論著,彷彿自己親眼見到發生的狀況呢。
齊齊:老師,地球發射這麼多人造衛星,對我們有什麼好處?
對天文一直深具興趣的齊齊首先發問。
其亞:當然有,因為每一顆人造衛星都有它特定的工作範圍,它不但幫助我們偵測很多地球內外的情況,也為我們提供相當多的外太空資訊。今天,我們就來談一談關於人造衛星的故事好嗎?
萱萱:老師,衛星是怎麼發射的?它掉落的時候,為什麼沒有全部被大氣層燒光光呢。
其亞:衛星的發射跟太空梭是一樣的。
玄玄:那太空梭又是怎麼發射的呢?
其亞:好,老師現在說清楚一些,事實上衛星跟太空梭在發射的時候,都需要相當大的動力,一般我們在電視上看見國外的太空梭發射,都會看見一個長長的火箭筒,事實上,這一整個火箭筒裡頭都是燃料,他負責將太空梭與衛星推向外太空。
齊齊:老師,那不是更重嗎?
老師:你放心,這些重量都經過科學家精密的計算,他們先知道要多少力量才可以將太空梭發射到固定的目標,然後依照這個需要去設計燃料火箭筒!當然,你說的沒有錯,燃料火箭筒自己的重量也要加進去,然後反覆計算。而火箭筒所攜帶的燃料是屬於高能源喔。
子函:什麼是高能源啊?
老師:所謂高能源,就是裡面用很輕很小的物質,然後發出強大的動力,例如木材燃燒一公斤可以燒開水一公升,那麼利用石油只需要半公斤就可以燒開水一公升。這樣說來,汽油的能源就比木材高。至於人造衛星掉下來的時候為什麼不會燒光光,這個問題問的很好。人造衛星在製造的時候,人類都會計算它大約使用的年限,等時候一到,它可能脫離既定的軌道跑到遙遠的太空中。但是有些則經過儀器的導航,慢慢穿越大氣層,回到地面上,以幫助科學家了解人造衛星在外太空的變化,使下次在製造人造衛星時,可以加強優點,避免缺點。這次就是因為導航時出了一點錯誤,所以這顆人造衛星才會在降落時墜下來。這樣解釋了解了嗎?

同學:了解了。
小胖:老師,我每次看電視上演出火箭發射時都好像會冒出一大堆火,那不是很熱嗎?
老師:沒錯,因為推進一個火箭筒需要很大很強的動力,而這些動力必須具有強烈的爆發力才能將火箭迅速推上天空,這就跟鞭炮一樣,越多火藥雖然越熱,但是力量卻越強。但是大家可以放心,火箭的每一個地方都可以耐高溫,不然火箭所射出的熱量比焚化爐的熱量還高,用一般的材料,早就融化掉了。
齊齊:老師,為什麼我們在看火箭發射的時候,每次飛到一半,就有一些東西掉下來,那個東西不會打到人嗎?
老師:你說的是燃料筒的脫落,那是因為火箭發射之後,第一部分的燃料已經燃燒完畢了,它已經完成第一個工作,所以必須離開主體,才不會因為重量而浪費燃料。至於脫離的部分,科學家早已經將它設定好航線,不會使它造成傷害。當燃料筒脫落之後,太空梭已經離開地球,準備在自己的軌道中運轉了。
玄玄:老師,為什麼很多人造衛星都是圓的啊?
老師:人造衛星的確以圓形居多,像橢圓、半橢圓等,都常被利用在人造衛星的設計上。這是因為人造衛星本身在軌道中,必須很快的繞著地球旋轉,他們以這要快速的方式轉動,如果設計其他形狀,一定會很容易毀損。
齊齊:為什麼呢?
其亞:因為流線型的設計是所有型態中阻力最小的,拿汽車來說,每一台汽車一定是希望迎風時能夠不被阻礙,所以特別注重流線造型。另外,人造衛星在設計時還有幾個很重要的地方,這是一般人都可以注意到的,首先就是對稱問題。剛剛我們已經說過,人造衛星會高速繞著地球轉動,也就是說它自己是呈現圓形的自轉與繞著地球的公轉,萬一要是設計不夠對稱,一定會一邊重一邊輕,繞行起來不但很困難,而且一定會偏向某一邊。第二是外觀要能充分反光。反光,可以幫助偵測,這樣一來人們可以輕易的找到它的位置,二來也減少太陽對它的傷害。因為圓形的轉動球體,可以減少太陽針對一個地方照射的機會,小朋友要知道,人造衛星存在於幾乎沒有污染源的外太空,相對的,它沒有任何可以降低或阻隔太陽能的物質,所以當太陽直射時,熱度大過在地球上的好幾倍。所以避免熱傷害是必要的。至於方便找尋是因為許多國家會發射一種改測光線的追蹤器來追蹤衛星。所以有人曾經說一個笑話,說天上最亮的星星已經不是原來的星星,而是人造衛星喔!這就是因為它會反光。
製作人造衛星並不容易,一般在人造衛星裡面都會有很多儀器,這些儀器不可能在完全真空下進行測試工作。所以科學家還要為這些儀器裝設正常的大氣。這些氣體用來幫助保持人造衛星裡面的溫度跟適當的壓力。剛剛說過,人造衛星在太空中會因為太陽而燒傷,那是因為在太空的溫度並不會如大氣那樣,接受阻力,相對的也不會保溫。一般來說,人造衛星照射到太陽的時候,會產生百度以上的高溫。沒有照射到太陽時溫度甚至可以下降至零下二百度。如果不利用氣體來調溫,那一子高溫一下子低溫,會使儀器失去控制,無法正常運作。另外,當初建造人造衛星時是在地球常態下建造,地球在常態時就有壓力了,若失去這些正常的壓力,儀器便會散開來,嚴重甚至分解,所以借空氣達到壓力也是必要的。總之,人造衛星的每一個小地方都必須經過科學家仔細而周密的設計喔。
子函:老師,人造衛星真的很重要嗎?它到底可以做多少事情?
老師:人造衛星的重要性是用來幫助人類,克服地球旋轉時造成的盲點。例如說人類在地球上,不可能從高處探測氣象的變化,有了人造衛星之後,因為它高高的在地球的外表,可以大範圍的測出某些氣體或雲層的變化,當然就可以更加準確的掌握天氣。
子函:例如呢?
老師:例如人類在地球上叫做臭氧層的大氣,它圍繞在空中,保護地球上的氣候與氧氣不至於流失,但是因為過量的二氧化碳與污染,使的臭氧層可能受傷,從地面偵測,人類不知道臭氧層的情況究竟有什麼問題,但是人造衛星是從外太空偵測,發現了臭氧層破了一個大洞,這時候,人類立即呼籲,要各國特別注意污染的問題,避免事情繼續嚴重擴大。
玄玄:老師,每一種人造衛星是不是都有自己的功能?
老師:玄玄說的沒錯,每一種人造衛星都有自己的特殊的功能,並不是每一個人造衛星都是萬能的,這是因為人造衛星的內部空間有限,不可能裝設完偵測氣象的設備,又加裝通訊設備,或者在裡頭加入太多的搜尋裝置,所以一個人造衛星通常都有自己的主題。
齊齊:老師,人造衛星有地區性嗎?
老師:有的,人造衛星在地球上旋轉,並不是地球各區都可以偵測得到,例如它在赤道上空,那可能南北極的地方不一定可以偵測完全,所以要偵測哪一個區域,就要依照哪個區域的廣射角度去計算人造衛星的發射位置 。
同學:老師,人造衛星這種設置是以什麼作為通訊方式?
老師:當然是無線電波囉!同學們可不要小看人造衛星所傳送的電波喔!人造衛星的電波功率相當大,因為人造衛星高掛在天空之外,它要傳遞訊息回家,一來要經過重重障礙,二來要克服長遠距離,所以它所發出來的可真是強力電波。
萱萱:老師,為什麼人造衛星不會掉下來?您不是說當它發射升空之後,火箭筒裡的燃料都燒光了嗎?為什麼它還會有動力呢?


老師:喔!這的確是一個很重要的問題,沒錯,當人造衛星升空之後,基本上燃料用的動力全都用光了,但是它本身一定會設置一種可以轉換太陽能的設備,使得太陽能能被轉變成動力,這就是最簡單的一種方式。而且,人造衛星在運動的時候,會以很大的力量及速度繞行地球,用以抵擋地球的引力對它產生效應,這時人造衛星才能做均勻的圓周運動,不至於失去動力。一般而言,一個物體必須一秒鐘飛超過七點六公里,才可以克服地心引力。
萱萱:老師,人造衛星又不是隨時都可以被太陽照射到,那萬一沒有太陽的時候,裡面不就沒有動力了。
老師:沒錯,人造衛星的確不是每一個時間都可以照射到太陽,但是科學家很聰明,他們會準備一種儲存能量的轉換處,當太陽照射的時候,太陽能會轉換成電力而儲備起來,當太陽沒有照射在人造衛星的時候,人造衛星就可以利用儲存的電力運作,這有一點像可以充電的電池,這樣解釋同學們了解了嗎?
同學們:了解了。
齊齊:那我們為什麼不在月亮上面裝一個偵測器,這樣它就可以隨時偵測地球了,而且又不需要動力,因為月亮不是正好繞著地球跑嗎?

老師:喔!科學家也想過這個問題,但是在月球上設置偵測器,是很不理想的。第一:是因為月球離地球太遠了,比起衛星的位置,它可能要多出好幾萬倍。這時候,所要發射的電波為了能安全抵達地球,一定要加大功率。這雖然在現今的技術上來說沒有問題,但是比不過直接發射人造衛星來的好。第二,月球雖然始終以同一面向著地球,但是它同時也有自轉與公轉,萬一正在緊急的時候,月亮剛好轉到地球的另一面,那麼重要的資訊不就斷訓了嗎?月球繞行的速度也太慢了,跟不上我們的實際需要。所以與其要克服這些問題,倒不如好好發射一枚專用人造衛星。不過,太空人確實也在月球上裝設一些儀器,用以了解月球的情況。但是作用跟著地球跑的衛星無關。
同學:老師,我記得您以前常常會說,東西快速的經過大氣層會被燒掉,但是衛星利用很強大的動力穿越過大氣層的話,那它怎麼不會被燒掉。
老師:喔!我忘了說清楚,衛星飛往外太空的軌道是繞著地球慢慢往外跑的,就像車子爬山一樣,它繞著山,然後一圈一圈的往上,這樣的距離雖然比較遠,但是卻可以減少阻力。人造衛星也是利用這種方式飛向外太空,因為這樣可以降低摩擦大氣層的機會。
同學:老師,人造衛星只能夠偵測地球的事情嗎?
老師:當然不止,人造衛星不但可以幫助地球進行偵測周圍環境的工作,還可以幫助觀察外太空。同學們還記不記得老師曾經說過,地球因為有大氣層的關係,經常使得天空的星星看起來忽明忽暗,那就是因為大氣層裡面的雲帶與氣流擾亂視線,但是人造衛星從外太空觀察星星,就沒有這個問題了,它在外太空沒有氣層干擾,也沒有視覺障礙,所以很簡單就可以觀測許多肉眼看不到的星星,甚至連許多被大氣層阻斷在外面的短波,都可以清楚的接收,所以當外太空發生地球沒有辦法立即接收的變化時,人造衛星已經清楚的提出警告了。
同學:老師,什麼是衛星實況轉播?有時候看電視裡的運動比賽,節目裡都說有衛星實況轉播耶?
老師:衛星實況轉播的意思,就是利用衛星的通訊系統,將一個地方正在發生的事情,透過人造衛星的互相幫忙,然後傳給想要收看的民眾。轉播的方式是這樣的,同學們先想像地球是一個飄在空中的汽球,然後再想像地球外面有三個點,這三個點連成一個三角形,把地球包在裡面,然後呢!我們假設有一個地方正在比賽世界棒球錦標賽,這個地方的攝影機,就將影像變成電波,射向最接近自己的衛星,這個衛星再將收到的訊息射向第二個衛星,第二個衛星收到之後,就射給第三個衛星,於是,地球四周的區域都可以直接從頭頂上的衛星收到訊息。這就是人造衛星實況轉播的道理。
萱萱:老師,既然這樣,那只要是用電波轉播的東西是不是都可以透過人造衛星呢?
老師:沒錯,例如像現在最流行的大哥大,就可以利用像人造衛星這樣的設置來傳遞訊息。一般而言,隨身用的無線電話機並不是真的透過通訊衛星,因為電話的使用率高,隨時都承載很多通訊,所以要利用通訊衛星不是很容易,於是大家都將基地台設在地球上的高處,當然這跟成本也有關係,通訊衛星的成本高,用在地區性的通話是絕對不划算的。但是國際電話就必需用到它了,國際電話的原理跟剛剛老師所講的電視轉播是一樣的,但是國際電話每一通就要花費很多金錢
,這相對也要付出較高的代價。

萱萱:老師,如果電話經過人造衛星轉播,不是會被偷聽嗎?因為電波是到處可以接收的啊。
老師:事實上是這樣沒有錯,因為電波發射在空中,萬一有人有心攔截,並且竊聽,當然會被聽的一清二楚,不過話說回來。真正重要的的國家大事,國家會有許多密碼表示,這時候雖然透過人造衛星,對方即使接到,也不會了解其中的意義。
子函:老師,那是不是我們常說的電報。
老師:嗯---!不完全是,電報通常分兩種,一種是大眾使用的通訊電報,這種電報的意義沒有語言,而是各國都一樣。但是機密電報是各自設計的,而且每隔一段時間,軍事家就會變換密碼,這樣才不會被敵人發現密碼的意義。至於大眾密碼絕對不可以隨便更換,如果隨意更換,收訊國家會無法弄清楚電報的意思。
玄玄:哇!原來人造衛星的作用這麼大。那我們國家自己有沒有衛星呢?
老師:沒錯,衛星的功用確實非常驚人,我們的國家也有衛星喔!它是再民國八十八年一月二十六日從美國太空基地發射上空的,它可是我們國家的科學工作人員親自動手製造的,可不是從別的地方買來組裝的,所以這的確是我們的一大驕傲。好了,讓我們簡單來複習一下關於衛星的知識。首先,什麼是人造衛星離開地球之後的動力?
同學:太陽能。
老師:答對了,那人造衛星的軌道是什麼形狀?
同學:繞這地球的橢圓形。
老師:很好,那人造衛星是靠發射什麼東西來傳遞資訊?
同學:電磁波。
老師:是的,現在小朋友應該都清楚了吧!每一顆人造衛星的作用都很廣,但是為了使他們可以更專精於特定的目的,所以人造衛星是有主題的,它經過精密的設計,便可以高速繞行地球。它有自己的軌道。而且不會受地心引力而掉落下來,可以偵測地面的一切環境,也能幫助天文學家更精確的觀察外太空,不但可以解決通訊障礙,也可以用在軍事的機密偵測工作。更有助於氣象學家分析大氣層之外與之內的差異,進而預報天氣變化。也協助偵測出大氣內外波長與射線的差異,明瞭大氣層究竟幫我們擋住多少東西喔。這樣清楚了嗎?
同學們:清楚了。
老師:很好,相信這一次的討論,小朋友一定可以更加了解人造衛星這種設置,下一次,我們再來聊一聊關於其他有趣的情況好嗎?
同學們:好。

★這時候,下課的鐘聲也已經響起了,同學們意猶未盡的相互討論著關於外太空種種神奇的裝置。下一集,其亞老師又將帶領小朋友探討關於什麼樣的事情呢?歡迎大家繼續收看奇妙宇宙世界--如何尋找星星


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