太空授课的航天实力

神十航天员王亚平在天宫一号上与另两位神十航天员配合进行的我国首次精彩、生动的太空授课。

面向中小学生，主要演示、讲授了失重条件下的物体运动特点、以及液体表面张力作用等内容。取得了很好的教学效果。

   但是，这确也是显示了我国非凡的航天实力。

要知道：神舟天宫组合体运行在距离地面大约340公里的高度，属于近地轨道航天器，绕地球运行一圈的时间约为90分钟。

天宫一号是在以每秒7.9公里的速度绕地球飞行着，宇航员王亚平长达50分钟不间断太空授课，飞船正好跨越半个地球，相当于一枚洲际导弹从中国发射到美国，全程控制，和太空、地面稳定无缝的，交互数据传输。

能进行如此长时间、大容量、稳定的天地通信，主要依靠我国自制的三颗天链中继卫星来保障，这是一个航天强国的绝对标志，也是中国军事航天的重大进步，更是硬实力的具体展现。

据了解：因受地面曲率影响，地面或海面单个测控站对340公里高度的神舟天宫组合体的测控、通讯范围很小，如果要保持不间断的通联，理论上需要布设100多个站点均匀分布在地表，这在经济上、政治上都是不可能的。

此次太空授课的时长是50分钟，从上课开始到结束，这期间神舟天宫组合体已经围绕地球飞行了半圈多，依靠地面测控站进行不间断视频直播的话，最理想情况也需要10多个测控站，我国的地面测控体系现在也缺乏这个条件。

在冷战期间，美苏两个航天强国遇到同样的问题，他们依靠其强大经济实力、以及政治影响力，在全球多个国家建立了地面测控站，建造了大量测控船及飞机，但也无法实现对低轨航天器的无间断测控。

直至1983年，美国人开始将目光投向太空，他们发射了运行在静止轨道上的数据中继卫星。低轨航天器先将数据上传至中继卫星，中继卫星再将数据传回至地面，即一个"星-星-地"的通讯流程。

中继卫星运行36000公里高度的静止轨道上，分布均匀的3颗卫星即可以基本实现对200-1200公里高度航天器运行轨道的全覆盖。相较地面、海上测控站点，数据中继卫星具有覆盖面积广、实时性高、经济性好等优点。

我国则分别在2008年和2011年发射了"天链一号"数据中继卫星的01、02星，天链一号03星在2012年7月25日发射成功，由此建立第一代数据中继卫星系统。

细心的读者可以发现，在央视对神十发射的直播中，屏幕右上角有时会出现"天链"字眼，这是表示当时的视频信号来自"天链一号"数据中继卫星的转发。而"滨海"、"南亚"、"喀什"和"远望"等字眼则分别表示东非肯尼亚的马林迪测控站、南亚巴基斯坦的卡拉奇测控站、中国新疆的喀什测控站和海上的远望系列测控船。

数据中继卫星是个好东西，但技术难度却相当大，美国在60年代即成功发射静止轨道通信卫星，但在约20年后才拥有数据中继卫星。我国则直至去年才建立自己的数据中继卫星系统。

与普通通信卫星相比，数据中继卫星需要克服的第一个技术难题是对航天器的捕获和跟踪。中继卫星运行高度是36000公里，低轨航天器的高度仅为数百公里，距离非常远；而视频、高质量静态图像又需要高速数据传输，中继卫星与低轨航天器之间需要采用增益高、波束极窄的Ku/Ka波段天线进行通讯。通讯距离远、通讯波束窄，这就对跟踪精度提出了极高要求，要达到0.06度。

中继卫星为了与众多中低轨道卫星通信，天线处于复杂的变速运动状态，在转动速度、加速度和角度上都没有规律，天线的机械驱动机构不仅要精度高，而且要求在恶劣工作环境下长时间稳定运行，制造难度很大。

同样麻烦的还有天线与卫星的振动耦合问题，非线性结构的天线不规律的运动和振动，对卫星本体姿态控制也有很复杂的影响，对卫星控制也提出了很大的挑战。而天线制造本身也是一个难题，高数据传输速率要求高增益天线，通俗地说，中继卫星的抛物面通信天线尺寸要尽可能的大。同时，Ku/Ka波段波长小，对天线抛物面精度要求也非常高。数米直径的抛物面天线整体形面误差要低于0.1毫米，并且要在外太空高温差条件下长期保持这样的精度，其难度可想而知。

所以，数据中继卫星可以称得上是当今技术含量最高的通讯卫星。我国在去年完成第一代"天链一号"数据中继卫星体系的建设，今年进行"太空授课"实则是对自己航天测控实力的一次展示。

更为重要的是，天链一号的作用并不仅限于为神舟、天宫服务，它还可以为中低轨道的各类民用遥感卫星、军用侦察卫星提供测控、数据中继服务，对国民经济、国防建设均有巨大的促进作用。