一、宇宙航行幻想的实现

自古以来，人们就对那深邃的太空以及那无数亮晶晶的星球有着强烈的好奇心，总幻想着飞上太空亲眼看看那里的奥秘。从神话故事到科幻小说，从古代爆竹到现代火箭，从人造卫星到宇宙飞船，人类经过从幻想到现实，逐步地进入宇宙航行的时代。

1.从科幻到宇航之父齐奥尔科夫斯基

“嫦娥奔月”是我国家喻户晓、妇孺皆知的神话故事。18世纪以后，以科学知识为基础的幻想小说大量问世，其中有不少是描述人类宇宙旅行的，最为人们所熟知的当属法国作家儒勒·凡尔纳所著的《从地球到月球》（图3-1）和《环绕月球》两本书。这两本书中描述了一个月球探险过程，令人吃惊的是，这个故事几乎和一个世纪之后“阿波罗”号宇宙飞船登月过程非常相似。英格兰爱德华·海尔在他的《砖月亮》一书中首次提出了人造卫星的概念。英国著名作家威尔斯的《世界大战》描写的是火星人侵犯地球的故事。《世界大战》后来在美国被改编成广播剧在广播电台播送。许多听众不知道这是根据科幻小说改编的故事，竟以为火星人真的来了，被吓得失魂落魄。

科幻小说在社会上产生了广泛而深刻的影响，进一步激发了人们对宇宙飞行的向往。但怎样才能挣脱地球的引力，去拜访地球的兄弟姐妹，甚至亲自到别的行星上去考察则不能依靠科学幻想。人类经过近百年的努力，终于实现了这个愿望。根据牛顿万有引力定律可以推算出，任何物体的运动速度如果达到7.9千米/秒，它就可以克服地球引力，环绕地球飞行，而不再落到地面上，人们把7.9千米/秒这个速度叫做第一宇宙速度。这个速度比一般火车速度要快200多倍，照这个速度绕地球飞一圈只需90分钟。如果达到11.2千米/秒，就可以飞出地球环绕太阳飞行，这叫做第二宇宙速度。如果达到16.6千米/秒，就可以逃脱太阳的引力飞出太阳系，这叫做第三宇宙速度。

20世纪初期，被誉为宇宙航行之父的俄国科学家齐奥尔科夫斯基为人类的航天事业奠定了科学的理论基础。他提出了“穿过大气层去征服整个太阳系”的具体办法，认为只有火箭才能冲出地球大气层到达宇宙空间。气球或飞机最多能飞到大约30千米的高空，而这个高度还不到地球到月球距离的万分之一。利用多级火箭可以逐步达到第一宇宙速度那样的高速，最后挣脱地球引力，进入宇宙空间。

2.从中国古代火箭到V-2火箭

火箭是中国最先发明的。我国古代民间早就流行的爆竹是现代火箭的雏形。但是，火箭也成为战争中的一种杀伤武器。据史书记载，汉朝末年诸葛亮攻打赫昭，用的就是“火箭”。明代的火箭“火龙出水”（图3-3）是一种串联式两级火箭，点燃第一级后使龙体在水面飞行，火药燃尽时便引燃龙腹中的火箭，从龙嘴中吐出去攻击敌人。

明朝有一位名叫万户的人用47 枚火箭捆绑在一把“飞天椅”的后面，希图利用火箭的推力把他送上天（图3-4）。这种想借助火箭推力升空的设想比宇航之父齐奥尔科夫斯基提出的宇航设想要早几百年。万户虽然失败了，但他的尝试却使他成为人类航天事业真正的始祖。为了纪念他，国际天文学联合会把月球背面的一个环形山命名为“万户环形山”。

火箭要靠发动机向后喷射高速气体，产生反推力而向前运动。火箭的喷气发动机与普通飞机上用的喷气发动机相类似，但有一个很大的区别。飞机起飞时喷气发动机只携带燃料就行了，燃料燃烧时所需的氧气可以从大气中获得。火箭要冲出地球大气层，它不仅要携带燃料，还必须携带助燃剂，即氧化剂。1926年3月16日戈达德和他的助手在马萨诸塞州一个偏僻的农场进行实验的火箭是人类第一枚液体燃料火箭，虽然只上升了十几米高，但却使齐奥尔科夫斯基的理论付诸实践走出了第一步。

戈达德的液体火箭在美国未引起人们的注意，却在德国受到了重视。1927 年，以科学家赫尔曼·奥伯特为首的宇宙旅行协会成立了。1931年，奥伯特在年轻的冯·布劳恩等的协助下试验液体火箭，火箭垂直上升高度达到了91 米。不幸的是，他们的研究被当时德国正准备打第二次世界大战的军方所利用。1933~1942年，冯·布劳恩研制出A-1~A-4各型的液体火箭。A-4 火箭的飞行距离达到了189.8 千米，飞行速度超过音速5倍，接近2 千米/秒。1944 年德国纳粹头子希特勒看中了A-4火箭，下令将它改进后装上炸药用于战争，进攻英国，并更名为V-2火箭。尽管V-2火箭在战争中充当了希特勒滥杀无辜的工具，但是它成功的制造技术已经让人们看到人类挣脱地球的引力、冲出大气层的日子不会太遥远了。1945年5月7日德国宣布无条件投降以后，冯·布劳恩等一批火箭专家到了美国，还有一些专家到了苏联，他们的才华和技术在那里都得到了应用和发展。冯·布劳恩到美国后成为美国第一颗人造卫星上天和阿波罗登月计划的重要人物。V-2火箭成为人类航天史上一个重要的里程碑。

3.人造卫星大家庭

有了推力强劲的火箭以后，科学家就能把人造卫星送上太空。1957年10 月4日苏联的第一颗人造卫星上天，继而又在1961年4 月12 日，苏联宇航员加加林乘坐“东方”1号宇宙飞船飞上太空，成为人类历史上第一位太空使者（图3-5）。苏联是一个天文学很发达的国家，对航天事业贡献很大。但是苏联在1991 年12 月25日正式解体。本书在涉及苏联解体前的天文学事件和成就时，仍用苏联这个名字。解体后，大多数研究工作由俄罗斯继续进行。

短短几十年中，世界各国竞相发展空间科学，人造卫星越来越多，形成了一个人造卫星大家庭。早期的运载火箭尺寸比较小，卫星多数采用球形或接近球形的多面体，这种外形能满足在火箭头部尺寸限制的情况下，使卫星具有最大的容积，可以安装更多的仪器设备。返回式卫星的外形设计要比不返回的卫星复杂而又困难得多，因为它在返回地面过程中，将要穿过稠密的大气层，所以要考虑防热问题，还要考虑稳定问题。一般返回式卫星的外形都设计成钝头形。

无论人造卫星的形状以及它们的大小和重量有多么不同，它们的结构大致都是相似的。比如，它们都有用特殊材料制成的外壳，能防止宇宙空间高能粒子的侵袭；它们有坚固的骨架，能够抵抗起飞时的火箭推力和超重现象；它们有一个严格与外界隔绝的环境，能够维持卫星内部的温度和气压，使卫星上携带的各种仪表都能正常地发挥作用；它们都有能源，多数采用太阳能电池，把太阳能转变为电能，保证卫星的能量使用；它们还有跟踪、遥测、遥控、通信、轨道控制、天线等系统，以使卫星能保持与地面的联系，随时将探测到的资料和成果发送回地面等等。除此之外，需要返回的卫星还有回收系统，有特殊任务的再配有专门设计的各种专用系统。

按照用途来分，人造卫星可以分为三大类：第一类是用于科学探测和研究的科学卫星，包括空间物理探测卫星和天文卫星等；第二类是试验卫星，包括进行航天新技术试验或者是为应用类卫星进行试验的卫星；第三类是直接为人类服务的应用卫星，这类卫星数量最大，种类也最多，包括通信卫星、气象卫星、地球资源卫星、侦察卫星、导航卫星等等。

4.宇航事业新高峰

航天飞机的发展把宇航事业推向新的高峰。与火箭只能一次性的应用不同，航天飞机可以像飞机那样反复使用，在地面和太空来往穿梭，承担施放卫星、回收卫星和进行空间修理等任务。1981 年4 月12 日美国“哥伦比亚”号航天飞机首飞成功，之后又有“挑战者”号，“发现”号，“亚特兰蒂斯”号，“奋进”号，苏联的“暴风雪”号航天飞机等投入使用。

空间站是空间探测发展的又一标志性的一步。空间站实际上是一种大型的人造地球卫星，除了具有普通人造卫星所应具有的各种仪器设备之外，还有一整套能够满足人们饮食起居的生活设施，保证人能较长时间住在里面生活和从事各种科学实验活动，成为建在宇宙空间中的科学研究实验室。1971年4月19日苏联发射了第一个小型空间站“礼炮”1号。总长约12.5米，最粗的地方直径达4 米，最细的地方直径为1.8米，重约18.5吨。由轨道舱、服务舱和对接舱三大部分组成。轨道舱里有各种试验设备，照相摄影器材和科学实验设备；服务舱里装有发动机、推进剂等；对接舱是准备在太空中与其它宇宙飞船对接的。宇宙飞船“联盟”号负责与“礼炮”号对接。“联盟”号载重量达2.3 吨，它既可以在地面和空间站之间运送宇航员，还可以给空间站运送给养。“礼炮”号与“联盟”号对接后可以组成一个容积达100立方米的居住舱，最多可容纳6名宇航员。

“礼炮”1号空间站4月19日上天之后在太空中运行近6个月时间，完成历史使命之后于10月11日在太平洋上空坠毁。“礼炮”1号之后，苏联又陆续发射了“礼炮”2~7号空间站。美国第一座空间站的发射时间在1973年5月14日，名叫“天空实验室”，比“礼炮”系列空间站更先进。全长36米，最大直径6.7米，轨道舱内有360立方米的活动空间，先后共接待三批宇航员在那里工作。同年，美国又发射了“天空实验室”2号、3号和4号。苏联1986 年推出的新型空间站“和平”号（图3-6）又有重大的改进。“和平”号有6个对接口，不仅可以分别和载人飞船、货运飞船对接，还可以再与4个工艺专用舱对接。从而大大地扩大了它的科学实验范围，也大大地提高了对宇航员的生命保障。有好几位宇航员在太空连续生活达1年之久。“和平”号空间站于1986 年2 月20 日被发射上天以后，直到2001年还在飞行，尽管超期服役10年，但仍然可以继续工作到2004年。由于俄罗斯的财政困难，无法提供经费，“和平”号不得不于2001年3月23日告别太空，结束15年的历史使命。

由美、俄及欧洲、日本、加拿大合作，共同出资准备建造一座永久性的空间站“阿尔法”国际空间站。空间站包括1个基础舱、6个实验舱、1个居住舱、2个连接舱以及后勤服务舱等。其规模是俄罗斯“和平”号的5倍，太阳能电池板展开后空间站的面积有两个足球场大，整个密封容积约为1300立方米。整个工程要耗资630亿美元，1995年开始，预计2004年完成。

5.中国已进入宇航大国行列

中国已成为世界上第三个具有独立发射载人太空飞船能力的国家。从1999年11月20日到2003年1月5日，成功地进行了四次无人飞行试验，达到了载人宇宙飞船的技术要求。2003年10月15日，我国第一位宇航员杨利伟乘坐“神舟”5号飞向太空，在太空遨游21小时23分，绕地球14圈后安全地返回地面（图3-8）。2005年10月12日，航天员费俊龙和聂海胜乘坐“神舟”6号升空，于10月17日早晨顺利返回。2008年9月25日，我国航天员翟志刚、刘伯明、景海鹏同志乘坐“神舟”7号载人航天飞船成功进入太空，成功地进行了太空行走，于9月28日安全返回地面。2011年9月“神舟”8号和我国第一台小型空间站“天宫”1号目标飞行器，已运抵发射场，将择机发射。

我国从1956年开始现代化火箭的研制工作，1964 年中程火箭试飞成功后，就开始了多级火箭的研制。目前已经拥有系列的“长征”运载火箭，它们不仅承担我国空间科学的任务，还为世界各国提供服务。图3-9是“长征”2号丙火箭发射升空的场面。