本书支持微信或下载APP继续阅读

微信扫一扫继续阅读

扫一扫下载手机App

书城首页 我的书架 书籍详情 移动阅读 下载APP
加入书架 目录

太空飞行与航天科学 一、跳越地球

€€宇宙的传说

宇宙飞行,人类期望了几千年,但在古代,人们只能把上天的希望寄托在美丽的神话传说上。

在古希腊的神话中,有一个故事叙述雅典的建筑师和雕塑家代达罗斯,因为谋杀了自己的学生,逃到了克里特岛,受到国王的重用,在岛上建造了雄伟的宫殿和神奇的迷宫。后来,国王不再信任他,他决心逃回故乡。可是,面对茫茫大海,怎么逃出克里特岛呢?他苦思冥想,最终决定从天上飞回去。

他用麻线和蜜蜡将许多鸟的羽毛连结起来,做成两只彩色的翅膀,绑在身上偷着试飞,结果像鸟儿一样飞翔起来。于是,他又给儿子伊卡洛斯做了两只美丽的小翅膀。

逃跑前,代达罗斯告诫儿子不要飞得太高,否则翅膀会被太阳烤化。可是,飞着飞着,回乡心切的伊卡洛斯忘记了父亲的话,一个劲地鼓翼高飞,结果翅膀真的被太阳烤化,掉到海里淹死了。后来,那个海被人们称为伊卡洛斯海。

中国古代也有许多关于人飞向天空的神话传说,比如嫦娥奔月,萧史弄玉飞天,唐明皇游月宫,孙悟空大闹天宫,这些传说在民间广泛流传,家喻户晓。神话传说中还有想象力非常丰富的飞船呢!

东晋王嘉著的《拾遗记》上有一段记载,说尧登位三十年,有一巨船浮在西海上。船上有光,夜明昼灭,这只巨船十二年浮绕四海一周天,周而复始,这船名字叫贯月船,也叫挂星船。这种特殊的船可以到月球上去,还可以到其他星星上去。

在另一部书《洞天集》里也记载仙船的故事,说唐僖宗时,有一仙船,50尺长,声如钢铁,坚而不蠹,飞来飞去,最后飞到宇宙深处投有回来。

1639年,德国的朱安·波德旺写了一篇关于月球旅行的故事。故事的主人公冈扎莱斯乘船在大西洋航行,后来病了,被丢弃在一个岛上。岛上有一种来自月球的“神鸟”叫鹄,冈扎莱斯就在很多鹄身上系上重包训练飞行。经过充分的训练以后,他在几十只鹄身上系上细绳,绑上棒,然后跨在棒上,飞回了欧洲大陆。后来这些鹄又带着他飞到了月球世界。月球世界里居住着身长3米到10米的巨人,平均寿命是5000年,有一位皇帝统治着这个世界。

1835年,美国著名的侦探小说作家埃德加·爱伦·坡写了小说《汉斯·普法尔的无比冒险》。描写一位住在鹿特丹的风箱修理人汉斯·普法尔乘坐麻布和弹性橡胶气球飞上月球。在他看到的月球上,一排排小屋林立,住着许多没有耳朵的小人。

这些向往飞向星空的神话传说还有很多,什么骑上长翅膀的马飞往月球啦,乘坐设有活动翼和类似火箭的装置飞到月宫啦,真是说也说不完。但是,19世纪以前,所有的宇宙旅行的故事全是没有科学根据的憧憬和幻想。各民族的神话传说殊途同归,表达了人类一个共同的美好愿望:飞往宇宙。

€€月球之旅

19世纪,欧洲的科学有了飞速的发展,以科学知识作为基础的科幻小说出现了。最为著名的是“炮弹飞船”和“割断地球的引力锁链”的故事。

科幻小说的鼻祖,法国作家儒勒·凡尔纳1863年和1869年出版了两本科幻小说:《从地球到月球》和《环绕月球》,描述了乘炮弹飞船飞到月球,又从月球返回地球的整个冒险过程。

故事发生在美国,在南北战争期间,一些大炮发明家和炮兵人员建立了一个大炮俱乐部。战争结束以后,俱乐部的成员计划制造巨型大炮,发射一枚炮弹到月球上去。俱乐部的会长与剑桥天文台的天文学家们进行了会商,根据专家指示,确定了发射地点和时间。又经过仔细计算,将炮弹设计成铝制的,直径是2.74米,重量是8.7吨。把它放在270米长的大炮里垂直发射,以每秒11公里的速度飞行,可以到达月球。

这样长的大炮到哪里去制造呢?人们在佛罗里达州的坦帕镇郊外,垂直地挖了一个深270米的坑,在坑里铸造大炮。经过辛勤的劳动,大炮终于制成了。这时,有位法国人米歇尔·阿当提出申请,要求乘坐炮弹到月球上去,俱乐部接受了他的申请。他对炮弹重新进行了设计,建议把它造成一个中空的飞行器,中间设一个可以载人的舱,俱乐部主任和装甲板制造家尼柯尔船长接受了他的邀请也一起乘坐这个炮弹。

他们把炮弹设计成一头是圆锥的圆柱体,起名叫“哥伦布号”飞船。3个人坐进了炮弹飞船,他们带了一年的粮食和足够几个月的水、气压表、月理图、寒暑表,为了防备月球上的猛兽,又准备了步枪和猎枪。此外,锯子、铲子、谷物的种子也带去了。一切准备就绪后,他们又添上了2只狗和几只鸡。

12月1日下午,在许多观众的围观下,炮弹发射了出去,炮弹达到了预定的每秒11公里的速度,并以这个速度接近月球,但是在途中由于遇到流星而偏离轨道,没能在月面着陆,炮弹飞船飞到月面的里侧,又奔回地球,像陨石那样溅落在太平洋上。

在凡尔纳生活的时代,大炮被称为战争之神,它的射程被认为是无限的,同时,天文学和天体力学发展都很快,人们已知道万有引力定律。他的科幻小说就是在这些科学知识基础上创作的。小说出版后,被译成多种文字,使许多狂热的青年成了太空迷,还有不少人读了这些书从而立志终身献身于宇航事业。

1901年,英国著名作家威尔斯也写了一部科幻小说《月球上的第一批人》,叙述了两个英国人在月面着陆的故事。

地球的引力就像一条锁链一样把物体牢牢束缚在地球上,小说的主人公实验物理学家凯伏尔发明了一种不受引力影响的新合金,他用这种新合金制作了一个供两人乘坐的球型宇宙飞船。在船上开了个百叶窗,窗子打开,就感到地球的引力,窗子关上,引力就感不到。他和伯德福德一起乘坐这样的飞船,飞到了月球。

月球里有空气,空气夜里凝固成雪一样的东西,覆盖在月面上,第二天太阳一出来又变成气体。月球上的植物很奇特,夜里还是种子呢,白天就发芽成长起来了。月球上的牛就是吃这种植物生长的。月球人身长1.5米,长得就像蚂蚁。月球的地底下有都市,那里的桌子、锁、锤子等全是金子做的。后来,只有伯德福德一个人带着金锤返回了地球,而凯伏尔却被月球人捉住杀害了。

威尔斯的这部小说不大重视科学性,但是比凡尔纳的作品写得更有趣,大大渲染了当时的“宇宙热”,对后人影响也很大。

€€寻找“登天梯”

神话传说和科幻小说中的“飞天术”是古人的梦想,真正使人类进入太空的“登天梯”是近代火箭技术。

为了寻找这架“登天梯”,人类差不多已经努力了一千年。最原始的火箭是我们中国发明的,那是一种带“火”的箭。据历史记载,东汉末年诸葛亮攻打郝昭,架起云梯冲车爬登城墙,郝昭用火箭逆射云梯,云梯燃烧,云梯上人都被烧死。这种火箭只是在普通的箭上绑一些柴草棉麻之类的东西,浇上油脂,点着火,然后靠人力用弓发射出去。目的是用箭上的火种放火烧毁敌人的军营或其他目标。这是火与箭的机械结合。

促使箭和火有机地结合,即以火送箭,那是火药发明以后的事。大约在西汉,我国的许多炼丹家就发现了硫磺和硝混在一起常常会发生大火甚至爆炸。到了唐朝,黑色火药已得到完善。

火药能够燃烧,自然就会使人们想到把它绑在箭上射出去烧杀敌人。于是,在公元970年(宋太祖开宝三年)有冯继昇、岳义方的火箭,公元1000年(宋真宗咸平三年)有唐福的火箭诞生。他们的火箭都作为稀罕之物敬献了皇上,这种“火药箭”应该就是真正的原始火箭了。

11世纪以后,古代火箭在我国军事上得到广泛应用。最早的记载是南宋与金之间的采石大战。当时,金有40万大军南下攻宋,70艘战船抵近南岸,情况十分危急。南宋的统兵虞允文先出奇兵将敌船战斗队拦腰截断,然后用轮桨船运送“火箭兵”跃上敌船的甲板。点燃一枚枚原始火箭弹,响声震耳,炸得金兵抱头鼠窜,南宋获得大胜。

还有一次更为著名的战役是公元1232年4月蒙古人攻打金都开封。守城金兵奋战16昼夜,用大火箭——飞火枪杀伤敌人,杀得蒙兵弃城退兵。

13-17世纪,是我国古代军事火箭的全盛时期。有一种“神火飞鸦”是最早的并联式火箭。这种火箭能够飞行300多米,落到对方后用鸦身作火种烧毁敌人的营垒、船只,具有一定的威力,当时曾有战无不胜的记录。还有一种“火龙出水”。是最早的二级火箭,可以飞行两、三里路,龙头、龙尾两个火箭,龙肚子里有好几枚火箭,攻击目标的威力当然大!

当时还有一种可以返回的火箭,叫做“飞空沙筒”。这种火箭向前炸伤敌人目标后,接燃向后的装置起火,借助喷火冲击空气所产生的弹力退回本营,搞得敌人晕头转向,不知是什么武器。

还有可以同时施放多个火箭的,一次发10枚的叫“火弩流星箭”,一次发20枚的叫“火龙箭”,一次发30枚的叫“长蛇破阵箭”,一次发32枚的叫“一窝蜂”,一次发40枚的叫。群豹横奔箭,一次发100枚的叫“百虎齐奔箭”。

火箭的发展,使我们的祖先萌发了用火箭做动力载人飞行的想法。14世纪末,我国有一位名叫万户的军械技师,他把47枚当时最大的火箭捆绑在椅子后面,自己坐在椅子上,手拿两个大风筝,让别人同时点燃47枚火箭,决心用火箭飞上天去。可是,一声爆炸过后,只见烟雾弥漫,碎片纷飞,再也找不到他本人了。为了纪念这位最早的“宇航员”万户的壮举,现代的科学家们把月球背面的一个火山口命名为“万户火山口”。万户的故事应该就是人类第一次用火箭做为“登天梯”的尝试!

€€火箭红光

中国的原始火箭,除了由阿拉伯人从丝绸之路间接传到欧洲外,另一途径是蒙古人的铁蹄硬弓横扫欧亚两洲时,直接传入了欧洲,黑色火药的秘方也传给了阿拉伯人和印度人。

1235年至1244年,蒙古军队携带火箭第二次西征,横扫保加利亚、梁赞、基辅、莫斯科、波兰,一直打到德国。

1241年4月9日,德国和波兰组成3万联军抵抗蒙古军队,蒙古军使用火箭击败联军,接着蒙古人又转向匈牙利,攻下布达佩斯,渡过多瑙河,直指意大利和奥地利。这时,国内传来大汗逝世的消息,蒙古军队才班师回国,中欧、西欧才幸免于难。

蒙古军的两次西征,火箭武器的威力使欧洲人震惊。他们也学习制造了许多别具一格的火箭。意大利的“火箭车”是专门攻打敌人工事的武器。达·芬奇还设计了一种“火轮”,用一组火箭一边喷射燃烧,一边滚动前进,扫荡敌人,焚烧营垒。在俄国,彼得大帝亲自参加新成立的火箭机构,制成过有名的信号火箭,重约一磅,一直使用到19世纪末。

18世纪,英国军队入侵印度,印度公爵盖达·阿里汉·麦索尔斯基成立了1200人的火箭射手团,用重3——6公斤的火箭筒,以竹杆作安定器打击英军,英军损失惨重。这种火箭筒经参加过这次战役的英国上校康格列夫改的进,制成了近代火箭,射程300米,很快在战场上大显神威。1806年拿破仑战争期间从船上发射的这种火箭烧毁了法国城市布朗尼;1807年用4万发火箭一日内击毁了丹麦京城哥本哈根,史称“一日之战”;鸦片战争中,英军也曾用这种火箭攻击中国军队;1814年美国独立战争中,英军用这种火箭对付美国人,使华盛顿城变成了一片废墟,并且占领了该城。火箭的红色火焰,给美国人以极深的印象。后采,斯高凯创作美国国歌《星条旗》,歌词中就描写了“火箭耀眼的红光”是多么厉害。

€€宇宙开发的先驱者

19世纪初,以康格列夫火箭为代表,固体火箭发展到顶峰。但固体火箭有两个致命的弱点:一是射击精度太差,需要有一定精度的导航系统;二是“发动机”所装火药性能低,不好控制,只能打打“箭海战术”,不能“一箭中鹄”、“一箭破的”。当时人们已经意识到,要使火箭成为更先进的战争利器,必须解决这两个问题,而当务之急是解决发动机问题。

这时,俄国的齐奥尔科夫斯基敏锐地指出,巨大火箭的动力应当是液体推进器发动机。他设计了新的飞行器草图,设想用煤油/液氧作推进剂,在当时这对那些沉迷于大型固体火箭设计的人,确有振聋发聩的作用。

齐奥尔科夫斯基1857年9月4日生于俄国莫斯科西北的梁赞区,父亲护林,母亲务农。他幼年在乡村小学读书,10岁时得了猩红热病成为聋子。但是他刻苦自学,对数学、物理、天文特别感兴趣,后来通过考试,成为一名中学教师。

上课了,齐奥尔科夫斯基常常穿着一件被化学药品蚀了几个洞的上衣走进教室,他的课上得十分认真精彩。下课后,他常爬到房顶上去找空气动力数据。刮大风的时候,他还会在泥泞的田野里披着床单迎风猛跑。人们惊骇地看着他,怀疑他可能是个幻想上天的疯子。

他认真地考虑了使用火箭在宇宙中飞行的问题,确信使用火箭可以在没有空气的宇宙空间飞行,可以到月亮和星星上旅行。他也写了一部科幻小说《在地球之外》,这部小说描写的宇宙旅行的基本构想具有极高的科学价值。

关于无重量状态,凡尔纳和威尔斯的知识是靠不住的幻想,而齐奥尔科夫斯基的知识是完整的。

这部书关于“宇宙游泳”和“宇宙枪”的描述,跟现在的宇宙旅行中的实际情况几乎一点不差。关于月球世界的描写,略微偏重于趣味,但是用小型“渡船”在月面降落的构想也和现代的“阿波罗”宇宙飞船很相似。这种敏锐的预见力实在令人惊叹!

从1896年起,他更深入地研究火箭原理,对宇宙飞行中可能遇到的各种问题进行思考。他认为气球、大炮不可能作为星际飞行的工具,只有用液体作推进剂的多级火箭才可能实现宇宙航行。他推导出著名的齐奥尔科夫斯基公式,为宇宙航行奠定了一定的理论基础,得到了当时火箭界的极大重视。

从19世纪末到20世纪初,火箭界就逐渐集中到液体火箭的研究和制造方面,世界掀起了一股“火箭热”。

1930年,齐奥尔科夫斯基的学生研制成功了一台以汽油和空气作推进剂的液体火箭发动机,推力是5公斤。1932年出现了以汽油和液氧作推进剂的液体火箭发动机,推力为50公斤。在液体火箭方面卓有贡献的还有被称为“月球火箭人”的美国火箭之父哥达德(1882——1945)。自从液体火箭问世以后,火箭技术就进入了一个崭新的阶段。直到目前为止,人们在航天事业中使用的基本上都是液体火箭。人们称齐奥尔科夫斯基是宇宙开发事业的先驱者。

€€第一枚液体火箭

比齐奥尔科夫斯基稍迟一些,美国也出现了火箭的支持者,这就是罗伯特·哥达德。

哥达德1882年出生于美园马萨诸塞州的伍斯特。他从小体弱多病,但喜爱幻想,17岁时读了威尔斯的《月球上的第一批人》等书,发疯似地向往宇宙旅行,一心要让凡尔纳的梦想变成现实。

哥达德在大学专攻物理学,毕业后又考入克拉克大学,获得了物理学硕士和博士学位。这时,他开始研究液体火箭,其中包括液氢液氧推进剂的研究。他设想用核能推动的“方舟”,将文明从正在死亡的太阳系送往另一个恒星系。1919年,哥达德发表了《到达超高空的方法》的论文。在这篇论文里,他提出火箭可以在没有空气的宇宙空间飞行。他说:“如果制造重598.2公斤的火箭,就可以把0.9公斤的镁送上月球。”接着他这样描述:用火箭把0.9公斤的镁送到月球,在月而面上把它点燃,镁的明亮闪光将持续几秒钟,在地球上用望远镜就可以看到它。论文一发表,立即引起巨大震动,各种夸大宣传和冷嘲热讽蜂拥而至。哥达德对此采取了克制和不理睬的态度。

为了把理论付诸行动,哥达德从1921年开始设计制造世界上第一枚液体燃料火箭。在航天先驱中,他是第一个把理论和试制工作结合起来的人。1922年4月他开始进行试验。第一次静态试验因火箭发动机点火后发生爆炸而失败。

经过几年的努力,哥达德终于研制出用煤油/液氧发动机推进的液体燃料火箭。1926年1月16日,在马萨诸塞州的沃德农场大雪覆盖的田野上,世界上第一枚液体火箭进行了飞行试验。

那天清晨,哥达德夫妇早早来到农场,把一枚长3.04米,重5.5公斤的小型液体火箭安装到发射架上。下午2时30分,他的妻子拍摄了发射前的现场照片,接着哥达德用吹焰灯点燃了火箭引信,迅速躲进一间小木屋。“啪”地一声轰响,火箭飞离地面,穿过大气,升向高空。2.5秒后,火箭上升到41英尺高,然后坠落到农场菜园里。

虽然这种火箭还粗陋不堪,远不能飞上月球,但是它第一次打开液体火箭技术的大门,开辟了航天史的新纪元,使人类在通往宇宙的道路上迈出了坚实的一步。

哥达德一生获得专利214项,几乎涉及液体火箭技术的所有主要部分,如陀螺控制系统、燃料泵、冷却系统等,为人类航天事业作出了特殊贡献。

美国的哥达德航天中心就是为了纪念这位“美国航天之父”而命名的。那里树有一块纪念碑,上面刻有哥达德中学毕业时演讲的那句话:“很难说什么是可能,昨天的梦想就是今天的希望、明天的现实。”

€€v——2火箭的出世

v—2火箭是纳粹德国制造的,它是二次世界大战期间唯一能与原子弹相西敌的武器,是科技上的巨大进步。在现代火箭史上也具有划时代的意义。

第一次世界大战德国战败后,签订了凡尔赛条约。当时人们对火箭的潜力认识还不足,因为那时只有少数型号的小型液体火箭勉强能飞起来,既不高也不远,所以条约只规定德国不许拥有飞机和大炮,没有限制火箭的研究和发展。当时德国有一股“火箭热”,不少火箭爱好者自发成立了“太空旅行协会”,搞液体火箭的试验飞行。由于人、财两缺,所以成果不大。

1933年德国纳粹上台后,希特勒疯狂扩军备战。他魔眼独具,看到火箭的潜在威力,拨巨款研究军用火箭,由陆军派人负责,年仅20多岁的冯·布劳恩博土担任总设计师。布劳恩从小就是一位“火箭迷”,13岁时,他想造出一辆“火箭车”一鸣惊人,让佣人买来6支大号焰火,绑在滑坡车上,然后点燃6支焰火,“火箭车”在街上横冲直撞,差点引起火灾。结果被警察抓起来,交给他父亲,被训了一顿。他18岁时,便参加了“太空旅行协会”,抱着航天的幻想研制火箭。一开始仅有一位钳工当助手,后来,希特勒耗资数百万美元,在德国的一个小渔村——潘纳明德兴建了一个绝密的火箭研究基地,技术人员和工人最多时达1.8万人,布劳恩带着他们秘密试验v—2火箭(v是复仇一词的字头)。

为了弄清希特勒“秘密武器”的秘密,盟国开展了一切可以进行的情报活动。英国飞机进行了大量的侦察拍照,并将发射台和竖立在发射台上的v—2火箭摄入了镜头。但由于人们熟悉的大炮等重型武器,从来都是倾斜发射的,这使情报分析专家做梦也没有去想会有垂直发射的远程武器。所以,将那些迅速建立起来的v—2发射场,误认为是新建的工厂。竖立在发射台上的v—2导弹很自然地被认为是工厂的烟囱。因此潘纳明德一直没有受到轰炸。

后来,盟国终于弄清楚潘纳明德是大规模制造火箭武器的工厂,飞机摄影侦察也证实了情报的可靠性。1943年8月17日夜,明月当空,由571架飞机组成的轰炸机群选择了一条迂回航线,然后直捣潘纳明德。潘纳明德守军毫无防备。突然,周围到处都投下了照明弹,轰炸机蜂拥而至,守军急忙以高射炮反击。可是,英国轰炸机群毫不理会,一批批地向选定的三个目标点倾泻着数以千吨计的炸弹和燃烧弹。顿时,大火吞没了整个潘纳明德。

这次轰炸炸毁了装配车间和实验室,科学家和技术人员住的45幢木房也荡然无存。据查炸死了735人,其中有178名德国科学家和技术人员,包括瓦尔特·蒂尔和台尔博士等著名科学家。

潘纳明德大轰炸延缓了纳粹德国v——2的研制进程,但仍然没有能够把它完全扼杀掉。经过6年的艰苦努力,至1942年7月,v—2火箭终于试射成功。由于它的射程无法到达莫斯科,1944年,希特勒下令首先向伦敦发射了数百枚v——2火箭,引起了英国的惊慌,希特勒对这种武器充满狂想,指望用他来复仇,短短几年中就发射了4000多枚。

v——2火箭的最大射程为270公里,推力为25吨,射击精度为半径3-5公里的圆,所以常常打不中目标,一开始充满了威吓力,但渐渐地威力就不大了。德国人原打算同时制成原子弹,二弹结合使用。没想到在挪威的重水工厂遭到破坏,原子弹迟迟搞不出来,只好使用常规弹头。希特勒不惜巨资,创下了一个月生产900枚的记录。

纳粹还有一系列的疯狂计划。他们计划给v——2火箭装上机翼(取名a——9),再入大气层时可以滑翔,延长射程达到1000公里;再给它加一个大推力助推器“a—10”,射程远达4800公里,可以从德国老巢直捣美国。此外,纳粹还在同时研制地——空导弹、空——空导弹、空——地导弹,研制了射程为160公里的四级固体地—地导弹。总之,对各种导弹都有所涉猎,可谓是包罗万象。可是,这些计划还没来得及进入实战阶段,纳粹就战败了。否则如果原子弹和这些疯狂计划实现,人类将会遭到更大浩劫。

希特勒灭亡后,美苏两国很快瓜分了v—2火箭的成果。冯·布劳恩博士和一批最优秀的火箭专家由于不愿和红色苏联合作,英、法两国战争中又损失惨重,战后不会有时间和金钱搞火箭和航天,因此,他们决定向美军投降。并把事先藏在德兰登林铁矿井里的14吨技术资料运到美国。美国还在此前派来一个“v——2特使团”,从德国人的火箭地下工厂搬走了100枚v——2火箭弹。1945年8月,冯·布劳恩就已在美国的军工厂装配v一2火箭,并计划改进v一2火箭,准备用它来发射人造卫星。

前苏联红军在美军之后占领了德国人的火箭工厂,把所有的机器设备、火箭及部件,全部运回国内,并弄回去上千名技术人员,其中有100多位中级火箭专家。1946年,前苏联在德国重新组织v——2火箭生产,1947年在前苏联仿制v——2火箭成功,1948年改进型试射成功,1949年8月29日爆炸了第一枚原子弹。从此两弹结合才使远程导弹成为举足轻重的战略力量。

从此,美苏在v——2火箭的基础上,发展各自的运载火箭和航天工业,展开导弹、卫星、登月、载人空间站技术和空间军事的竞赛。