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发信人: crazy (雪山), 信区: Science
标  题: 人造地球卫星(1)
发信站: 紫 丁 香 (Mon Mar 27 03:21:15 2000), 转信



    在今天，世界航天事业正飞速地发展着，而早在本世纪初，俄国的科学巨人齐奥
尔科夫斯基就提出了著名的预言：
    “地球是理想的摇篮，但人类不能永远生活在摇篮里。……在寻求光和空间的过
程中，起初是怯生生地探索大气层的极限，其后就会把它的控制延伸到整个太阳系。”
    虽然在当时的科技条件下，齐奥尔科夫斯基只是空怀预见之才，只能为火箭技术
和星际航行奠定基本的理论概念，但他的这句名言却激励着人类为挣脱大地的束缚而
努力。人造地球卫星的上天，就是人类向宇宙迈出的第一步。
    永存的火箭运动公式
    在中国古代，人们用竹管或纸做成前端封闭、后端开口的小药筒，在药筒尾部的
侧壁上钻一个小孔，把火药装入药筒内，并把药线穿入药筒侧壁的小孔内，然后把药
筒绑在箭杆上。使用时点燃药线，火焰和大量的气体就猛地从药筒后端的开口处喷射
出来，从而产生反作用力，箭在反作用力的推动下向前疾飞而去，这就是原始的火箭。
公元10世纪末，火箭被用于战争；公元1232年，宋朝军队在与入侵中原的金兵进行著
名的汴京之战中，就使用了火箭；到13世纪，随着元军西征，中国的火药和火箭技术
逐渐被传到阿拉伯国家。尔后，阿拉伯人与欧洲人交战时，火箭技术又被传到了欧洲。
由此可见，中国是火箭的故乡。尽管中国当时的火箭技术具有原始性质，但是，所使
用的基本原理——反作用推进原理，却成了近代火箭技术的基础。在近代，俄国的齐
奥尔科夫斯基、美国的哥达德、德国的奥伯特走在了世界的前头，成为研究火箭技术
的先驱者。
    17世纪末，英国科学家牛顿踏着前辈“伟人之肩”，发现了力学三定律和万有引
力定律，建立了天体力学理论体系。牛顿第一定律指出：一个物体在没有受到外力作
用时，它将保持原来相对静止或匀速直线运动的状态；牛顿第二定律指出：作用于一
个物体上的力，将使物体在受力的方向上加速运动，加速度的大小与作用在它身上的
力成正比，与物体的质量成反比；牛顿第三定律指出：物体上的作用力与反作用力，
总是大小相等、方向相反。牛顿的万有引力定律告诉人们；宇宙间任何两个物体都是
相互吸引的，引力的大小与两物体的质量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反
比。
    牛顿的万有引力定律说明，在宇宙中的万物之间，包括人与地球之间，都在相互
吸引。人之所以跳不出地球，树上的苹果之所以要落在地上，就是由于受到地球的吸
引。这种看不见、摸不着的地球引力，是束缚人类进入太空的关键因素。人类欲跨入
太空，就必须要克服这一神秘的引力。
    那么，如何来克服地球的引力呢？近代物理学帮助人们从理论上找到了科学的答
案，那就是速度与力量。物理学认为：当一个物体做圆周运动时，必会有一个惯性离
心力。这个力的大小，与物体的质量和物体做圆周运动时的切线速度的平方的积成正
比，而与圆的半径成反比。这样，一个物体要在大气层外沿圆轨道绕地球运行而不掉
回地面，那它凭借环绕地球运动的速度所产生的惯性离心力，必须刚好等于地球对它
的引力。要达到这个要求，该物体环绕地球的速度约等于每秒 7.9公里。这个环绕速
度值就是第一宇宙速度。当物体的速度低于第一宇宙速度时，物体就要落回地球；当
物体的速度等于第一宇宙速度时，物体就会按椭圆轨道绕地球运动。由此可见，要摆
脱地球的引力，进入太空，速度是个关键因素。
    为了谋求这一特殊的速度，实现遨游太空的梦想，人们又开始了新的探索。19世
纪末，俄国人齐奥尔科夫斯基通过计算证明，要到宇宙空间去旅行，必须采用多级火
箭，造出一种“火箭列车”，即当第一级火箭燃烧完后就自动脱落，并引燃第二级火
箭；第二级火箭燃烧完后又自动脱落，再引燃第三级火箭……，就这样，火箭像接力
跑似地不断被加速，直到把火箭头送入太空。齐奥尔科夫斯基的这一思想，从理论上
解决了人类挣脱地球引力进入太空的可行性方法。
    与此同时，齐奥尔科夫斯基还提出了用液体燃料代替固体燃料作为火箭推进剂的
设计思想，并画出了用液体火箭发动机做动力的火箭结构示意图，设想用燃烧值大的
煤油和液态氧作为火箭的推进剂。他预言将来一定会使用液体燃料的火箭。1898年，
齐奥尔科夫斯基完成了他的第一篇关于空间飞行用的液体推进剂火箭的论文。1900年，
他先后发表了一系列论述火箭的科学论文，提出了许多有见地的想法。但是，由于当
时人们的兴趣都集中在刚刚出现的飞机和汽车上，齐奥尔科夫斯基的研究成果并没有
引起人们的重视。
    齐奥尔科夫斯基在《利用喷气装置探测宇宙空间》的论文中，给出了一个确定火
箭所能达到的最大速度的公式，这个公式没有考虑到空气阻力和地心引力的作用，人
们把它叫做齐奥尔科夫斯基公式。
    υ=Ｗ·lnＭ0/Ｍ式中，υ表示火箭达到的最大速度；Ｗ代表火箭发动机的喷气速
度；Ｍ0代表火箭起飞时的质量；M代表推进剂烧完时火箭的质量；Ln是自然对数符号；
M0与Ｍ的比叫做火箭的质量比。
    这是宇宙航行的基本公式，谁不懂得这个公式，谁就不懂得宇宙航行。这个公式
告诉我们，火箭的最大速度和喷气速度成正比，也与质量比的自然对数成正比。因此，
增加喷气速度或增加质量比，都能增大火箭的速度。要想增加喷气速度，就要采用高
能推进剂，要想增加火箭的质量比，就要尽量多装推进剂，尽量减轻火箭结构的重量，
结构做得越轻巧越好。
    然而，打开通天之路的最大困难在于克服地球重力的束缚，为此，必须首先考虑
这个地球重力对火箭运动特征的影响，也就是说，必须精确地计算出冲破地球重力这
道“铜墙铁壁”所需的燃料贮存量。于是，他又着手对这个问题进行研究，更加鲜明
地提出了描述火箭在重力场中运动时所能达到的最大速度的另一个数学公式：
    v=W（1-g/a)ln(M2/M1+1)
    式中，ν代表火箭达到的最大速度；W代表火箭喷气管的排气速度；M1 代表除了
燃料外的火箭质量；M2代表燃料质量；g 代表重力加速度；α代表火箭所具有的等加
速度。
  但是，他这篇长达50页的论文一再被退稿，最后，在朋友V.J.阿索诺夫的帮助下，
才于1903年在莫斯科《科学评论》杂志上得以发表。
    向地球引力挑战
    齐奥尔科夫斯基在理论上取得了巨大的进展，但真正的突破却发生在美国。美国
的科学家罗伯特·哥达德第一个制出了齐奥尔科夫斯基所设想的液体燃料火箭。
    哥达德也明白，老式火箭是不适用的，如果使用火药，不仅不容易控制它的燃烧，
而且它的排气无论如何都不够快，真正需要的是某种液态燃料，它可以泵入一个小室，
在那里燃烧，泵可以启动和停止，以控制燃烧进程的快慢，由此，排气就可以控制了。
    1923年11月，哥达德首先造出了世界上第一台液体火箭发动机，并进行了试验。
发动机的重量仅有 5.5公斤，里面装有一份汽油和一份液态氧。将这两种液体泵入燃
烧室，它们就在那里混合并引燃。这台发动机工作良好，成功地燃烧了27秒钟。这次
成功的试验使哥达德欣喜若狂，他决心要把装有这种发动机的火箭送上天空。于是，
哥达德决定下一步是向上发射一支液体燃料的火箭。
    要进行试验，就需要场地，哥达德找到了他的姑母，借用她在马萨诸塞州奥本的
农场进行这种实验。
    1926年 3月16日，哥达德一切准备就绪，火箭行将点火，但能否成功，他也没有
把握。这枚火箭长约 1.2米，直径仅有15厘米。此时，天气寒冷，地上还积着雪，哥
达德穿着大衣和长统靴，站在那个像儿童玩具一样的装置面前，他的妻子为他拍了一
张照片。
    但是，令人遗憾的是没有记者出席，也没有人对他的实验感兴趣，第一支液体燃
料火箭即将升空，这里将发生的事情乃是本世纪最重要的新闻之一。
    哥达德点燃了火箭，火箭像一条火龙，急骤地冲向天空，它在空中上升到了56米
高度，速度达到了每小时96公里。虽然这次试验火箭的发动机只工作了 2.5秒钟，飞
行的距离仅68米，但这次试验的成功具有划时代的意义，哥达德后来因此而获得了“
近代火箭之父”的美称。
    哥达德设法从史密逊学院得到了几千美元的资金，继续他的工作。1929年 7月，
他发射了一支更大的火箭，它比第一支火箭飞得更高、更快，而且更重要的是，它携
带了一个气压表和一个温度计，并用一只小照相机拍摄了它们的读数。这是第一支携
带仪器的火箭。
    哥达德进行火箭试验的消息传出去了，而且越传越神，说他试图飞往月球。于是，
许多人开始嘲笑他，《纽约时报》发表社论告诫哥达德，说他的一切科学研究都错了。
    但是，哥达德对此不屑一顾，他继续进行他的试验。有一次，有一支火箭发出了
震耳的噪声，有人赶忙叫来了警察和消防队员，于是，哥达德接到命令：不允许他再
在马萨诸塞州进行火箭实验。
    这对哥达德真是一个不小的打击，但幸好，美国著名的飞行员林德伯格对哥达德
十分支持，他利用自己在社会上的影响为哥达德申辩，并在经济上给予支持，结果，
哥达德在新墨西哥建立了一个新的火箭发射场。
    哥达德建造了一些更大的火箭，发展了许多设想，这些设想当今在所有的火箭上
都有所应用。他指出了建造形状恰当的燃料室的方法，以及如何维持它的四壁的冷却；
他还说明了怎样操纵火箭，以及如何使它沿着直线前进。
    哥达德还研究了多级火箭，并取得了专利。他设想，由一枚大火箭上再装上一支
小火箭，组成一枚两级火箭，点燃大火箭的燃料，可将大火箭本身连带小火箭一起送
到高层大气。这时，大火箭燃料用尽，便与小火箭脱离而下落，与此同时，小火箭开
始工作。小火箭要比整个火箭在不分成两级的情况下，上升高得多、也快得多。
    到30年代末，哥达德发射的火箭速度终于超过了声速，其上升的高度达到了 2.4
公里。但是，美国政府从未真正重视过他的工作，所以，此时美国在火箭的应用上却
落后于德国。
    德国后来居上
    哥达德实验液体火箭获得成功后不久突然接到一封信，信中说：“我多年从事研
究如何用火箭飞出地球的问题。当我正要发表我的实验和计算结果时，由报纸上得知，
我在这方面的探索不是孤独的，而您，亲爱的先生，在这方面已做了很重要的工作。
虽然我作了不少努力，仍未得到您在这方面的著作，因此，请您是否赐寄几册”。
    写信人不是寻常之辈，乃是火箭三先驱之一的奥伯特。
    赫尔曼·奥伯特原是一位数学家，后来他也对液体火箭产生了极大的兴趣。1923
年他在德国出版了《飞往星际的火箭》一书，在书中他对多级空间运载工具的火箭推
力作了重要的数学论证，并对未来的液体燃料火箭、人造卫星、宇宙飞船，以及宇宙
空间站等作了精彩的设想和预言。这本书立刻在德国引起极大的轰动，激发了许许多
多德国青年对宇宙旅行的憧憬。1927年，德国成立了世界上第一个宇宙旅行协会，出
版了名为《火箭》的刊物。
    1929年，奥伯特又发表了《通向空间旅行的道路》，详细地描述了载人空间飞行
器的运载工具、制动火箭，以及用于回收的降落伞，还论述了利用地球卫星对地球表
面进行侦察，以及借助反光镜发送信号的问题。与此同时，奥伯特与自己的 3名实验
助手开始共同试验液体燃料火箭。他的 3名助手也不是等闲之辈，黑德尔、奈培尔、
冯·布劳恩都是火箭专家。他们为奥伯特后来研制液体火箭的成功作出了重要的贡献。
其中，冯·布劳恩是一位才华横溢的有为青年，他后来为希特勒研制 V-2火箭立下汗
马功劳。
    1933年，冯·布劳恩具体组织了“集腋”-1号火箭，即 A-1火箭的研制试验。此
种火箭长1.4米，直径0.3米，重150公斤，以酒精和液氧作推进剂，发动机推力为300
公斤。虽然 A-1火箭在静止的地面上试验获得了成功，但火箭在发射时点火仅半秒钟
便爆炸了，后来查明了原因，是由于积存于燃烧室的混合气体过多，加上点火延迟等
原因所造成的。
    原因找出来了，但冯·布劳恩并没有再制造第二枚 A-1火箭。当时，人们的注意
力主要放在发动机的制造和改进上，对如何解决火箭的飞行稳定性问题尚一无所知，
而此时布劳恩领导的小组借鉴了飞机稳定飞行的原理，对火箭重新进行了设计。这枚
新火箭便是A-2火箭，重量为270公斤。
    1934年的圣诞节前夕，在北海的包尔库姆岛上，布劳恩的新火箭试射取得了成功。
那天，布劳恩小组人员发射了2枚A-2火箭，一枚叫做默斯，另一枚叫做摩里茨，结果，
他们高兴地看到 A-2火箭飞到了2.5公里的高空。A-2火箭的成功，对德国人无疑是吉
祥之兆，德国军方更是欣喜若狂，于是慷慨解囊，为布劳恩他们提供了大量的资金。
布劳恩小组的成员们则以更大的劲头开始着手 A-3火箭的研制，并根据德国陆军司令
部的意图，大胆地拟制了射程达275公里、战斗部装药达1吨的弹道火箭方案，即 A-4
火箭。
    1937年9月，德国首次进行了新型A-3火箭的发射。A-3火箭体积庞大，全长达7米，
重量为750公斤，射程达 1350公里。由于制导装置不够完善，所以失败是德国试验人
员预料中的。
    1937年隆冬时节，佩内明德千里冰封，万物休眠，但德国科学家们正在紧张地忙
碌着，只见一枚溜光锃亮的火箭又耸立在发射台上，这就是A-3火箭。
    火箭徐徐升起，人们兴奋地注视着不断升高的火箭，在观察台上欢呼着。但是，
当火箭升空几百米后却突然倾斜，然后掉头葬身于大海之中。以后，德国人又接连两
次发射了A-3火箭，同样也遭到了失败。
    A-3 火箭的发动机工作是正常的，问题是出在控制系统上。为了解决这个难题，
冯·布劳恩等火箭专家发展了地面模拟技术。这是一种成功的试验方法，通过大量模
拟试验，发现 A-3控制系统的伺服回路响应太慢，伺服机构的控制力矩过小，并存在
着导线接点焊接不牢等隐患。
    布劳恩再次重新设计了控制系统，扩大了燃气舵的面积，并设计成回收型火箭。
回收的主要目的是为了使弹体内的仪器设备不致被摔坏，便于故障分析。这个经修改
后的火箭改名为 A-5型试验火箭。虽然A-5型火箭与A-3型火箭大小相同，然而却有着
更科学的诱导系统，以及完全新式的控制系统，还大幅度地改进了引擎。它可以产生
1500公斤的推力，垂直发射时射程为13公里，而按一定角度发射时可达18公里。
    1938年底，A-5型火箭再一次进行了发射。火箭开始时垂直上升，到达约 13公里
的高度后改为斜向飞行，这次试验 A-5火箭终于实现了预期的目标。在以后的几次试
验中，德国人利用雷达波来制导，取得了更高的控制精度。A-5 火箭试射成功的数量
多达30枚，其中有不少火箭落入海中而毫无损伤，回收后还可重复使用，这证明了制
造远距离飞行的火箭是完全可能的。

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