史超禮

蘇聯(lián)在發(fā)射出一顆比一顆重的三顆人造地球衛(wèi)星以后，于1959年1月2日，又劃時(shí)代地發(fā)射出人類(lèi)第一只宇宙火箭。如今這顆紅色的行星正沿著橢圓形的軌道，環(huán)繞著太陽(yáng)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，成為太陽(yáng)系大家庭中的一個(gè)新的成員——第十位小兄弟。他雖然誕生不久，卻已獲得普世的歡呼。他的誕生標(biāo)志著人類(lèi)已經(jīng)走入星空時(shí)代。人類(lèi)乘火箭駕東風(fēng)，拜訪廣寒宮內(nèi)的嫦娥仙子和太白金星上的長(zhǎng)庚老人的日子已經(jīng)不遠(yuǎn)了。

這樣一只無(wú)論在政治上和科學(xué)上，意義都是非常重大的宇宙火箭，其軌道和發(fā)射究竟是怎樣的呢？在它之后下一步又將怎樣辦呢？人是怎樣才能離開(kāi)地球進(jìn)入宇宙空間呢？這一連串問(wèn)題，都值得我們思考。

圖1 蘇聯(lián)宇宙火箭的軌道

蘇聯(lián)宇宙火箭的軌道是怎樣的

1959年1月2日莫斯科時(shí)間晚上8點(diǎn)(北京時(shí)間1月3日清晨1點(diǎn))，在蘇聯(lián)遼闊國(guó)土的某處，響起雷鳴般的吼聲，強(qiáng)大的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴出紅色的火焰，巨型多級(jí)火箭劃破夜空，開(kāi)始?xì)v史上第一次宇宙飛行了。各級(jí)火箭一個(gè)個(gè)地?zé)耆剂先缓竺撀洌麄€(gè)火箭的速度愈來(lái)愈高，當(dāng)最后一級(jí)火箭的燃料燒完時(shí)，它已把攜帶的儀器設(shè)備加速到比第二宇宙速度——11.2公里/秒還要大。這時(shí)火箭的方向正對(duì)著出現(xiàn)在東方天空上的半個(gè)月牙。

7小時(shí)后，宇宙火箭已爬升到離地球10萬(wàn)公里的高空，再過(guò)57分，即莫斯科時(shí)間1月3日清晨3時(shí)57分，在離地球11萬(wàn)3千公里處，火箭噴出了鈉蒸氣，形成了彗星。蘇聯(lián)南部的天文觀察臺(tái)還拍攝了鈉星云的照片。1月4日5時(shí)59分，即在火箭起飛那個(gè)歷史時(shí)刻之后34小時(shí)(不到一天半)，宇宙火箭已飛行了37萬(wàn)公里，同月亮“擦身”而過(guò)。這時(shí)離月亮最近的距離約為5、6千公里，大致相當(dāng)于月球直徑的1倍半。1月5日10時(shí)火箭已離開(kāi)地球59萬(wàn)7千公里。1月7日宇宙火箭已飛行了1，450萬(wàn)公里，離地球的直線距離約100萬(wàn)公里，這時(shí)地球?qū)鸺囊σ呀?jīng)很小，幾乎不再存在，起作用的主要是太陽(yáng)的強(qiáng)大引力。換句話說(shuō)，從1月7日起，宇宙火箭已經(jīng)進(jìn)入自己環(huán)繞太陽(yáng)的軌道了。到1月12日，宇宙火箭從地球軌道上的出發(fā)點(diǎn)算起已經(jīng)飛行了三千萬(wàn)公里，相當(dāng)于在地球和月亮之間跑了約78次。

蘇聯(lián)宇宙火箭——人造行星的軌道和太陽(yáng)系的其他行星相似，也是橢圓形的。軌道的平面幾乎和地球的軌道重合，二者相差只有1度左右。人造行星軌道的長(zhǎng)軸，即最遠(yuǎn)兩點(diǎn)的距離約為3億4，360萬(wàn)公里，與地球長(zhǎng)軸相差15度。宇宙火箭已于1月14日進(jìn)入軌道的近日點(diǎn)(最接近太陽(yáng)的一點(diǎn))，這時(shí)它離太陽(yáng)的距離最近，約1億4，640萬(wàn)公里；飛行速度最大，約為每秒32公里。幾個(gè)月后，大約在9月初，人造行星又將進(jìn)入遠(yuǎn)日點(diǎn)，這時(shí)它離太陽(yáng)的距離最遠(yuǎn)，約1億9，720萬(wàn)公里(比地球遠(yuǎn)4700萬(wàn)公里)；它的飛行速度最小，約每秒24公里。在近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)之間的平均飛行速度約為每秒27.75公里。人造行星環(huán)繞太陽(yáng)走一圈的時(shí)間，也就是人造行星上一年的時(shí)間，比地球上的一年長(zhǎng)一些，約為15個(gè)地球月，說(shuō)的更準(zhǔn)確一點(diǎn)是450個(gè)地球日。既然人造行星的軌道是橢圓形的，自然也有個(gè)橢圓度，表示這個(gè)橢圓度的偏心率是0.148，比地球軌道的偏心率(0.017)要大一些，也就是說(shuō)它沒(méi)有地球軌道那么圓，要更扁一些。

圖2宇宙火箭發(fā)射示意圖

人造行星在飛行一段時(shí)間以后，可能又同到原來(lái)發(fā)射的地點(diǎn)。據(jù)估計(jì)，在繞太陽(yáng)飛行125圈(即過(guò)了一百五十多年)以后，約在公元2113年，人造行星又將和地球相遇。但這時(shí)由于受月球和其他行星引力的影響，并不致碰上地球。二者相距最近的距離也會(huì)有一百萬(wàn)公里。最近一二十年內(nèi)，大概在1975年人造行星和地球相距最近，但也有1500公里，所以我們盡可放心，不必害怕火箭會(huì)碰上地球發(fā)生危險(xiǎn)。

怎樣把人造行星送上軌道

蘇聯(lián)的人造行星，作為一個(gè)被發(fā)射的物體來(lái)說(shuō)，是個(gè)“龐然大物”。單單八種科學(xué)測(cè)量?jī)x器和形成鈉云的儀器，三臺(tái)無(wú)線電發(fā)射機(jī)，電源，蘇聯(lián)國(guó)徽標(biāo)志以及容器就有361.3公斤。再加上最后一級(jí)火箭，總重量共達(dá)1，472公斤，幾乎有一噸半。最后一級(jí)火箭的燃料還不算在內(nèi)。把這樣重的物體，從地面上發(fā)射到大于每秒11.2公里的速度的確不是一件簡(jiǎn)單的事。要做到這一點(diǎn)必須要解決三個(gè)科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，就是：用什么工具來(lái)發(fā)射？怎樣準(zhǔn)確地控制它進(jìn)入預(yù)定的軌道？發(fā)射時(shí)選擇什么樣的時(shí)間和方向？

首先我們來(lái)看究竟用什么發(fā)射工具？

圖3一種多級(jí)火箭的飛行和脫離示意圖

這個(gè)問(wèn)題的正確答案，我們都已很熟悉，那就是用我們中國(guó)人首先發(fā)明的火箭，當(dāng)然現(xiàn)在的火箭要進(jìn)步的多，但是基本原理卻是完全相同的。

按照蘇聯(lián)的偉大科學(xué)家喬爾可夫斯基的理論，要想達(dá)到第二宇宙速度用單級(jí)火箭是不行的，必須用多級(jí)火箭，用化學(xué)燃料火箭發(fā)射人造地球衛(wèi)星，達(dá)到每秒8公里的速度，如果三級(jí)火箭就夠了的話，那么要獲得第二宇宙速度，至少要四級(jí)。由于蘇聯(lián)火箭技術(shù)的先進(jìn)，用的不會(huì)是一般的燃料如酒精、汽油之類(lèi)，必然是含能量很高的燃料；像液氫，液氟或其他的化合物。氧化劑也必然是高能的。再加上火箭采用重量輕強(qiáng)度高的結(jié)構(gòu)材料，這樣就可把整個(gè)多級(jí)火箭做的比較輕。雖然如此，但由于有效重量很大，要求的速度又很高，多級(jí)火箭的起飛總重量可能仍然是非常驚人的。初步估計(jì)至少有好幾百?lài)?，也許是五六百?lài)?。那么第一?jí)火箭的推力自然比這個(gè)數(shù)值還要大——也許近一千噸，否則無(wú)法使這個(gè)“巨人”離開(kāi)地面。由這種巨型火箭所產(chǎn)生的巨大推力，可以看出蘇聯(lián)火箭技術(shù)的進(jìn)展是多么迅速！十幾年前第二次世界大戰(zhàn)快結(jié)束時(shí)，納粹德國(guó)的V－2火箭的推力才25噸多，曾幾何時(shí)，蘇聯(lián)的科學(xué)家和工程師們就把火箭的推力提高到幾十倍了。

要做出能夠產(chǎn)生幾百?lài)?、甚至千噸推力的巨型火箭，需要許多門(mén)高度發(fā)展的科學(xué)技術(shù)的密切配合。例如耐高溫的材料，設(shè)計(jì)得極為完善的燃料供應(yīng)系統(tǒng)，高效率的液壓泵，高溫度的合金材料，含能量極高的化學(xué)燃料和氧化劑等等，都是必不可少的。而造出這些復(fù)雜的設(shè)備和貴重的器材，必須擁有一系列的現(xiàn)代化工業(yè)和極先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)。

圖4火箭利用向下噴氣的辦法在月球面上著陸的情況

強(qiáng)有力的發(fā)射工具——多級(jí)火箭是必須具備的基本條件。但是光有它還不夠，還必須把這種多級(jí)火箭準(zhǔn)確地控制著使它進(jìn)入預(yù)定的軌道。

這就必須具備一套準(zhǔn)確而完善的自動(dòng)控制系統(tǒng)和操縱設(shè)備。此外，為了把科學(xué)儀器測(cè)量的數(shù)據(jù)送回地面，還必須安裝成套的工作可靠的遙測(cè)裝置。

多級(jí)火箭可用陀螺儀表來(lái)控制。這些陀螺儀表當(dāng)火箭飛行時(shí)可定出三個(gè)方向——俯仰，偏航和滾轉(zhuǎn)的基本座標(biāo)軸?；鸺w行的位置以及方向和速度都可根據(jù)這個(gè)座標(biāo)軸來(lái)確定。如果火箭不按預(yù)定的方案飛行，這套控制儀表就可自動(dòng)地進(jìn)行修正。這種利用陀螺儀表工作的叫慣性自動(dòng)控制系統(tǒng)。此外還可利用無(wú)線電和天文來(lái)進(jìn)行自動(dòng)控制。

圖5一種巨型的空間站的設(shè)計(jì)

除了自動(dòng)控制系統(tǒng)外，火箭本身還得安裝操縱機(jī)構(gòu)，來(lái)執(zhí)行操縱訊號(hào)所給的命令?；鸺献畛Ｓ玫牟倏v機(jī)構(gòu)是燃?xì)舛婧涂筛淖儑姎夥较虻膰姎夤?小型火箭)。燃?xì)舛媸悄蜔岬陌遄樱阉旁诨鸺l(fā)動(dòng)機(jī)的噴口處，通過(guò)改變?nèi)細(xì)鈬娏鞯姆较騺?lái)改變推力的方向，這樣也就改變了火箭飛行的方向。此外，在低層大氣中還可利用和普通飛機(jī)尾舵相似的空氣舵來(lái)操縱。

圖6宇宙火箭在空中加油

圖7降落在月球表面上的宇宙火箭

自動(dòng)控制系統(tǒng)，操縱機(jī)構(gòu)和遙測(cè)系統(tǒng)都需要高度發(fā)達(dá)的儀表制造工業(yè)，無(wú)線電電子工業(yè)和一系列其他精密工業(yè)。顯然，蘇聯(lián)在這一方面也獲得了極高的成就。

有了強(qiáng)有力的發(fā)射工具和準(zhǔn)確控制飛行的自動(dòng)控制系統(tǒng)以后，就可發(fā)射人造行星了。但是問(wèn)題又來(lái)了：如何安排多級(jí)火箭的工作？到底選擇什么時(shí)間和方向發(fā)射最好？軌道又該如何選擇？

首先看多級(jí)火箭工作的情況。假定用的是四級(jí)火箭?；鸺痫w時(shí)是垂直立在地面上的。在規(guī)定的時(shí)刻，一聲令下，第一級(jí)火箭便開(kāi)始點(diǎn)火工作，發(fā)出強(qiáng)大的推力，整個(gè)火箭便垂直上升。開(kāi)始時(shí)由于火箭本身很重，慣性很大，積累的速度是不很高的。等火箭飛出稠密的大氣層時(shí)，自動(dòng)控制儀表便使火箭緩緩傾斜，達(dá)到規(guī)定的速度和方向，燃料燒完，于是第一級(jí)火箭就自動(dòng)脫落。接著第二級(jí)火箭就點(diǎn)火工作，把速度再行提高。等第二級(jí)火箭燃料燒完自動(dòng)脫離，第三級(jí)再接下去工作。這樣，速度逐級(jí)累積增高，到最后一級(jí)時(shí)，它的最終速度和方向完全符合預(yù)定的飛行方案，恰好使火箭進(jìn)入預(yù)定的軌道。若是最終速度的大小和方向稍有差錯(cuò)，就會(huì)錯(cuò)過(guò)預(yù)定的軌道，使飛行失敗。例如1958年10月美國(guó)發(fā)射的月球火箭，在速度上只減少了百分之二，就使火箭重新墜入大氣焚毀。

在多級(jí)火箭發(fā)射之先，必須計(jì)劃好發(fā)射的時(shí)間和方向，計(jì)算好軌道。蘇聯(lián)宇宙火箭在這方面的選擇是十分聰明的。火箭發(fā)射的時(shí)間是下弦月，這時(shí)月亮離地球最近(約37萬(wàn)公里)，并且走在地球軌道的前頭(見(jiàn)圖1)。火箭向月亮發(fā)射恰好是沿著地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)軌道的切線方向飛行，因而它除本身的第二宇宙速度外，還獲得地球公轉(zhuǎn)的速度(約每秒30公里)。另外，發(fā)射的時(shí)刻是晚間八點(diǎn)，月牙剛從東方升起不久?；鸺驏|方發(fā)射，又獲得地球自轉(zhuǎn)的速度(這個(gè)速度在赤道處最大，約每秒0.456公里，地球自轉(zhuǎn)的方向是自西朝東)。因此，宇宙火箭在起飛后不久所獲得的總速度應(yīng)該是三個(gè)速度之和——第二宇宙速度(11.2公里/秒)，加地球公轉(zhuǎn)速度(30公里/秒)，再加上地球自轉(zhuǎn)速度(小于0.456公里/秒，因?yàn)樘K聯(lián)火箭發(fā)射地區(qū)不會(huì)在赤道)，總共可能達(dá)到每秒40公里以上。但是這個(gè)速度由于地球引力和月球引力的作用，隨著火箭飛離地球而逐漸減小。到1月7日火箭進(jìn)入自己的軌道時(shí)，它的速度已是克服地球和月球引力之后剩余的速度，這時(shí)略大于每秒30公里。到1月14日進(jìn)入近日點(diǎn)時(shí)，它的速度約為每秒32公里，數(shù)值最大。

如果使宇宙火箭變成月球的人造衛(wèi)星，那么當(dāng)火箭到達(dá)月球引力區(qū)時(shí)，使它的速度等于月球的第一宇宙速度(約每秒1.65公里)就行了。

行星際航行的軌道的計(jì)算遠(yuǎn)較人造衛(wèi)星復(fù)雜，因?yàn)楦餍行呛吞?yáng)的引力都對(duì)火箭起作用。只有在天體力學(xué)，宇宙航行學(xué)，彈道學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)等方面有深湛的研究才能解決這個(gè)復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題。當(dāng)然計(jì)算時(shí)必須依靠電子計(jì)算機(jī)，別的計(jì)算器械是無(wú)法完成龐大而又繁難的計(jì)算任務(wù)的。

宇宙航行的下一步

蘇聯(lián)的宇宙火箭打開(kāi)了行星際宇宙航行的大門(mén)。下一步將怎樣辦呢？

下一步工作的可能性有好幾種，也許會(huì)分兩方面齊頭并進(jìn)。一方面是用不帶人的宇宙探測(cè)火箭繼續(xù)向月亮和靠近地球的其他行星，如金星和火星進(jìn)行探測(cè)，以便在科學(xué)上累積更多的資料，對(duì)它們作更確切的了解，為人向這些天體進(jìn)軍打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。另一方面是積極進(jìn)行宇宙飛行中生命問(wèn)題的研究。具體地說(shuō)就是研究：人在宇宙間怎樣才能生存和正常的生活與工作；人怎樣才能返回地球和在其他星球上降落；怎樣才能把燃料和器材運(yùn)送到空間去等等問(wèn)題。這一工作其實(shí)早在好幾年前就在蘇聯(lián)開(kāi)始了，比如用單級(jí)高空探測(cè)火箭把動(dòng)物(如狗)送上天，研究超重、失重等反常現(xiàn)象對(duì)動(dòng)物機(jī)體所起的影響。第二顆蘇聯(lián)人造地球衛(wèi)星上就載有一個(gè)為科學(xué)研究貢獻(xiàn)出生命的小狗——萊伊卡。

在不帶人的宇宙探測(cè)火箭方面，也許不久就會(huì)出現(xiàn)人造月球衛(wèi)星。以火箭的威力來(lái)說(shuō)，其實(shí)目前立刻就可進(jìn)行這項(xiàng)工作。假如某個(gè)早晨我們聽(tīng)到蘇聯(lián)又發(fā)射了一顆這樣的衛(wèi)星，大可不必驚異。這種火箭上面如果帶了電視，就可把月球老是“背人”的那面的景象顯示給我們了。

這次蘇聯(lián)發(fā)射的人造行星如果把速度稍稍再增大一些，比如說(shuō)再增加每秒點(diǎn)二公里，就可飛到火星了。因?yàn)槟壳暗娜嗽煨行擒壍篮突鹦擒壍雷罱?，相距只?，500萬(wàn)公里。飛往地球內(nèi)圈的金星也不是什么難事，只要速度稍稍增大些，飛行方向調(diào)整一下，就可做到。在這些飛往行星的探測(cè)火箭上安裝電視和其他考察儀器，也可把這些星球的表面現(xiàn)象弄清楚，看看上面有沒(méi)有生命，并且可以尋覓最適合的著陸地點(diǎn)。

人要飛出地球應(yīng)該做好兩種準(zhǔn)備工作。首先應(yīng)該研究出最穩(wěn)妥的返回地球的辦法。比較方便的辦法是利用地球低層厚密大氣的掣動(dòng)作用?；胤档厍虻挠钪婧叫衅魅绻苡眠m當(dāng)?shù)?、產(chǎn)生空氣阻力的機(jī)構(gòu)把速度降低，然后再用面積很大的翅膀，像只滑翔機(jī)似的滑翔下來(lái)，那就比較方便了。凡是周?chē)粚雍衩艽髿獾男乔?，似乎都可采用這個(gè)辦法著陸。另一個(gè)辦法是著陸時(shí)把火箭頭掉轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，頭上尾下，向下噴氣，利用推力來(lái)支承重量，緩緩著陸(圖4)。不過(guò)這種辦法要多帶為著陸用的燃料，使火箭的重量增加，是一個(gè)缺點(diǎn)。

另一種準(zhǔn)備工作似乎是建立一個(gè)空間站——即巨大的人造地球衛(wèi)星。如果人造衛(wèi)星的軌道安置在地球上空幾千公里的高處，由于那兒幾乎是真空，沒(méi)有空氣阻力，衛(wèi)星的速度不會(huì)降低，所以它可永遠(yuǎn)在軌道上環(huán)繞著地球運(yùn)轉(zhuǎn)。只要這種衛(wèi)星相當(dāng)大，能容納人在里面生活和工作(當(dāng)然這時(shí)已經(jīng)解決了人在空間的生存問(wèn)題)，這就成為一個(gè)空間站。這個(gè)空間站愈大愈好，可以多容納人和器材，更便于工作，圖5就是這樣一個(gè)空間站的設(shè)計(jì)，它里面可住七八十人。

有了空間站，可以?xún)?chǔ)集器材，準(zhǔn)備好宇宙火箭，裝足燃料，向月球出發(fā)。由于空間站已經(jīng)有了每秒8公里的速度，所以宇宙火箭從這兒飛起再加上每秒3公里多一點(diǎn)的速度就可飛往月球了。從這兒出發(fā)沒(méi)有地球表面厚密大氣層的阻礙，所以要容易的多。如果不用空間站，還可采取在空中向宇宙火箭加油(增加燃料)的辦法，如圖6所示。這樣也可使火箭飛的更快，跑的更遠(yuǎn)。

在做好回返地球和建立空間站這兩項(xiàng)準(zhǔn)備工作以后，人飛往月球就更有把握了。那時(shí)可源源不斷地把器材和燃料運(yùn)往月球，把月球作為我們外層空間的永久基地(圖7)。從那兒我們可以更方便地飛往其他行星，從比較近的金星和火星開(kāi)始，然后再去比較遠(yuǎn)的水星、木星、土星等。等到我們征服了太陽(yáng)系的行星后，下一步就將是跨出太陽(yáng)系，飛往更廣闊的宇宙空間——恒星世界，在銀河星系里面遨游。由于旅程遼闊，化學(xué)火箭速度太低，那時(shí)必須采用新的宇宙航空器——光子火箭，而這卻屬于遠(yuǎn)程宇宙航行的范疇了。