解曉峰 童話

在之前兩期我們介紹了航天相關(guān)的知識(shí)，但熱愛(ài)天文、喜好科幻和憧憬太空探索的小伙伴似乎還有些意猶未盡。那么這一期就來(lái)整一篇關(guān)于航天火箭更為詳細(xì)的知識(shí)問(wèn)答，可不要嫌篇幅太長(zhǎng)哦，因?yàn)槟銓⒉粌H能知道火箭是怎么做“體檢”，為什么火箭要“站著”發(fā)射，為什么火箭發(fā)射的時(shí)間那么飄忽不定，還可以見(jiàn)識(shí)到動(dòng)物“航天員”們帶來(lái)了哪些貢獻(xiàn)，等等。

Q：我希望以后長(zhǎng)大成為一名航天員，那從現(xiàn)在開(kāi)始，我需要自學(xué)哪些知識(shí)來(lái)為我的夢(mèng)想打基礎(chǔ)呢？

A：我國(guó)對(duì)于航天員最早的選拔標(biāo)準(zhǔn)，除要求具有思想作風(fēng)好、政治素質(zhì)高、心里穩(wěn)定和臨危不亂等“軟性”條件外，還要求具有強(qiáng)健的體魄、高超的飛行技術(shù)、豐富的飛行經(jīng)驗(yàn)等。不過(guò)現(xiàn)在隨著我國(guó)航天事業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)于航天員的選拔范圍也已經(jīng)不再局限于飛行員，譬如航空航天相關(guān)的工程技術(shù)人員，未來(lái)還會(huì)有物理學(xué)家、生物學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家和醫(yī)生等。

又比如2015年美國(guó)NASA公布的招募火星宇航員的要求，其中就包括擁有工程學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)或數(shù)學(xué)領(lǐng)域的學(xué)士學(xué)位。因此，工程師、理工科科學(xué)家和醫(yī)生等專業(yè)其實(shí)是較受歡迎的，因?yàn)橹廊绾巫鰧?shí)驗(yàn)非常重要，在國(guó)際空間站上，宇航員需要進(jìn)行各種微重力實(shí)驗(yàn)，比如納米粒子的液體中的表現(xiàn)，被斬首后扁平蟲(chóng)能否再生等。同時(shí)，NASA也會(huì)招募地質(zhì)學(xué)家或生物學(xué)家。

我國(guó)航天員的訓(xùn)練大體分為三個(gè)階段：第一階段是基礎(chǔ)理論培訓(xùn)，在這一階段，航天員要學(xué)習(xí)火箭和飛船的設(shè)計(jì)原理、飛行動(dòng)力學(xué)、氣象學(xué)、天文學(xué)、通信、設(shè)備檢測(cè)、航天醫(yī)學(xué)知識(shí)等等;第二階段是專業(yè)技能訓(xùn)練，航天員要熟悉飛船的結(jié)構(gòu)、組成，飛船各系統(tǒng)的工作原理和模式，甚至要掌握重要部組件和單機(jī)的情況;第三階段是飛行程序和任務(wù)訓(xùn)練，航天員們要在與真實(shí)飛船相同的訓(xùn)練模擬器上，通過(guò)實(shí)景仿真，掌握和知道應(yīng)該注意觀察什么，什么時(shí)候和地面聯(lián)系，在這一階段，航天員們還要學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)和排除緊急情況，以考察和鍛煉他們的判斷能力和對(duì)事物的迅速反應(yīng)能力。

這三個(gè)階段的訓(xùn)練通常需要3～5年的時(shí)間。在訓(xùn)練中，他們還要奔赴沙漠、寒區(qū)、雨林和海上，配合搜救部隊(duì)進(jìn)行野外生存和搜救演習(xí)。而體能訓(xùn)練、特殊生理功能訓(xùn)練等一直伴隨在三個(gè)學(xué)習(xí)階段。如果是需要參與太空行走的航天員，出艙時(shí)要像攀巖一樣主要靠手來(lái)實(shí)施在太空進(jìn)行的上千項(xiàng)操作，所以對(duì)航天員的體能、上肢力量和應(yīng)對(duì)突發(fā)情況的處置能力提出了更高要求。

此外還有心理層面，良好的心理狀態(tài)在孤寂的太空作業(yè)中起著至關(guān)重要的作用，它包括以下三點(diǎn)要求：熟練掌握復(fù)雜的操作技能，在發(fā)生意外情況時(shí)從容不迫、沉著應(yīng)對(duì);有獻(xiàn)身精神，以適應(yīng)航天探險(xiǎn)活動(dòng);坦然面對(duì)外界各種壓力，不驕不餒。

Q：聽(tīng)科普節(jié)目說(shuō)“火箭直徑是由馬屁股決定的”，這是真的嗎？

A：火箭的直徑最主要是由它的研制目的決定的。也就是說(shuō)，如果火箭需要運(yùn)輸更大的重量，就要直徑更大、箭體更長(zhǎng)。這樣的想法在理論上沒(méi)錯(cuò)，但在現(xiàn)實(shí)中是受到了諸多限制的。一般來(lái)說(shuō)，火箭研制地與發(fā)射地有一定距離，大多是用火車或者汽車運(yùn)輸。路上難免會(huì)通過(guò)一些隧道，隧道的寬度都是參照鐵軌的寬度確定的?；鸺ㄟ^(guò)這些隧道，直徑就不能超出隧道的寬度。再考慮到火車晃動(dòng)、會(huì)車等因素，火箭的直徑就更受限制了。所以，在2016年以前，我國(guó)運(yùn)載火箭直徑最大的為3.35米。

這樣看的話，火箭直徑是由鐵路軌道的寬度決定的。那鐵路軌道的寬度又是由什么決定的呢？其中有很多說(shuō)法，不過(guò)，最為人所熟知的就是“馬屁股決定說(shuō)”。這個(gè)說(shuō)法認(rèn)為：英國(guó)人發(fā)明了火車，而火車軌道的寬度在設(shè)計(jì)之初就沿用了馬車的輪寬標(biāo)準(zhǔn)。馬車的輪寬是怎么確定的呢？是根據(jù)英國(guó)老路上的轍跡確定的。當(dāng)時(shí)路上轍跡的寬度是4.85英尺（約合1.48米），而轍跡的尺寸標(biāo)注是古羅馬人定的。因?yàn)楫?dāng)時(shí)歐洲的長(zhǎng)途老路都是由羅馬人為他們的軍隊(duì)鋪設(shè)的，羅馬戰(zhàn)車是他們的主要裝備，4.85英尺正是羅馬戰(zhàn)車的寬度。

那古羅馬人又為什么以4.85英尺作為戰(zhàn)車的輪距寬度呢？原因其實(shí)很簡(jiǎn)單，因?yàn)檫@是拉動(dòng)戰(zhàn)車的兩匹馬的屁股寬度。這樣一來(lái)，關(guān)系就清楚啦：馬屁股的寬度決定了鐵軌間的距離，鐵軌間的距離決定了隧道的寬度，隧道的寬度則影響了火箭的直徑。

當(dāng)然，世界上很多國(guó)家的鐵軌間的距離都不太一樣。1937年，國(guó)際鐵路協(xié)會(huì)做出規(guī)定：1435毫米為國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)軌距，1520毫米以上的軌距為寬軌，1067毫米以下的軌距為窄軌。我國(guó)采用的是標(biāo)準(zhǔn)軌距，受此影響，我國(guó)在長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭研制出來(lái)前，火箭的直徑最大為3.35米。如今，隨著運(yùn)輸工具的發(fā)展，火箭不僅可以選擇公路、鐵路運(yùn)輸，還可以海運(yùn)，這讓火箭的直徑不再受限于鐵軌間的距離。

Q：都是在天上飛，為什么飛機(jī)要防凍，火箭要防熱？

A：火箭和飛機(jī)在天上飛時(shí)，到底需要防凍還是防熱，與它們飛行的馬赫數(shù)緊密相關(guān)。馬赫數(shù)就是指物體運(yùn)動(dòng)速度與周圍空氣中的音速之比，相同條件下，馬赫數(shù)越小，物體表面溫度越低;馬赫數(shù)越大，物體表面溫度越高。

火箭在大氣層飛行的過(guò)程中，為了掙脫地球引力，飛去更高更遠(yuǎn)的太空，會(huì)一直加速飛行，速度從亞音速、超音速到高超音速，在距離地面10公里左右的高度時(shí)，馬赫數(shù)甚至超過(guò)5，此時(shí)火箭表面的溫度有1000多攝氏度。隨著火箭飛行速度的增加，這個(gè)溫度還會(huì)繼續(xù)升高，直至脫離大氣層。而這個(gè)階段，如果沒(méi)有足夠的防隔熱措施，火箭外表的金屬外殼將會(huì)變形甚至融化，火箭內(nèi)部的電路板、元器件、精密儀器等將會(huì)燒穿、變形，導(dǎo)致整個(gè)飛行任務(wù)失敗。

普通的民航飛機(jī)一般以亞音速飛行，同樣在距離地面10公里左右的高度時(shí)，馬赫數(shù)僅為0.7～0.8，外部大氣的溫度低至零下55攝氏度左右，接近北極圈以內(nèi)的溫度，飛機(jī)的溫度和外界溫度差不多，這個(gè)溫度下飛機(jī)必須開(kāi)空調(diào)為機(jī)艙內(nèi)調(diào)節(jié)溫度，否則客機(jī)的乘客會(huì)被凍傷。實(shí)際上，如果飛機(jī)的速度也提高到超高音速，也就是馬赫數(shù)也達(dá)到10左右，它也同樣需要防熱。航天飛機(jī)的速度與火箭差不多，表面溫度可高達(dá)2000攝氏度，因此航天飛機(jī)的表面也安裝了一層厚厚的防熱瓦來(lái)抵御高溫。

Q：那載人飛船的返回艙是不是也是一樣要防熱呢？

A：載人飛船返回艙在返回地球時(shí)，要以每秒數(shù)公里的速度與大氣摩擦，會(huì)產(chǎn)生1500℃以上的高溫，別說(shuō)人體，就是普通的金屬材料也會(huì)瞬間融化。為了保證航天員的安全，科研人員會(huì)為載人飛船返回艙穿一件“防熱衣”。我國(guó)“神舟”載人飛船返回艙“防熱衣”采用了蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕材料，在返回艙返回地球時(shí)，“防熱衣”在高溫中會(huì)通過(guò)自身的燒蝕帶走大量的熱。正如人們?cè)谘籽紫娜障虻孛鏉娝?，水在蒸發(fā)時(shí)會(huì)消耗熱量，讓屋子更涼爽，載人飛船的“防熱衣”在高溫中也會(huì)出現(xiàn)熔化、蒸發(fā)、升華等物理變化以及分解等化學(xué)變化，帶走飛船表面的熱量。

此外，由于“防熱衣”采用的蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕材料里有很多氣孔，就像蓬松的羽絨服一樣，會(huì)阻擋熱量進(jìn)一步向內(nèi)傳遞。外層燒蝕帶走熱，內(nèi)部蓬松阻擋熱。當(dāng)洶涌的熱流闖過(guò)“防熱衣”時(shí)，熱量已所剩無(wú)幾，不會(huì)對(duì)航天員造成威脅。

Q：火箭為什么是“站”著發(fā)射的？

A：大家都知道，飛機(jī)是水平起飛的，火箭是站著發(fā)射的?；鸺c飛機(jī)的目的地不同，決定起飛方式不同。火箭發(fā)射是為了擺脫地球引力，實(shí)現(xiàn)宇宙航行，將衛(wèi)星等航天器送到預(yù)定軌道。因此，火箭在飛行過(guò)程中，除了要克服自身的重力外，還要受到空氣阻力等因素的影響。而飛機(jī)是從地球上的一個(gè)地點(diǎn)飛到另一個(gè)地點(diǎn)，不需要擺脫地球引力，借助航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和機(jī)翼上下的空氣動(dòng)力，在大氣層中穿行。

垂直起飛是火箭沖出大氣層的一條最短路徑。除此之外，垂直發(fā)射推力只要稍微超過(guò)起飛重量，火箭就可以騰空而起。如果是傾斜發(fā)射或是水平發(fā)射，需要更大的起飛推力，消耗的燃料更多。根據(jù)美國(guó)火箭理論家哥達(dá)德研究，火箭發(fā)射主要克服從地面到100千米以內(nèi)的空氣阻力，因此，火箭在垂直起飛十幾秒后，一般會(huì)進(jìn)行程序拐彎，逐漸轉(zhuǎn)為水平方向。目前，國(guó)際上正在研究磁懸浮發(fā)射、空中發(fā)射、真空管道發(fā)射等多種新型發(fā)射方式。未來(lái)火箭可能不走尋常“路”，可以呈各種角度發(fā)射。

Q：為什么火箭發(fā)射，都會(huì)進(jìn)行倒數(shù)計(jì)時(shí)，而且都是從10開(kāi)始倒數(shù)？

A：觀看火箭發(fā)射時(shí)，我們都會(huì)聽(tīng)到這樣的倒計(jì)時(shí)口令，“10……3、2、1，點(diǎn)火”，緊接著一聲巨響，火箭騰空而起。據(jù)中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院火箭設(shè)計(jì)師錢航介紹，這種火箭發(fā)射倒計(jì)時(shí)方式是科學(xué)家跟導(dǎo)演學(xué)來(lái)的。

1926年3月16日，世界上第一枚液體火箭在美國(guó)馬薩諸塞州發(fā)射成功，激起人們對(duì)航天技術(shù)的興趣。翌年，航天科技的愛(ài)好者們會(huì)聚德國(guó)，成立了“太空航行協(xié)會(huì)”。34年后，世界上第一艘宇宙飛船“東方一號(hào)”由蘇聯(lián)發(fā)射成功。為滿足人們當(dāng)時(shí)對(duì)航天飛行的強(qiáng)烈向往，德國(guó)的烏發(fā)電影公司拍攝了描寫太空旅行的科幻片—《月球少女》。該片導(dǎo)演弗里茲·朗格在火箭發(fā)射的鏡頭中設(shè)了“10……3、2、1，發(fā)射！”的倒數(shù)發(fā)射方式。這一方式引起火箭專家們的興趣，他們認(rèn)為該程序十分科學(xué)。它簡(jiǎn)單明了，清楚準(zhǔn)確，突出地表現(xiàn)了火箭發(fā)射的準(zhǔn)備時(shí)間逐漸減少，使人們思想集中，產(chǎn)生準(zhǔn)備時(shí)間即將完畢、發(fā)射就要開(kāi)始的緊迫感。此后，這種倒數(shù)計(jì)時(shí)發(fā)射方式被國(guó)際上普遍采用了，一直沿用至今。

其實(shí)，火箭發(fā)射除了最后的10秒倒計(jì)時(shí)外，還有發(fā)射前2小時(shí)、1小時(shí)、30分鐘、20分鐘等射前準(zhǔn)備口令。它們?cè)诨鸺l(fā)射前的準(zhǔn)備階段發(fā)揮十分重要的作用，提醒、協(xié)調(diào)火箭各個(gè)系統(tǒng)，最后確認(rèn)所有準(zhǔn)備工作是否無(wú)誤，各個(gè)系統(tǒng)的工作是否正常。在這期間，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，可以及時(shí)排除隱患，甚至可能終止發(fā)射。

據(jù)錢航介紹，1970年4月24日18點(diǎn)30分左右，距離長(zhǎng)征一號(hào)火箭發(fā)射只有2個(gè)多小時(shí)，科研人員突然發(fā)現(xiàn)一個(gè)彈簧墊圈從火箭上掉下來(lái)。經(jīng)過(guò)再三耐心細(xì)致地檢查后，發(fā)現(xiàn)彈簧墊圈只是一個(gè)多余物，不會(huì)對(duì)火箭發(fā)射造成影響，為火箭成功發(fā)射排除了隱患。在火箭射前準(zhǔn)備期間，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的事例，國(guó)外也屢見(jiàn)不鮮。據(jù)日本共同社和《朝日新聞》2013年8月27日?qǐng)?bào)道，日本新型固體燃料火箭Epsilon原定于27日下午1時(shí)45分發(fā)射升空。但是在發(fā)射進(jìn)入倒計(jì)時(shí)后，日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）突然宣布終止發(fā)射。2015年1月6日，SpaceX原定晚間發(fā)射的獵鷹9號(hào)火箭由于技術(shù)原因取消?；鸺l(fā)射倒計(jì)時(shí)原本已經(jīng)開(kāi)始，發(fā)射塔架也被打開(kāi)，但是最終在倒計(jì)時(shí)1分鐘左右被叫停。

Q：看火箭發(fā)射錄像，倒計(jì)時(shí)后有時(shí)候火箭起飛往往延遲了一小會(huì)兒，這是怎么回事呢？

A：好細(xì)心的觀察！國(guó)內(nèi)的火箭發(fā)射是點(diǎn)火倒計(jì)時(shí)，比如新一代運(yùn)載火箭點(diǎn)火后，會(huì)有一個(gè)幾秒的間隙，在這期間火箭要經(jīng)歷排氫、預(yù)冷等過(guò)程。而國(guó)外的火箭發(fā)射是起飛倒計(jì)時(shí)，火箭可能在倒計(jì)時(shí)數(shù)到“3”時(shí)，就已經(jīng)點(diǎn)火了，所以你會(huì)看到，發(fā)射倒計(jì)時(shí)口令剛落，火箭已經(jīng)飛出去了。

Q：火箭發(fā)射點(diǎn)火時(shí)，為何有的冒“紅煙”，有的冒“白煙”？

A：發(fā)射時(shí)，有的火箭尾部噴吐著紅色火焰升空，有的是白色火焰，還有的會(huì)冒橙褐色的火焰，火箭發(fā)射點(diǎn)火時(shí)尾部顏色竟然如此不同。其實(shí)，除了長(zhǎng)征五號(hào)、長(zhǎng)征七號(hào)、長(zhǎng)征十一號(hào)火箭外，其他的火箭點(diǎn)火發(fā)射時(shí)，尾部都是冒“紅煙”。產(chǎn)生紅色火焰是因?yàn)榛鸺娜剂鲜撬难趸?、偏二甲肼。發(fā)射時(shí)，低溫的四氧化二氮在常溫下具有強(qiáng)氧化性，分解成紅棕色的二氧化氮?dú)怏w。伴隨著火箭起飛，這就是大家看到的紅煙。

而我國(guó)發(fā)射的新一代運(yùn)載火箭長(zhǎng)征五號(hào)、長(zhǎng)征七號(hào)點(diǎn)火起飛時(shí)，會(huì)看到大量的白色氣體，尾部噴吐的就是白色火焰。這里的“白煙”主要由兩部分構(gòu)成，大部分是水蒸氣，還有一小部分是燃料燃燒后產(chǎn)生的。新一代運(yùn)載火箭是采用無(wú)毒無(wú)污染的液氫、液氧、煤油作為燃料，液體和氣體狀態(tài)的氧都是無(wú)色的，燃料的燃燒會(huì)帶來(lái)少量“白煙”，所以火箭發(fā)射升空時(shí)，會(huì)看到“白煙”。

那么，火箭發(fā)射哪里來(lái)的水蒸氣呢？=新一代運(yùn)載火箭的發(fā)射塔上，設(shè)有一個(gè)能容納600噸水的水箱，在火箭發(fā)射時(shí)，水箱中的水通過(guò)“大流量噴水降溫降噪系統(tǒng)”技術(shù)，在火箭飛到5米高以后向箭體尾部火焰中心噴水，噴水量達(dá)400噸，這些水會(huì)在瞬間被氣化。不僅如此，新一代運(yùn)載火箭在塔架上等待起飛和飛行時(shí)，火箭側(cè)壁也會(huì)冒出“白煙”。這是因?yàn)榛鸺褂玫氖抢洳氐囊簹湟貉醯蜏厝剂?，液氫溫度為零?53攝氏度，液氧為零下183攝氏度。這些燃料使得火箭內(nèi)部是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于冰點(diǎn)的超低溫，在與外界空氣接觸時(shí)，就好像夏天在屋里放了一塊冰。雖然火箭外殼有真空隔絕層進(jìn)行保溫，但還是會(huì)看到少量“白煙”。

火箭點(diǎn)火發(fā)射時(shí)，除了會(huì)冒“紅煙”和冒“白煙”外，還會(huì)冒“橙褐色的煙”。具有操作簡(jiǎn)單、發(fā)射速度快等優(yōu)點(diǎn)的固體運(yùn)載火箭長(zhǎng)征十一號(hào)，使用的是固體推進(jìn)劑，其中含有碳或碳?xì)浠衔?，所以在點(diǎn)火發(fā)射時(shí)，火箭尾部噴涂著“橙褐色的火焰”。

Q：火箭升空過(guò)程中產(chǎn)生的熱量足以融化金屬，那它的外殼一般是什么材料，又有多厚呢？

A：我們?nèi)缃窨吹降幕鸺话闵砀邤?shù)十米，體重有幾十到幾百噸，許多人會(huì)覺(jué)得，它額度外殼一定特別厚重，才能支撐起這樣的龐然大物。其實(shí)，火箭的外殼是很薄的，最薄處甚至和雞蛋殼差不多。

火箭的重量每減輕1公斤，就可能使它的有效載荷增加1公斤。對(duì)于衛(wèi)星、飛船來(lái)說(shuō)，能多1公斤，就可能增加一項(xiàng)重要的功能，就可能為衛(wèi)星或航天員提供多一份保障。航天科技人員通常形容火箭是“薄皮大餡”，主要的重量都在火箭肚子里的燃料上?？扇剂隙际恰八乐亓俊?，不能隨意增減，所以，火箭設(shè)計(jì)師們就把心思放在了火箭的外殼上，把火箭的外殼變薄，目的就是為了給火箭減重。

要想把火箭外殼做得薄，材料是非常重要的。目前，常用火箭外殼的主要材料為鋁合金，這種材料強(qiáng)度高、耐腐蝕、重量輕、成本低、綜合性能最好，是做外殼的最佳選擇?；鸺耐鈿び啥鄠€(gè)部分組成，包括蒙皮、桁條和框環(huán)。框環(huán)和桁條組成一個(gè)圓柱形的框架，通過(guò)鉚接與蒙皮組合到一起。蒙皮主要是起到維持形狀、安裝儀器電纜等作用;而桁條則是起到縱向主支撐力的作用。桁條、框環(huán)和蒙皮之間的關(guān)系就像是燈籠里的竹條和外面的紗罩。我們通常所見(jiàn)到的火箭“外殼”，其實(shí)只是它的“蒙皮”。

火箭蒙皮很薄、很軟，但根據(jù)受力分析進(jìn)行科學(xué)計(jì)算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，用鉚釘把蒙皮和框架進(jìn)行固定，每一殼段有上千個(gè)鉚釘，這就保證了整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。在發(fā)射過(guò)程中，無(wú)論受到哪個(gè)方向的外力，都不會(huì)影響火箭的飛行。當(dāng)然，如果蒙皮過(guò)薄，靠不斷加密內(nèi)部框架來(lái)保證堅(jiān)固性的話，反而會(huì)使殼體重量加重，達(dá)不到預(yù)想的效果。因此，設(shè)計(jì)師要計(jì)算出蒙皮和框環(huán)、桁條的最佳配比，既保證用最少的材料，又能保證箭體堅(jiān)固、可靠。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，設(shè)計(jì)人員計(jì)算得也越來(lái)越精確，火箭結(jié)構(gòu)也越來(lái)越優(yōu)化，蒙皮的厚度也隨之變得越來(lái)越薄。以長(zhǎng)征二號(hào)丙運(yùn)載火箭為例，火箭衛(wèi)星支架的蒙皮面板厚度只有0.8毫米;長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭的蒙皮最薄處厚度僅僅只有0.3毫米。

Q：太空探險(xiǎn)中，是否也有和電視上那樣的動(dòng)物參加呢？

A：自1961年蘇聯(lián)航天員加加林進(jìn)行太空行走以來(lái)，全世界有超過(guò)500名人類航天員曾經(jīng)“上過(guò)天”。不過(guò)，還有一類“航天員”，它們的數(shù)量要更加龐大。例如1998年美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)第25次飛行，除了7名人類航天員，還有超過(guò)2000名特殊的宇航員同行—1500多只蟋蟀、223條箭魚(yú)、170只實(shí)驗(yàn)鼠和135只蝸牛。細(xì)數(shù)航天技術(shù)發(fā)展的歷史，可以發(fā)現(xiàn)人類能走出地球，與動(dòng)物航天員們的鋪墊和犧牲是分不開(kāi)的。幾十年來(lái)，一批批動(dòng)物被送上太空，要么代替人類進(jìn)行危險(xiǎn)的旅程，要么被當(dāng)成實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

美國(guó)是最早開(kāi)始太空動(dòng)物試驗(yàn)的國(guó)家。1946年至1947年，美國(guó)在白沙試驗(yàn)場(chǎng)先后發(fā)射了8枚火箭帶著植物種子、細(xì)菌芽孢和果蠅等生物上天，借以研究輻射對(duì)它們的影響，這應(yīng)該是最初的太空宇航員實(shí)驗(yàn)。不過(guò)這里需要提一句，早期火箭發(fā)射的高度還都比較低，大部分的動(dòng)物都還算不上“動(dòng)物航天員”。外太空的起點(diǎn)通常被認(rèn)為是距離地面100千米高的空中，被稱為“卡門線”。只有飛到卡門線高度以上，才認(rèn)為是真正進(jìn)入外太空。

1947年美國(guó)用V-2火箭送一只果蠅到109千米高空。1948年美國(guó)將一只編號(hào)為阿爾伯特一號(hào)的猴子送到62千米高空，但不幸的是，它在降落時(shí)摔死了。而且，它所乘坐的火箭沒(méi)有飛到卡門線高度。真正意義上的第一只太空猴是它之后的阿爾伯特二號(hào)，1949年它乘坐的火箭飛到了134千米高。阿爾伯特二號(hào)同樣因?yàn)榻德涫∷廊ァ?951年，美國(guó)送到天上的11只小鼠生還，但同行的猴子降落后2小時(shí)依然死亡;直到1952年，才實(shí)現(xiàn)2只猴子上天之后的成功回收。

美國(guó)人執(zhí)著于猴子，是因?yàn)楹镒拥纳斫Y(jié)構(gòu)與人類相似，它們往往是接受麻醉后上天的。而蘇聯(lián)的航天計(jì)劃從一開(kāi)始就鐘情于狗，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為狗能更長(zhǎng)時(shí)間忍耐惡劣的發(fā)射環(huán)境。1949年到1958年，蘇聯(lián)曾把42只狗發(fā)射升空。1957年11月3日，第一個(gè)到達(dá)地球軌道、真正的動(dòng)物宇航員誕生了—蘇聯(lián)發(fā)射了人造地球衛(wèi)星2號(hào)圍繞地球飛行，衛(wèi)星近地點(diǎn)約211千米高，遠(yuǎn)地點(diǎn)約1659千米高。衛(wèi)星上搭乘了一只名叫萊伊卡的小狗。它是第一只到達(dá)地球軌道高度的動(dòng)物，可惜由于缺乏空氣和水僅存活了2天。

第一只進(jìn)入外太空的黑猩猩則叫作哈姆。1961年1月，哈姆作為宇宙飛船“水星號(hào)”的唯一乘客進(jìn)入253千米高的外太空，成為第一個(gè)到達(dá)外太空的類人動(dòng)物。它的任務(wù)相當(dāng)重大—當(dāng)看到儀表盤閃現(xiàn)藍(lán)光時(shí)，扳動(dòng)拉桿引導(dǎo)降落。在地面上是通過(guò)香蕉和電擊來(lái)訓(xùn)練哈姆學(xué)習(xí)這項(xiàng)操作的。哈姆成功完成了任務(wù)，太空艙墜入大西洋，營(yíng)救人員打撈起太空艙，給出艙的哈姆一個(gè)蘋果和半個(gè)橘子作為獎(jiǎng)勵(lì)。哈姆在這次太空之旅中毫發(fā)未損，后被送到美國(guó)華盛頓國(guó)家動(dòng)物園生活了17年，最終在北卡羅來(lái)納州動(dòng)物園去世，享年25歲。

進(jìn)入太空的喵星人則來(lái)自法國(guó)。1963年法國(guó)發(fā)射Veronique AG1火箭將一只來(lái)自巴黎的、名為Félicette的黑白色母貓送到了156千米的太空中。這是一次非軌道飛行，持續(xù)約15分鐘。它是世界上第一只也是唯一一只進(jìn)入過(guò)太空的貓。最終它成功生還。

最近幾十年，人類的太空工程中進(jìn)行了越來(lái)越多的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，比如摘除實(shí)驗(yàn)鼠大腦觀察大腦在失重下的變化、解剖懷孕母鼠觀察胎兒發(fā)育、觀察幼鼠學(xué)會(huì)在失重條件下爬行等。其中也讓我們驚訝發(fā)現(xiàn)了水熊蟲(chóng)竟然可以在太空環(huán)境和太陽(yáng)輻射暴露下存活（實(shí)驗(yàn)樣本被放回水中只有10%存活了下來(lái)，并且所有的幼蟲(chóng)都沒(méi)有孵化出來(lái)）。前邊說(shuō)到的“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)，其貨艙中放置了一個(gè)神經(jīng)實(shí)驗(yàn)室用于生物實(shí)驗(yàn)。如較著名的第25次飛行，7名航天員進(jìn)行26項(xiàng)（11項(xiàng)以人類航天員為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，15項(xiàng)以動(dòng)物為研究對(duì)象）以研究大腦和神經(jīng)系統(tǒng)為主的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，旨在發(fā)現(xiàn)地球上特有的疾病，如失眠、血壓異常及暈車船癥等常見(jiàn)病的新療法。哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)在2003年最后一次飛行時(shí)，還攜帶了蠶、蜘蛛、蜜蜂、螞蟻和魚(yú)等動(dòng)物，最后遺憾失事，其殘骸中依然發(fā)現(xiàn)了活著的線蟲(chóng)。

我國(guó)第一批動(dòng)物航天員是8只白鼠（4只小白鼠，4只大白鼠），它們?cè)?964年7月19日搭乘中國(guó)第一枚生物探空火箭“T-7A/S1”在安徽廣德發(fā)射升空。除了這8只白鼠外，火箭上還載有12支生物試管，里面裝著果蠅等生物。送這第一批動(dòng)物宇航員送入太空，主要是為了研究超重失重、高空彈射、宇宙輻射對(duì)生物的影響，為以后載人航天提供重要依據(jù)。我國(guó)第二批動(dòng)物宇航員是兩只可愛(ài)的小狗“小豹”和“珊珊”，1966年7月搭乘探空火箭“T-7A/S2”升空。小豹和珊珊都是雌性小狗，前者當(dāng)時(shí)只有兩歲。這次實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為是最有意義的一次太空生物實(shí)驗(yàn)，小豹和珊珊的貢獻(xiàn)拍制成紀(jì)錄片《向宇宙進(jìn)軍：中國(guó)航天夢(mèng)想之小狗飛天》。而且，小豹和珊珊最終安全返回地面了。

最近幾年中國(guó)有名的動(dòng)物宇航員，則是搭乘“神州十一號(hào)”上天的蠶寶寶們。“太空養(yǎng)蠶”這個(gè)科學(xué)設(shè)想是由香港一群中學(xué)生提出來(lái)的，為了試驗(yàn)順利進(jìn)行，科學(xué)家用尖端科技保證蠶寶寶在太空的“衣食住行”。這些蠶寶寶們回到地球后，已經(jīng)化蛹為蛾，順利“結(jié)婚生子”，產(chǎn)下蠶卵。

動(dòng)物航天員們?cè)诤教焓飞嫌兄廨x的過(guò)去，將來(lái)也會(huì)長(zhǎng)期服務(wù)于人類航天事業(yè)。上天大概不是它們的本愿也不是它們的幸福，但讓我們尊重和緬懷它們。

Q：為啥國(guó)外叫“宇航員”，中國(guó)叫“航天員”？

A：其實(shí)，不論是“航天員”還是“宇航員”，都指經(jīng)過(guò)訓(xùn)練能駕駛航天器或在航天飛行中從事科學(xué)研究的人。那為什么會(huì)出現(xiàn)不同的叫法呢？這就要從冷戰(zhàn)期間說(shuō)起，美國(guó)和蘇聯(lián)針?shù)h相對(duì)，在航天領(lǐng)域更是如此，以至于對(duì)宇航員的稱呼都是不同的。加加林成功進(jìn)入太空后，蘇聯(lián)率先將宇航員的英文名稱定為“Cosmonaut”（Cosmic意為宇宙的）直到今天這個(gè)詞依然特指俄國(guó)宇航員。1962年8月24日發(fā)行的《時(shí)代》雜志，封面人物為俄國(guó)宇航員尼克諾耶夫和波波維奇，當(dāng)時(shí)的報(bào)道中就使用了“Cosmonaut ”一詞。

美國(guó)官方卻拒絕使用這個(gè)稱謂，反而新造了個(gè)名詞“Astronaut”（Astro在希臘語(yǔ)中意為“宇宙、天梯”），與cosmonaut并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。但兩國(guó)都固守自己的名詞體系，對(duì)別國(guó)航天員使用音譯的譯法來(lái)指代，以示區(qū)別。

而中國(guó)“航天員”的稱呼來(lái)自錢學(xué)森對(duì)航空航天的范圍定義，“航空”定義為大氣層內(nèi)，“航天”為大氣層外到太陽(yáng)系內(nèi)，“宇航”則是指太陽(yáng)系外。據(jù)說(shuō)，“航天”一詞是由錢學(xué)森首創(chuàng)，是從航海、航空“推理”而成的。因此，我國(guó)為了更精準(zhǔn)地描述航天活動(dòng)，所以稱駕駛航天器或在航天飛行中從事科學(xué)研究的人員為“航天員”。

Q：從小我們就知道錢學(xué)森爺爺是中國(guó)的航天火箭之父，那世界的航天火箭之父是誰(shuí)呢？

A：康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基（KonstantinTsiolkovsk，i 1857年9月17日～1935年9月19日），現(xiàn)代宇宙航行學(xué)的奠基人，被稱為航天之父。他最先論證了利用火箭進(jìn)行星際交通、制造人造地球衛(wèi)星和近地軌道站的可能性，指出發(fā)展宇航和制造火箭的合理途徑，找到了火箭和液體發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的一系列重要工程技術(shù)解決方案。他有一句名言：“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠(yuǎn)被束縛在搖籃里?！?/p>

童年時(shí)罹患猩紅熱，使齊奧爾科夫斯基幾乎完全失聰并因此失去了上大學(xué)的機(jī)會(huì)，但智慧超群、具有創(chuàng)新思維的他通過(guò)自學(xué)，提出了在當(dāng)時(shí)甚至超乎科幻小說(shuō)的想法。他撰寫了超過(guò)400件作品，包括大約90篇關(guān)于太空旅行和相關(guān)科目的出版物。 他的作品涉及火箭的設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向推進(jìn)器、多級(jí)增壓器、空間站、用于將太空船引入空間真空的氣閘，以及為空間殖民地提供食物和氧氣的閉合循環(huán)生物系統(tǒng)。出版于1903年的齊奧爾科夫斯基的航天器設(shè)計(jì)的外觀，是現(xiàn)代宇宙飛船設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 設(shè)計(jì)有一個(gè)船體，分為3個(gè)主要部分。飛行員和副駕駛在第一部分，第二部分和第三部分擁有燃料航天器所需的液氧和液氫。

這里簡(jiǎn)單列舉一下這位科學(xué)家預(yù)言太空時(shí)代來(lái)臨的五個(gè)最有意思的想法，其中部分如今已成為現(xiàn)實(shí)，其他設(shè)想則仍有待實(shí)現(xiàn)。希望他的一些想法，也能對(duì)我們年輕的下一代有所觸動(dòng)，以科學(xué)為翅膀，放飛關(guān)于未來(lái)的幻想。

1.折疊式飛行器和鳥(niǎo)狀飛機(jī)

齊奧爾科夫斯基最早的發(fā)明設(shè)計(jì)之一是特殊結(jié)構(gòu)的飛艇，該發(fā)明的獨(dú)特之處在于飛行器外殼的制造材料，即用金屬材料取代涂膠的布質(zhì)材料，可以避免危險(xiǎn)的化學(xué)反應(yīng)，還能根據(jù)其構(gòu)造改變飛行器的形狀。通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)，齊奧爾科夫斯基得出結(jié)論：只有金屬材料制造的飛行器才能不僅滿足舒適性和安全性的要求，而且更節(jié)省成本。齊奧爾科夫斯基不斷在此方向進(jìn)行探索并發(fā)明出了早于飛機(jī)出現(xiàn)幾十年的設(shè)計(jì)——帶有厚厚的弧形機(jī)翼的全金屬單翼飛機(jī)，他稱之為“鳥(niǎo)狀（航空）飛行器”。

2.反作用飛行

在1883年以日記形式創(chuàng)作的作品《自由空間》中，齊奧爾科夫斯基化身為一名置身于不受阻力和吸引力限制的空間講解員。正是這部作品中首次提出了宇宙空間中反作用力是移動(dòng)的唯一方法的理論。其隨后的作品《利用反作用儀器進(jìn)行太空探索》用最簡(jiǎn)單的力學(xué)定律對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行了論證。也是在這篇作品中，齊奧爾科夫斯基證實(shí)了火箭具有完成太空飛行的能力。

3“. 火箭列車”

齊奧爾科夫斯基將“火箭列車”這一術(shù)語(yǔ)賦予了多級(jí)火箭的原型，即在地面啟動(dòng)后飛入空中并進(jìn)入宇宙太空的火箭組合。每級(jí)火箭燃料用完后將自動(dòng)脫落并墜入地球。根據(jù)其計(jì)算，每級(jí)火箭的長(zhǎng)度應(yīng)為30米，直徑則為3米。按照齊奧爾科夫斯基的設(shè)想，建立此類“列車”不僅可以更快地實(shí)現(xiàn)人類進(jìn)入太空的夢(mèng)想，而且還能打開(kāi)星際間交通的時(shí)代。

4.太空“電梯”

對(duì)齊奧爾科夫斯基而言火箭并非離開(kāi)地球的唯一方式。這位科學(xué)家首次提出使用法，提出人造重力旋轉(zhuǎn)裝置的規(guī)劃。根據(jù)該設(shè)想，裝置中將能容納工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，甚至能開(kāi)發(fā)出整座移民城市。目前，該設(shè)想在“環(huán)形太空移民計(jì)劃”（俗稱“環(huán)形城市”）中得以體現(xiàn)，斯坦福大學(xué)的科學(xué)家正在開(kāi)發(fā)該計(jì)劃。

Q：科技館里看到我國(guó)長(zhǎng)征系列火箭的模型全家福，發(fā)現(xiàn)多數(shù)火箭都是圓頭的，而少數(shù)火箭的頂部卻是見(jiàn)見(jiàn)的，像是一根“避雷針”，這是為什么呢？

A：那個(gè)“獨(dú)樹(shù)一幟”的尖頭火箭應(yīng)該是執(zhí)行載人發(fā)射任務(wù)的長(zhǎng)征二號(hào)F火箭，大家看到的像“避雷針”一樣的裝置其實(shí)是逃逸塔，這是載人火箭的獨(dú)有設(shè)計(jì)。逃逸塔在長(zhǎng)二F火箭頂部，高約8米。它的作用是在火箭沖出大氣層時(shí)，一旦出現(xiàn)意外，幫助宇航員脫離險(xiǎn)境，保證他們的生命安全。逃逸塔也不是越長(zhǎng)越好，逃逸塔的尺寸是通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)反復(fù)調(diào)整確定的。在設(shè)計(jì)逃逸塔時(shí)，主要考慮結(jié)構(gòu)重量問(wèn)題，在滿足逃逸功能所需足夠強(qiáng)度和氣動(dòng)外形的基礎(chǔ)上，逃逸塔整體重量會(huì)盡可能地進(jìn)行控制。

大家看到的火箭“圓頭”，其實(shí)是火箭的整流罩，但并不是所有火箭的整流罩形狀都完全相同。比如長(zhǎng)二丙、長(zhǎng)三甲系列火箭是圓錐結(jié)構(gòu)整流罩，新一代運(yùn)載火箭和執(zhí)行非載人任務(wù)的長(zhǎng)二F/T系列火箭則是馮·卡門曲線整流罩。馮·卡門曲線是一個(gè)流體動(dòng)力學(xué)概念，由美國(guó)著名工程力學(xué)大師、航天技術(shù)理論的開(kāi)拓者馮·卡門發(fā)現(xiàn)并創(chuàng)立，具有減小空氣阻力和載荷影響的作用。我國(guó)航天之父錢學(xué)森就是馮·卡門的得意門生。

馮·卡門曲線整流罩外表如水滴狀，流線型好，能夠減少空氣阻力和發(fā)射過(guò)程中的脈動(dòng)壓力，同時(shí)減輕了對(duì)箭體結(jié)構(gòu)的壓力影響，更好地保護(hù)整流罩的有效載荷。圓錐結(jié)構(gòu)整流罩雖沒(méi)有馮·卡門曲線整流罩的保護(hù)效果好，但是它簡(jiǎn)單可靠。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐證明，圓錐結(jié)構(gòu)整流罩完全能夠勝任發(fā)射任務(wù)的要求。因此，在多型現(xiàn)役火箭中，圓錐結(jié)構(gòu)整流罩仍然延續(xù)使用。

Q：為什么火箭有的白天發(fā)射，有的晚上發(fā)射？

A：火箭作為運(yùn)載工具，選擇白天還是晚上發(fā)射，沒(méi)有特殊要求。除非遇到臺(tái)風(fēng)、雷電等惡劣天氣，長(zhǎng)征系列火箭都可以做到全天候發(fā)射。火箭發(fā)射時(shí)間其實(shí)不是一個(gè)確定的時(shí)間點(diǎn)，而是一個(gè)時(shí)間范圍，被形象地稱為“發(fā)射窗口”。真正對(duì)發(fā)射時(shí)間有要求的是火箭的“乘客”—有效載荷的類型，比如衛(wèi)星、飛船等，以及航天發(fā)射的其他系統(tǒng)，比如測(cè)控系統(tǒng)、發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)等。

有效載荷的任務(wù)一般可以分為三類。一是執(zhí)行近地軌道任務(wù)的衛(wèi)星，比如飛船、空間站等，對(duì)發(fā)射窗口要求不嚴(yán)格，但是發(fā)射載人飛船一般要在白天，發(fā)射中一旦出現(xiàn)故障便于搜救。二是執(zhí)行地球同步轉(zhuǎn)移軌道任務(wù)的衛(wèi)星，比如通訊、對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星等，這類衛(wèi)星一般對(duì)發(fā)射窗口要求也不嚴(yán)格。但是有些高軌衛(wèi)星在進(jìn)入工作軌道前，還需要完成一段很長(zhǎng)時(shí)間的滑行。這就可能發(fā)生地面發(fā)射衛(wèi)星時(shí)是白天，但衛(wèi)星入軌的位置卻處在地球陰影區(qū)里的情況。這樣的話，衛(wèi)星太陽(yáng)帆板就可能不能及時(shí)充電。所以，很多衛(wèi)星的發(fā)射時(shí)間是根據(jù)入軌時(shí)的位置和時(shí)間倒推出來(lái)的，只好在夜間發(fā)射。

三是執(zhí)行探空測(cè)試任務(wù)的衛(wèi)星，比如“嫦娥一號(hào)”等探月衛(wèi)星，對(duì)發(fā)射窗口要求較嚴(yán)。這類衛(wèi)星的發(fā)射窗口可能每月就幾天。而有行星、小行星和彗星等地外天體交會(huì)需求的探測(cè)器則為年窗口，那就是一年甚至幾年才能遇到一次了。如美國(guó)“旅行者”號(hào)探測(cè)器發(fā)射窗口數(shù)十年，甚至百年一遇。這樣就對(duì)發(fā)射時(shí)間要求很嚴(yán)格，很多都要求 “零窗口”發(fā)射，即火箭點(diǎn)火起飛的實(shí)際時(shí)間與預(yù)計(jì)時(shí)間偏差不超過(guò)1秒，否則就要等到下一次發(fā)射窗口。

最關(guān)鍵的是，航天活動(dòng)一直講究“斤斤計(jì)較”，力爭(zhēng)用最少的消耗發(fā)射最大的質(zhì)量。無(wú)論是火箭還是衛(wèi)星，它們?cè)陲w行過(guò)程中消耗的燃料都是極其珍貴的。由于地球不停地自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，要想讓衛(wèi)星準(zhǔn)時(shí)到達(dá)特定的位置，從火箭發(fā)射到衛(wèi)星入軌、變軌等每一個(gè)環(huán)節(jié)必須掐準(zhǔn)時(shí)間，這樣才能讓這個(gè)過(guò)程中的消耗最少。這樣一來(lái)，可供選擇的時(shí)間就并沒(méi)有那么多了。除此之外，火箭發(fā)射是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，發(fā)射窗口的確定還要考慮其他因素，比如何時(shí)發(fā)射更加方便地面觀測(cè)，發(fā)射場(chǎng)的氣象條件，地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的影響等。綜合平衡后，科研人員選擇一個(gè)最合適的發(fā)射窗口。

Q：能不能舉例詳細(xì)講講不同衛(wèi)星的發(fā)射時(shí)間是怎么計(jì)算的嗎？

A：如果再詳細(xì)一點(diǎn)展開(kāi)來(lái)講，火箭發(fā)射窗口設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的科學(xué)問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)，有效載荷的軌道總可以用半長(zhǎng)軸、偏心率、軌道傾角、升交點(diǎn)赤經(jīng)、近地點(diǎn)幅角、真近點(diǎn)角和星箭分離時(shí)刻來(lái)確定或描述，其中發(fā)射窗口對(duì)于升交點(diǎn)赤經(jīng)、星箭分離時(shí)刻兩個(gè)因素影響最大，是設(shè)計(jì)師調(diào)整軌道面空間指向的重要手段。無(wú)論選擇什么樣的窗口，讓衛(wèi)星等有效載荷準(zhǔn)確入軌，完成它承擔(dān)的任務(wù)一直是火箭最大的目標(biāo)。因此，有效載荷的不同，決定了火箭發(fā)射時(shí)間。

比如對(duì)于一些衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，它會(huì)要求入軌點(diǎn)的位置有太陽(yáng)光照，可是，由于地球自轉(zhuǎn)和火箭發(fā)射角度等因素，從火箭起飛到衛(wèi)星入軌的這段時(shí)間，火箭飛行并不是直上直下的，發(fā)射場(chǎng)所在的位置和衛(wèi)星最終入軌的相對(duì)位置是有很大偏差的。有些高軌道衛(wèi)星還需要完成一段很長(zhǎng)時(shí)間的滑行才能最終入軌。這就造成地面發(fā)射衛(wèi)星時(shí)是白天，但是衛(wèi)星入軌的位置卻處在地球的陰影區(qū)里。所以，很多衛(wèi)星的發(fā)射時(shí)間是根據(jù)入軌時(shí)的位置和時(shí)間倒推回來(lái)的，只好在夜間發(fā)射。

而資源衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星等，由于它們的任務(wù)主要是對(duì)地觀測(cè)，因此要求地面上的目標(biāo)區(qū)域在它“路過(guò)”上空時(shí)有較好的光照條件和共視條件，這樣它們才能“看到”。所以，這些衛(wèi)星的發(fā)射窗口也是根據(jù)衛(wèi)星“路過(guò)”目標(biāo)區(qū)域的時(shí)間倒推出來(lái)的，這樣能保證衛(wèi)星對(duì)目標(biāo)區(qū)域?qū)嵤┯行Ц采w。

而在向月球、行星和其他星體發(fā)射探測(cè)器時(shí)，必須在地球與被探測(cè)的目標(biāo)天體處在一個(gè)有利的相對(duì)位置時(shí)來(lái)發(fā)射，這樣才能讓探測(cè)器進(jìn)入一條“捷徑”。可是，這樣的窗口隨著被探測(cè)天體的距離的增加而不斷減少。因此，發(fā)射時(shí)間也就被限制了。以火星探測(cè)為例，最有利于探測(cè)的地球-火星相對(duì)位置大約26個(gè)月才會(huì)出現(xiàn)一次。若錯(cuò)過(guò)這個(gè)窗口，探測(cè)所耗費(fèi)的能量會(huì)大大增加，如果所需的能量超出火箭的能力，那么就無(wú)法實(shí)施探測(cè)活動(dòng)了，只能等待下個(gè)窗口到來(lái)。

某些特殊的衛(wèi)星，如地球同步軌道衛(wèi)星和探月衛(wèi)星對(duì)測(cè)控和太陽(yáng)高度角有特殊要求，還必須在發(fā)射方案本身可行性的基礎(chǔ)上充分予以考慮。比如，地球同步軌道衛(wèi)星定點(diǎn)過(guò)程中通常希望地面站能有效跟蹤，顯然不希望衛(wèi)星飛抵遠(yuǎn)地點(diǎn)附近時(shí)，我國(guó)的地面站恰好位于地球背面，無(wú)法對(duì)衛(wèi)星實(shí)施有效的測(cè)控跟蹤。而像探月飛行器則需要在星箭分離后進(jìn)行2～3次中途修正，并在近月點(diǎn)附近實(shí)施變軌，假如相應(yīng)時(shí)刻剛好地面站“看不到”飛行器，那就無(wú)法及時(shí)發(fā)出指令，勢(shì)必出現(xiàn)“差之毫厘，失之千里”的情況。

除此之外，火箭發(fā)射窗口設(shè)計(jì)的思考因素其實(shí)還有很多，比如何時(shí)發(fā)射更加方便地面觀測(cè)、地面測(cè)控乃至飛船的著陸回收，等等。有的時(shí)候，這些條件甚至?xí)嗷ッ埽O(shè)計(jì)人員需要按優(yōu)劣次序排出幾個(gè)發(fā)射窗口，考慮各方面的要求并經(jīng)綜合平衡后，選擇一個(gè)最合適的發(fā)射窗口?，F(xiàn)在，火箭發(fā)射窗口會(huì)由專業(yè)設(shè)計(jì)人員考慮一系列因素最終來(lái)確定，遵循一整套科學(xué)、規(guī)范的流程，完全有實(shí)現(xiàn)億萬(wàn)公里之外“百步穿楊”的充分自信，這就是科學(xué)的魅力。

Q：為什么我們要在不同的地方建好幾個(gè)發(fā)射場(chǎng)？

A：航天發(fā)射場(chǎng)被稱為“進(jìn)入太空的大門”。它們要么坐落在沙漠、大山深處，要么毗鄰廣闊海域……地理位置不同，決定每座發(fā)射場(chǎng)適合發(fā)射的火箭也不相同，因?yàn)閺牟煌?“大門”出發(fā)，通往不同的目的地。目前我國(guó)有四大航天發(fā)射場(chǎng)：酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心、太原衛(wèi)星發(fā)射中心、西昌衛(wèi)星發(fā)射中心和海南文昌衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)，這些航天發(fā)射場(chǎng)各有優(yōu)勢(shì)，形成了沿海和內(nèi)陸相結(jié)合、高低緯度相結(jié)合、射向范圍相結(jié)合的格局?；鸺l(fā)射的軌道要求是選擇發(fā)射場(chǎng)的重要因素，不同的發(fā)射軌道對(duì)應(yīng)不同的發(fā)射場(chǎng)，這種適應(yīng)性是“因地制宜”。

酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心位于約北緯40°，緯度較高，適宜發(fā)射傾角較大的中、低軌道衛(wèi)星。我國(guó)東方紅一號(hào)衛(wèi)星、天宮系列空間實(shí)驗(yàn)室都是從這里成功發(fā)射的。酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心地處戈壁灘，人煙稀少，地勢(shì)開(kāi)闊，安全性好，是天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)理想的回收著陸場(chǎng)所，因此，適宜發(fā)射返回式衛(wèi)星。目前，該發(fā)射場(chǎng)承擔(dān)著我國(guó)載人航天工程和航天員應(yīng)急救生等任務(wù)。我國(guó)已發(fā)射的神舟系列飛船都是從這里成功發(fā)射的，我國(guó)11名航天員也是從這里啟程進(jìn)入太空的。

太原衛(wèi)星發(fā)射中心位于約北緯38°，地處高原地區(qū)，群山環(huán)抱、地勢(shì)高峻、安全性高，具備發(fā)射太陽(yáng)同步衛(wèi)星等中、低軌道衛(wèi)星的條件。該發(fā)射場(chǎng)通常發(fā)射氣象、資源等太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星和部分國(guó)外商業(yè)衛(wèi)星等，以便人們能從太空對(duì)地球及大氣層進(jìn)行氣象觀測(cè)，還可用于勘測(cè)和研究地球自然資源。其中，“風(fēng)云一號(hào)”“風(fēng)云三號(hào)”系列衛(wèi)星、“資源”系列衛(wèi)星等都是從這里成功發(fā)射的。

酒泉、太原發(fā)射場(chǎng)因?yàn)楹０伪容^高，可以為火箭節(jié)省不少燃料，同樣的飛行海拔高度下，在這里發(fā)射的火箭起飛高度就相當(dāng)于在低海拔發(fā)射的火箭飛行了約20秒的高度。而西昌衛(wèi)星發(fā)射中心位于約北緯28.5°，緯度相對(duì)較低，距離赤道較近，通常發(fā)射地球同步軌道衛(wèi)星等，如各類廣播通信衛(wèi)星、北斗導(dǎo)航衛(wèi)星?；鸺龔脑摪l(fā)射場(chǎng)起飛，能讓衛(wèi)星入軌距離較近，并可充分利用地球自轉(zhuǎn)，消耗較少的燃料就能到達(dá)預(yù)定軌道。

海南文昌發(fā)射場(chǎng)位于約北緯19°，緯度低，距離赤道近，通常發(fā)射地球同步軌道衛(wèi)星、大質(zhì)量極軌衛(wèi)星，承擔(dān)空間核心艙段、深空探測(cè)衛(wèi)星等任務(wù)，將極大提高我國(guó)航天發(fā)射的綜合能力。文昌發(fā)射場(chǎng)臨近大海，便利的海運(yùn)，可以解決鐵路運(yùn)輸所滿足不了的大直徑火箭運(yùn)輸難題;毗鄰廣闊海域，方便火箭航區(qū)和殘骸落區(qū)的選擇。從西昌、文昌發(fā)射場(chǎng)發(fā)射的火箭，因?yàn)榘l(fā)射點(diǎn)緯度低，軌道傾角低，與從高緯度發(fā)射低緯度傾角衛(wèi)星的火箭相比，可以節(jié)省很多燃料，提高火箭運(yùn)載效率。

Q：火箭發(fā)射前的檢查工作是怎么樣的呀？能舉例講講嗎？

A：這里講一個(gè)大家可能不太知道的小秘密吧。胃不舒服的人，到醫(yī)院看病，醫(yī)生可能會(huì)讓他做這樣一項(xiàng)檢查—胃鏡。通過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)的內(nèi)窺鏡，醫(yī)生能夠看到病人胃里面的真實(shí)情況，這是最直接、最快捷的檢查方式。有意思的是，每一發(fā)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在總裝過(guò)程中，也需要做“胃鏡”。

發(fā)動(dòng)機(jī)被稱為火箭的“心臟”，承擔(dān)著給火箭提供動(dòng)力的職責(zé)，它要是出了毛病，將直接影響火箭發(fā)射的成敗。20世紀(jì)90年代，一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在試車中突然出現(xiàn)了故障，因動(dòng)力不足，不得不停機(jī)處理?？蒲腥藛T經(jīng)過(guò)仔細(xì)排查后發(fā)現(xiàn)，原來(lái)是發(fā)動(dòng)機(jī)中的微小多余物在“搗鬼”?？墒?，這些多余物都躲在發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜管路里，總不能每次檢查都把發(fā)動(dòng)機(jī)拆開(kāi)吧？于是，負(fù)責(zé)檢驗(yàn)的人員想到了用內(nèi)窺鏡檢查發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部關(guān)鍵地方。

內(nèi)窺鏡的檢查與人做胃鏡檢查十分類似，長(zhǎng)長(zhǎng)的軟管一端連接著攝像頭，另一端連接著目鏡或是顯示屏，操作人員可以清楚看到里面的情況，即使是復(fù)雜、拐彎等地方也不在話下。發(fā)動(dòng)機(jī)總裝時(shí)，需要進(jìn)行導(dǎo)管挫修、打孔，難免會(huì)產(chǎn)生毛刺。為了找到這些毛刺，員工們就會(huì)用內(nèi)窺鏡插進(jìn)導(dǎo)管里查看，即使是呈S形的導(dǎo)管內(nèi)部，也能看得很清楚。給發(fā)動(dòng)機(jī)做“胃鏡”，有效避免了多余物的產(chǎn)生，給火箭發(fā)射的成功又增加一份保障。

Q：為什么火箭發(fā)射時(shí)也要量“體溫”？

A：對(duì)于人來(lái)說(shuō)，體溫是健康的重要指標(biāo)，而對(duì)于火箭來(lái)說(shuō)，“體溫”也十分重要，每次發(fā)射之前火箭也要量“體溫”?；鸺龔陌l(fā)射場(chǎng)“站起來(lái)”開(kāi)始加注燃料起，箭體通電，“體溫”監(jiān)測(cè)就開(kāi)始了。

火箭上有近百臺(tái)儀器，對(duì)環(huán)境溫度有一定的適應(yīng)范圍，從燃料加注起，箭體溫度就開(kāi)始變化。火箭加注時(shí)溫度很低，尤其是新一代運(yùn)載火箭，使用的是低溫氫氧燃料，在發(fā)射場(chǎng)加注以后，火箭就像裝滿了一肚子冰水，“體溫”極低，直接考驗(yàn)儀器設(shè)備在低溫下的工作狀態(tài)?；鸺c(diǎn)火起飛后，因?yàn)樗俣瓤?，大氣的沖刷使得箭體表面升溫，火箭殼體成了個(gè)燙手的“大殼子”，內(nèi)部設(shè)備儀器也跟著升溫。飛行過(guò)程中，火箭各級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的火焰，也會(huì)影響火箭“體溫”，尤其是火箭進(jìn)入太空后，在地面看到的火箭噴出的“火柱”，在這里變成了“火球”，多個(gè)噴管噴出的“火球”不斷變大，然后相互“打架”，讓火箭底部更熱。

如此冰火兩重天，對(duì)火箭里面各種儀器電纜是嚴(yán)酷考驗(yàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，受到隔溫、防熱等保護(hù)的各種儀器電纜，可承受的溫度范圍在零下40攝氏度到零上50攝氏度之間。如果火箭“體溫”超出了這個(gè)范圍，就要采取“艙段吹除”措施，就像吹空調(diào)一樣，給火箭吹風(fēng)，保證儀器設(shè)備工作正常。

對(duì)于火箭這樣的龐然大物來(lái)說(shuō)，量“體溫”可不是小事。長(zhǎng)三甲系列火箭全身有幾十個(gè)測(cè)點(diǎn)，新一代運(yùn)載火箭全身有近百個(gè)測(cè)點(diǎn)，“體溫”要逐點(diǎn)測(cè)量，每一點(diǎn)的溫度，都能夠說(shuō)明火箭相應(yīng)部位的儀器工作狀況?；鸺摹绑w溫計(jì)”也比較高大上，它們是各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的傳感器。有測(cè)量壁面溫度的，也有測(cè)量空氣溫度的。傳感器的外形也不一樣，其中測(cè)量空氣溫度的傳感器看上去像個(gè)鼠籠，也被叫鼠籠傳感器，而測(cè)量壁面溫度的傳感器則要小巧很多。

火箭飛行過(guò)程中，實(shí)時(shí)傳到地面監(jiān)測(cè)設(shè)備上的溫度數(shù)據(jù)，就是研制人員的“定心丸”?；鸺l(fā)射后，研制人員要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，才報(bào)告火箭發(fā)射成功，這個(gè)分析就包括火箭“體溫”的分析，研制人員可以從火箭“體溫”變化、溫度范圍等，掌握發(fā)動(dòng)機(jī)工作、彈道飛行、分離等動(dòng)作是否規(guī)范、正常。此外，溫度數(shù)據(jù)累積得越多，研制人員對(duì)火箭承受環(huán)境的判斷越準(zhǔn)確，這能為后續(xù)設(shè)計(jì)提供借鑒，讓火箭飛得更好。

Q：我們的航天員出征前都有歡送儀式，那國(guó)外呢？

A：中國(guó)航天人經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期不懈的艱苦努力，終于在2003年10月15日用神舟五號(hào)飛船將中國(guó)第一名航天員楊利偉送入太空。大家眼中的出征儀式往往是航天員在每次載人航天任務(wù)之前，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心問(wèn)天閣圓夢(mèng)廣場(chǎng)給航天員舉行的歡送儀式。殊不知，航天員們?cè)诔稣鲀x式前還會(huì)不約而同地做一個(gè)非常有意思的“小動(dòng)作”。

在我國(guó)執(zhí)行神舟五號(hào)飛行任務(wù)前，一共有3名航天員入選并同時(shí)做準(zhǔn)備工作，他們分別是楊利偉、翟志剛和聶海勝。但是直到發(fā)射任務(wù)前一天，這3位航天員都不知道誰(shuí)能成為首位飛向太空的中國(guó)人。直到2003年10月15日凌晨3點(diǎn)，楊利偉才被通知，確定中國(guó)飛天第一人。于是另兩位戰(zhàn)友拿出酒杯在開(kāi)水里加了一滴干紅，和楊利偉一起喝了壯行酒，祝他旗開(kāi)得勝。臨出發(fā)前，楊利偉在自己住的宿舍門上簽名留念。這一舉動(dòng)從此為中國(guó)航天員執(zhí)行任務(wù)前的文化傳統(tǒng)。從那以后，每位中國(guó)航天員出征前都會(huì)在宿舍門上簽名。

類似充滿“儀式感”的操作，在國(guó)外也是有的。俄羅斯航天員在進(jìn)入太空前，會(huì)在送他們到發(fā)射場(chǎng)的巴士輪胎上撒尿，而女航天員會(huì)事先用瓶子裝好自己的尿液，然后灑在巴士輪胎上。這個(gè)出征儀式乍看上去不倫不類，實(shí)際上與第一位上天的航天員加加林有關(guān)。早前，蘇聯(lián)的航天服沒(méi)有設(shè)計(jì)尿液排放系統(tǒng)。因此航天員在穿上航天服后就無(wú)法排尿，必須在進(jìn)入飛船之前排尿。當(dāng)時(shí)的拜科努爾發(fā)射場(chǎng)還非?；臎觯B遮蔽物都沒(méi)有。無(wú)奈之下，加加林只好對(duì)著將他運(yùn)送到發(fā)射臺(tái)的巴士汽車輪胎上進(jìn)行“人工降雨”。

從此以后，這個(gè)無(wú)奈的舉動(dòng)變成了蘇聯(lián)/俄羅斯航天員進(jìn)入太空前必須履行的儀式。女性航天員由于不方便，會(huì)將自己的尿液裝入小瓶中潑在輪胎上。有意思的是，就連搭乘俄羅斯飛船去國(guó)際空間站的其他國(guó)家航天員都會(huì)毫不例外地完成這個(gè)非常奇怪的出征儀式。

美國(guó)是世界上唯一實(shí)現(xiàn)載人登月的國(guó)家。美國(guó)航天員在出征前的儀式比較簡(jiǎn)單，就是吃爆米花。這個(gè)儀式的由來(lái)?yè)?jù)說(shuō)和1966年執(zhí)行的雙子座八號(hào)飛船的飛行任務(wù)有關(guān)。眾所周知，美蘇從20世紀(jì)50年代開(kāi)始進(jìn)行太空競(jìng)賽后，美國(guó)在各個(gè)領(lǐng)域都能感受到來(lái)自蘇聯(lián)的巨大壓力。直到“雙子座八號(hào)”實(shí)現(xiàn)了人類歷史上第一次太空交會(huì)對(duì)接，才在這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中第一次戰(zhàn)勝蘇聯(lián)。而在執(zhí)行此次任務(wù)的過(guò)程中，一位地面人員由于太過(guò)緊張，就打開(kāi)了一個(gè)裝滿爆米花的巨大罐子并吃了起來(lái)。任務(wù)完成后，美國(guó)宇航局的不少人都開(kāi)玩笑地認(rèn)為是爆米花給他們帶來(lái)了好運(yùn)，也就是這個(gè)玩笑，讓他們?cè)谝院蟮拿看伟l(fā)射任務(wù)時(shí)都會(huì)吃上幾顆爆米花。

由于其他國(guó)家不具備獨(dú)立進(jìn)入太空的能力，一般都是搭乘美俄兩國(guó)的航天器進(jìn)入太空，因此在發(fā)射前一般都遵循這兩個(gè)國(guó)家的出征儀式，最多再加上一點(diǎn)非常個(gè)人的儀式。比如，阿富汗航天員莫德曼在發(fā)射前要誦讀一下《古蘭經(jīng)》，以色列航天員伊蘭·拉蒙出發(fā)前會(huì)默念《圣經(jīng)》;比較有意思的是英國(guó)航天員海倫·夏爾曼在出發(fā)前提醒家人，即便他不在地球也別忘了替他交稅……不過(guò)這些航天員所做的“儀式”都是個(gè)人行為，沒(méi)有形成固定的文化形式。