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第3章 人类从天空到太空的征程(3)

中国于20世纪50年代开始研制新型火箭。1970年4月24日,用“长征1”号三级运载火箭成功地发射了第一颗人造地球卫星。1975年11月26日,用更大推力的“长征2”号运载火箭发射了可回收的重型卫星。1980年5月18日,向南太平洋海域成功地发射了新型火箭。1982年10月,潜艇水下发射火箭又获成功。1984年4月8日,用第三级装液氢、液氧火箭发动机的“长征3”号运载火箭成功地发射了地球同步试验通信卫星。1988年9月7日,用“长征4”号运载火箭将气象卫星成功地送入太阳同步轨道。1992年8月14日,新研制的“长征2”号E捆绑式大推力运载火箭又将澳大利亚的“奥赛特B1”卫星送入预定轨道。这些都表明火箭发源地的中国,在现代火箭技术领域已跨入世界先进行列,并稳步进入国际发射服务市场。

在发展现代火箭技术方面,中国的钱学森、德国的冯·布劳恩和前苏联的SP科罗廖夫·齐奥尔科夫斯基等都做出了杰出的贡献。

火箭的分类

火箭可按不同方法分类。按能源不同,分为化学火箭、核火箭、电火箭以及光子火箭等。化学火箭又分为液体推进剂火箭、固体推进剂火箭和固液混合推进剂火箭。按用途不同分为卫星运载火箭、布雷火箭、气象火箭、防雹火箭以及各类军用火箭等。按有无控制分为有控火箭和无控火箭。按级数分为单级火箭和多级火箭。按射程分为近程火箭、中程火箭和远程火箭等。火箭的分类方法虽然很多,但其组成部分及工作原理是基本相同的。

航空与航天的区别

卫星的飞行

航空——是指利用一些我们常见的航空器,如飞机、飞艇等在地球大气层中进行的航行活动。

飞机的飞行

航天——是指我们人类在地球大气层以外的宇宙空间、为了达到一定的目的而进行的航行活动。这么说来,人造卫星的飞行就属于航天了,因为它的飞行环境就是在大气层以外,而且它是在我们人类的控制下来完成各种任务的。

当然,其他的航天器比如载人飞船和空间探测器,它们在太空中的飞行,也都属于航天之列。

航天与航空的主要区别就在于它们的飞行范围不同。航空的飞行范围只能在大气层以内,这是因为为飞机提供动力的发动机需要空气中的氧气,同时还需要借助空气来对飞机的动作进行控制,所以飞机离开了空气,就像鱼离开了水,没有了用武之地。而航天就自由得多了,提供动力的发动机,不依靠空气,而是靠自带燃料工作,所以它可以在大气层内外飞行。

牛顿和宇宙速度

自从航天技术问世以来,它的第一个世人瞩目的成就就是把人造地球卫星发射到太空去。1957年4月,前苏联发射了第一颗人造地球卫星,从此人类开始了进军宇宙的历史,人造地球卫星也成了我们研究太空的得力帮手。

在太空飞行中,人造卫星能够完成各种使命,是神通广大的。但是怎样才能使卫星围绕地球转动而不掉下来呢?又怎么能使卫星飞离地球到达其他星球呢?这一切问题还要从牛顿说起。

牛顿和苹果

说起牛顿就不能不说他和苹果的故事。

牛顿

一天,牛顿正坐在一棵苹果树下面思考问题。当他正入迷地思索之时,脑袋上突然被重重地砸了一下。

牛顿的思维一下被打断了,他感到十分恼火,于是就向周围看去,想知道是谁捣的鬼。可他看了半天,周围哪有人啊。这时他瞥见了离他不远的地上有一个大苹果,于是他马上明白了一切。牛顿上前把苹果拿了起来,突然产生了一个疑问。别小看这个疑问,却导致了一个伟大定律的诞生。

其实这个问题很简单,我们大多数人却都忽略了,那就是,这个苹果为什么砸在我的脑袋上?顺着这个问题思索,最后牛顿终于发现:在任何两个物体之间都存在相互的吸引力,不管是人和动物,还是人和地球之间,这个吸引力都是存在的,而且它的大小还有一个规律。牛顿把它总结了出来,于是就有了万有引力定律。

这个定律说,任何两个物体之间都存在着相互的吸引力。一般来说,物体质量越大,它们之间产生的吸引力就越大,比如地球的质量就非常之大,所以它才能把人牢牢地吸引住;而且物体之间距离越近,它们所产生的吸引力也越大,比如你站在地球上而我站在月球上,那么地球对你的吸引力要比对我的吸引力大得多。

因为万有引力的存在,所以我们向天上扔一个石块,不管你有多大劲,最终它还是要落到地面上,但是我们也有这样的经验,你用的力越大,石块飞得就越高和越远。

三个宇宙速度

进一步设想,如果我们使石块的速度再加大,当大到一定的程度会怎样呢?

这时奇迹就发生了,石块不再落到地面上,而是围绕地球飞行,我们就可以称这个围绕地球飞行的石块为地球卫星。

第一宇宙速度

由此可以得出一个结论:要让一个物体成为人造地球卫星,首先要使它达到一定的速度。那么这个速度要多大呢?

经过科学家的计算,这个速度大约为79千米/秒。这就是说,一个物体被抛向天空时,如果它的速度达到79千米/秒,它就能够围绕地球不停地运转,从而成为地球的卫星。

这个速度是能成为地球卫星的基本条件,通常我们称它为第一宇宙速度,也称为环绕速度。

为什么会产生这种情况呢?

这是因为当一个物体围绕某一点转动时会产生一个力,这个力就叫做离心力。随着速度加快,离心力会越来越大。杂技演员在表演水流星节目时,就是利用了这个原理。

首先,他在一根绳子的两端固定两个碗,而碗里装满了水。我们都知道,在静止的情况下,如果碗口朝下,那么水一定会洒出来,但是当演员把绳子转动起来,达到一定速度的时候,转动的碗会产生一个离心力,绳子在这个离心力的作用下就被拉直了,而碗里的水同样在离心力的作用下紧紧地贴在碗的底部,即使碗口朝下水也不会洒出来。

也就是说,转动的速度给了碗和水一个离心力,使它们企图飞向远方,但是由于绳子有拉力作用在它们上面,所以当这两个力相互平衡的时候,绳子也松不了,水也洒不出来。

卫星围绕地球转动和上面讲的水流星很相似。具有一定速度的卫星就好像是那个碗,想要飞离地球,而地球的引力就好像一根无形的绳子拉住卫星,使它不能逃离地球的吸引。这样一来卫星既不能飞离地球,也不会被地球吸引落到地面,它只能围绕地球不停地转动。

第二宇宙速度

如果卫星的速度再大会怎么样呢?

如果卫星获得的速度再大,当达到112千米/秒时,它就能脱离地球的引力,成为太阳系的一颗行星。

我们称这个速度为第二宇宙速度,或者叫脱离速度。

第三宇宙速度

速度还能再大吗?再大又会怎么样呢?

如果速度再大的话,当达到167千米/秒以上时,卫星就能脱离太阳系的怀抱,飞到其他星系去了,我们称这个速度为第三宇宙速度,或者称为逃逸速度。

这三个宇宙速度很有意思,因此请记住这三个有特殊意义的数字。

牛顿简介

人类并没有把目光局限于天空,在航空成就的基础上,人类开始了航天探索。1957年10月4日晚,世界上第一颗人造地球卫星“斯普特尼克1”号在前苏联的拜科努尔航天发射场发射成功,这标志着人类航天时代的真正到来,人类在飞天的道路上越走越远。

牛顿是英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家,其研究领域包括了物理学、数学、天文学、神学、自然哲学和炼金术。牛顿的主要贡献有发明了微积分,发现了万有引力定律和经典力学,设计并实际制造了第一架反射式望远镜等等,被誉为人类历史上最伟大、最有影响力的科学家。为了纪念牛顿在经典力学方面的杰出成就,“牛顿”后来成为衡量力的大小的物理单位。

第一颗人造卫星升空

1957年10月4日,前苏联发射了第一颗人造地球卫星。这一事件具有划时代的意义,它宣告人类已经进入空间时代。

第二次世界大战结束不久,满目战争疮痍的前苏联,就着手研制洲际弹道导弹和运载火箭。也许是由于战后美苏对峙、冷战浓云密布的原因,当时的前苏联政府对此十分重视。然而要搞导弹和火箭,需要有资金、技术和人才,最困难的是资金。由于前苏联是二战中遭受战争破坏最严重的国家,损失了几乎1/3的国民财富;有1700个城镇和数万个乡村要重建;而且还有数百万人住在战时防空洞内,生活困苦,需要安置,因此资金奇缺。尽管如此,当局还是拨出巨款,一定要搞导弹和火箭。他们采取的第二个有效措施,就是调集全国的资源和技术力量,保证导弹与火箭研制工作的进行,特别是集中一些权威性的专家,进行大威力火箭的研制攻关。由于俄罗斯是齐奥尔科夫斯基的故乡,不乏优秀的火箭人才,研制工作在对外绝对保密的情况下,不断取得重大进展。在各项工作取得进展的同时,加强了组织协调、技术协调的工作。当时前苏联曾正式宣布,在科学院天文委员会的范畴之内成立一个跨部门的星际通信协调委员会,以实现对研究工作的协调和监督。这一点是十分重要的,因为搞导弹、火箭并发射卫星,是一项极复杂的系统工程,全局的技术协调,往往比研制工作更难、更费时。

运载火箭的研制成功,不仅使前苏联能够成功发射洲际导弹,而且使卫星上天成为可能。1953年11月,前苏联人在日内瓦世界和平大会上宣布:“制造人造地球卫星是完全可能的。”这就预示前苏联要研制人造地球卫星以及它的运载工具,但是并未引起人们多大注意。1955年,美国宣布要在1957~1958年发射“尖兵”号地球人造卫星,当时没有人怀疑美国的能力和信心。但是,1956年前苏联的代表在一次国际会议上又提出在“国际地球物理年”期间,将把一颗人造地球卫星送入轨道。当时仍然没人注意这事。一些西方记者认为,这可能是一种心理宣传而已。实际上,前苏联的人造地球卫星研制工作已接近尾声,正准备把洲际导弹改装成运载工具,供发射卫星用。

“斯普特尼克1”号1957年10月4日,前苏联人在拜科努尔发射场用P-7洲际导弹改装的卫星号运载火箭把世界上第一颗人造地球卫星“斯普特尼克1”号送入轨道,开创了人类航天新纪元。

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