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，又劃時代地發(fā)射出人類第一只宇宙火箭。如今這顆紅色的行星正沿著橢圓形的軌道，環(huán)繞著太陽不停地運轉，成為太陽系大家庭中的一個新的成員——第十位小兄弟。他雖然誕生不久，卻已獲得普世的歡呼。他的誕生標志著人類已經走入星空時代。人類乘火箭駕東風，拜訪廣寒宮內的嫦娥仙子和太白金星上的長庚老人的日子已經不遠了。

這樣一只無論在政治上和科學上，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？人是怎樣才能離開地球進入宇宙空間呢？這一連串問題，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日莫斯科時間晚上8點(北京時間1月3日清晨1點)，在蘇聯(lián)遼闊國土的某處，響起雷鳴般的吼聲，強大的火箭發(fā)動機噴出紅色的火焰，巨型多級火箭劃破夜空，開始歷史上第一次宇宙飛行了。各級火箭一個個地燒完燃料然后脫落，整個火箭的速度愈來愈高，當最后一級火箭的燃料燒完時，它已把攜帶的儀器設備加速到比第二宇宙速度——11.2公里/秒還要大。這時火箭的方向正對著出現(xiàn)在東方天空上的半個月牙。

7小時后，宇宙火箭已爬升到離地球10萬公里的高空，再過57分，即莫斯科時間1月3日清晨3時57分，在離地球11萬3千公里處，火箭噴出了鈉蒸氣，形成了彗星。蘇聯(lián)南部的天文觀察臺還拍攝了鈉星云的照片。1月4日5時59分，即在火箭起飛那個歷史時刻之后34小時(不到一天半)，宇宙火箭已飛行了37萬公里，同月亮“擦身”而過。這時離月亮最近的距離約為5、6千公里，大致相當于月球直徑的1倍半。1月5日10時火箭已離開地球59萬7千公里。1月7日宇宙火箭已飛行了1，450萬公里，離地球的直線距離約100萬公里，這時地球對火箭的引力已經很小，幾乎不再存在，起作用的主要是太陽的強大引力。換句話說，從1月7日起，宇宙火箭已經進入自己環(huán)繞太陽的軌道了。到1月12日，宇宙火箭從地球軌道上的出發(fā)點算起已經飛行了三千萬公里，相當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。人造行星軌道的長軸，即最遠兩點的距離約為3億4，360萬公里，與地球長軸相差15度。宇宙火箭已于1月14日進入軌道的近日點(最接近太陽的一點)，這時它離太陽的距離最近，約1億4，640萬公里；飛行速度最大，約為每秒32公里。幾個月后，大約在9月初，人造行星又將進入遠日點，這時它離太陽的距離最遠，約1億9，720萬公里(比地球遠4700萬公里)；它的飛行速度最小，約每秒24公里。在近日點和遠日點之間的平均飛行速度約為每秒27.75公里。人造行星環(huán)繞太陽走一圈的時間，也就是人造行星上一年的時間，比地球上的一年長一些，約為15個地球月，說的更準確一點是450個地球日。既然人造行星的軌道是橢圓形的，自然也有個橢圓度，表示這個橢圓度的偏心率是0.148，比地球軌道的偏心率(0.017)要大一些，也就是說它沒有地球軌道那么圓，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間以后，可能又同到原來發(fā)射的地點。據(jù)估計，在繞太陽飛行125圈(即過了一百五十多年)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有一百萬公里。最近一二十年內，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，不必害怕火箭會碰上地球發(fā)生危險。

怎樣把人造行星送上軌道

蘇聯(lián)的人造行星，作為一個被發(fā)射的物體來說，是個“龐然大物”。單單八種科學測量儀器和形成鈉云的儀器，三臺無線電發(fā)射機，電源，蘇聯(lián)國徽標志以及容器就有361.3公斤。再加上最后一級火箭，總重量共達1，472公斤，幾乎有一噸半。最后一級火箭的燃料還不算在內。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單的事。要做到這一點必須要解決三個科學技術問題，就是：用什么工具來發(fā)射？怎樣準確地控制它進入預定的軌道？發(fā)射時選擇什么樣的時間和方向？

首先我們來看究竟用什么發(fā)射工具？

圖3一種多級火箭的飛行和脫離示意圖

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

按照蘇聯(lián)的偉大科學家喬爾可夫斯基的理論，要想達到第二宇宙速度用單級火箭是不行的，必須用多級火箭，用化學燃料火箭發(fā)射人造地球衛(wèi)星，達到每秒8公里的速度，如果三級火箭就夠了的話，那么要獲得第二宇宙速度，至少要四級。由于蘇聯(lián)火箭技術的先進，用的不會是一般的燃料如酒精、汽油之類，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度高的結構材料，這樣就可把整個多級火箭做的比較輕。雖然如此，但由于有效重量很大，要求的速度又很高，多級火箭的起飛總重量可能仍然是非常驚人的。初步估計至少有好幾百噸，也許是五六百噸。那么第一級火箭的推力自然比這個數(shù)值還要大——也許近一千噸，否則無法使這個“巨人”離開地面。由這種巨型火箭所產生的巨大推力，可以看出蘇聯(lián)火箭技術的進展是多么迅速！十幾年前第二次世界大戰(zhàn)快結束時，納粹德國的V－2火箭的推力才25噸多，曾幾何時，蘇聯(lián)的科學家和工程師們就把火箭的推力提高到幾十倍了。

要做出能夠產生幾百噸、甚至千噸推力的巨型火箭，需要許多門高度發(fā)展的科學技術的密切配合。例如耐高溫的材料，設計得極為完善的燃料供應系統(tǒng)，高效率的液壓泵，高溫度的合金材料，含能量極高的化學燃料和氧化劑等等，都是必不可少的。而造出這些復雜的設備和貴重的器材，必須擁有一系列的現(xiàn)代化工業(yè)和極先進的科學技術。

圖4火箭利用向下噴氣的辦法在月球面上著陸的情況

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

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

多級火箭可用陀螺儀表來控制。這些陀螺儀表當火箭飛行時可定出三個方向——俯仰，偏航和滾轉的基本座標軸?；鸺w行的位置以及方向和速度都可根據(jù)這個座標軸來確定。如果火箭不按預定的方案飛行，這套控制儀表就可自動地進行修正。這種利用陀螺儀表工作的叫慣性自動控制系統(tǒng)。此外還可利用無線電和天文來進行自動控制。

圖5一種巨型的空間站的設計

除了自動控制系統(tǒng)外，火箭本身還得安裝操縱機構，來執(zhí)行操縱訊號所給的命令。火箭上最常用的操縱機構是燃氣舵和可改變噴氣方向的噴氣管(小型火箭)。燃氣舵是耐熱的板子，把它放在火箭發(fā)動機的噴口處，通過改變燃氣噴流的方向來改變推力的方向，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尾舵相似的空氣舵來操縱。

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

自動控制系統(tǒng)，操縱機構和遙測系統(tǒng)都需要高度發(fā)達的儀表制造工業(yè)，無線電電子工業(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。

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

首先看多級火箭工作的情況。假定用的是四級火箭?；鸺痫w時是垂直立在地面上的。在規(guī)定的時刻，一聲令下，第一級火箭便開始點火工作，發(fā)出強大的推力，整個火箭便垂直上升。開始時由于火箭本身很重，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，自動控制儀表便使火箭緩緩傾斜，達到規(guī)定的速度和方向，燃料燒完，于是第一級火箭就自動脫落。接著第二級火箭就點火工作，把速度再行提高。等第二級火箭燃料燒完自動脫離，第三級再接下去工作。這樣，速度逐級累積增高，到最后一級時，它的最終速度和方向完全符合預定的飛行方案，恰好使火箭進入預定的軌道。若是最終速度的大小和方向稍有差錯，就會錯過預定的軌道，使飛行失敗。例如1958年10月美國發(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。

在多級火箭發(fā)射之先，必須計劃好發(fā)射的時間和方向，計算好軌道。蘇聯(lián)宇宙火箭在這方面的選擇是十分聰明的。火箭發(fā)射的時間是下弦月，這時月亮離地球最近(約37萬公里)，并且走在地球軌道的前頭(見圖1)?；鸺蛟铝涟l(fā)射恰好是沿著地球繞太陽公轉軌道的切線方向飛行，因而它除本身的第二宇宙速度外，還獲得地球公轉的速度(約每秒30公里)。另外，發(fā)射的時刻是晚間八點，月牙剛從東方升起不久?；鸺驏|方發(fā)射，又獲得地球自轉的速度(這個速度在赤道處最大，約每秒0.456公里，地球自轉的方向是自西朝東)。因此，宇宙火箭在起飛后不久所獲得的總速度應該是三個速度之和——第二宇宙速度(11.2公里/秒)，加地球公轉速度(30公里/秒)，再加上地球自轉速度(小于0.456公里/秒，因為蘇聯(lián)火箭發(fā)射地區(qū)不會在赤道)，總共可能達到每秒40公里以上。但是這個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日火箭進入自己的軌道時，它的速度已是克服地球和月球引力之后剩余的速度，這時略大于每秒30公里。到1月14日進入近日點時，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，那么當火箭到達月球引力區(qū)時，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算遠較人造衛(wèi)星復雜，因為各行星和太陽的引力都對火箭起作用。只有在天體力學，宇宙航行學，彈道學和空氣動力學等方面有深湛的研究才能解決這個復雜的計算問題。當然計算時必須依靠電子計算機，別的計算器械是無法完成龐大而又繁難的計算任務的。

宇宙航行的下一步

蘇聯(lián)的宇宙火箭打開了行星際宇宙航行的大門。下一步將怎樣辦呢？

下一步工作的可能性有好幾種，也許會分兩方面齊頭并進。一方面是用不帶人的宇宙探測火箭繼續(xù)向月亮和靠近地球的其他行星，如金星和火星進行探測，以便在科學上累積更多的資料，對它們作更確切的了解，為人向這些天體進軍打下堅實的基礎。另一方面是積極進行宇宙飛行中生命問題的研究。具體地說就是研究：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送到空間去等等問題。這一工作其實早在好幾年前就在蘇聯(lián)開始了，比如用單級高空探測火箭把動物(如狗)送上天，研究超重、失重等反?，F(xiàn)象對動物機體所起的影響。第二顆蘇聯(lián)人造地球衛(wèi)星上就載有一個為科學研究貢獻出生命的小狗——萊伊卡。

在不帶人的宇宙探測火箭方面，也許不久就會出現(xiàn)人造月球衛(wèi)星。以火箭的威力來說，其實目前立刻就可進行這項工作。假如某個早晨我們聽到蘇聯(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，比如說再增加每秒點二公里，就可飛到火星了。因為目前的人造行星軌道和火星軌道最近處，相距只有1，500萬公里。飛往地球內圈的金星也不是什么難事，只要速度稍稍增大些，飛行方向調整一下，就可做到。在這些飛往行星的探測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，看看上面有沒有生命，并且可以尋覓最適合的著陸地點。

人要飛出地球應該做好兩種準備工作。首先應該研究出最穩(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作用?；胤档厍虻挠钪婧叫衅魅绻苡眠m當?shù)?、產生空氣阻力的機構把速度降低，然后再用面積很大的翅膀，像只滑翔機似的滑翔下來，那就比較方便了。凡是周圍包著一層厚密大氣的星球，似乎都可采用這個辦法著陸。另一個辦法是著陸時把火箭頭掉轉過來，頭上尾下，向下噴氣，利用推力來支承重量，緩緩著陸(圖4)。不過這種辦法要多帶為著陸用的燃料，使火箭的重量增加，是一個缺點。

另一種準備工作似乎是建立一個空間站——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，沒有空氣阻力，衛(wèi)星的速度不會降低，所以它可永遠在軌道上環(huán)繞著地球運轉。只要這種衛(wèi)星相當大，能容納人在里面生活和工作(當然這時已經解決了人在空間的生存問題)，這就成為一個空間站。這個空間站愈大愈好，可以多容納人和器材，更便于工作，圖5就是這樣一個空間站的設計，它里面可住七八十人。

有了空間站，可以儲集器材，準備好宇宙火箭，裝足燃料，向月球出發(fā)。由于空間站已經有了每秒8公里的速度，所以宇宙火箭從這兒飛起再加上每秒3公里多一點的速度就可飛往月球了。從這兒出發(fā)沒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。

在做好回返地球和建立空間站這兩項準備工作以后，人飛往月球就更有把握了。那時可源源不斷地把器材和燃料運往月球，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始，然后再去比較遠的水星、木星、土星等。等到我們征服了太陽系的行星后，下一步就將是跨出太陽系，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，化學火箭速度太低，那時必須采用新的宇宙航空器——光子火箭，而這卻屬于遠程宇宙航行的范疇了。