书城童书影响中国学生的十万个为什么·辉煌科技1
19088400000001

第1章 遨游太空(1)

火箭有哪些种类?

20世纪50年代以来,世界各国研制成功的运载火箭已达150余种之多。人们通常按火箭的燃料、用途及射程远近将他们分为不同的种类。

按火箭发动机使用的燃料不同,一般分为固体燃料火箭和液体燃料火箭。根据火箭的不同用途又可将它们分为运载火箭、气象火箭等。运载火箭是把人造地球卫星、载人飞船等航天器从地面运送到预定轨道的多级火箭。气象火箭可用于获取高层大气的资料,是从事空间科学研究的理想的小型火箭。按火箭射程远近,又可将它们分为近程火箭、中程火箭和远程火箭。

火箭的故乡在哪里?

中国早在古代就发明了火药。到了宋代初期,就有人发明了世界上第一枝火箭——用火药做燃料的火箭。到13世纪,我国的火药及火箭技术传到阿拉伯国家,后来又传人欧洲。我们的祖先还曾试图利用火药的推力造登空飞船,可惜没有成功。历史表明,最早把火箭用于航天的是中国,中国是名副其实的火箭的故乡。尽管中国早期的火箭是原始的,但它的基本原理——反作用推进原理的生命力是旺盛的,现代火箭并没离开这一原理。可以说,火箭也是中国的一大发明。

现代的火箭是怎样演变而来的?

火箭是载人航天的必备条件,在追寻载人航天踪迹的时候,不能不从火箭开始。

中国是火箭的故乡。据《宋史》等古籍记载,在公元970年前后的宋朝初年,我国就发明了具有反作用力因素的古代火箭。

但“万户飞天”的悲壮故事说明,古代火箭是无法将人送入太空的。这个任务就历史地落在了现代火箭身上。

由于火箭不依赖外部空气工作,因此,宇宙航行理论奠(diàn)基人、俄国科学家齐奥尔科夫斯基在1883年指出,能在太空真空中工作的火箭,可以做为宇宙航行的动力工具。

到1903年,齐奥尔科夫斯基进一步提出火箭公式,指出火箭的飞行速度与火箭发动机的喷气速度成正比,并指出,黑色火药一类的固体火箭燃料,产能效率低,无法使火箭达到宇宙速度,应该使用液氢液氧这样的液体燃料。同时,火箭公式还表明,火箭的自身结构质量越小越好,燃料装得越多越好。这样,火箭公式就为发展现代火箭指明了方向。它被称为“齐奥尔科夫斯基公式”。

在火箭公式的基础上,齐奥尔科夫斯基还运用他巧妙的思维指出,用多级火箭接替工作的办法,可使火箭逐级提高速度,最后达到所需的宇宙速度。

火箭公式是把宇宙航行从理论、理想变为现实的转折点,后来人们将火箭公式誉为“宇宙航行第一公式”。

1926年,美国科学家戈达德发射成功第一枚液体燃料火箭,虽然它只飞行了2.5秒钟,上升高度只有12米,但它是现代火箭的一个健康的胎胚(pēi)。

在20世纪30年代,奥伯特和他周围的一些欧洲人,积极投入到研制火箭的实践中去,也为发育现代火箭做出重要贡献。

20世纪40年代初,德国人布劳恩领导研制的V-2火箭,虽是一种作战武器,但它却宣告现代火箭诞生了。

1957年10月4日和1961年4月12日,苏联航天事业总设计师科·罗廖夫研制的火箭,分别将人类的第一颗人造地球卫星和第一名航天员送入太空轨道,建造了载人航天的巨大里程碑。

第一个试图利用火箭飞上天的人是谁?

中国是火药的发明国。14世纪末,我国一个叫万户的人,根据火药燃烧后能产生巨大推力的原理,提出了运用火箭把人送上天的设想,并且勇敢地亲自做试验。他把47支火箭捆绑在椅子腿上,自己坐在椅子上,手拿两个大风筝,让人把火箭点燃,试图借助火箭产生的推力和风筝的升力飞上天去。只听得一声巨响,万户和椅子都被炸得粉碎。万户的梦想虽未实现,但他试图飞上天的勇敢探索精神深深地感动了后人。为了纪念这位航天先驱,前苏联宇航科学院把月球背面的一座环形山命名为“万户山。”

中国人的千年飞天梦是何时实现的?

2003年10月15日9时整,神舟五号载人飞船发射成功,将中国第一名航天员杨利伟送上太空。

飞船经过绕地球14圈以后,于16日6点23分在内蒙古阿木古郎草原安全着陆,航天员自主走出返回舱,状态良好。

这次航天飞行任务的顺利完成,标志着我国突破和掌握了载人航天的基本技术,完成和实现了中国载人航天工程第一步的计划和目标,使中国成为世界上第三个,也是发展中国家第一个能够独立开展载人活动的国家!

为什么可以用航天飞机发射卫星?

航天飞机有好些用途,除了作运输工具或短期空间试验平台外,还具有重要的军事用途。它可在空间发射和部署(shǔ)通信、导航、侦察等军用卫星,在轨道上维修卫星和把卫星带回地面;也可以攻击或捕获敌方卫星;还可实施空间救生和支援,进行空间作战指挥和发射轨道武器等。其中发射和回收卫星,是它的重要使命。

太空中有成百上千颗人造卫星,时刻在为人类服务。但要把卫星送入太空,不是一件容易的事情,通常是采用多级运载火箭来发射。

制造一枚运载火箭要耗费大量的人力、物力和财力。而且运载火箭只是一种一次性使用的工具。一旦把卫星送入轨道后,它自身的一部分会变成“太空垃圾”长留太空,其余部分则坠入大气层化为灰烬。要发射一颗卫星,就要制造一枚火箭,有时为保险,还要制造备用火箭,这需要多大的代价呀?

航天飞机的出现,为卫星发射新辟(bì)了路径。因为它运行在近地185~1100千米的轨道上,那里几乎没有重力,因而施放卫星只需要比地面上小得多的推力就行了。加上航天飞机有高达30吨的运载能力,完全可以把各种大小的卫星先装入机舱,再带到太空中去发射。这就好比把地面的卫星发射场,搬到了太空中的航天飞机上。卫星从航天飞机弹射出来后,再让卫星上的发动机点火工作,将卫星送入预定的位置。

同样的道理,航天飞机也可以在低地球轨道捕捉和修理失效的卫星。太空中那些昂贵的卫星,有时也会突然损坏,或未能进入预定轨道,或“服役”期未满而停止工作。那些因某个零部件损坏而“短命”的卫星,如让其在太空中“流浪”,真是极大的浪费。此时,航天飞机利用机动飞行,去接近卫星,实行“上门服务”,就地“诊断修理”。有些卫星实在无法修理,就带回地面“住院治疗”。这些“绝活”,绝非是运载火箭所能干得了的。

人类是怎样从航海、航空到航天?

人类是在地球陆地上发展起来的,然后逐渐将活动范围扩大到海洋,到地球大气层空间,到地球大气层以外的宇宙空间。这每一次扩展,都是人类发展史上的一次飞跃,但冲出地球大气层,进入广袤(mào)的宇宙空间,无论从哪方面来说,都是最大的一次飞跃。

让我们先从活动面积和空间的大小来比较。

人类在陆地上的活动范围,充其量就是地球的全部陆地面积,大约是1.5亿平方千米。

人类航海活动的范围,就是地球的海洋面积,大约是3.6亿平方千米。

人类的航空活动范围,只限于低层地球大气层空间,如果以升限20千米计算,其活动空间的体积很容易算出来。地球的半径约6400千米,以6400千米加20千米半径的球体体积,减去地球的体积,就是航空活动的范围。这是小学生也可计算出来的,是很有限的。

我们再来看宇宙航行。

宇宙航行第一阶段航天的范围是整个太阳系。太阳系的半径若以冥王星轨道为限,为40天文单位,约60亿千米;若以彗星轨道为限,约23万天文单位,约34万亿千米!

宇宙航行第二阶段的活动范围是整个宇宙空间。宇宙有多大?难以知晓。如果以大爆炸诞生时光传播的范围计算,光是球面传播的,则球形宇宙的半径是光速乘宇宙的年龄。宇宙的年龄若以140亿年计算,则宇宙的半径为140亿光年,大约是1400万亿亿千米!这是地球大气层空间无法相比的。

再从延续时间来比较。人类的陆地、航海和航空活动,最多延续到地球和太阳衰老的时候,也就是还有50-60亿年。而宇宙航行则与宇宙同在。宇宙还能存在多长时间?无人知晓。但据认为,所有星系在1031年后会形成大黑洞,黑洞需10106年才能蒸发完。据信黑洞也能提供生命生存的条件。这么算来,宇宙航行可延续的时间为1031-10106年!

人类活动范围的扩大,是以科学技术为支撑的。载人航天确是人类发展史上最大的一次飞跃。

为什么人造卫星总是向东发射?

人造卫星是人类用于探索太空,或者探测地球的航天设备。不知你注意到没有,所有的国家在发射人造卫星时,总是把发射方向指向东方,你知道这是什么原因吗?

这是因为,地球是由西向东旋转的,将人造卫星由西向东发射时,可以利用地球的惯性,大大节省燃料和推力。地球运动的速度,随着纬度的变化也是不相同的。一般地说,赤道上的运动速度最大,达到每秒0.46千米,随着纬度的增加而减小,南北两极为零。所以发射地点的纬度越高,火箭所需的推力也越大。如果顺着地球自转的方向,在赤道附近发射倾角为0的卫星,就可最充分利用地球的自转惯性,达到最理想的效果。

当然,由于世界各国的地理位置不同,卫星不可能全在赤道附近发射,发射方向也不会都是由西向正东方向,总要偏向东南或东北。不过,人们总会尽可能利用地球的自转惯性,节省推力。

航天飞机与载人飞船有何不同?

航天飞机与载人飞船都是人们早有所闻的航天器。航天飞机在外形上很像普通飞机,不过它是靠运载火箭发射和升空的。它功能多、用途广,既可载人运物,又可在太空发射卫星。它能在机场上降落,并可重复使用。载人飞船在技术上较为简单,主要用于各种载人航天技术试验,进行空间站人员救生和各种科学研究等。载人飞船虽也是靠运载火箭送人轨道的,但不能重复使用。现在,航天器在造福于人类的同时,又将战争从陆地、海洋、天空扩展到外层空间。

航天飞机有哪些优点?

航天飞机靠火箭发动机提供动力,既可以在稠密的大气层中穿行,又能在星际空间中自由翱翔,它是集卫星、飞机、宇宙飞船于一体的飞行器。因此跟别的飞行器相比,它有自己的特色。

航天飞机是世界上惟一可以部分重复使用的航天飞行器,可以实现规定点着陆和无损返回。