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[科普连载]飞向星星的故事I

已有 5119 次阅读 2012-12-8 20:52 |个人分类:科普科幻|系统分类:科普集锦| 载人航天, 故事, 星星

          地球是人类的摇篮,

          但人类不能总是生活在摇篮里...

                   ——[]齐奥尔科夫斯基

1  幻想与现实:飞出地球的故事

1.1 美丽的传说

    翱翔天空、飞向星星,这曾是一个同人类文化一样古老的幻想。千百年来,人们在神话传说、文学作品中作过各式各样的想象,中国古代就有两则相互关联的神话传说,叫做“后羿射日”和“嫦娥奔月”。

    相传尧当皇帝的时候,有十个太阳一齐出现在天空,给人类带来了严重的旱灾:土地烤得直冒烟,禾苗全都枯干,甚至铜铁沙石也晒得软软的快要熔化了;人民更是不好受,血液在体腔里仿佛在沸腾,怪禽猛兽纷纷从火焰般的森林、沸汤般的江湖里跑出来伤害人民,弄得人民苦上加苦。天帝知道这事后,就让一位名叫羿的擅长射箭的天神到凡间去解救人民。羿箭术精良,即使是小鸟从天上飞过,羿也能一箭把它射落,因此天帝赐给羿一张红色的弓、十支白色的箭。

    羿奉了天帝的命令到了凡间,受到人民的欢迎。他摆好架势,弯弓搭箭,对准天上的火球,嗖的一箭射去,起初没声响,过了一会,只见天空中流火乱飞,火球无声爆裂,接着,一团红亮亮的东西坠落在地面上。人们纷纷跑近前去探看,原来是一只三足乌鸦,颜色金黄,硕大无比,原来它就是太阳精魂的化身;再一看天上,太阳少了一个,空气也似乎凉爽了一些。人们不由得齐声喝采,这使羿受到鼓舞,他不顾别的,连连发箭,只见天空中火球一个个地破裂,满天是流火。  站在土坛上看射箭的尧,忽然想到人间不能没有太阳,急忙命人暗中从羿的箭袋里抽去一支箭,总算剩下一个太阳没被羿射落,因而形成今天一个太阳的现状。

    此后,羿还为人民除去了许多妖魔鬼怪。

    嫦娥是羿的妻子,原来也是天上的女神,因为丈夫羿奉天帝之命到人间除害,就跟随他来到地上。羿成天在外,为人民射落了九个太阳、杀死了许多怪禽猛兽,顾不上家,嫦娥就慢慢对他不满。一天,羿从西王母那里求来长生不死的灵药,如果两人一同吃了这灵药便可长生不死,一人独吃,就能升天成神。羿把药带回家,交给嫦娥,要她好好保管,想挑一个吉日两人一起吃。但嫦娥觉得自从跟了丈夫来到人间吃了不少苦头,灵药既然有升天成神的妙用,何不一人独吃呢!

    在一个晚上,嫦娥趁羿不在家,从葫芦里倒出灵药,全吞下肚子去。顿时她的身体轻飘飘地,不由自主地飘出窗外,直向天上飞去。她边飞边想:如果到天府,众神要耻笑她自私,况且见了丈夫也不好办,不如到月宫里暂时躲藏一下为好,于是她奔向月宫,但月宫里非常寂寞,常年陪她的只有一只捣药的玉兔和一株桂树,她又后悔莫及,却已难以挽回了。唐朝著名诗人李商隐(813-858)有“嫦娥” 诗一首,描述此情:

           云母屏风烛影深,长河渐落晓星沉;

           嫦娥应悔偷灵药,碧海青天夜夜心。

    后来,月宫又来了一个被天帝罚作苦役的吴刚,让他不停地砍桂树,桂树却随砍随合,他就永远不得休息。因此,月宫成了寂寞的嫦娥和不停劳作的吴刚的居所。也有另一种传说是说嫦娥在月宫变成了蟾蜍,因而月宫也叫蟾宫。

1.2火箭——飞向星星的运载工具

古人也许万万没想到:20世纪短短的几十年间,幻想的飞升和奔月神话居然在科学技术的强大推动下变成了事实——1903年,就在美国莱特兄弟制成第一架动力飞机并试飞成功的同一年,俄国学者齐奥尔科夫斯基(К.Э.Циолковский,1857-1935)发表了“利用喷气工具研究宇宙空间”一文,提出了著名的齐奥尔科夫斯基公式:V=Wln(Mo/Mt)  

其中V为火箭获得的速度增量(理想速度)W为喷流相对于火箭的速度,Mo 和Mt 分别为起始和结束的火箭质量。

奥尔科夫斯基公式奠定了火箭理论和航天技术的基础。1926年,美国工程师戈达德(Robert Hutchings Goddard1882-1945)将多年研制成功的世界上第一枚液体火箭射入天空——人类历史上崭新的一页揭开了,飞向星星的宿愿即将变成现实,而且,仅在一代人的时间内就实现了!

如何才能飞出地球奔向星星呢?物理学家和天文学家们已经从理论上研究过了。

地球上的万物以及大气层之所以能紧贴地球,是因为地球的强大引力将它们牢牢吸附,要想飞出地球,就必须克服地球引力,而要想克服地球引力,就必须达到足够的速度。计算表明:当物体的速度达到每秒7.9公里时,它就能沿地表绕地球作圆周运动而不掉落下来,这叫第一宇宙速度或环绕速度;当地球上发射的物体速度达每秒11.2公里时,该物体就能挣脱地球引力进入太阳系的行星际空间,这叫第二宇宙速度或脱离速度或逃逸速度;而当地球上发射的物体速度达每秒16.7公里时,该物体就能克服地球和太阳的引力飞出太阳系,进入银河系遨游,这叫第三宇宙速度。

人类至今造出的最快的飞机,其速度也不到每秒1公里,要想达到每秒7.9公里,必须想些新办法。由齐奥尔科夫斯基公式可知:要使火箭的速度增大,应提高喷气速度W和火箭始末质量比Mo/Mt 。对一般化学燃料来说,喷气速度W可提高到每秒2-3公里,这时为实现第一宇宙速度要求,Mo/Mt 应为20左右,但对地球上现有的材料和技术来说,要达到这样的质量比非常困难。怎么办呢?齐奥尔科夫斯基为此提出了多级火箭方案:由多个单级火箭组合成多级火箭,采用“接力”式工作。开始时,第一级火箭启动,整个火箭起飞;第一级火箭燃料用完时,火箭达到一定高度和速度,接着第二级火箭启动,在已有速度基础上继续给火箭加速,而第一级火箭自动脱落,使整个火箭质量比增大;这样,一级一级加速,一级一级脱落,多级火箭就可以达到很高的最终速度。这是一个了不起的构想——多级火箭即可将物体载入星空!后人经过充分考虑,从经济可行性、技术可靠性分析后,确认以2-4级火箭为最佳。

目前,各国研制成功的主要多级运载火箭如表1所示。

               1  各国研制的主要运载火箭

研制国

火箭类别   

主要型号

起飞重量(T)

起飞推力(T)

低轨载荷(T)

逃逸载荷(T)

 

 

巨型:

  土星号

 (农神号)

土星1

土星1B

土星5

    508

    587

   2930

    680

    744

   3400

     8

    18

   127

    2

    6

   48.8

 

 

大型:

  大力神号

 

  3A

  3B

  3C

    160

    180

    635

    195

    200

   1070

     3.6

     4.5

    13.4

 

 

    1.6

 

中型:

  德尔塔号

3920/

PAM-D

 

    193

   

    200

 

     1.312

 

 

 ()

大型:

  东方号

月球型

载人型

    279

    287

    500

    500

 

     4.725

    0.278

 

 ()

中小型:

  宇宙号

  B

  C

     42

     75

     65

    180

     0.3

     1

 

 

 

中大型:

  长征号

 CZ-1

 CZ-2

 CZ-3

     82

    191

    202

    112

    230

    280

     0.3

     2

     5

 

 

    1.3

 

  欧盟

大型:

  阿里亚娜

  1

  3

  4

    207

    237

    300

    249

    397

    500

     4.5

    1.7

    58

    5

 

中型:

    N

  N-1

  N-2

     90

    135

    148

    200

     1

    0.13

    0.35

 一般用表1中具有逃逸载荷的运载火箭发射月球和行星探测器,而低轨载荷主要指发射人造卫星和导弹。

以上理论和运载火箭主要是基于从地球上发射人造卫星和人造行星考虑。

对于恒星际航行,还必须考虑相对论效应,这时应该采用广义齐奥尔科夫斯基公式(阿克莱公式)来计算理想速度(其中c为光速):V=c[(c/2W)(ln(Mo/Mt)-1)]/[(c/2W)(ln(Mo/Mt)+1)]         

由火箭载入星空的物体统称航天器(区别于在地球大气层中飞行的航空器),主要有不载人的探测器,包括人造卫星、人造行星、行星探测器、恒星探测器等,和可以载人的轨道站(又叫空间站)、航天飞机、宇宙飞船等。1957104日,苏联用P-7(SS-6)洲际导弹改装的运载火箭,将世界上第一颗人造地球卫星送入了太空;195821日,美国首次发射人造地球卫星成功;1970424日,中国也成功发射了第一颗人造地球卫星“东方红1号”。至2000年底,世界各国共发射了5000多颗人造天体,其中90%以上是人造地球卫星。

   人造地球卫星按用途可分为通讯卫星、气象卫星、科学卫星、军事卫星等等,对人类社会来说,这些卫星是最有实用价值和经济效益的航天器。然而,对于探索星空奥秘、寻找地外生命、研究地外文明、实现科学幻想来说,也许那些不到航天器总数10%的月球、行星、行星际、恒星际探测器,尤其是载人航天器将更有科学价值和深远意义,这,也许才是科学家们的真正追求和真正永垂不朽的人类文化行动。在实施这些前所未有的航天工程时,人们会重新思索生命的意义、生活的目的,重新审视人生的价值、地球的文明。难道还有比这更伟大的事业吗? (待续)

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