第1章 火箭研发 1 第1章 火箭研发 “峨峨云梯翔，赫赫火箭著。” ——韩愈 2 第1节 纳粹溃退烽火灭绝 美军挺进人才捕获 我们的故事开始于一个不早不晚的年代。1945年5月2日，也就是希特勒 夫妇在地堡内自杀后的第三天，第二次世界大战已经接近尾声，虽然日本还未 投降，仍然在做垂死挣扎，但战争胜负的大局已定，不可逆转。 德国南部的阿尔卑斯山区，一个颇有特色、叫作阿玛高（Oberammergau） 的小镇附近，远望高山巍峨、雪峰挺拔； 近看湖水碧秀、绿草如茵。这里气候宜 人、风景似画，使人难以想象到如此美景也曾被战火硝烟所糟蹋。那天，美军 第44步兵师的一队侦察兵正在执行巡逻任务，忽然看见两辆自行车从山上缓缓 而下…… 来者之一操着一口有着浓重德国腔调的蹩脚英语，结结巴巴地向士兵说明 他的哥哥是谁：“V2导弹……设计师……冯·布劳恩……要投降……” 当时没人不知道V2导弹，那是让盟军不寒而栗的新型终极致命武器！希特 勒为了加速战争最后的进程，聚集科学家和工程师们，于德国的佩讷明德陆军 和空军试验基地成功地研制出V2导弹，并在多处地下工厂大量生产。 就在不到一年之前，1944年9月8日清晨6点，泰晤士河边一声巨响，1 t 多的炸药从天而降，惊醒了无数睡梦中的伦敦人。可是，天上并没有看见德国 佬的轰炸机啊！原来这些重磅炸弹是来自于300 km之外荷兰海牙的德军基地， 炸弹的携带者就是V2导弹，它花了不到6分钟就飞越了英吉利海峡，神出鬼没 地在伦敦爆炸。之后短短的6个月内，疯狂的纳粹德国接二连三地发射了3745 枚V2导弹，其中有1115枚击中英国本土，共炸死2724人，炸伤6476人，并 对建筑物也造成相当大的破坏。此外，攻击比利时的V2导弹造成6500人死亡， 伤者数万。正是“铁球步帐三军合，火箭烧营万骨乾”。 当然，如今我们仔细一算，这造价昂贵（12万马克）a的V2导弹实在太不 合算，效率极低，平均一个导弹才炸死两三个人，由此也足以证明当时德军困 兽犹斗的疯狂劲头。无论如何，这门武器因为不易被拦截而造成当年的欧洲社 会人心惶惶。此外，希特勒为了尽快制造出足够多的V2导弹，建立地下工厂批 量生产，残酷地压榨犹太人和抓来的普通劳工。据说为生产导弹而累死的劳工 就有数万人，比轰炸敌国炸死的人还要多。 V2武器没有能挽回德军的败局，但它拉开了新式作战的序幕，无疑是一项 重大的军事技术突破。艾森豪威尔在回忆录中说：“如果德国人提早6个月完善 并使用这些武器的话，我们要进入欧洲将是极端困难的，甚至是不可能的。”为 此，当年的盟军迫切希望获得V2导弹，四处寻找这个项目背后的科学家。 没想到这一天，研制V2导弹的顶级专家却自己送上门来，正是“踏破铁鞋 无觅处，得来全不费工夫”，美国人不由得乐在眉尖、喜上心头：“哦，欢迎你们 投降，用你们的技术为美国效劳。” 两位来访者早就准备好了说辞：“统帅们不希望我们落入斯大林手里，于是 在3月就要求我哥哥（即冯·布劳恩）和他手下的500 名科研人员带着大量资 料离开了科研基地，躲避正在逼近的苏联红军……我们手中有大量的资料、技 a　1马克≈ 3.8583元人民币，自1999年起被欧元代替。 九天揽月：太空探索史话 4 术和人才，也愿意服务于美国，但条件是希望能得到善待。” 这有什么可说的，双方很快便达成协议并且找到了藏身于高级别墅、正在 欣赏山间美景的冯·布劳恩。这位著名的火箭专家被俘时才32岁，年轻帅气、 英姿勃发，但因为不久前出车祸，手上还打着石膏绷带（与战争无关）。面对荷 枪实弹的美国兵，布劳恩说了一句话，但语气中仍带有德国科学家那种惯有的 骄傲：“我们虽然战败了，但我们开创了全新的战争模式。你们找我，就是为了 得到这种技术。” 德国的纳粹分子对人类犯下了不可饶恕的滔天罪行，但德国科学家毫无疑 问对科学技术的进步做出了重要的贡献。第二次世界大战除了战场上的较量之 外，双方在科技上也明争暗斗，打着另一场战争，对核物理的研究最后导致原 子弹武器的开发是另一个著名的例子。 希特勒对犹太人的迫害使得大批犹太裔科学家抵达美国，其中也包括爱因 斯坦。这些从魔掌下逃离的物理学家们关注到德国在核研究方面的动向，由爱 因斯坦牵头向美国报告说，德国科学家已经掌握了铀的原子裂变技术，即制造 原子弹的第一步。如此才使美国政府开始意识到如果希特勒拥有这项技术，将 给世界带来前所未有的灾难，因而投资20亿美元启动了研发原子弹的“曼哈顿 计划”。最终该计划获得成功并用于实战，缩短了战争的进程。 德国人的原子弹研究最终未成正果，著名物理学家海森伯曾经参与其中。 就在布劳恩的兄弟与美国士兵商谈投降事宜的第二天，美军在海森伯的家中抓 获了他。 德国已经崩溃，战争即将结束，与科技相关的竞争逐渐转化成了同盟国之 间暗地争夺德国人才的斗争。美国在1945 年初启动了“回形针”行动，苏联也 相应实施了所谓“面包换人”的计划。 苏军原本在最后的德国战场上占尽了先机，曾在1945年1月直接威胁到了离 德军火箭研制基地不远的地带。苏军还在波兰的荒野中发现了一些被德军丢弃的 V2导弹外壳，他们立即将其送回莫斯科进行研究。 1945年3月，美军开进波恩，波恩大学的科学家们将一些相关资料撕碎丢 进马桶中，但来不及处理堵塞的马桶就纷纷逃离了。一个波兰籍卫兵发现了马 桶中的碎纸片，将它们全部掏出交给了美军。最后，这些残存的碎纸片组成了 一份包含德国科研计划摘要和1500多名科学家、高级技术人员名单及家庭地址 的重要文件，这份名单为美国找到这些科学家的“回形针”行动提供了极大的 帮助。 在军方授权下，匈牙利裔美国工程师和物理学家冯·卡门（von Kármán， 1881—1963）组建了一个由36位专家组成的调查团前往德国考察，其中包括他 最得意的学生钱学森。冯·卡门等也审问过主动投降的布劳恩等人，考察了火 箭技术并得出在该领域德国已领先美国10年的结论。钱学森在此行中得益匪浅， 后来他冲破阻碍回到中国成为“两弹一星”的元勋级人物。 冯·布劳恩（von Braun，1912—1977）出生于德国普鲁士境内，其父母家 族都有欧洲王室血统，其母在冯·布劳恩接受宗教洗礼之后，赠予他一台望远镜， 从此布劳恩迷上了浩瀚星空，立志研究能一飞冲上太空的火箭。战争成全了他 的理想，也改变了他的命运。1932年，布劳恩在20岁时就被任命为德国首个导 弹试验场液体火箭研发项目的技术负责人。 他的梦想指向太空，但命运却让他击中了伦敦，杀害了不少无辜的民众。正如 他在听到伦敦被击中的消息后说：“火箭工作正常，除了登陆在了错误的星球上。” 火箭的工作原理和飞机不一样。飞机在飞行时受到4个力的作用（图1-1 （a）右）：动力（即发动机产生的推力）、阻力、升力、重力。这里与地面交通 九天揽月：太空探索史话 工具不一样的是，飞机需要一个向上的“升力”，才有可能飞到天空中去。 升力是飞行不可或缺的重要元素，它是如何产生的呢？飞机的升力与机翼 截面的形状密切相关，是通过机翼上下表面的气流速度的差异而产生的。如果 将机翼沿飞行方向纵向剖开，得到的机翼剖面是一个上拱下平的形状（图1-1（a） 左）。当空气流过机翼时，气流沿上、下表面分开，最后在后缘处汇合。上表面 弯曲，气流流过时走的路程较长； 下表面平坦，气流走的路程较短。根据伯努利 原理，上表面的气流速度快而压力小，下表面低速气流对机翼压力较大，就产 生了一个上、下表面之间的压力差，也就是向上的升力。因此飞机是凭借空气 动力学原理获得升力而飞行的，所以飞机只能在大气层中飞行，不可能飞到没 有大气的太空中。 火箭的工作原理（图1-1（b））不同于飞机，对火箭而言，无论是上升或前 进，在任何方向得到加速度，靠的都是尾部气体喷出后产生的反作用力。作用 与反作用定律就是中学物理中为人熟知的牛顿第三定律。它说的是，反作用力 总是与作用力相等，作用在不同的物体上。在火箭的情况下，燃料与氧化剂混 合燃烧后产生的大量气体从火箭尾部向后喷出，如果将气体后喷的力当作作用 图1-1 火箭和飞机工作原理不同 （a）飞机；（b）火箭 力，它的反作用力则作用在火箭主体上，推动火箭向前。因此，由于火箭自身 携带着燃料和氧化剂，既不需要空气来产生升力也不需要空气中的氧气帮助燃 烧，故而适合在太空环境下工作。 众所周知，地球大气有一定的厚度，大气的密度随着距离地面高度的增加 而减小。那什么高度就算是“太空”呢？事实上，太空和大气层之间并没有一 条明显的界线，不过我们总是可以人为地给出一个规定的数值。国际航空联合 会将100 km的高度定义为大气层和太空的界线。美国认为到达海拔80 km的人 即为宇航员。因此，高度超过80 km（最高达到100 km）可以算作进入了太空。 布劳恩及其团队在20世纪30年代的任务是研究开发液体燃料火箭（A4火 箭）。他的脑海中无疑经常梦想到月球旅行，因为A4火箭上画的是科幻片《月 亮夫人》的宣传画，一位坐在新月上的漂亮夫人！布劳恩当时甚至还制定了载 人航天飞行计划。 10年的努力终于取得了突破，1942年10月，一枚A4火箭实现完美发射， 飞行高度达到84.5 km，飞行距离达到190 km。其到达的高度已经算是抵达了“太 空”，从航天的意义上，这可算是人造物体进入太空的第一个里程碑。 然而，战争正在激烈地进行，德军步步败退，纳粹分子不要“登月”，也不 在乎是否进入“太空”，他们只在乎火箭升得越高方能飞得越远，他们做的是制 造武器、屠杀人类的另一种梦。从1943年开始，A4火箭变成了V2导弹。布 劳恩受命研制这种能够携带750 kg炸药飞行约300 km后准确击中目标的武器。 “V2”的德文意思是“报复”，纳粹将其命名为“复仇使者”，企图扭转败局，准 备报复。 V2导弹发射时的质量大约13 t，可负载1000 kg的高能炸药弹头，并射向 300 km远的目标。导弹先被垂直发射到一定的高度（24~29 km），然后按一定的 九天揽月：太空探索史话 倾角弹道上升。当升至最高点（48 km左右）时，无线电指令控制系统关闭发动 机，火箭靠惯性继续升到97 km。然后，以3542 km/h的速度沿抛物线自由下落， 最后击中预先计算好的地面攻击目标（图1-2）。 聪明过人的布劳恩并不是一个死命效忠纳粹的傻瓜，当看到战争形势对德 方不利时，他就开始考虑自己及几百名科学家的去向问题。他当然知道自己对 美国（或苏联）的价值，但他不相信斯大林，被苏军抓住不会是好事，他们连 自己的科学家都不能“善待”,又怎么可能善待像他这样的纳粹战俘——过去的 党卫军少校呢? 在从佩纳明德撤退的时候，冯·布劳恩私自做了一个大胆的决定。他舍不 得销毁自己多年的研究成果，便违背命令将14 t重的火箭技术草图及数据藏在 了哈尔茨山一个废弃的矿井里，这些资料也成为他（及他的弟弟）与美军交涉 的筹码。 不久后，布劳恩和他的上百名同行一起被送到了美国。 图1-2 V2导弹飞行路线示意图 9 第2节 古人爱做太空梦 大师练就理论功 可喜的是，冯·布劳恩在美国如鱼得水，有机会实现了他少年时代的“月 球旅行”梦。 美国人如何能先于世界各国实现人类千年的登月梦？这不是一句话就能说 清楚的，也远非冯·布劳恩一人的功劳，且听我们从神话和幻想开始，将航天 历史慢慢道来。 飞到月亮上去！这是人类自古以来的梦想。不过要实现这个梦想谈何容易， 人类被地球的引力牢牢束缚在地面附近，而月亮却高高地挂在天上，离地面有 遥远的38万km！这是一个难以飞越的高度，古人只能凭想象和神话故事来满 足对月球的好奇。 据说在14世纪末，有一个叫“万户”的中国官员，注意到人们在节日时当 作玩具的烟花礼炮，能够利用火药燃烧产生的反冲力将烟花射到天上。勇敢的 万户想用同样的方法将自己送上太空，他将47支烟花（火箭）捆绑在椅子上， 做成了一个飞行器。 万事俱备之后，万户穿戴整齐，手拿两个风筝，坐上座椅，让别人把47支 烟花同时点燃。不幸的是，随着一阵剧烈的爆炸，万户和他的飞行器灰飞烟灭。 有趣的是，这个“万户飞天”的传说，以多个版本的不同形式，被记载在某 九天揽月：太空探索史话 些西方的航天史文献中。就连月球上的一个环形山，也以他的名字命名。但在中 国的历史资料中，却尚未发现关于万户的记载[1]。 火箭技术是登月的关键，无论万户是否真的是中国人，人们将万户飞天的 传说冠以“中国”之名，多半因为中国是火箭技术的发源地。我们经常骄傲地说： “火箭是中国人发明的！”的确，中国唐代出现的烟火类玩物、宋朝的“火箭”， 都是利用燃料燃烧后再向后喷射出来产生的反作用力推动物体朝前发射而“上 天”，它们当之无愧地成为近代航天技术最原始的“老祖宗”。 尽管万户的试验以失败告终，但基本原理与之相同的现代火箭技术，却一 次又一次地在航天活动中取得了成功。这要归功于几个现代火箭技术的先驱人 物，首先要介绍的是航天及火箭理论的奠基者——被誉为航天之父的俄罗斯科 学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（Konstanty Ciokowski，1857—1935）。 科幻和科普读物在航天史上的地位举足轻重，当年几位火箭前辈的航天热 情都是被登月之类的科学幻想小说点燃的。“飞向月球”是十八九世纪西方科 幻作家笔下的热门主题。其中，最值得一提的是法国人凡尔纳（Verne，1828— 1905）的科幻作品。凡尔纳知识渊博，重视科学依据，所以他的小说既有文学 价值，也有科学价值。他小说中的诸多有趣的预言，有许多如今已成为现实。 《地球到月球》是凡尔纳于1865年创作的作品，描述几个人乘坐一枚由巨 大大炮发射出的中空炮弹从而飞向月球的故事。这个引人入胜的离奇故事将太 空旅行的思想种子播撒在一位俄国失聪少年的心上，他就是齐奥尔科夫斯基。 小时候患猩红热使得他的耳朵几乎全聋，无法上正常学校。但是，这个少年固 执地对父亲说：“我要去莫斯科，那儿有图书馆，听不见也能读书，因为我将来 要研究太空！” 父亲发现了这个“聋”儿子的与众不同：他爱读书，喜欢思考问题，尤其是 爱不着边际地幻想。因此，并不富裕的父母满足了儿子的愿望，将他送去莫斯 科学习。齐奥尔科夫斯基不负家人所望，自学成才，之后回到家乡担任中学教 师，并在完成挣得温饱的工作之余，潜心地研究航天理论问题，被后人誉为“宇 宙航天之父”。 由于耳聋，他与外界少有联系，又是靠自学，这对少年齐奥尔科夫斯基的 成长以及之后的科学研究工作，既有利也有弊。耳聋使他养成了独立思考的习 惯，凡是碰到难题都要自己动手计算一遍。但这个先天不足的缺陷也使得他鲜 知同行们早期的研究成果，走了不少弯路。他年轻时经常发明出一些早已被人 知道的东西，在科研中也往往是当他将感兴趣的物理问题解决之后，方才得知 早已有人做出结果并发表了。例如，他曾经在1881年20多岁时得出气体运动 理论的一个重要结果后，才知道这早已在24年之前就被人解决了。但总的来说， 齐奥尔科夫斯基的科研之路还算顺利。当时他把他对气体运动理论的计算结果 寄给了彼得堡物理化学学会，学会权威们仔细审核了这位研究者的文章，由著 名的化学家、周期表发现者门捷列夫给他写了一封言辞谨慎的信。人们没有把 齐奥尔科夫斯基当成骗子，反而鼓励这位年轻的中学教师继续他的科研。之后， 齐奥尔科夫斯基将研究的兴趣集中到他经常进行思考的与航空航天有关的飞行 器和发动机上，研究成果逐渐得到了俄国科学界的认可。加之在门捷列夫等人 的帮助下，齐奥尔科夫斯基成了学会的会员，参与学会的活动使他不再是一个 孤陋寡闻的“聋子”，而是在学界崭露头角、渐有名气。 齐奥尔科夫斯基使得“航天”走出了“天马行空、不着边际”的幻想，成 为一门脚踏实地、可以实现的科学。在他的论文《利用喷气工具研究宇宙空间》 中，阐明了航天飞行理论，描述和论证了火箭这种“喷气工具”可以作为宇宙 航行的动力。之后，他又具体提出了火箭公式，计算了第一宇宙速度，提出利 用火箭进行星际交通、制造人造地球卫星和近地轨道站的可能性，指出发展宇 宙航行和制造火箭的合理途径，找到了火箭和液体发动机结构的一系列重要工 程技术解决方案。他指出了火箭怎样才能冲出地球大气层，并指出多级火箭可 以达到宇宙速度。他还相信向外星殖民的想法，认为这能使人类永久存在下去。 从那时开始，“航天”成为人们心中可以真正实现的梦想，全世界的人都记住了 这位大师的名言：“地球是人类的摇篮，但人类不会永远被束缚在摇篮里！” 他一生出版了500多部关于宇宙航行的著作，包括科幻作品。他在科幻小 说《在地球之外》中，设想的“宇宙游泳”、“宇宙枪”、在月面上降落的小型 “着陆船”等，同现代宇宙航行的实际情况惊人地符合。图2-1（a）是齐奥尔科 夫斯基设想的火箭。 齐奥尔科夫斯基于1903年出版的《利用反作用力设施探索宇宙空间》是 第一部从理论上论证火箭的论文。文中，他计算了进入地球轨道的逃逸速度是 8 km/s，论证利用液氧和液氢做燃料的多级火箭可以达到这个速度，见图2-1（b） 和（c）。 图2-1 齐奥尔科夫斯基奠定的火箭理论基础 （a）齐奥尔科夫斯基设计的火箭；（b）固体火箭和液体火箭；（c）多级火箭 火箭的原理说起来简单，不就是反作用力嘛！就像人在射击的时候，子弹 向前跑，枪托却往后顶的道理一样。的确如此，反作用力随处可见，你用手敲 击墙壁，会将手敲痛，这是因为墙壁施加于手上的反作用力；地面上的许多运动 也是利用反作用来实现的。当你认真分析多种运动机制后会发现，即使是由反 作用力的原理而产生的运动，也有两种不同的方式。比如，考虑人在水中游泳 的动作，是利用手臂、腿及身体的摆动，将身边的水向后推，同时水对人体产 生一个向前的反作用力，使人向前运动。但是，乌贼或章鱼则有另外一种水中 应急逃生时采取的运动方式，它们的身体内有一个储水的口袋，它会在身体紧 缩时，将其中的水急速喷出，借助于这些水喷出时的反作用力，乌贼便会迅速 作反向运动。总结以上两种反冲运动的规律，游泳人的反冲力是通过周围的介 质间接获得，而乌贼的反冲力则通过自身喷水而得到。能在没有介质的太空中 前进的火箭，其运动原理类似于乌贼，因此，人们常称乌贼为“水中火箭”。 喷气式飞机也是依靠尾部喷出高速气体的反冲力来使得机身向前运动。但 喷气式飞机需要吸进周围的氧气才能燃烧。太空火箭的发动机则不仅需要自带 燃料，还要自带氧化剂。因此，火箭的基本构造就是燃料加氧化剂。用固体燃 料的为固体火箭，用液体燃料则为液体火箭，见图2-1（b）。最早的中国古代火箭， 使用粉末状火药固体，就是固体火箭的例子。从现代观点看，固体火箭和液体 火箭各有优缺点。固体火箭的燃料容易长时间储藏和保存，可在任何时候点火 发射，但火药一旦点燃，便无法停止，难以控制。液体火箭的液态氧和燃料需 要低温储存，常温下容易蒸发为气体，不易保存。但液体火箭具有运载能力大、 方便用阀门控制燃烧量等优点，特别是在齐奥尔科夫斯基和几个火箭研究先驱 者所在的年代，被认为是实现太空旅行的最佳选择。 人们很早就有了“多级火箭”的想法，据说中国明朝（14世纪）的“火龙 出水”，算是最早的二级火箭雏形。因为火箭储料罐中的物质总是越用越少，罐 子的质量却不减少，有什么必要携带着这些多余的质量而影响火箭的推力呢？ 人们自然地考虑将几个小火箭连接在一起，烧完一个之后丢掉，再点燃另一个。 齐奥尔科夫斯基经过严格计算，系统地提出了人类如何使用多级火箭而进入太 空的理论。 齐奥尔科夫斯基为研究宇宙航行和火箭发动机奠定了理论基础。但谁能把 他的“现代火箭”理论变为现实呢？当年从美国和欧洲倒是走出了好几位热衷 于火箭的实干者和冒险家，有人受尽冷嘲热讽不气馁，有人年纪轻轻为造火箭 而献出生命，也有人一直活到90多岁，见证人类的登月之梦成为现实。欲知他 们姓甚名谁，且听下回分解。 第3节 戈达德饱受嘲讽 奥伯特见证登月 美国物理学家罗伯特·戈达德（Robert Goddard，1882—1945）比齐奥尔科 夫斯基晚出生20多年，却同样因为科幻小说的影响而迷上了太空。除了凡尔纳 之外，当年还有一部威尔斯的科幻小说《星际战争》，也对戈达德影响极深。对 科学着迷的少年往往会在经历某个平常事件的一瞬间，好像突然开窍，有时还 伴随着闪亮的思想火花，明白甚至确定了自己毕生的目标和志向。牛顿看见苹 果落地，爱因斯坦想象自己随光飞行，大概都属此种情形。戈达德的这一幕发 生在他16岁的时候爬上家里的樱桃树，看到宏伟浩瀚的天空景象的那一刻，那 迷人的太空奇景一定对他的心灵产生了巨大的震撼，以至于他从树上下来之后， 感觉自己完全变了一个人，已经不是原来的那个懵懂少年，从此立志把自己的 生涯定位在研究太空上。有意思的是，戈达德甚至毕生保存着那棵樱桃树的照片， 并且永远记住了这个日子：1899年10月19日。 虽然喜爱凡尔纳的科幻小说，戈达德和齐奥尔科夫斯基都很早就认识到，书 中描写用大炮将人送入太空的想法是不可取的，唯一能达到这个目的的运载工具 应该是火箭。因此，少年戈达德“立志太空”的愿望转变为将自己献身于火箭事业。 但戈达德却不如齐奥尔科夫斯基幸运，制造火箭的试验长期不被人们理解，甚至 遭遇不少讥讽和嘲笑。 戈达德在他的出生地——马萨诸塞州读完物理方面的本科和博士之后，在 该州的克拉克大学任教，终身进行他的火箭研究，他的早期火箭实验也大都在 家乡马萨诸塞州进行。他从实验固体火箭开始，到后来集中精力制造液体火箭， 持有两种火箭的专利。 戈达德不喜欢纸上谈兵。为了通过实践证明火箭真的能在真空中产生推力，1912年，他成功地点燃了一枚放在真空玻璃容器内的固体燃料火箭。1915年的 一个傍晚，克拉克大学校园宁静的夜空中突然出现一道明亮的闪光，接着是一 阵爆炸声和嘈杂的人声，导致校园内警报声大作，惊慌的学生们后来方知这是 戈达德教授进行的第一次火药火箭测试。戈达德后来曾经表示，对于那次实验 没有造成伤害而感到安慰。 之后，戈达德得到了少量资金，伍斯特理工学院允许他在校园边缘的一处废 弃空地上做实验。但是讨厌的媒体却经常嘲笑和歪曲报道他的工作，使得他似乎 感到有些“声名狼藉”。他对自己的研究过度进行保护，也不愿意与周围同行交流。 但他仍然坚持不懈地继续研究，从1920年开始研究液体火箭，认识到液氢和液 氧是理想的火箭推进剂，截至1941年，戈达德共获得了214项专利。 1926年3月16日，在马萨诸塞州一片冰雪覆盖的草地上，戈达德和妻子 以及两名助手成功发射了世界上第一枚液体火箭，这个发射地点后来成为美国 政府官方指定的国家历史地标。这枚液体火箭长约3.4 m，发射时重4.6 kg，空 重为2.6 kg，见图3-1（a）。飞行延续了约2.5 s，最大高度为12.5 m，飞行距离为 56 m。当然，这些数值离登月还差十万八千里，但在当时却是一次了不起的成功。 它的意义正如戈达德所说：“昨日之梦，是今天的希望，明天的现实。” 戈达德的名声虽然已经被世界各地的火箭爱好者所知，但当地的媒体却依 然继续调侃嘲讽他。 《纽约时报》的记者们甚至嘲笑他连高中物理都不懂，却整天想着星际旅行， 还给他起了个外号“月球人”。戈达德在1929年进行一次试验后，当地的报纸 报道此试验时的标题竟然是“月球火箭错过目标238799.5英里”a，这个数字大约 就是月地间的距离嘛，以此来挖苦他的月球火箭错射到地球上来了。 我们在第1节中介绍的布劳恩，到美国后回答美国同行有关液体火箭的问 题时困惑地表示：“你们不知道戈达德吗？我们的液体火箭都是向他学来的，他 才是我们的老师。”正是：可恶媒体不懂行，讥讽嘲笑又夸张，火箭专家志登月， 墙内开花墙外香。 布劳恩早年在德国时的真正老师是赫尔曼·奥伯特（Hermann Oberth， 1894—1989），火箭技术的另一位奠基者。奥伯特就曾经写信给戈达德索要论文。 戈达德从1930年至1945年去世，其间进行过31次火箭发射，精神可嘉但技术 上的进步不大，没有一次达到2.7 km以上，之后更被德国“二战”期间的火箭 a　1英里=1609.344米。 图3-1 戈达德和奥伯特 （a）戈达德1926年发射第一个液体火箭；（b）奥伯特（中间）研制火箭，右二是布 劳恩 研究所超越。 赫尔曼·奥伯特比戈达德又小了十几岁，但他在航天理论和实践上都做了 不少杰出的独立贡献，被认为是继齐奥尔科夫斯基和戈达德后又一位宇航学和 火箭学先驱。他直到1989年95岁高龄才去世，是真正见证过美国“土星五号” 运载火箭发射，以及了解“阿波罗”登月进程的航天老前辈。 航天研究之路不是那么好走的，奥伯特在14岁的时候就设计了一个反冲火 箭，使用排出的废气来推动火箭。但后来他的关于火箭科学的博士论文却因为“天 马行空，脱离现实”而被权威们驳回（1922年）。但奥伯特坚持自己的信念，不 愿为得到学位而另发表一篇文章。他自信地认为即使没有博士学位，自己也能 成为一名优秀的科学家，有什么必要仅仅为了迎合主流、获得博士学位而做违 心之事呢？由此他也批评当年德国的教育体制如同“一辆拥有大功率尾灯的汽 车，能照亮过去，却不能启迪未来！”无独有偶，奥伯特也和俄国的齐奥尔科 夫斯基一样，很多时候依靠当中学教师来维持生计。 之后奥伯特将他有关航天的思想写成《飞往星际空间的火箭》发表，仍然 未能引起科学家的重视。但普通公众对航天的热情有时候大大高于因为务实而 表现冷淡的学术界，各层次的读者竞相购买此书，第一版很快就销售一空。但 这并非奥伯特的愿望，他仍然在等待科学界的承认，方能更为顺利地进行他感 兴趣的固体火箭研究工作。 有位著名导演（弗里茨·朗）要拍摄《月亮夫人》的电影而聘请奥伯特作 为科学顾问，这件事给奥伯特带来了希望。因为为了宣传效果，在电影首映礼 的同时，有可能制造和发射一枚真正的火箭，这成为奥伯特的一项重要任务， 他也可以借此为火箭研究筹备更多的资金。电影首映式空前成功，但奥伯特却 懊恼无比，因为他设计的火箭没有成功发射，原因是奥伯特和他的助手都缺乏 机械方面的训练。 不过奥伯特关于宇宙航行的书却再次获得成功。在这本书的激励下，不少 航天爱好者组建了“德国星际航行协会”，奥伯特成为重要的会员，并且他的火 箭实验也于1930年取得了第一次成功。这次有了各方面人才的帮助，包括冯·布 劳恩在内。布劳恩那时才18岁，刚刚加入航天协会便崭露头角，见图3-1（b）。 试验进行了90 s，产生了约70 N的推力，进步明显但却还不足以使火箭飞离 地面。 除了几位火箭先驱的工作之外，当年这些航天协会一类的民间组织对航天 事业的推动是功不可没的。比如刚才所提及的德国星际航行协会，是由温克勒 和法利尔创建的，温克勒是一名航空工程师，马克斯·法列尔（1895—1930） 实际上是奥地利的火箭先驱，也是一位科普作家。他非常欣赏奥伯特的著作《飞 往星际空间的火箭》，并将它改写成了一本更为通俗的作品，取名《冲入太空》。 之后另一位年轻人，学生物的大学生威利·李又改写了一个自己的版本。这几 个人后来成为德国星际航行协会最活跃的骨干分子。 法列尔35岁时在一次火箭试验中牺牲，详情请看在第27节中的介绍。 除了德国的航天协会外，还有美国火箭协会、英国星际航行学会等，也都 对航天发展有所贡献。但无论如何，航天理论的祖师爷齐奥尔科夫斯基是俄国人， 他的祖国或他的民族也应该有他的追随者和继承人吧？答案是肯定的，这些人 是谁呢？且听下回分解。 第4节 委以重任科罗廖夫 举世无双冯·布劳恩 齐奥尔科夫斯基在苏联的追随者不止一个，其实有一批。从20世纪初这位 航天之父发表他的著名理论后，到“二战”之前，苏联也和当年欧洲的其他几 个国家类似，激励了不少航天科幻小说和航天爱好者组织了航天协会等火箭研 制团体，涌现出了一批火箭专家，并成功地发射了液体火箭和火箭飞机。不过， 我们在这里只代表性地介绍一个人。 话说当年德国的V2导弹专家布劳恩带着一批人投降了美国，使美国受益匪 浅。当然，除了火箭专家之外，重要的还有火箭研发基地。那块地盘原来是划 归苏联托管的，但美国不甘心，组成了一个突击队，将基地近百枚的V2火箭以 及相关设备几乎抢运一空，当苏军在后来抵达的时候，只看到一座座空空荡荡 的工厂。苏联只好忍气吞声地捡了点“残渣剩饭”，将一些留守的二三流科学家 及家属和剩余的研究设备运往苏联本土，进行火箭开发。 据说斯大林闻及此事曾对谢洛夫将军等人大发雷霆：“不是我们首先打败 纳粹、占领柏林，还有佩纳明德导弹基地吗？怎么现在美国却得到了这些专家 呢？”为了安抚这位独裁者，有人暗地里提醒说：“不要紧，火箭专家我们自己 也有的！”是啊，斯大林这才想起了在1933年，苏联的确成立过一个火箭研 究所，在1938年的劳动竞赛中，还研制出了著名的“喀秋莎火箭炮”、火箭飞机 等，后来用于实战效果不错，对战斗的胜利起了很大的作用。不过，斯大林有 些纳闷：记得在1938年，这个火箭研究所的几个领导已经在“大清洗”中被我 镇压枪决了，难道现在要到阴间去找回他们不成？ 手下人看出了斯大林的疑惑，赶快报告说，当初的火箭研究所里还有一个 叫科罗廖夫的副所长，他才是全面负责技术工作的人才啊！大清洗运动中他也 是被判了死罪的，所幸没有立即执行，这个人在西伯利亚做了几年苦工之后， 现在正在一个监狱工厂里为我们研究和设计火箭呢！听到这里，斯大林僵硬的 脸上才露出了一丝丝笑容…… 谢尔盖·科罗廖夫（1907—1966）生于乌克兰，因父亲早逝、母亲改嫁， 小时候生活坎坷，没能进入正规中学念书。但他痴迷于飞上太空，在飞机工厂 中半工半读时，得到著名的飞机设计师图波列夫的赏识和指点。后来，科罗廖 夫成为一名滑翔机设计师和驾驶员，并在齐奥尔科夫斯基的影响下，将他的志 向转为研究火箭和航天，由于在研制火箭的协会中崭露头角，被任命为副所长， 后来便有了刚才所述的被清洗到西伯利亚监狱坐牢之事。 图波列夫可算是科罗廖夫命中的“贵人”，少年时将他带上航空航天之路； 后来，斯大林对知识分子进行政治镇压和迫害时，图波列夫自己也受到牵连， 但是因为“二战”的缘故，苏联太需要飞机了，也太需要像图波列夫这种研究 飞机的人才，因此才将图波列夫从无期徒刑监牢里释放出来为苏联研究飞机对 抗希特勒。图波列夫得到自由后又使尽全力将科罗廖夫脱离死牢，最后推荐他 在研制火箭中担任重任，为苏联发射了第一颗人造地球卫星，成为载人航天的 开创者。 虽然苏联从德国捞到的油水不如美国那么多，但苏联雄厚的科技实力和俄 罗斯民族的大国气概帮助了他们。苏联毕竟是航天之父的故乡，这位伟人早已 于1935年去世，但他的弟子无数，影响尚存。特别是现在有了科罗廖夫，斯大 林不担心了，战争刚结束便派他到德国去考察V2导弹基地的情况，因为斯大 林对德国造出的从远处直攻英国本土的“那有趣的玩意儿”印象颇深。战后的 世界局势会如何发展呢？原来的同盟国很难再“同盟”下去，丘吉尔和杜鲁门 那两个家伙看来是要“结盟”对抗社会主义阵营的，苏联这个“老大哥”当然 首当其冲。斯大林清楚地知道，不管“冷战”“热战”，重要的还是过硬的实力， 一定要有自己的独门功夫才行，否则你就只能成为杜鲁门所言的“听话的乖孩 子”。“冷战”与“热战”唯一不同的是：“热战”中的实力帮助赢得战争，“冷战” 中的实力起到威慑对方的作用。如今，美国手握原子弹，世界已经见识了其威力， 这玩意儿我们苏联当然也得有！所以，看起来，研制原子弹和洲际导弹是目前 的当务之急啊！ 弹道导弹的研制也最好从模仿现成的V2 开始。好在苏联也俘获了一批这方 面的德国专家，他们和科罗廖夫一起工作了一两年之后，终于把V2发射出来了。 这时候，苏联领导觉得德国专家还留在这儿碍事。导弹火箭已经不需要他们帮 忙了，这些人反而有里通外国、潜伏起来成为间谍的可能性，于是便将他们全 数送回了德国。 却说在美国这边，根据原来的约定，冯·布劳恩等100多名研制V2导弹的 专家们为美国工作1年之后便应该是来去自由，但实际上他们绝大多数都长期 留了下来。美国本来就是移民国家，对有一技之长的专家学者，更是来者不拒、 多多益善。这批人感到在美国工作待遇不错，能用其所长，所以愿意长留，他 们后来为美国航天事业做出了不朽的贡献。 如此一来，苏联和美国都有了自己的火箭队伍及其领军主帅，促使那一段 时间内（大约10年）对液体火箭的研究发展迅速，双方都很快重新试射了V2 导弹，并在它的基础上研发成功了中程导弹。但是，令当时苏联领导人赫鲁晓 夫感到很不爽的一点是，美国将中程导弹部署在欧洲国家，其射程可以到达苏 联。但苏联却没有控制任何用中程导弹能打到美国的地区。这个差别激励苏联 下决心尽快研发出洲际导弹。当时被任命为弹道式导弹总设计师的科罗廖夫不 计前嫌，本着科学家热爱祖国的满腔热忱，不辞劳苦地与专家们一起日夜奋战， 取得了一连串的丰硕成果。最后，苏联于1957年8月3日，宣布第一枚洲际导 弹（P-7或R-7）发射成功。一年多之后，美国也很快跟上，成功发射了他们的 第一枚洲际弹道导弹“SM-65宇宙神”。不过，又有了洲际导弹安放于何处的问题， 当然是离敌方越近越好。再者，赫鲁晓夫喜欢张扬，他不愿意将闷气憋在肚子里， 有机会就要发泄，于是导致了1962年的古巴导弹危机，成为“冷战”的顶峰和 转折点。 苏联的R-7和美国的宇宙神都是在纳粹的V2导弹基础上改进的，十几年 的努力不会白费，推力和射程比起V2导弹大大增加了，见图4-1。 于是，到了20世纪50年代末，苏联和美国都有了核武器，也有了能够将 它们互相送到对方家里去的洲际导弹。北极熊和白头鹰谁也不怕谁了！虽然谁 图4-1 德国、苏联、美国早期导弹（火箭）技术比较 也不想首先挑起战争，但都有了能够威慑对方的武器作为资本握在手里，双方 暂时相安无事。 这种情形下，两方的科学家都不约而同地想起了他们儿时的梦想，也就是 他们当年研发火箭的初衷：飞到太空去！实际上，不论是科罗廖夫，还是冯·布 劳恩，由他们研制成功的火箭都已经飞上了太空的高度（100 km），再做一些改 进便可以将航天器送上天，而不是将核弹头送到地球某处去杀人。 那么，什么是最先考虑送上天的航天器？送到哪儿去呢？且听我们下回 分解。 第5节 苏联卫星发射抢先 美国落后心有不甘 除了地球之外，人类最熟悉的天体是太阳和月亮。太阳热气腾腾只能敬而 远之，月亮则是一个宁静安详的亲密伙伴，犹如一名守卫着地球的士兵，人类 亲切地称它为“卫星”。那么，我们是否首先可以发射一个人造物体，如同月亮 那样绕着地球转呢？这个人造物体可以带上需要的仪器设备，代替人类从高处 来观测地球、监控大气，研究地磁场以及海洋、潮汐、太阳黑子等，为我们提 供各种服务，真正达到“守卫”地球的目的。也就是说，能否发射“人造卫星”？ 肯定的答案早在1687年就被物理先驱牛顿给出。根据万有引力定律，任何 两个物体之间都存在互相吸引的力，苹果下落、月亮绕圈，都是同一种力在起 作用。地球绕着太阳转，月亮绕着地球转，但为什么会一个绕着另一个转，而 不是像苹果那样掉到地面上呢？是因为它们有一定的速度（注：本书中经常使 用“速度”一词，实际上指的是速率）。如果没有引力，被抛出的物体将顺着它 的速度方向作直线运动，引力使它从直线偏离。比如说，我们从地面上抛石头， 石头走的是曲线不是直线，因为地球对它的引力使它从直线偏离。 牛顿在认真研究引力问题时，设想了一个用“牛顿炮”发射人造卫星的思 想实验。如图5-1（a）所示，位于高处的牛顿炮沿着水平方向射出一发炮弹， 炮弹的初速度越大，便能够射得越远。速度小一些的时候，炮弹射到A点；如果 加大速度，炮弹便能到达更远的B点； 如果速度大到一定的数值（V10），便有可能 使炮弹绕过地球半径到达C点并且不再回到地面上，而是环绕地球作圆周运动。 能够使得抛射物体环绕地球作圆周运动的速度的数值，与发射点在地球表 面的高度h有关，如果h=0，V10=7.9 km/s，叫作地球表面的第一宇宙速度。 设想发射点的高度不变，但抛射物体的速度继续增大，例如速度为图5-1（b） 中的V10、V11、V12、V13等，抛射物体仍然绕地球转圈，作周期运动，但轨道变 成椭圆。速度越大，椭圆越扁。即轨道的偏心率越大，意味着椭圆的长轴越长。 当速度大到某个数值V20时，长轴变到无穷大，也就是说，抛射出去的物体不 再回到地球附近。这个使得物体“挣脱”了地球引力束缚的最小速度V20为第二 宇宙速度，它的数值是11.2 km/s。如果速度再增加的话，物体有可能挣脱太阳 的引力，飞出太阳系，那个极限速度叫作第三宇宙速度。与地球引力场有关的， 只是第一和第二宇宙速度。以这两个速度之间的速度发射的物体，将类似于月球， 理论上来说，不需要额外的动力就会永远围绕地球转圈，即成为地球的人造卫星。 当时科学家们建议发射人造卫星的呼声，也正好迎合了东、西两方政治家们 的野心。“二战”之后世界力量重新组合，基本上是不打明仗来点“冷战”，双方 图5-1 人造卫星和宇宙速度 （a）牛顿炮预言人造卫星；（b）宇宙速度 的原子弹导弹暂时都是放在家里吓唬人的东西，如果能首先发射一颗人造卫星， 不但显示国力，也应该还有真正的用途。20世纪50年代初期，英美各国的科学 家们就开始在学术刊物上研讨相关问题。1955年7月29日，美国总统艾森豪威 尔颇有些得意扬扬地宣布说：“美国将于1957年发射第一颗人造卫星！”在一个 星期之后，苏共中央同意了科罗廖夫几年前有关人造卫星计划的建议。不过， 苏联人善于保守秘密，美国人又大而化之，对苏联“太空计划”之细节不得而知， 也从未听过科罗廖夫的名字，搞不清楚谁是苏联火箭技术的领导人，只称呼他 为“主任设计师”，并且由此而小看了苏联的科技力量，总以为自己在导弹和宇 航领域上理所当然地站在最前沿。 不料苏联却在1957年10月4日，给美国人投下了一颗重磅炸弹。苏联在8 月26日成功发射洲际导弹后不到一个半月的工夫，就宣布发射了第一颗人造卫 星“斯普特尼克1号”（Sputnik Ⅰ），见图5-2（a）。 苏联抢先发射人造卫星的消息，的确是一颗“心理炸弹”，投在了美国政府、 图5-2 苏联、美国、中国的第一颗人造卫星 （a）苏联于1957年10月发射世界上第一颗人造地球卫星；（b）美国的第一颗人造 卫星（比苏联晚了4个月）；（c）中国第一颗人造卫星（发射于1970年） 媒体、民众、科学家的心上。媒体一片嘲讽，科技界人士沮丧，老百姓则有些 惊慌，以为美国如今“技不如人”，安全会受到威胁。虽然艾森豪威尔及时地于 10月9日发表电视演说，祝贺苏联的成就，并解释本国卫星研究的现状，保证 美国没有安全问题，但股票市场仍然遭受重创，道琼斯指数从3日的465.82点， 跌到22日的419.79点，3周内跌幅近10%。这个事件拉开了美苏太空竞赛的 帷幕。 事实上，当初美国是有可能首先发射卫星的，但他们错误地估计了形势， 自以为是。美国曾经在“斯普特尼克1号”发射之前尝试过两次发射人造卫星， 但由于种种原因均告失败。况且，在这种大项目上，资本主义国家那种多条渠 道分散科研的体制，显然没有集权制度来得有效。不过，这也激起了美国决策 人员的重视和警惕，并改进了诸多科技方面的措施。比如说，美方技术人员在 两天内便计算出了“斯普特尼克1号”的轨道；1958年，美国成立了美国宇航 局（National Aeronautics and Space Administration, NASA），正式开启了一系列的 航天计划； 美国人开始重视教育，教育界人士想，我们怎么会落在苏联之后呢？ 可能是数学训练不够所致。因此，他们推动了新数学运动，要培养出一流科技 人才。此外，国家科学基金会的设立，使科学界意外地获得了大量研究资金。 美国人如此不甘示弱，在4个月后，便也成功地发射了人造地球卫星“探 险者1号”，见图5-2（b）。第一颗人造卫星的意义主要是象征性的，从图5-2 中的尺寸比较，两方第一颗卫星的本体都不大，“斯普特尼克1号”是球形，“探 险者1号”是长形，但前者的质量大（83.6 kg），差不多是“探险者1号”质量 的6倍。第一颗卫星看起来都只像是个简单的玩具，关键设备是能够将它们加 速到第一宇宙速度（7.9 km/s）、推上“天”去的运载火箭。推动“斯普特尼克1号” 的火箭叫作R-7，推动“探险者”的火箭叫作“朱诺Ⅰ火箭”（注意：与NASA 在2011年发射的木星探测器重名）。卫星虽然小巧玲珑，发射它们的火箭却都 是庞然大物，火箭的尺寸，即高度和直径，都是卫星的10倍左右，质量达到几 十吨。两个庞然大物分别由两方的首席火箭专家科罗廖夫和布劳恩设计。 科罗廖夫大胆采用三节捆绑式R-7火箭，成功地将世界上第一颗人造地球 卫星“斯普特尼克1号”送入轨道。卫星上配有两台无线电广播发射器，它们 持续工作了23天，连续不断地将“beep”的声音从太空传送给地球，让全世界 的人对苏联不得不刮目相看。这无疑是科学上的重大成果，但是，设计者科罗 廖夫的名字却不为人所知。据说诺贝尔奖委员会曾经有意为第一颗人造卫星颁 奖，问到谁是设计研制者时，赫鲁晓夫回答：“是全体苏联人民！”诺贝尔奖不 发给如此巨大的集体，那这个奖当然就无人可颁了。 紧接着，苏联又做出了一系列的第一名，使社会主义阵营脸面增光、扬眉 吐气。1957年，人造地球卫星2号带小狗“莱卡”进入太空。“莱卡”是第一个 在太空条件下生活过的生物，它只在太空存活了数小时便因中暑而死，所以也 是动物中的第一个太空飞行牺牲者。1958年，苏联成功地发射了第一颗科学卫 星（“卫星3号”）；1959年发射了“月球1号”探测器，标志着人造物体首次脱 离地球轨道…… 有意思的是，美国人总不接受教训，也学不会对他们认为是民用的航天计 划来点“保密”措施。他们提前宣布在1961年5月上旬要把美国人送上太空。 要知道苏联对此也是早就“万事俱备只欠东风”了。不过，那个年代的苏联在 航天相关研究过程中出了一次大事故（本书在最后一章中有所介绍） 。炮兵元 帅被炸死的阴影还在赫鲁晓夫的脑海里挥之不去，但最后在科罗廖夫的坚持下， 苏联终于又抢先了一步。1961年4月12日，苏联人加加林成为首次进入太空的 人，他乘坐“东方一号”飞船，绕地球一圈，在太空逗留了108 min并安全返回 地球。那天，焦虑不安地在电话旁守候了一个多小时的赫鲁晓夫听到铃声后抓 起电话，第一句话是：“先告诉我，他是否活着？” 听见了肯定的答案后，赫鲁晓夫心中的石头落地，冒出第二句话：“让他高 兴高兴吧！” 赫鲁晓夫问话中所担忧的加加林依然活着。不过他在短短的太空之行中险 象环生，他的飞船呼啸翻滚着降落在离预计目标甚远（400 km）的一片草原上， 将地面撞出了一个大坑！他自己倒是幸运，从飞船中被弹射出来后，他撑着降 落伞平稳地落在了一块软绵绵的耕地上。 加加林身穿橘红色宇航服，个头不高，1.57 m。据说挑选小个头的加加林担 此重任也是科罗廖夫精心考虑过的，以便更容易被塞进空间有限的飞船中。话 说这位宇航员扒开被风吹得飘飘摇摇的降落伞，安然无恙地站起来后，立刻凭 直觉认出了这里仍然是祖国苏联的领土。这是第一件大好事，因为根据预先设 置的命令，如果降落在敌对国家的话，就得考虑引爆预先设置的炸弹，来个“光 荣牺牲”，以避免背上“叛逃”的嫌疑。奇装异服的加加林朝正在耕地上劳动的 一对母女走过去，一开始吓坏了她们。但最后，加加林在母女的帮助下，赶快 打电话给莫斯科报告了这个喜讯，也立即高兴地得知了他已经被命名为“苏联 英雄”并且军衔连升两级、成为少校的好消息。 加加林上天，实现了齐奥尔科夫斯基的名言：“地球是人类的摇篮，但人类 不会永远停留在摇篮里。”世界各地的媒体都报导了这个消息，满面笑容的苏联 人加加林代表人类，第一次离开了“摇篮”！ 3个星期之后，美国也用“水星号”将第一个美国人阿兰·谢泼德送上了太 空，但终究还是又一次错失了第一名。并且，这个美国的第一次载人太空旅行 只是一次弹道似的，没有进入地球的轨道，飞行时间总共只有15 min 22 s。 这些为人类登月进行准备的航天活动中，苏联都走在了美国的前面，可惜 好景不长，1969年至1970年的“阿波罗计划”为美国打了一个翻身仗。 苏联人为何没有登上月亮？美国人的月球计划是怎样取得成功的？月亮的 运动有何特点？作者将在下一章中慢慢道来。 第2章 登月之路 “纵令奔月成仙去,且作行云入梦来。” ——唐·包何 第6节 古月依然照今人 犹抱琵琶半遮面 文人都喜欢用月亮做文章，古代诗词中咏月的句子多不胜数。张九龄《望 月怀远》：“海上生明月，天涯共此时。”李白的名句：“今人不见古时月，今月曾 经照古人。古人今人若流水，共看明月皆如此。”都脍炙人口，广为流传。 有人说：无论您是哪个民族、哪国人，无论您身在何处，我们看见的都是同 一个月亮。这句话有科学味！还可以说得更具体一点：所有的地球人看到的不仅 仅是同一个月亮，并且都是月亮的同一张“脸”！无论谁，只要他是在地球上 拍摄月亮的照片，拍出的总是图6-1中左边所示的“正面”像（或者正面像的一 部分）。他不可能看到类似于图6-1所示的月球“背面”，那是直到1959年，苏 联的人造卫星（“月球3号”）上天后才第一次拍摄到的。“月球3号”在飞过月 球背面时发回了29帧图像，覆盖了月球背面70%的面积。后来，“月球3号” 图6-1 月球的两面（图片来源：NASA） 第2章 登月之路 35 自己也成为地球的一颗卫星。 也就是说，月亮对地球总是羞羞答答地“犹抱琵琶半遮面”。月亮的这种古 怪行为中暗藏着哪些秘密呢？ 1. 潮汐和潮汐锁定 月球是绕着地球旋转的天然卫星，如果月亮绕地旋转时只有公转没有自转， 情况就像图6-2（a）左边所示，地球上不同的地点可以看见月亮的不同部分。 但是，如果月亮在公转的同时也在自转，如同图6-2（a）右边所示那种情形的话， 则从地球上的任何一个点都只能看见图中月亮白色的一面，而无法看见蓝色的 一面，这就叫作月球被地球“潮汐锁定”。 月球的这种现象，和我们通常所说的“海洋潮汐”有什么关系呢？ 地球上海洋的潮汐现象是月球对地球的引力产生的。太阳引力也会在地球 上产生潮汐，但由于距离远故而影响较小。如果只考虑地月系统的话，可以说， 潮汐是因为月球对地球各个部分的引力不同而产生的。 将牛顿万有引力定律应用于研究天体的运动时，主要从两个关键的方面来 探讨。一是天体质心的运动轨迹，即将每个天体看成一个点，来研究它们的轨 图6-2 潮汐力和海洋潮汐 （a）月球的潮汐锁定；（b）月球引起地球海洋涨潮、落潮 九天揽月：太空探索史话 36 道运动。比如所谓的“开普勒问题”，便是将两个天体作为质量集中的两个点来 研究，并不考虑它们的尺寸大小。但是，实际上的天体并不是“点”，而是具有 “尺寸”的。因此，天体间的引力不仅仅影响到它们的轨道，也影响到天体自身 绕其质心的旋转运动，这便是万有引力用于天体力学的第二个重要方面。 万有引力随着距离的增加而减小，距离越近引力越大，距离越远引力越小。 地球有一定的体积，某种条件下可以当作一个球体而不是一个点。因此，月球 与地球上不同部分的距离不同，引力也不同。如图6-2（b）所示，月球对地球 上A点附近海水的吸引力要大于对B点附近海水的吸引力，因为A点距离月球 更近。引力不均匀的结果使得地球上海面在月地连线的方向上“隆起”，形成潮 汐现象。后来，“潮汐”这个名词被推广到泛指“因为引力对物体各个部分作用 不同”引起的某些效应。 月球对地球的潮汐力引起地球上的“涨潮落潮”。反过来，地球对月球也 有潮汐力，比如说，图6-2（b）中月球上的C点和D点，地球的引力在这两点 有不同的数值：C点离地球更近，受到的引力要比D点更大。不过，因为月球 上没有海洋，不会有与地球类似的海洋潮汐现象，而是使得月球的形状稍有变 化：在沿着地月连线的方向上变得更长，横向则收缩，月球成为一个椭球形，如 图6-2（b）所示。假设月球没有自转只有公转，公转使月球平移到图6-2（b）（或 者图6-3（a））中右上方的位置，这时，潮汐力（地球在C和D点的引力差）产 生一个使椭球形的月球绕自身中心逆时针旋转的力矩，也就是说力矩的作用将 使月球转回到与地月连线一致的椭球轴。如果月球原来就在自转，并且自转速 度大于公转速度，力矩的作用方向则相反，最后的结果都是趋向于“自转周期 等于公转周期”的同步状态，或称“锁定”在以同一张“脸”对着地球的状态。 2. 月亮正在远离地球 月地系统中的引力潮汐作用还有另一个效果：月亮和地球将会相距越来越 远，或者说，月亮正在逐渐远离地球。这个现象与地球的自转周期及月球的公 转周期有关系。 地球自转周期大约为一天，月亮公转的速度就小多了，大约一个月才绕一 圈。因为潮汐力，地球的海面沿着地月连线方向鼓起来。如前所述，地球自转 超前月球公转，地球将这个“潮汐隆起”带到与地月连线偏离一个角度的位置， 见图6-3（b）中的地球周围情况。这时候有两种力在互相抗衡：海水与地表的摩 擦力企图使“隆起”紧跟上地球自转的步伐，而月球对地球的引力却仍然沿着 原来“隆起”的方向。因为两者速度的不同，使得月球引力对地球自转有一种 “拖曳”的作用，摩擦力发热产生耗散，结果使地球自转的能量和角动量减少。 从角动量守恒的角度看，地月系统的总角动量是守恒的，地球自转角动量的减 少将使月球的轨道角动量增加。 轨道角动量L=mυR，是月球质量m、轨道线速度υ和轨道半径R的乘积。 卫星绕行星运动的速度υ与轨道半径R的平方根成反比，因此，轨道角动量便 图6-3 潮汐力影响月球、地球的运动 （a）潮汐力影响月球自转；（b）潮汐摩擦力改变角动量 九天揽月：太空探索史话 与R的平方根成正比。所以，月亮轨道角动量的增加意味着更大的R，也就是说， 月亮轨道半径将越来越大。总之，潮汐力和潮汐摩擦的共同作用，使得地球自 转越来越慢，同时将月亮越来越往外推。 当然，这种效应是非常微小的，以至于我们平时完全感觉不到。多微小呢？ 大约是每100年地球自转的周期（1天）将会变慢1.6 ms。你当然不会在乎如此 小的变化，不过，月球轨道的增加听起来给你的印象可能要深刻一点：每年增加 3.8 cm左右。并且，这个距离变化可以使用“阿波罗”宇航员安置在月球上的 反射镜较为准确地测量出来。每年增加约4 cm，100年就要增加4 m左右。在 大约5000年的中国历史中，这个距离已经增加近200 m了。看来，前面说过的 李白名句：“古人今人若流水，共看明月皆如此。”好像不那么正确啊！古人看 到的月亮比当今的月亮更大，古人观察到的日全食，要比现在的遮挡得更完整。 而多年后的“未来人类”，恐怕就只能看见日环食了。在6亿年之后，地球和月 球的距离会增加23 500 km，从那时开始，即使月球在近地点，地球在远日点， 也将会因为月球离地球太远而不再发生日全食。当然，月球实际轨道平均半径 是3.84×105 km，6亿年的改变为6%左右，仍然是个小数目。 3. 如果月球公转比地球自转快 这不是月球和地球的真实状况，但却可能是某个其他卫星的情形，因此我 们也凭假想来简单讨论一下。 根据卫星绕行星运动的规律，公转速度越大，轨道半径就越小。月亮现在 的公转周期为1个月，设想它的速度在短时间内突然迅速加快，其轨道半径将 从3.84×105 km变小，变小，一直小到4.2×104 km左右。那时候，月亮绕着地 球转1圈只需要1天。我们的一年中不再有1月到12月，只有一天又一天。月 亮变成了地球的同步卫星，不再有阴晴圆缺，我们每个时刻都看到一个同样的 月亮，有的地方看得到，有的地方看不到！然后，假设月球的公转速度固定在 比地球自转稍快的某个状态，我们再来重新考虑图6-3（b）中潮汐产生的摩擦 力对地月系统的影响。这时图中的方向都得反过来，因为卫星的公转周期短于 行星的自转周期，潮汐水峰将加速行星（地球）的旋转，而使得卫星（月亮） 的角动量和能量减小，因而行星不会向外推卫星而是将卫星朝自己身边拉。最后， 卫星会落到行星上面。 4. 地球为什么不对月球锁定 月球的自转、公转周期被同步锁定，因而月球只有一面对着地球。在刚才 的解释中，如果我们将月球和地球的位置互换，同样的道理也应该适用于地球， 但地球却不是只有一面对着月球的，这又是为什么呢？地球为什么没有被月球 的潮汐力“锁定”呢？ 不难想象，问题的答案一定与月球和地球的相对大小有关。大的容易影响 和控制小的，小的就不容易影响大的了。具体来说，“潮汐锁定”是需要时间的， 只是逐渐锁定，不会瞬间完成。星体越大，被锁定所需要的时间就越长。实际上， 刚才的分析中提到的地球自转速度逐渐变慢，是和趋向锁定的变化方向一致的。 两个天体能够多快互相锁定的问题，取决于两个天体质量之比。在太阳系 行星的卫星中，月球与地球的质量比是最大的：质量是地球的1/81（1.2%）。但 如果也考虑“矮行星”的话，就比不过冥王星的卫星卡戎了。卡戎与冥王星的 比例更大一些，质量比为11.65%。这个大小比例使得两者的共同质心已经完全 在冥王星之外。所以，有人认为卡戎不应该被看作是冥王星的卫星，而应该将 两者看作一个都绕着质心旋转的双（矮行）星系统。卡戎与冥王星就是处于互 相都被潮汐锁定的状态，它们俩以6.387天的周期互相绕圈跳着双人舞，并且永 远以相同的“脸”遥遥相对，谁也看不见谁的后脑勺，见图6-4（a）。 九天揽月：太空探索史话 5. 轨道共振 月亮自转、公转同步的现象，类似于一种共振，称之为自旋与轨道间的“引 力共振”，或自旋轨道共振。月亮的共振是属于自转公转周期比为1∶1的情形。 天体运动中也观察到很多其他比值的自旋轨道共振。比如说，水星的自转与其 绕太阳公转周期的比值为3∶2。 除了天体本身的自旋会与轨道产生耦合之外，两个离得比较近的天体的轨 道之间也会互相耦合而产生共振。轨道共振是天体力学中的常见现象，类似于 用重复施加的外力推秋千所产生的累积效应。例如，木星的伽利略卫星木卫3、 木卫2和木卫1轨道的1∶2∶4共振，以及冥王星和海王星之间的2∶3共 振等。图6-4（b）显示亡神星与海王星的轨道共振。 6. 月亮其实不是“半遮面” 更仔细的计算表明，从地球上并不是刚好只能看到月球的一半，而是能够看 到整个月球的59%左右。地球转来转去，偶然总能惊鸿一瞥，窥探到一点点月亮 背面隐藏的秘密！这额外9%的来源，与另一个叫作“天平动”的天体运动机制有关。 图6-4 自旋相互锁定和轨道共振 （a）卡戎和冥王星相互自旋锁定；（b）亡神星与海王星的轨道共振 宇宙并不是一个拧紧了发条的大钟，其中的天体遵循引力规律而运动，天 体间的相对位置每时每刻都在因为运动而改变。但变中有不变，对太阳、地球、 月亮组成的三体系统而言，互相的公转及各自的自转是最基本的，其他可看作 是基本运动状态之外的“修正”。 天平动是一种缓慢的振荡。天平意味着平衡，平衡中有振动和摇摆，因而 谓之“天平动”。对月球而言，自转和公转已经同步锁定，但某些轻微的摆动使 得地球上的观察者在不同的时间能看见稍微有点不一样的月面。这些摆动的原 因有4 种：纬度天平动、经度天平动、周日天平动和物理天平动，见图6-5。 经度天平动是因为月球的公转轨道不是一个正圆，而是有少许离心率的椭 圆，这使人类在东西侧能多观察到约235 km的月面，见图6-5（a）。 纬度天平动是因为月球自转轴对月球轨道平面不是绝对垂直而造成的，相当 于在南北极方向能够多看到约200 km的距离，见图6-5（b）。 周日天平动是因为地球的自转所造成的，它使地面上的观测者从地月中心 连线的西侧转至东侧，将使赤道的观测者能在东西侧多看见约30 km的区域， 图6-5 月球的天平动 （a）经度天平动；（b）纬度天平动；（c）周日天平动 注：W—西； E—东； N—北； S—南； max—最大值 九天揽月：太空探索史话 见图6-5（c）。 前面3种可归因于几何原因造成的天平动，与轨道、转轴方向或地球大小 等几何因素有关。另外一种物理天平动便是由于各种原因（诸如地球引力、其 他天体引力、月震等）造成的月球的摆动。不过，物理天平动比几何天平动小 得多，只有百分之几，一般忽略不计。 7. 月球地貌 上面介绍的都是有关月亮的轨道及自转等力学特征。现在大家已经明白了 我们为什么只看见月亮的同一张“正面脸”的道理。然而，那脸上大片大片的 阴影是些什么呢？人类用望远镜仔细观察后，早就知道了那不是什么吴刚嫦娥 桂花树之类的神话故事角色，而是月表高高低低的地形反光不同造成的。不过， 早期的天文学家们误以为月球表面和地球表面类似，有山有海，所以给这些月 球表面上的相应区域所起的名字，不是山就是海。不过山是环形山，命名基本 正确，而什么雨海、风暴洋、岛海、静海、危海、澄海、丰富海等，就不符合 事实了，这些海中一滴水也没有，只是较为平坦低洼的玄武岩平原，据推测是 古代火山爆发的产物。其中面积最大的是风暴洋，横跨月球南北中轴线，绵延 达2500 km以上。 但是，人类虽然用望远镜将月亮正面看了不知道多少遍，仍然难以判定月 球物质的成分，它们是否和地球上的成分一样？还是有什么新的物质结构？而 对月球的背面，人类就更是知之甚少了。从图6-1可以看出，月球背面没有正 面那么多的阴影，是一张单纯而明朗的“脸”，显然有比较少的“月海”，那么， 它上面又主要是些什么呢？据说是一大堆起伏不平的撞击坑。它们成分如何呢？ 俗话说，“百闻不如一见”，要回答这些问题，最好还是要派使者登上月亮去看看。 谁派出了第一个使者？且听下回分解。 第7节 双子星计划成功 苏联栋梁病逝 说实话，苏美太空竞争打来打去的结果，却是对人类航天事业做出了非凡 贡献。此外，尽管苏联人最后没有成功登月，但他们早期的无人探月任务对月 球探测所做的努力也不容忽视。 1959 年，苏联在几次发射月球探测器失败之后，成功地在同一年相继发射 了“月球1号”“月球2号”“月球3号”无人探测器。虽然“月球1号”与月 亮失之交臂，但“月球2号”却成功地击中了月球，在月面上撞出了一个大坑， 成为第一个从地面上被人为地“抛”到了另一个天体上的人造物体。“月球3号” 则第一次绕到月球背后，拍摄到了70%的月球背面照片，让人类第一次大开眼 界，看到了几千年未曾见过的月亮“后脑勺”。 从基本物理原理的角度而言，发射人造地球卫星比较简单，只要火箭有足 够的推力将卫星加速到第一宇宙速度以上，卫星就可以围绕地球而转了。但如 果要将人送到月球上，进行科学考察活动，然后还要安全地返回到地球，就需 要多得多的精密策划和细致考虑。 将人送到太空、月球，再到其他星球，即“载人航天”，是一个史无前例的 伟大事业，这其中要考虑哪些主要因素呢？ 人类作为生物体，对太空的环境能否适应？这是首先要研究的问题。比如， 九天揽月：太空探索史话 失重对宇航员心理及生理方面的影响，太空中宇宙线辐射、与流星碰撞等问题， 都需要考虑。这些问题除了理论研究外，需要进行多次动物实验，苏联发射第 二颗人造卫星时带上了小狗“莱卡”的目的之一便是研究生物体对太空特定环 境的反应。继“莱卡”之后，苏联卫星还带过多只狗狗上太空。美国人没用小狗， 而是使用猿猴和黑猩猩进行动物太空实验。这些动物对点火、发射、加速、失 重等飞行条件，似乎都感觉良好，因此增强了科学家对载人航天的信心。 苏联和美国几乎同时开始进行载人航天计划。苏联的“东方计划”和美国 的“水星计划”，都在1958年启动，分别代表了两个大国航天计划的第一步。 如前所述，当年的苏联在太空竞赛中似乎领先，苏联人加加林先于美国人进入 太空。但实际上美国的火箭实力并不逊于苏联，美国输在研发机构的分散和混乱， 苏联赢在政府对科技的集中权威控制。美国科学家和工程师们不断地研发航天 新技术，也不利于那种“赶时间抢第一”方式的竞争，但日子长了，实力最终 仍然会凸显出来，苏联暂时的领先造成美国民众心理不平衡，两大国的航天专 家们处于不同的“压力”之下，决心要在登月途中再见分晓。 人类梦想“登月”，却不可能一步登天。就美国的航天计划而言，第一步的 “水星计划”包括了太空生物学研究，进行灵长类动物太空实验，最后将人送入 地球轨道等研究任务。该计划于1963年完成，之后被“双子座计划”取代。双 子座计划旨在为其后的“阿波罗计划”做准备，积累更先进的技术，包括如下 一些具体项目：实现太空行走和轨道机动； 航天器之间的交会对接；延长宇航员 和飞船在轨的驻留时间到两周左右，以便足够前往月球并返回；测试载人系统的 安全性并在预定地点着陆，为宇航员提供太空飞行中需要的“零”重力环境和 飞行器对接的经验。 一般认为登陆月球有3种方案。一是直接登月，即用大型火箭把载有宇航 员的航天器直接发射到月球表面，完成任务之后，航天器又从月球返回地球。 第二种叫作“地球轨道交会”，意思是用较小型的火箭将登月航天器的不同部分 送入地球轨道，在地球轨道上进行交会对接后再前往月球，然后返回。 直接登月的方案是一步到位，似乎简单但不太保险，听起来像是“发射炮 弹”，并需要巨型运载火箭。第二种的优越性是可以使用推力较小的火箭，但在 地球轨道上“交会”并没有经验，不知道成功的概率有多大，专家们更倾向于 第三种“月球轨道交会”的方案，见图7-1（c）。这种方案中，航天器分为“母 船”和“登月舱”两部分，由大型火箭将整个航天器发射到绕月轨道上，之后 在月球轨道上两名航天员进入登月舱，驾驶登月舱与母船分离，并降落在月球 上。然后，母船继续环绕月球飞行，在绕月轨道上等待登月舱返回。登月航天 员完成任务后，返回登月舱，驾驶登月舱飞离月球并返回月球轨道，与绕月飞 船对接后返回地球。 无论地球交会还是月球交会，整个航天器都是由能分能合的两部分组成。 因此，在真正实施登月计划之前，有两个重要问题需要考虑，第一个是航天器 的运行轨道如何从环绕地球的轨道转换到环绕月球的轨道，第二个是两个航天 图7-1 3种登月方案 （a） 直接登月；（b）地球轨道交会；（c）月球轨道交会 九天揽月：太空探索史话 器在轨道上的交会和对接问题。这些便是美国“双子座计划”要达到的目标。 如果再具体到该计划的第一步，首先需要研制能够安全负载两名航天员的飞船， 并且使用这个飞船进行“太空漫步”。 苏联了解到美国的“双子座计划”后，便也匆忙制订了一个“上升号”飞 船计划。但是，当年的苏联领导人赫鲁晓夫以及科技界，都太在乎要先于美国 抢到第一，在一定程度上造成浮夸和急功近利，妨碍了科学技术研究的长远目标。 赫鲁晓夫热衷于太空计划，因为在太空竞赛初期，苏联抢先美国的事实给他 带来不少国际范围内的政治资本和个人威望。他曾经在访问美国时送给艾森豪威 尔一枚苏联勋章，并得意扬扬地指着它说：“知道吗，我们已经将它挂到了月球 上！”他督促苏联的航天专家们制定“上升号”飞船计划的目的，就是要和美国 的“双子座计划”相较量，最好还要抢先和超过！要在双子座计划之前完成载两 人的首次航天飞行。 为了争取时间，科罗廖夫决定不研制新的“上升号”飞船，而是在“东方号” 飞船的基础上改进成能载两人的飞船。但刚刚将飞船改装完成，赫鲁晓夫又别 出心裁，要求飞船要能装上3个人。既然美国人坐两个人，那我们就坐3个人， 人数上首先超过他们！赫鲁晓夫要求在1964年11月7日国庆之前把3人同时 送入地球轨道。为了满足领导人的愿望，无可奈何的工程师们想尽办法，减少 飞船携带的仪器设备，简化安全措施，甚至让3名航天员冒险不穿臃肿的舱外 活动航天服。想出这个绝招的工程师亲自身体力行，与另外两名伙伴一起穿着 轻便服装，挤进了“上升1号”飞船上排成“品”字的3个座椅中，“上升1号” 于1964年10月12日升空，在地球轨道上绕地飞行16圈，历时24小时17分钟， 最后返回地面。所幸这个过程中没有发生事故，并且又为苏联争得了一个“载 多人太空飞行”的第一名。 有意思的是，当“上升1号”飞船返回地球的那天，苏联的政局发生了变 化，勃列日涅夫等人在莫斯科发动政变，赫鲁晓夫被免除一切职务，强迫“退休”。 勃列日涅夫虽然不像赫鲁晓夫那样热衷于航天，但与美国太空竞赛的意识仍然 暂时统治着苏联科技界。 苏联得知了美国人要进行太空行走的消息，这又是一个抢“第一”的机会。 科罗廖夫想了一个巧妙的办法，在“上升”飞船的壁上开了一个口，供宇航员 进行太空行走时出、入座舱之用。不过这次，宇航员要出舱到太空行走，航天 服必不可少了，所以飞船只能载两人飞行。 1965年3月18日，“上升2号”飞船载了指令长别利亚耶夫和驾驶员列昂 诺夫两名宇航员升空，列昂诺夫将承担太空行走的任务。 由于准备工作不是很充分，使列昂诺夫的太空行走成为一场“太空惊魂”。 飞船从一起飞就不顺畅，预计的地球轨道是300 km，但那天的运载火箭推 力似乎过大，将飞船推到了500 km的高度。列昂诺夫原计划在飞船绕地球的第 一圈出舱，但却直到第2圈才打开舱门。列昂诺夫身穿航天服，心情紧张地从 舱口伸出了戴着头盔的脑袋和肩膀。事后据列昂诺夫回忆说，当时“我轻推了 一下舱盖，整个身体就呼地一下被弹出去了，完全不由自主，就像一个水瓶上 的软木塞一样冲出了舱口”。还好他身上预先系了一根5.35 m长的与飞船相连的 绳链，也冲不到哪里去！不过，面对茫茫太空的惊吓，无助之情却可想而知。 据说当时在电视机前观看这个“里程碑事件”的观众们看见列昂诺夫冲出 舱门后在太空“翻了几个跟斗”，还以为他是在快活无比地表演。但实际上他的 身体随着飞船的旋转而快速地旋转，这完全是自己无法控制的动作。幸好，连 接飞船和身体的5.35 m长的绳子把他缠绕着靠近了舱口，才停止了旋转。这些 意外让列昂诺夫紧张得出汗、心律失常，只好匆匆结束太空行走。但在回舱时 九天揽月：太空探索史话 身子又被卡在了舱门口。这时候，由于太空真空的作用，列昂诺夫身上的航天 服鼓胀成了一个直径190 cm的大气球，使得他怎么也进不了120 cm宽的舱门， 只好高声大叫“我来不及了。我回不去了！”还好在最后的危急关头，这位久 经训练的宇航员突然想起了以前教练曾经指出航天服的腰部设有4个释放空气 的按钮，这才终于让航天服瘪了下来，列昂诺夫得以进入舱内。10 min的太空 行走，以及为了挤进舱门与航天服搏斗了12 min，列昂诺夫大汗淋漓，心率达 到每分钟190次，靴子里积聚了6 L汗水。 不仅如此，飞船返航时也是险象环生。飞船自动导航定位系统发生了故障， 飞船呼啸着落在了偏离预定点3200 km处的原始森林深处。两位宇航员不得不 在暴风雪中爬出舱门发出求救信号……第二天，正满世界搜寻他们的回收人员 才终于从空中发现了他们。 在苏联又夺得了这两个“第一”之后不久，美国也实现了载两人的飞船发 射及美国宇航员的第一次太空行走。 当初苏联“东方计划”的目的还基本上是以科学为主，探索航天飞行和微 重力对人体的影响。而到了“上升号计划”的两次飞行，主要目的变成了“获 得第一”。尽管在这方面取得了成功，但对科技而言也造成不少负面影响。“上 升号”飞船在太空中的诸多不顺利情况不仅仅让身历其境的航天员心率加速， 还使得原来就有严重心脏病的总设计师科罗廖夫病入膏肓。1966年，这位为苏 联航天事业操碎了心的关键人物在一次手术中不幸去世，给苏联的未来登月计 划带来了一个沉重而致命的打击。 另外，美国的“双子座计划”成就卓越。计划所使用的双子座飞船由加拿 大设计师吉姆·张伯伦设计，它不像苏联那样，由前一个计划的飞船改造而成， 而是在设计中考虑了新计划的各种技术要求而重新建造的，由此也促进了不少 相关技术的发展。比如说，“双子座计划”将载人飞行的时间从1天提高到了14 天，这项要求促进了长效使用的燃料电池的开发。 更为重要的是，“双子座计划”在轨道交会和对接上取得了很大成功。交会 和对接的意思就是将两个航天器会合连成一个整体。一般而言，交会对接过程 分4个阶段：地面导引，自动寻的，最后接近和停靠，对接合拢。两个航天器分 别被称为“追踪航天器”和“目标航天器”。在导引阶段，由地面控制中心操纵“目 标航天器”经过变轨机动，进入到追踪航天器能捕获到的范围（15~100 km）。 在自动寻的阶段，追踪航天器利用微波和激光探测器测量与目标航天器的相对 位置及速度，并自动导航到目标航天器附近（距离0.5~1 km）。在最后接近和停 靠阶段，目的是对准对接轴、进入对接走廊，这个过程中两个航天器之间的距 离约100 m，相对速度为1~3 m/s，追踪航天器需要精确测量两个航天器的距离、 相对速度和姿态，同时启动小发动机进行机动，使之沿对接走廊向目标最后逼 近。最后,关闭发动机，进行对接合拢，即以0.15~0.18 m/s的停靠速度与目标 相撞，使两个航天器在结构上，包括信息线、电源线和流体管线实现硬连接。 由以上叙述可知，航天器的交会过程很不简单，为此“双子星”飞船发展 出了一整套计算机程序控制系统，为后来的“阿波罗计划”航天器的交会对接 任务提供了自动控制的基础。此外，“双子星”飞船在驾驶舱的环境控制系统、 宇航员生命保障系统方面，都进行了新的设计，加强了可靠性。 “双子星计划”从1961年开始实施，在1965年至1966年间共进行了10次 载人飞行以及更多次数的无人飞行。在地球轨道上实施了多次太空行走、航天 器交会、变轨、机动、对接等载人登月需要的关键技术，为“阿波罗计划”铺 平了道路。“双子星计划”于1966年结束时，美国在载人航天方面，已经毫无 疑问地全面超过苏联[2]。欲知美苏竞争结果如何，且听下回分解。 第8节 “阿波罗”载人月球漫步 N1火箭发射失误 1. “阿波罗11号”成功登月 “阿波罗计划”采用的是“月球轨道交会”的方案，见图8-1。在这种方案中， 航天器分为“母船”和“登月舱”两部分，由大型火箭将整个航天器发射到绕 月轨道上，之后，在月球轨道上的两名航天员进入登月舱，驾驶登月舱与母船 分离，并降落在月球上。然后，母船继续环绕月球飞行，在绕月轨道上等待登 月舱返回。登月宇航员完成任务后，返回登月舱，驾驶登月舱飞离月球并返回 月球轨道，与绕月飞船对接后返回地球。 1969年7月20日，“阿波罗11号”的登月舱成功着陆月球，美国宇航员尼 图8-1 “阿波罗”的月球交会轨道（图片来源：NASA） 尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）在月球表面留下了人类的第一个脚印，他幽 默地说：“这是我个人的一小步，却是人类的一大步。”第二位宇航员奥尔德林也 随后跟上，登陆了月球。另一位宇航员迈克尔·科林斯则留守在绕月环行的母 船“哥伦比亚号”上。有趣的是，在登月舱出发之前，休斯敦地面指挥中心的 通信员与几个宇航员间有一段极有意思的对话。通信员说：“请注意一位名叫嫦 娥的可爱的中国姑娘，她带着一只大兔子，已经在那里住了4000年！”宇航员 随口回答：“好的，我们会密切关注这位中国兔女郎。” 2. 胜利的失败：“阿波罗13号” 美国电影“阿波罗13号”描写了“阿波罗计划”中第三次载人登月的真实 事件。“阿波罗13号”发射两天之后，服务舱的氧气罐爆炸，太空船严重毁损， 失去大量氧气和电力。在太空中发生如此大的爆炸事故，人们以为再也见不到 执行这次任务的3位年轻人了。然而，3位宇航员克服困难，与地面控制团队紧 密配合，使用航天器的登月舱作为救生艇，成功地返回到地球，创造了航天史 上的奇迹，被称为一次“胜利的失败”。 当年参与救援的一位工程师后来在“今日宇宙”网站上发文总结说，“阿波 罗13号”获救是因为存在13个条件[3]。 “阿波罗13号”是在去月球的半途发生事故的。按常理来说，发生了爆炸 应该尽快掉头返回地球。但是，直接掉头必须首先迫使飞船速度反向，这需要 很大的推力。供给推力的服务推进系统正好位于发生事故的服务舱尾部，如果 点火燃烧推进系统，很有可能再次引起爆炸。因此，指挥中心决定利用“自由 返回轨道”返回地球。 所谓“自由返回轨道”的方法，指的是“借月球一臂之力”，充分利用月球 引力的自然助推作用，来使得航天器转向返回。 九天揽月：太空探索史话 在正常发射月球探测器时，也可以使用这种方法来节约燃料。月球探测器 发射之后只需要在地月转移轨道上进行一次变轨，飞抵月球轨道后便能在月球 的引力作用下绕过月球，再自动地返回地球，如图8-2（b）所示。 “阿波罗13号”的情况与正常发射稍有不同，是一种应急处理。总之，3名 宇航员与地面控制人员紧密配合，最后选择了利用月球引力返航的方法。“阿波 罗13号”使用登月舱的降落火箭，稍作机动变轨进入到“自由返回轨道”。然 后，待登月舱绕过月球背面后，降落火箭被点燃，以加速登月舱返回地球的速度， 最后顺利地进入地球轨道并安全返回地面。 3. 苏联为何没有登月 苏联为登月设计的方案基本上与“阿波罗计划”一样，也是采取“月球轨 道交会”的办法。 为了达到送人登月的目的，需要用到大型的运载火箭。运载火箭技术是航天 技术的基石，美苏火箭技术都是从洲际弹道导弹发展而来，大同小异，水平应该 不相上下，差别是后来一些细节上的发展变化。火箭需要在无空气的太空飞行， 必须携带燃料和氧化剂。那时候美国和苏联的火箭使用的都是“煤油、液态氧”的 图8-2 “阿波罗13号”返回路径 （a）点燃推进系统返回；（b）自由返回轨道 发动机，这一点上也没有区别。 火箭发动机有三大指标：推力、比冲、效率。推力决定了能给予航天器的速 度，超过第一宇宙速度方能将航天器发射至太空； 比冲指的是单位质量推进剂能 产生的冲量，比冲越大，火箭产生的推力才能更持久； 第三个指标“效率”，指 的是燃料燃烧的效率。显而易见，其中推力是最重要的，没有足够的推力，上 不了太空。比冲也很关键，比冲不够的话，进得了太空，但到不了月球！比较 而言，效率便只是燃料用多用少的问题了。 美国人登月使用的是布劳恩等人设计的“土星5号”三级火箭，这是航天史 上最大的火箭，高达110.6 m，质量3039 t，有效载荷45 t。迄今，它仍然保持着 最高、最重、推力最强的运载火箭的纪录。 科罗廖夫为苏联设计的是“N1运载火箭” ，其尺寸比“土星5号”稍小， 但运载能力更大。N1的研发工作比“土星5号”晚，之后由于资金短缺、未经 过严格测试便进行发射试验。美国“土星5号”的13次发射试验次次成功，而 N1的4次发射试验却全部失败，其中3次是在发射后爆炸，最严重的一次是尚 未发射就爆炸了。在1969年的第3次发射试验之前，因为一颗松动的螺柱被吸 入了燃料泵，导致30台发动机中的29台停止工作而造成爆炸，将发射台都炸 毁了，这是火箭应用历史上最大规模的爆炸，见图8-3（b）。 有人认为N1的设计上也有毛病，比如，它使用了30台发动机，而“土星5号” 只有5台发动机。如此多的发动机可能也是造成爆炸的潜在原因。30台发动机！ 不由得使人联想到“万户飞天”时绑在椅子下面的47只冲天炮。 为什么N1火箭要使用30台发动机呢？N1火箭是多级火箭，第一级是基 于当年苏联一位年轻的设计师库兹涅佐夫设计的NK-15发动机。NK-15使用了 当时比较先进的富氧燃烧技术，燃烧效率比较高，但单机推力却有限。为了达 九天揽月：太空探索史话 到足够的推力，科罗廖夫设计N1火箭时才不得不在第一级并联了30台NK-15 发动机。 苏联当时还有另一种UR500/700 火箭，研制者切洛梅是科罗廖夫在苏联内 部的竞争对手，这种火箭用一种有剧毒的化学物质代替煤油作为推进剂，遭到 科罗廖夫的强烈反对。但因为切洛梅任用了赫鲁晓夫的儿子作为助手，所以在 苏联高层不乏支持者，最后造成两种火箭方案平分秋色的局面。虽然科罗廖夫 仍然是登月的总设计师，但有限的资源却被分去了一半。 美国的NASA则看中了洛克达公司设计的F-1煤油液氧发动机。5台F-1被 并联安装在“土星5号”火箭第一级，便达到了足够的推力，最后运载着“阿 波罗11号”成功地完成了登月任务。使用30 台发动机的苏联N1 火箭系统非常 复杂，从自动控制的观点来看，发动机数目太多，大大增加了系统的不稳定性。 不过，可怜而又算幸运的科罗廖夫，还没有来得及看到N1火箭的失败就辞世 了。科罗廖夫得了癌症，又劳累过度、心力衰竭，于1966年1月14日与世长 辞，终年才59岁。他的副手米申院士继任，不过，缺乏他那种政治头脑和作为 图8-3 美国和苏联的登月运载火箭（图片来源：NASA） （a）“阿波罗11号”和“土星5号”； （b）N1火箭爆炸 总设计师的威望，试射中频频发生事故。后来由于种种原因，苏联在1976年正 式取消了N1运载火箭工程，给苏联的登月计划以致命的打击，因为没有足够运 载能力的大型火箭，载人登月并安全返回是不可能的。再后来，随着1991 年苏 联的解体，苏联航天事业几近停滞。这正是：“火箭铺就登月路，迈出人类第一步， 苏美冷战二十载，太空宇宙见功夫。” 航天器的轨道设计很有讲究，很多时候可以尽量利用大自然的推力，就像 “阿波罗13号”返回时所采用的“自由返回轨道”，便能够“借月球一臂之力”， 这种方法叫作“引力助推”，欲知“引力”如何能“助推”，且听下回分解。 第9节 三体运动生混沌 引力助推荡秋千 航天器被运载火箭推向太空之后，就变成了一颗“星星”。也就是说，仅仅 从引力的角度看，它们可以和其他宇宙中的自然天体一样，遵循引力定律而在 一定的轨道上运动。不同的是，只要它们还能与地球通信，只要它们的引擎能 启动，还有足够的燃料，发射它们的地球人就还有可能控制和改变它们的运动。 就像飞上蓝天的风筝，飞得再高，也还有一根牵连的细线被主人抓在手上！所 以，太空中的航天器有两种基本的运动方式：自由飞行段和主动飞行段。 前者指的是按照引力规律自由运动的阶段，比如说卫星绕着地球转圈就是 不需要引擎的。后者则指航天器上的发动机点火阶段。什么时候需要将发动机 点火呢？那是需要将航天器从一个轨道做一点改变，或者是“跳”到另一个轨 道的时候。比如说，要从环绕地球的轨道“跳”到环绕月球的轨道。这种情况 一般不会自动发生，需要人为地“遥控”、预先设定，或者由宇航员操作。这种 人为点火而改变运行轨道的技术，称作“轨道机动”。既然是人为地改变，就 要达到各种不同的目的，因此轨道机动实际上包括了轨道转移、轨道交会、轨 道保持和修正、改变轨道平面等不同的目的。再以刚才说的人造地球卫星为例， 虽然卫星绕地球转不需要引擎，但时间长了后，因为摄动力的原因，轨道可能 会偏离我们的要求，这时候就可能需要人为的“机动”来进行修正。发射到远 处星球的航天器就更不用说了，漫长征途中需要多次“变轨”。 轨道机动除了改变轨道之外，还可以控制航天器的方向和“姿态”以达到 某种目的，这点在载人航天返回地球或降落到月球和其他星球时特别重要。就 像飞机一样，保持正确的姿态才能安全着陆，否则后果便不堪设想了。 因此，航天器比天然星体更具优越性，因为它们的轨道可以人为地进行选 择。但这个优越性是以“携带燃料”作“机动”换来的。航天器能够携带的燃 料有限，因此，航天器的轨道设计者便希望能更多地利用“自然飞行”，尽量少 作机动。这其中用得很多的方法叫作“引力助推”。 1. 引力助推 如果有人问你，人类飞向太空的第一阻力是什么？大多数人会不约而同地 回答：是引力。的确如此，人类实现飞天梦的最大困难就是克服地球的引力。我 们从中学物理中就学到了如何计算几个宇宙速度，那是人类摆脱地球或太阳引 力的束缚冲向太空的几道门槛：如果达到第一宇宙速度（7.9 km/s）能让物体围 绕地球旋转；如果达到第二宇宙速度（11.2 km/s）便可以克服地球引力，绕着太 阳转；第三宇宙速度（16.7 km/s）标志着能够摆脱太阳的引力羁绊。 不过，想跨越这几个门槛谈何容易？人类努力了几十年，迄今发射速度 最快的航天器“新视野号”（new horizons），2006年发射时相对地球的速度为 16.26 km/s，尚未达到第三宇宙速度。然而，人类于39年前发射的两个“旅行者号” 探测器（voyager1和voyager 2），旅行中的最高速度却大大超过了这个速度。这 其中有何奥秘呢？人造飞行器额外的动能从何而来？ 以上问题的答案也是：引力。也就是说，对人类发射的航天飞行器而言，引 力有时是阻力，有时又可能成为“推力”。我们可以利用太阳系中各大行星与飞 行器间的引力作用，来加速飞行器。换个通俗的说法，让飞行器从高速运动的 九天揽月：太空探索史话 行星旁边掠过，顺便从行星身上“揩点油”，让自己得到加速度。 这种方法叫作“引力助推”，航天技术中经常使用来改变飞行器的轨道和速 度，以此节省燃料、时间和成本，这种方法既可用于加速飞行器，也可用于在 一定的情况下降低飞行器的速度。 图9-1（a）中的曲线所示，便是“旅行者2号”的速度在飞行过程中的变 化情形。注意图中的速度是相对于太阳系坐标而言，因而与我们提及的相对于 地球坐标而言的“宇宙速度”值有所区别，其差值是地球的公转速度，大约30 km/s。曲线上的4个尖峰分别代表该飞行器在木星、土星、天王星、海王星经 过时因为“引力助推”而产生的速度变化。图中也画出了NASA在2006年1月 发射的“新视野号”的速度曲线，与“旅行者号”的速度曲线相比较，明显地 看出在4个行星附近，“引力助推”对“旅行者2号”的加速作用。图9-1（b） 则显示了两个“旅行者号”探测器的行程。 不过，采用引力助推的方法也要等待时机。在1964年夏天，NASA喷气推 进实验室一位名为弗朗德鲁（Flandro）的研究员，负责研究探索太阳系外行星 图9-1 “新视野号”和“旅行者号” （a）从速度曲线可见引力助推的作用；（b）“旅行者号”的行程 *1 AU也被称为1个天文单位，是从太阳到地球的平均距离。 的任务。弗朗德鲁经过计算研究木星、土星、天王星和海王星的运动规律，发 现了一个 176年才有一次的最好时机，那段时间（大约12年）内，木星、土星、 天王星和海王星都将位于太阳的同一侧，形成一个特别的行星几何排阵，是实 现“引力助推”的理想地点。基于这点，专家们促使 NASA启动了“旅行者号” 探测器计划。 1977年8月20日和9月5日，“旅行者2号”和“旅行者1号”分别从佛 罗里达州的航天中心发射[4]，她们是两个几乎一模一样的“双胞胎姐妹”航天器， 携带着镌刻了地球人类的消息和录音的金唱片，她们的计算机内存只有64 kB（很 多年前的老古董电子设备，诸位可想而知是什么模样！）。“旅行者2号”比她“姐 姐”的速度稍慢一点，但她成果不菲，顺利完成了造访4个外行星的任务。这对“姐 妹花”都曾经探测过土卫六的地貌，虽然不很成功，但也为后来的探索提供了 许多有用的信息。土卫六是土星卫星中最大的一颗，被认为极有可能存在生命 迹象！“旅行者2号”旅途中的4次“引力助推”，将原来需要40年完成的“4 行星探索”任务，在10年左右的时间内就提前完成了！“旅行者1号”在很快 地访问了木星和土星之后继续高速飞行，如今已经越过太阳系的边界，到达星 际空间，成为飞出太阳系的第一个人类使者。两位“旅行者”虽然早已完成为 她们预订的任务，却并未“退休”，至今为止，仍然通过遥遥星空，每天向人类 发来有用的资料。因为她们与地球相距遥远，这些信息要延迟17小时左右才能 被人类收到。 2. 原理 最早（1918—1919）提出这个想法的是一位苏联物理学家尤里·康德拉图 克。尤里于1897年生于苏联的乌克兰，是太空工程与航天学的一位先驱和理论 家，曾被苏联政府流放和监禁，但他在艰难的环境下仍不忘钻研航天理论。后来， 九天揽月：太空探索史话 在第二次世界大战中，尤里自愿入伍加入苏联红军，并于1943年在战争中阵亡。 尽管精确地计算飞行器的引力助推过程需要复杂的数学，但其物理原理却 可以用图9-2中的例子，简单地使用动量守恒定律来直观解释。引力助推也被称 为“引力弹弓”，因为它与弹性碰撞颇为类似。它利用飞船与行星、太阳之间的 万有引力，使行星与飞船交换轨道能量，像弹弓一样把飞船抛出去。如图9-2（b） 图所示，想象将一个篮球投向一列对面疾驶而来的火车。设篮球速度为υ1=5 m/s， 火车速度u=10 m/s，方向相反。最后结果如何？考虑火车的质量比篮球质量大 很多，篮球质量几乎可以忽略不计的简单情况下，得到的结论是：在碰撞之后， 篮球从火车那儿“捞了一把”，将以υ2=υ1+2u=25 m/s的速度向后方（火车的前方） 飞去。火车因为质量大，速度几乎不变，仍然以原来的速度u照常行驶。人类 发射到土星轨道附近的飞船与土星相遇时的情形便与刚才描述的“篮球撞火车” 情形十分类似，只是飞船与土星并未直接接触，而是像图 9-2（a）所示的那样 绕行过去，引力在其中扮演着重要的角色。两者的物理原理虽然不同，但最后 效果却是类似的：飞船得到了两倍于土星速度的速度增加。 也许有人会觉得以上的说法有违能量守恒。结论当然不是如此，实际上在 两种情形下严格的计算都需要用到能量守恒。篮球的速度增加了，虽然看起来 图9-2 理解引力助推（或称“引力弹弓”）原理的直观图 对火车似乎没有影响，但应该有那么一点极其微小的扰动，篮球增加的动能最 终是来自火车的动力系统。在飞船的情况，能量则来自行星或太阳系。 引力助推想法早已被苏联物理学家提出，据说苏联的“月球3号”就应用 此技术，绕到月球背面拍下了照片。但是，真正认识并深入研究这项技术的人 是美国数学家迈克尔·米诺维奇（Michael Minovitch）。 迈克尔当时（20世纪60年代初）还只是加州大学洛杉矶分校的一名研究生， 他因为研究“三体问题”而得到了使用当时最快的计算机的机会。在他模拟“三 体问题”的过程中发现，一艘飞船飞经绕日的行星，可以在不使用任何火箭燃 料的情况下窃取行星的一点轨道速度而加速离开太阳，迈克尔由此而认识到引 力助推对加速航天器的巨大潜力，并说服 NASA将此思想运用于实践。 3. 三体问题和拉格朗日点 三体问题历史悠久，还得从牛顿时代说起。 牛顿创建了微积分和万有引力定律之后，自然首先迫不及待地将它们用于研 究天体的运动问题。他用数学方法严格地证明了开普勒三大定律，使二体问题得 到了彻底的解决。所谓二体问题就是说，只考虑两个具有质量m1和m2的质点之 间的相互作用（通常是考虑万有引力）时，研究它们的运动情况。也就是说，像 地球的自转、形状等，我们是统统不考虑的。二体问题数学上可以归结为求解如 下的微分方程： F12（x1, x2）=m1x1 （1） F21（x1, x2）=m2x2 （2） 公式中的F12和F21是两个质量之间的作用力，在天体运动情况下是万有引 力，在微观世界中可以是其他的力，比如电磁力。不过我们在本书中谈及二体、 三体或N体问题时，只考虑万有引力。牛顿时代就已经得到了上述二体问题的 九天揽月：太空探索史话 微分方程精确解，凡是学过中学物理的人都知道，这时的两个质点在一个平面 上绕着共同质心作圆锥曲线运动，轨道可以是圆、椭圆、抛物线或者双曲线。 不过，在大多数实用情况下，人们通常感兴趣的是椭圆轨道类型的问题。因为 对其他两种情况，天体不知跑到哪里去了。也许有了新的同伴，那就是另外的 新问题了。因此，之后考虑三体问题时，大多数情况，我们也只讨论互相作绕 圈运动的情形。 二体问题的成功解决给牛顿以希望，他自然地开始研究三体问题，但没想 到从2加到3之后的问题使牛顿头痛不已。岂止是牛顿，之后的若干数学家， 甚至直到几百年之后的今天，三体问题仍然未能圆满地解决，大于3的N体问 题自然就更为困难了。如此困难的三体问题是天体运动中非常常见的情况，比 如考虑太阳、地球、月亮三者，或者研究飞船、行星、太阳的运动规律时，就 是典型的三体问题。 从数学方法来说，解二体和三体问题都是解微分方程组，但二体问题可 以通过求积分就简单解决了，同样的方法却无法对付三体问题。不过数学家们 总有他们的办法，问题解不出来时就将其简化。既然二体问题之解令人十分满 意，那就在二体问题解的基础上做文章。首先可以假设，3个天体中有两个的质 量m1和m2比第3个质量m要大得多。所以，第3个小天体对两个大天体的影 响完全可以忽略，这样就可以将两个大天体的运动作为二体问题解出来。然后， 再将第3个天体看作是在前两个天体的引力势场中运动的粒子而求解其运动方 程。这样简化后的问题被称之为“限制性三体问题”。但实际情况令人很不愉快， 即使是简化到了这种地步，小质点m的运动方程仍然无法求解。 于是，又进一步简化成“平面限制性三体问题”，就是要求3个质点都在同 一个平面上运动，但似乎还是得不出方程的通解。 得不到通解便研究一些近似解和特殊解，这两方面倒是有点成效。颇为成 功的近似方法是“摄动理论”，实质上就是一种微扰法。考虑两个物体的运动， 将第3个物体的作用作为对前两者的微扰。使用这种方法解决和预测太阳系中 的一些现象卓有成效。 对“平面限制性三体问题”，18世纪的欧拉和拉格朗日则求到了小质量运动 方程的几个特解[5]，见图9-3。 这些小质量在两体系统中的特解被统称为称为拉格朗日点。这是指在两个 大物体的引力作用下，能使小物体暂时稳定的几个点，其中的L1、L2、L3实际 上是欧拉得到的，L4和L5由拉格朗日在1772年得到，发表在他的论文“三体 问题”中。 如图9-3（a）所示，拉格朗日点中的3个点L1、L2、L3位于两个大天体的 连线上，L4和L5则分别位于连线的上方和下方与大天体距离相等，并组成一个 正三角形的两个对称点上。可以从数学上证明，在连线上的3个拉格朗日点不 是真正“稳定”的点，它们对应于“鞍点”类型的极值点。只有L4和L5是对应 于最小值的稳定点。也就是说，当小质量位于L4和L5时，即使受到一些外界 引力的扰动，它仍然有保持在原来位置的倾向。图9-3（b）显示了在L4点对小 图9-3 小质量天体在两体系统中的拉格朗日点 （a）拉格朗日点；（b）拉格朗日稳定平衡点 九天揽月：太空探索史话 天体的3个作用力（地球引力、太阳引力、离心力）是如何平衡的。有趣的是， 我们都知道力学结构中的三角形与稳定性有关，当小质量位于L4和L5时，3个 质点正好构成一个等边三角形，这是否暗藏了某种稳定性原理呢？L4和L5有时 也被称为“三角拉格朗日点”或“特洛伊点”。 乍一看，5个拉格朗日点的存在似乎没有多大的实际意义，只像是个趣味数 学游戏。但是，没想到它们还真有一定的实际用途。自然界的实例也证明，稳 定解在太阳系里就存在。1906年，天文学家首次发现木星的第588号小行星和 太阳正好等距离，它同木星几乎在同一轨道上超前60°运动，三者一起构成等 边三角形。同年发现的第617号小行星则在木星轨道上落后60°左右，构成第 2个正三角形。之后进一步证实，木星轨道上有小行星群（特洛伊群和希腊群） 是分别位于木星和太阳的拉格朗日点L4和L5上。有时将这类小行星群统称为特 洛伊群。自2007年9月到现在为止，已经确认的特洛伊小行星有2239颗，其 中1192颗在L4点，1047颗在L5点。 此外，在土星-太阳系统及火星-太阳系统的L4和L5点上也都发现有小卫 星存在。还曾经在地球-太阳系统的L4和L5点上发现存在尘埃群，2010 TK7是 首颗被发现的地球的特洛伊小行星。对微观世界的研究也发现拉格朗日稳定点 的存在。 在发射人造卫星及其他人造天体时，科学家和工程师们也考虑和利用了这 些拉格朗日点。我们可以以太阳和地球加小星体的系统为例来考察一下这些特 殊点。比如，L1、L2、L3都在日地连线上，L1在日地之间，小星体在这个位置时， 它的轨道的周期恰好等于地球的轨道周期。日光探测仪即可围绕日地系统的L1 点运行。L2点偏向地球一侧，通常用于放置空间天文台，如此可以保持天文台 背向太阳和地球的方位，易于保护和校准。L3在日地连线上偏向太阳一侧，像 是与地球对称，一些科幻小说中称之为“反地球”。 所以，18世纪时拉格朗日研究三体问题找到的特解还是有点用处的。但是 如果回到三体问题微分方程的通解问题，数学家们至今仍然是一筹莫展，只能 用计算机模拟来求解和探讨这类问题。 法国数学家庞加莱（1854—1912）对三体问题的研究导致和催生了“混沌” 这个崭新的数学概念。在1887年，瑞典国王奥斯卡二世为了祝贺他自己的60 岁寿诞，赞助了一项现金奖励的竞赛，征求太阳系的稳定性问题的解答，这实 际上是三体问题的一个变种。尽管当时庞加莱没有真正解决这个问题，但他对 此问题超凡的分析方法使他赢得了奖金。庞加莱提出的实际上就是后来被称之 为“蝴蝶效应”[6]的概念。他的意思是说，如果初始值有一个小的扰动，后来 的结果就可能会有极大的不同，以至于我们不能完全预测系统的最终状态。 庞加莱发现即使在简单的三体问题中，方程的解的状况也会非常复杂，以 至于对于给定的初始条件，几乎是没有办法预测当时间趋于无穷时，这个轨道 的最终命运。事实上，这正是后来物理学上发现的著名的混沌概念之萌芽。 利用大自然中天体间本来就存在的引力来助推，尽量节约航天器的燃料， 这个想法太精彩了！太空中的运动确实不同于地面，没有大气层，不需要克服 阻力。人造卫星也是这样，利用地球的引力，发射上天后便能不停地绕着地球 旋转。如今蓬勃发展的现代通信工程，也离不了人造卫星。欲知详情，且听下 回分解。 第10节 气象通信科研忙 人造卫星立大功 任何国家想要独立地发展自己的航天事业，都需要从发射第一颗人造地球 卫星（或简称卫星）开始。克服第一宇宙速度，是走向太空的第一步。 苏联和美国先后发射的人造卫星让全世界为之振奋，各大国也都跃跃欲试。 法国在20世纪60年代首先打破了苏、美的太空垄断，将自己的第一颗卫星推 上了太空。 “二战”后从德国V2导弹受益的不仅仅是美国和苏联，法国和英国也在其中。 当美国人将冯·布劳恩带到美国去进行火箭研究的同时，法国也聚集了40位德 国火箭专家和工程师，英国则用得到的火箭进行组装实施了多次试飞。 英国在“二战”中受V2导弹之害最深，英国科学家对此而研究的“逆火行动” 也颇为成功，他们让V2火箭在坠入北海之前，从荷兰发射至太空边缘。这个实 验的成功使得英国星际学会的学者工程师们兴奋不已，深感V2导弹的技术超前， 已经完全可能将其转变为进入太空的“载人火箭”。1946年，学会成员史密斯为 此提交了一份详尽可行的方案，但却未得到政府的批准，英国也由此错失良机， 让美国在载人航天上独占鳌头。英国最终放弃了V2，在这个后继研究领域中无 所作为。 法国人不一样，法国早期就有一位与美国戈达德同时代的航天先驱埃斯 诺·佩尔特里（Esnault Pelterie，1881—1957）。他既研究航空，又研究航天，做 出不少奠基性的贡献，是法国航空航天这两个领域的先驱人物。 1958年，雄心勃勃的戴高乐执政后，不甘心只有苏、美进行太空竞争而法 国却似乎被“拒之于外”的世界局面。他大力推动火箭及航天的研究，其成果 便是1965年使法国成为了第三个发射卫星的国家。 此外，也有几个在航天技术上后来者居上的东方国家，包括日本、中国和 印度。 中国是古代火箭的发源地，当然也应该发展现代火箭技术，加入到国际航 天俱乐部中。这是当年中国物理学家及相关工程人员的美好愿望，也是促成像 钱学森、赵九章这些受西方教育的科学家们纷纷回到祖国的动力。 1957年和1958年，苏联和美国分别发射了第一颗卫星。那个年代的中国老 百姓对“放卫星”这个词汇一点都不陌生，但却是包含着另一层意思，因为中 国正在开展“大跃进”运动，各行各业每天都在“放卫星”！不过，火箭航天 方面的中国专家们倒真是没有闲着，他们在周总理的鼓励下，开始了发射真正 “人造卫星”的计划。 1970年4月24日，中国成功地发射了第一颗人造地球卫星——“东方红一 号”，不过日本抢先了一步，比我们早了3个月左右。但日本的第一颗卫星只有 23.8 kg，中国的卫星是173 kg，比4个更早发射的“第一颗”加起来的总质量 还要多。美国当年的第一颗卫星只有8.2 kg，被嘲讽为“美国将一颗柚子送入了 太空”。如今，美国、日本等国的第一颗卫星早就已经坠落在大气层中，我们的“东 方红一号”却还在天上转动！中国的科学家的确为中国人争气，成功研制发射 了这颗让中国人引以为傲的大卫星，在宇宙中响起了“东方红”。但甚为遗憾的 是，卫星计划的主要倡导者、组织者和奠基人之一的赵九章，却没有等到这一天， 九天揽月：太空探索史话 他在1968年，便因不甘忍受迫害而自杀身亡了。其他的很多参与者，都是在“牛 棚”里听到太空传回地球，再经中央电视台转播的“东方红”的。 可不要小看了人造卫星，它不仅仅是人类进入太空的标志，而且算是如今 航天工程中最有实用价值的航天器。可以说，飞往月球和其他星球的探测器的 目的是服务于人类的未来，而卫星则是服务于当今文明世界。它们已经成为许 多现代技术必不可少的部分。卫星在军事和经济上具有重要价值，因此发展最 快，数量也很多。其外貌千姿百态，用途五花八门，据2013年的资料，全球共 发射了6600颗人造地球卫星，其中包括中国发射的200多颗，是航天器中最兴 旺发达的家族。 与我们日常生活关系最为密切的卫星是通信卫星、气象卫星、导航定位卫 星和科学卫星等。人人都明白登高才能望远，卫星实质上就是一些高悬在太空 的自动化工作台或科学研究站。几颗卫星联合起来便具有了对地球进行全方位 观测和交流的能力，这是其他地面手段无法比拟的。如图10-1（a）所示，在一 定的高度上，使用3颗通信卫星，通信范围便可以覆盖全球。 气象卫星根据轨道的形态分为两大类：太阳同步极地卫星和地球同步卫星。 图10-1 人造卫星 （a）3颗通信卫星覆盖全球；（b）卫星按轨道形态的分类 首先，卫星的轨道有高度上的差异，由此可将卫星分为低轨（2000 km以下）、 中轨（介于2000~35 786 km之间）和高轨（等于或高于35 786 km）。低轨卫星 不能太低，起码要几百千米,大大高于大气层，否则卫星运动容易受大气的影 响而掉下来。中国的“东方红一号”至今没有坠毁的原因便是轨道较高。当然， 卫星轨道也不是越高越好，在高处看到的范围大，但距离目标太远就会看不清 楚。低轨卫星靠近地球，可以对地球表面看得更仔细，所以资源卫星与军事间 谍卫星大多是采取低轨道飞行。有些气象卫星为了拍摄到更详细的资料，也采 用低轨。 卫星轨道的另一个参数是轨道平面与赤道面的倾角。轨道面与赤道面一致 的叫作赤道轨道，如果卫星不是绕着赤道转，而是绕着南北极转，则称为绕极 轨道卫星。图10-1（b）显示了卫星经常采用的几种轨道形态。 从图10-1（b）中可见，赤道轨道卫星可以有不同的高度，其中有一种特 别的卫星，称之为“地球静止轨道同步卫星”。同步的意思是说，卫星运动与地 球自转同步，即卫星绕地的周期与地球自转的周期一样。这种“同步”的结果， 就使得卫星在天上的位置看起来是固定不动的，静止的。这种地球静止同步卫星， 有时也被简称为“同步卫星”，但是实际上严格而说，“同步”并不一定是“静止” 的，比如像图10-1（b）中所画的另一条“倾斜同步轨道”就不是静止轨道，一 般所指的同步轨道，是说不倾斜的赤道面上的静止同步轨道。 所有静止同步轨道卫星距离赤道的高度h都相同，等于35 786 km，这个数 值可以简单地从牛顿力学计算得到。为了计算这个高度，我们再重温一下“月 亮不会掉到地球上”的简单道理。月球不会掉下来，也不会飞离地球，是因为 它的速度在那个位置产生的离心力正好平衡了地球引力。人造卫星的道理也是 一样，静止卫星的速度要使其同步于地球自转，只有将它们放在某一个高度h，