作者：读书堂
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新版二十一世纪中小学生素质教育文库（）航天与航空试读：
内容提要
大家一定读过或听说过我国四大古典名著之一的《西游记》吧，还记得其中第一回讲的是什么吗？以前，在我国东海之中有一座山，叫花果山，山上有一块巨大的仙石。由于感受天地灵气、日精月华，内部育成一个“仙胞”。忽一日，仙石迸裂，产出一卵，似圆球大。因见风，化作一石猴，他五官俱备，四肢皆全，活脱脱地几乎与人一模一样，这就是孙悟空的降生。当然啦，这只是神话，不是真实的事情。石头里是不会长出生物来的，更何况作为人的化身的石猴。那么，朋友们是否知道，你、我以及其他的人都是怎么来的呢？在这里将向你们讲述人体的由来、试管婴儿、如何优生、单亲生殖以及如何控制人类自身的过度繁殖等等诸如此类的奇妙医学问题。
人类飞翔的翅膀
——航空飞行器说起航空飞行器，人们一定会禁不住首先想起飞机。而谈起飞机，你一定会如数家珍、兴味盎然地娓娓道来：什么“幻影2000”呀！波音747呀！歼八战斗机呀！B—2隐性轰炸机呀！等等。其实这些飞机不过是飞行器的一部分，更确切地说，它只能算是航天飞行器的一部分。因为单讲飞机，大家熟知的美国“奋进号”航天飞机、“哥伦比亚号”航天飞机，也是飞行机器呢。不过它却是另外一个新的家族，因为它主要是在太空中飞行，而不是在湛蓝湛蓝的天空中翱翔。——那么，到底什么是航空飞行器呢？
航空飞行器，简单地说，就是指在地球大气层中飞行的器械。地球大气层很厚，它可以分成很多层。在最下面的有两层：对流层、平流层，空气比较稠密，特别是对流层，空气流动性大。几乎所有的航空飞行器都在这两层中飞行，高度大约有80公里。
航空飞行器种类繁多，家族齐全。从贴地上空10厘米的高度，到肉眼无法看见的几十公里的高度，都有我们各显神通的飞行小兄弟。从其用途来说，有专门执行某一任务的“标兵”，也有善使多般武艺的“能手”。从其形状来看，也叫人叹为观止：有的长长的，像一条长龙；有的高高的，像一个擎天的巨人；有的圆圆的，像一个花脸脸盆；有的怪怪的，像一个马戏团丑角，等等。对于这些五花八门、千奇百怪的航空飞行器划分起来比较困难，因为航空飞行器常常是“一机多能”。它们的形状、飞行性能、飞行用途等都可以作为归类的标准，这里只从它们的飞行原理来划分。
气球与飞艇
对于气球，很多人会不屑一顾，以为它算不了什么。然而气球却是实现人类升天梦想的第一个工具。不管如何，它为人类的航空史写下了坚实的第一笔。
气球的原理很简单。我们每人兴许都看见过冉冉直上的炊烟，以及随风升腾的工厂烟尘，却不一定明白是空气的浮力把它们推向了天空。直到公元前三世纪时，古希腊科学家阿基米德才发现了水有浮力这一道理，进而人们得出空气也有浮力这一结论。然而空气有浮力这一原理一直没有得到重用。上千年后，18世纪初，巴西出生的神父巴托洛穆才发明了热气球模型。1709年8月8日，该气球在印度的卡莎当和葡萄牙的特瑞诺多帕索室内抛高。接下来1783年，法国造纸工人约瑟夫·蒙特哥菲尔用亚麻布做成了一个直径有30米的大气球。该气球充满了热空气，并上升到1800米的高度，飞行了两公里。此后不久，记录不断被刷新。一个名叫罗齐尔的人坐气球飞跨了巴黎上空。又过了一段时间，氢气代替了热空气。1785年，一个充满氢气的气球飞越了英吉利海峡。从此，实用气球诞生并得到了应用。
气球在军事、科研等方面得到过广泛应用。第二次世界大战时，英国、前苏联曾在伦敦、莫斯科上空布置过气球，有效地阻止了德国飞机的入侵。
但是气球有很大的缺陷。一方面，高度有很大的限制。到目前为止，热气球的最高高度只为16，805米，是1980年英国人诺特创造的。氢气球和氦气球的最高记录为34，668米，是1961年美国海军中校罗斯和少校普拉热尔创造的。另一方面，气球飞行路线飘忽不定，风对其影响很大，这就不能避免造成许多悲剧。不过，气球的危险并不能阻挡人们冒险的勇气。1981年，一个载有四人的“双鹰5号”氦气球飞行了8382公里，横渡太平洋得到成功。
飞艇比起气球来只多了个动力装置。换句话说，就是在气球上装了三个发动机，只不过可以更有效地人为控制航向罢了。
世界上第一艘硬式飞艇是法国人吉法德制造的。他在气球下装了一个带有螺旋桨的蒸汽机。从此以后，各种各样的飞艇随之产生。特别是现在，随着航空工业的发展，钛合金、铝合金、碳纤维复合材料用到飞艇上，使飞艇质量更轻、载重量更大、使用寿命更长。
在过去，飞艇和气球一样，在战争中曾经大显身手，立下了汗马功劳。第一次世界大战时，德国就建有飞艇舰队，后来它遇到飞机这一克星才衰落下去。不过，现在它的缺点正在逐步克服。像过去充满氢气的飞艇已经很少见了，原因是它经常起爆，而相对安全的氦气则受到了青睐。飞艇现在已经在运输、空中摄影、地面监视、电视转播等方面发挥了不少作用。我国在1990年举办第11届亚运会期间、1995年举办世界妇女大会期间，就有飞艇在北京上空执行过任务。
飞艇的制造方面，以美国古德伊尔公司的“美洲号”飞艇比较成功。该飞艇长约58米，高18米，容积5742立方米，装有两台发动机，飞行速度可达每小时80公里。1989年，我国也曾制造过“浮空4号”飞艇，该飞艇时速可达70公里。
为了提高速度，未来的飞艇会设计成扁平型；为了减少发动机携带的燃料造成的不便，用核作动力的飞艇有可能出现，那时它的航程会更远。
气球和飞艇由于自身的缺陷，过去一度受到人们的冷落与忽视。现在随着现代科技的发展，新能源、新材料、新设备被配置到气球和飞艇上，使古老的飞行工具焕发出新的活力。
扑翼机与滑翔机
不知道大家注意到没有，在我们的周围，常存在着一些飞来飞去的小生灵。你看那轻盈的小燕子，时而俯冲大地；时而立定盘旋；时而直上蓝天，飞得多么自由自在啊！我们为什么不能也长一对翅膀或者做一对翅膀飞翔呢？想得真好。在遥远的古代，我们的祖先就想到了要制造像鸟一样飞的机器，帮助人们实现展翅飞翔的梦想，这其实也是现代扑翼机和滑翔机诞生的基础。
扑翼机，就是一种能像鸟那样搧动翅膀飞行的机器。不过，现代人设计的扑翼机翅膀是用各种合成材料做的，古代人的扑翼机“机翼”却是用地道的鸟禽羽毛做的，而“机身”却是活生生的人。
扑翼机的设想由来已久。在我国西汉时期，曾经有人用大鸟的羽毛制做了两个特大翅膀，然后这人搧动着翅膀从高楼飞下。他只飞了几百步远，虽然没有成功，却是一种可贵的尝试。也不知道是多少年后，在英国、阿拉伯、土耳其也有人做过类似的试验。不过，这几个人并不都是那么幸运。据说，除了一个土耳其人飞行了好几公里远外，另外的人要么摔断了腿，要么坠地而死，酿成了悲剧。
到了15世纪，意大利的天才设计家达·芬奇设计了一种像鸟一样扑翼的机械，此机械装有翅膀，能用脚来进行扑动。这兴许是现代扑翼机的前身。但是到目前为止，现代扑翼机并没有真正制造出来。这是为什么呢？其实不要说扑翼机、飞机，就是人真的像童话里描述的那样插上翅膀，也不一定能飞。达·芬奇曾从飞禽的解剖中发现：鸟的臂肌相当有力，而人的臂肌却显得太“苍白无力”了。再说，人即使能像鸟那么快地搧动翅膀，他的血液供应也不够。换句话说，人的心脏跳动和代谢功能赶不上鸟。有统计表明，人即使装上一副约10斤重的翅膀，它所发挥的功用，还不到小小鸽子的1/10～1/4。——看来，人真是天生不会飞的。扑翼机兴许只是一种设想，虽然我们现在有好多的设计图，但要想真正变成现实，还要我们不断地努力。
有趣的是，无意插柳柳成荫，扑翼机没有产生，人们用人力作扑翼飞行试验时，却派生了另外一种飞行器——滑翔机。
滑翔机不能搧动翅膀，但是它的飞行原理与鸟的滑翔原理相同。鸟儿在飞到一定高度时，利用空气的阻力，或者迎面吹来的气流，展开翅膀，可以进行滑翔。鸟儿在滑翔时一动不动，滑翔机在滑翔时也不需要动力，但是升高却是个问题。
为了解决滑翔机的高度，有的滑翔员从倾斜的山坡上跑步进入空中起飞，还有的像放风筝一样，如莱特兄弟最早制造的双翼风筝滑翔机，通过拉力牵引升入空中。现在的滑翔机先进得多了，相当部分装上了小型活塞式发动机，既可以自由起飞，也可以在空中无需动力自由滑翔。
滑翔机的问世与德国工程师奥托·利林塔尔很有关系。从1891年开始，他自己做了一个带有一把大伞的滑翔机，进行了几千次试验。他的这种滑翔机叫悬挂式伞翼滑翔机，像降落伞一样，目前在国内外流行；还有一种叫固定机翼滑翔机，机身细长，像个真正的飞机。
滑翔机并非只能滑翔，在遇到气流时也可上升，这便叫翱翔。
现代滑翔机主要用于体育活动。我国于1994年研制了“HFY—5”动力滑翔机，该机可以折叠，携带方便，起落跑道距离短，是我国超轻型飞行器队伍中的“新兵”，它在农、林、牧、体育、旅游、商业广告中可担负一定的任务。
飞机与直升机
把飞机与直升机相提并论，有没有搞错？回答是肯定的：没有。直升机不是飞机的派生，它们是两种不同的飞行器。不管是从飞行原理上，还是从它们诞生的年代来看，都有泾渭分明的区别。
飞机的飞行原理与鸟儿不一样，但却和风筝很相似。我们知道，风筝在我们拉着跑时，常常是越升越高。飞机也一样，飞机在向前滑行时，由于速度加大，迎面而来的风也很大。这股风分两部分，一部分跑到飞机的机翼上面，流速比较大，空气的压力小；而流过机翼下面的气流由于空气通路窄，流速小，所以压力大。空气是对流的，压力大的空气向压力小的地方跑，这一跑就产生了一种从下往上的升力，这不，飞机就被空气抬起来了。其实这还是个著名的原理，是瑞士科学家伯努利1726年提出来的。
飞机的升力问题解决了，动力问题又产生了。飞机如果从动力来看，可以分成以下几种：
最先说人力飞机。可别小看人力飞机，人力飞机产生得比较晚，但说到底，它解决的是单靠人是否能够上天飞行的问题。人力飞机的产生，可以说是对“扑翼飞机”失败这一缺憾的一种补偿。人力飞机是伴随着飞机出现而出现的，它一般采用固定的机翼，不过，提供力量的常常是脚而不是手，原因很简单：脚比手力气大。
1936年，德国人海斯勒·维林吉制造了第一架脚踏飞机，但只飞行了40秒钟。1961年，英国三名大学生制造了一架“升攀号”人力飞机，它的主体是一辆自行车，该机飞行了约50米长的距离。1962年、1972年，英国人温彭尼、波特分别驾驶自动的脚踏飞机，各飞了3993、1071.5米。1977年、1979年，美国滑翔机运动员麦克里迪制造了“蝉翼秃鹰”号、“蝉翼信天翁号”人力飞机，取得了很大的成功，其中后者飞越了英吉利海峡。此后，美国的人力固定翼飞机“仿蝙蝠”，在三分钟内沿三角形航线飞行了1500米，这标志着实用人力固定翼飞行的真正产生已经为时不远了。
接着说螺旋桨飞机和喷气式飞机。螺旋桨飞机和喷气式飞机的原理有所不同。螺旋桨飞机，简言之，就是用螺旋桨来产生拉力的飞机。螺旋桨就像风车上的“转叶”一样。不过，风车是利用气流使“转叶”转动，而螺旋桨飞机却是用螺旋桨使飞机沿气流爬升。说到桨，人们会情不自禁地想到轮船上的桨，其实它们之间并没有本质的区别。
桨是人划的，很慢；螺旋桨是机械转动的，很快，但不能太快。早期的这种飞机桨是木头做的，其飞行能力可想而知；后来钢派上了用场，但是桨转得太快了，磨损大，同样会折断。而且，最令人头痛的是，飞机一旦要接近声音传播速度，即340米/秒时，螺旋桨就像吃了迷魂药一样，无法控制。经过反复研究，科学家们搞明白了原因：飞机在接近声音速度时，其周围空气来不及流走，因而像一面墙一样堵在飞机前面，飞机当然就束手无策，裹足不前了。
当时，这一飞行难题叫音障。螺旋桨飞机的确是慢一点，无法达到和超过音速。但事物是相辅相成的，螺旋桨飞机也有它的优点，它的耗油量小，对环境的污染不大。目前，一些对速度不做高要求的飞机，如农业飞机，常常使用带螺旋桨的发动机。比如中国的“海燕”多用于专用飞机、印度的HA—31MKII“春天”农业机、英国的MAC6“农场主”飞机，美国的“农用马车”、苏联的“安—3”等，就是这样。
喷气式飞机，是为克服“音障”而诞生的。喷气原理最早是牛顿提出来的。不难理解，飞机在喷气时产生巨大的反作用力，推动了飞机前进。我国古老的火箭、现代航天发射的运载火箭，其原理皆同出一辙。
据说牛顿本人设计过一种喷气车。该车装有一个锅炉，锅炉后有喷管，喷出的蒸汽推动着车子前进。早些时候，蒸汽机也曾搬到过飞机上，因为太笨重而淘汰。后来人们使用燃气带动活塞，做成了活塞式发动机。这种发动机一直延用到今天。
现代的喷气式飞机一般使用涡轮喷气发动机。这一点说起来惭愧，中国古代的走马灯其实就是现代涡轮喷气发动机的雏型。涡轮像走马灯的灯片一样，当燃烧室的油点燃以后，热气推动涡轮高速旋转，并向后喷气。涡轮喷气发动机的设想是由一个叫马克亚姆的人提出来的，时间是1921年。1939年8月27日，世界上第一架涡轮喷气式飞机“HE—178”，由德国亨克尔飞机制造厂制造出来，并试飞成功，但那时的速度仍没有超过音速，每秒只有177米。
1947年，美国拜尔工厂生产出一架X—I型火箭飞机。该机利用携带的火药爆炸后喷出的气体推动飞机前行，并首次突破了“音障”，打破了音速不可超越的神话。1953年，美国生产了F—100“超级佩刀”喷气式飞机，速度每秒为442米，大大地超过了音速。此后，各种军用、民用飞机纷纷效仿，采用喷气发动机。如前苏联米格—25、米格—23、米格—29、米格—31战斗机，速度分别为音速的2.8、2.35、2.2、2.4倍。美国的试验机X—15，速度达到音速的6.06倍（使用火箭发动机）；我国的F—7、F—8战斗机其速度是音速的2.05、2.2倍。
要澄清一点的是，喷气飞机与火箭飞机虽然都喷气，但两者不能混淆。火箭飞机就燃料性能、用途来说都与前者有极大的区别。
最后说一下太阳能飞机和原子能飞机。顾名思义，这两种飞机分别使用的是太阳能和核能。
太阳能飞机上面布满了太阳能电池，电池产生的电流输入电动机后，螺旋桨开始转动并使飞机起飞和飞行。1980年11月20日，由保罗·麦克里迪博士领导的小组设计的“太阳挑战者号”飞机首次试飞成功。1981年7月，该机用五个小时，成功地飞越了英吉利海峡。太阳能飞机很轻，结构多使用碳纤维材料，机上还蒙有一层聚酯薄膜，并安装有1.6万块太阳能电池。“太阳挑战者号”每小时可达54公里，飞行最高高度为3300米，显然实用性并不是很大。太阳能飞机关键问题是蓄电。在不久的将来，科学家们一定能研制出高效能的太阳能电池，并能突破上千公里的航程。
原子能飞机迄今尚未真正问世。此种飞机安装有核反应堆，用金属铀—235作燃料。它的原子核在中子的轰击下会产生裂变放出中子，并释放能量。但是核裂变时会发生对人有害的核辐射，必须采用保护层进行隔离。1956年1月，美国曾研制出核喷气发动机，但是由于其隔离防护设备过于庞大，无法安上飞机，最后花了10亿美元，15年的研制最终流产。不过，由于能源费用上涨，科学家们又开始重新考虑原子能飞机设计方案。我们相信，原子能飞机迟早会出现在人们的视野中。
以上分别介绍了各种飞机，现在回过头来说直升机。直升机不是飞机，它首先是一种直上直下的飞行器。直升机与螺旋桨飞机有割不断的联系。螺旋桨飞机的桨是装在飞机前面的，它使飞机向前推进，受力与地面垂直；但如果螺旋桨装在飞机的上部，那么飞机的受力将与地面平行，这不，向前的推力就变成了向上的升力。
直升机说起来令人遗憾，它的起飞原理与我国的竹蜻蜓相似。早在1600年前，我国晋代葛洪就提到过一种带有升力螺旋桨的竹蜻蜓；后来，竹蜻蜓传到欧洲，启发了不少科学家和技术人员，于是造出了直升机。1483年，意大利天才科学家达·芬奇提出了直升机旋翼的设想，并制作了草图。1754年，俄国M·B·罗索诺若夫进行了直升机旋翼模型试验。1878年，法国人福拉尼用蒸汽机作动力，制造了一架横型直升机；1907年、1922年法国工程师伯雷格、黎歇、俄国人博塔扎特分别制造了直升机，但都没能真正飞行。1939年，俄国人西科斯基研制了第一架实用直升机VS—300，并试飞成功。说到这儿，大家已经明白，直升机只有五十多年的历史，对于飞机老大哥来说，只能算是小弟弟了。
直升机的形状很怪，其尾部有一个螺旋翼，它一方面起方向舵的作用，另一方面还可以抵消大螺旋翼对直升机的旋转力。有的大型运输机干脆使用两个大的螺旋翼，它们的功能都一样，不过一定要明白：两个螺旋翼的方向相反，才能抵消它们对直升机的旋转力。直升机有人称之为“直升飞机”，是因为它还能够像飞机一样向前飞行。不言自明，直升机只要操纵整个旋翼，使之倾斜，就可以改变飞机受力方向，自动前行。由此，现代人把直升机理解为可上可下、可前可后的飞行器，并把它编入飞机行列，是顺理成章的事。其实直升机与飞机本身也可以互补，你看，“X翼机”就是这样。
X翼机，它是直升机和一般飞机的杂交种。“X翼机”上面有直升机旋翼，因而它可以直起直落。但是它的“X”形大旋翼在停止转动时则又变成了一般飞机的机翼。而平直的机翼受到的阻力大，飞行速度低；斜形的机翼，两个向后掠或者向前掠，或者干脆一个前掠一个后掠的机翼，却可以提高速度，因而就有了前掠翼飞机、斜直翼飞机、后掠翼飞机等。然而“X翼机”可以把它的“X”旋翼调到任意想要的形状，充当特别形状的机翼，达到一般直升机所不能达到的速度。看来，飞机设计虽要合乎常理，但也离不开异想天开的想象力。前面我们说飞机与直升机是两个泾渭分明的飞行器，到这儿，“X翼机”真成了兼有两种飞行器特点的地道的混血儿了。
冲翼艇
本世纪60年代，在海上出现了一种怪物：它形状像船，但又不在水上乘风破浪；说它是飞机，却又不在高空展翅飞翔，它总是紧贴着水面，就差那么一点距离，不高不低地执著地向前飞。这个怪物就是冲翼艇。
冲翼艇的产生归功于“水面效应”的发现。这儿还有一个有惊无险的故事呢。本世纪30年代，德国一架水上飞机由于油路出了故障，从高空直往下落，本来机组人员料定要出事。可是神了，飞机在离地10米左右的高度时开始拉平水平高度，不往下落了。其实也不怪，飞机在10米以下的高度飞行时，机身下面的空气受到压缩和排挤，形成一股向上的升力。正是这种力拯救了升力不够的德国飞机。
此后，科学家们根据“水面效应”原理，制造出一种贴地面低高度飞行的运载工具，这就叫冲翼艇。冲翼艇分两种，一种叫主效艇，可以在“地效区”内外航行。它由水上飞机改装而成，有一个大船身，还有一幅长而大的机翼，机动性好。德国的“X—114”是一种成熟型，它长约12.8米，翼展七米，艇高2.9米，采用活塞式发动机，在浪高1.5米上飞行，最大速度为230公里/小时。另一种叫全效艇，仅适于“地效区”。它由水面舰船演变而来，但它的自由飞行能力不强，离地（水）面也不高。德国80年代使用的TAFVⅡ—3串翼全效艇，使用两台活塞式发动机，艇长14米，翼展6.6米。它可以离地0.15～1.02米，并能乘坐15人，航速为每小时133公里。另有百吨级TAFVⅢ—10客运冲翼艇，巡航高度为三米，航速为每小时230公里，可乘坐400人。
美国目前研制的600吨级冲翼艇艇长72.5米，翼展32.9米，艇高10.4米，可一次载四辆主战坦克，设计速度达491公里/小时。据说美国千吨级的冲翼艇也在研制，到时速度可达648公里/小时。独联体也有“河上快车”，其重量为500吨，共装有10台喷气发动机，时速可达555公里，飞行高度为7～15米。我国也研制成功了XTW—2客运冲翼艇，该艇翼展12.7米，总长18.5米。
冲翼艇综合了水上飞机、舰艇、船只的优点，它在军事、客运等方面发挥了重要作用，它为航空飞行器增添了新的光彩。
气垫飞行器
很多人听说过飞碟，却没有真正看到过飞碟。但是像飞碟那样的飞行器是有的，并且已经问世，这就是地毯飞行器。
地毯飞行器和以往任何飞行器不同，它利用的是“地毯原理”，即在飞行器下面底盘上装上一个大的风扇，向下面吹风，将空气压缩，形成高压空气区，像气垫一样。由于飞行器上部气压小，这样就自然而然形成了一种垂直于地面的升力。飞行器升起来后，再靠其他发动机就可以向前后左右方向飞行。
地毯飞行器，也叫做气垫飞行器。它可以用于水面和地面。但是地面由于障碍多，且吹起来尘埃大；而且由于造价昂贵，所以都没有多大的实用价值。据说，气垫汽车和气垫火车都可以制造，其中气垫火车的速度可达每小时400公里。
海上气垫飞行器有开发的价值。有消息说，俄罗斯和英国联合研制了一种海上气垫飞行器，它由两组发动机提供动力。这两组发动机分别为飞行器提供垂直和水平的机动能力，显然它是飞机和冲翼艇的结合。它利用发动机的喷气形成气垫，将其托在空中，再贴近海面飞行，这种飞行器机长73米，翼展50米，可在离海面14米的高度飞行；亦能在海上和陆面简易机场降落，最大巡航速度为560公里/小时，可载客400人。
磁性飞机
高速磁悬浮列车，兴许一些人听说过，或者见过。它像一条长长的巨龙，浮在轨道上，能够高速行驶。其实啊，这种火车并没有接触轨道，而是在离地10厘米的上空平稳地飞跑。准确地说，它应该叫磁性飞机。
那么，磁性飞机是怎么悬空的呢？道理很简单：同性磁力相斥，异性磁力相吸。当列车与轨道产生磁性相斥力时，车身浮在空中就理所当然了。
磁性飞机的产生不过二十几年，这首先应归功于超导材料。
70年代，科学家们发现，有一种材料——超导体，在超低温时电阻极小。用它导电，产生的磁力特别大，大到可以顶起列车的地步。磁悬浮列车上都装有超导磁体，当然它也带有水平推进装置。
高速磁悬浮列车速度很快，每小时可达几百甚至上千公里，是相当便捷的运输工具。当然，不用说，由于它没有污染，相当安全，越来越受到更多国家的重视。
目前，一些国家如日本已有这种列车，我国国防大学已经研制出这种机车模型。相信在不久的将来，神州大地上一定会出现中国制造的会飞的巨龙。
飞向太空的助手
——火箭1996年6月4日，法属圭亚那库鲁航天中心一个直径5.4米，高约50米的银灰色巨箭昂首矗立在一个巨大的发射平台上，这就是有名的阿丽亚娜五号运载火箭，由欧洲空间局制造。当地时间9时33分59秒，一团白色的蒸汽和耀眼的光芒出现，接着带有两个助推火箭的阿丽亚娜五号火箭携着四颗卫星，拖着一条长长的火焰，缓缓升起，扶摇直上，向高空飞进。观看的群众沸腾了，掌声不断，人们的脸上洋溢着胜利的微笑。忽然，起飞37秒后，火箭头部一低，随即发生了爆炸；接着41秒后，助推火箭也发生了爆炸，火箭与卫星的碎片变成一个个火球向下溅落。人们惊呆了，不少人禁不住流下了眼泪。就这样，耗资71亿美元、牵动十几个国家、涉及数万名技术人员、三千多个日日夜夜的心血，在短短几秒钟内化成了泡影。
这是96年世界上最先进的火箭的试飞过程，也是一个第一次飞越失败的过程。有人不禁要问，花这么多的钱与心血，历经这么长时间，值得吗？回答当然是肯定的。
前面我们讲过一系列的飞行器，这些飞行器虽然能八仙过海，各显神通，但是都飞得不够高，按科学术语来讲，只能叫“航天”。原来，地球大气层相当厚，它可以分成对流层、平流层、中间层、暖层、散逸层。对流层、平流层空气密度大，里面氧分多，所以我们的许多飞行器都可以带上燃料，借助氧气，进行燃烧，自由飞行。但这两层以外的空气，特别是散逸层以外的空间大气相当稀薄，不要说飞行器找不到足够的燃烧剂，连人呼吸用的氧气都没有。而且地球引力相当大，一般飞行器的速度，不管是亚音速、超音速，都无法摆脱地球引力的束缚，飞上太空。那么，人真的就无法飞上太空吗？办法当然是有的。运载火箭就是人们飞向太空的得力助手。
火箭小史
我国是世界文明古国之一，火箭是我国最早发明的。在唐宋时期，火箭就在军事上得到了运用。虽然今天的火箭不可与往日的火箭同日而语，但它们的使用原理都是一样的。现代火箭的产生，从很大程度上源于人类摆脱地球的引力、实现“可上九天揽月”的梦想。
我们知道，所有的物体都有吸引力，只不过有的物体质量太小，我们感觉不到罢了。地球是个具有巨大质量的球体，所有的物体都被吸向地心。我们人也不例外，这也是我们每人都有重量的原因。不过，有人可能会纳闷儿：如太阳与地球、地球和月亮为什么不因为吸引而跑到一起呢？这是因为这些星体都有一种速度，这种速度产生了离心力，平衡和抵消了吸引力，所以它们看起来都相对静止不动。同样，像一些人造天体，如人造卫星、宇宙飞船、航天飞机等，要绕地球轨道运行，也需要达到一定的速度，这种速度是7.8公里/秒，它叫第一宇宙速度；当然太阳的质量比地球要大，吸引力更强，人造天体要进行行星际航行，必须达到另一种速度，即11.2公里/秒，这叫第二宇宙速度。同样，要摆脱太阳的引力，到太阳系外去探索宇宙，必须达到每秒16.6公里的速度，这叫第三宇宙速度。要达到这么高的速度，火箭是目前人类的唯一选择。
我国发明火箭后的一千多年中，火箭技术发展缓慢。1942年10月，德国研制的全长14米，起飞重量13吨，箭体直径1.65米，最大射程为320公里的现代火箭V—2试飞成功。火箭V—2本质上是一种弹道导弹，它是多级运载火箭的前身。此后，美国和前苏联先后在50年代末期，在V—2导弹的基础上研制成功了洲际导弹。而与此同时，第一颗人造卫星由前苏联用洲际弹道导弹发射入轨。以后的三十多年中，空间技术得到迅速发展，各种型号的洲际导弹改型的早期卫星运载火箭相继产生，如前苏联东方号、上升号、联盟号载人飞船的运载火箭、中小型人造天体的运载火箭B—I型（凉鞋）、C—I型（短剑）和轨道武器系统的运载火箭F—I型（悬崖）、以及专为发射大型天体的运载火箭D型（质子号）；美国也相继研制了红石、先型、雷神——德尔他、宇宙神——阿金纳、宇宙神——人马座、大力神以及为阿波罗空间探险计划专门研制的土星1B、土星5号等运载火箭；我国的运载火箭有长征号系列，此外欧洲空间局有阿丽亚娜号运载火箭；日本有H—2号运载火箭、印度等国也有能独立发射卫星的运载火箭。
火箭的家族
火箭的实质是一种无人驾驶的飞行器，也叫空间运载工具。它的任务就是把称为有效载荷的人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机、星际探测器等送入各自的空间轨道，去完成它们的使命。
早期的火箭是单级的，现代火箭大多是多级型。多级火箭的思想是20世纪初俄国科学家齐奥尔科夫斯基提出来的。他大胆地提出月亮、星际旅行的设想，并指出只有用液体作推进剂的多级火箭才能完成宇宙航行的任务。与此同时，他还推出了著名的齐奥尔科夫斯基公式，为宇宙航行的理论工作做出了重大贡献。
但是他的想法并不完全对，因为火箭不光用液体燃料，固体燃料、固液混合燃料也可以用。在液体火箭技术方面，美国学者高达德取得了巨大的成就。从目前来看，现代火箭大部分使用液体燃料。像1996年6月4日失事的阿丽亚娜5号运载火箭就是这样。当然，固体燃料火箭也不少，如美国“侦察兵”型运载火箭，阿丽亚娜5号的两个助推火箭正是使用了固体燃料。液体、固体火箭都是化学推进剂运载火箭，它们用在地球范围、月球范围和太阳系内的行星际航行已游刃有余；把它用在太阳系以外的恒星际航行与漫游的探测器上，也会有很大的把握；但如果把它用在太阳系以外的实际恒星际载人航行上，则显得太慢，有一种老牛拉破车的感觉。所以新型运载火箭，像电子火箭、核火箭和光子火箭正在研制中。
火箭外型看起来像个长长的细管，头部尖尖的，所以这样设计是为了克服大气的阻力。不过，这个细管并不是笔直的，常常有微微凹进和凸出的部分，我们知道它是一节一节的，这叫多级火箭。多级火箭有两种首尾相接的方式，一是单纯的串联式，是一节一节地联起来的，像阿丽亚娜1号、2号火箭就是这样；再有就是串并混合式。它往往是上面一级串联，下面一级并联，是捆起来的，像阿丽亚娜3号、4号、5号，我国的长征号捆绑式运载火箭，从意思上说都是串并联合式。当然不管是采取何种形式，都力求使用多级火箭，增加运载能力，多带些东西上天。
整个运载火箭由箭体结构、动力装置、控制系统、分离系统等部分组成。箭体结构就是运载火箭的骨骼架子，它有仪器舱、推进剂箱和尾段，头部的帽子——整流罩也可以包括在里面。大型的运载火箭还有尾巴——尾翼。箭体结构就像人的结构一样，它的主要功用是装置各种器官和实用物；不同的是，这些器官和实用物是各种仪器设备、发动机和推动剂等。
火箭的动力装置，就是帮助火箭使劲的东西，包括发动机和液体推进剂输送系统。它的任务是解决火箭的能量和动力问题。运载火箭都使用火箭发动机，它的特点是无需外来氧气，自己已经带足了氧化剂和燃烧剂，准备在真空中燃烧。如前面所说，固体火箭和液体火箭是不同的，其燃烧过程也有差别。液体火箭发动机装的是像水一样的液体。需要如水泵一样的输送系统抽取燃料。液氢液氧是一种常见的低温高能推进剂，极容易燃烧，不容易储存，但用在运载火箭上却很方便。火箭发动机不能出故障，否则整个发射会功篑一瞬。1995年3月28日，俄罗斯用“起飞号”运载火箭发射一颗以色列卫星、两颗本国卫星以及墨西哥的试验仪器时，由于发动机失灵，10分钟后火箭爆炸。
固液体火箭的燃料一定要封密好，如果稍有泄漏，就会酿成大祸。1986年1月28日，美国卡纳维拉尔角宇航中心，火箭发射一分钟后，由于右侧固体助推火箭圆筒焊接处的密封圈出了问题，使火箭燃烧的火焰窜出来，烧坏了机外燃烧舱的液氢容器，最后造成助推火箭和机外燃烧舱分离，进而猛烈爆炸，致使搭载飞船的七名机组人员遇难。
控制系统，就像人的神经系统一样，它能指挥火箭进行各种行动，包括制导系统、姿态控制系统、发射系统等。控制系统的任务是使运载火箭保持正常的运行姿态，该偏就偏，该正就正。运载火箭的制导系统有惯性制导和无线电制导。惯性制导是依靠运载火箭的设备来指导自己运行；无线电制导要通过他人来帮助，地面雷达将测出的运载火箭方位与速度进行比较，对运载火箭的偏差进行修正，同时按时发布火箭发动机熄火、关闭的信号。
控制系统是很重要的，它就如同人走路不能出偏差一样。统计资料表明，相当一部分航天发射事故均出于此。以1995年为例，八起航天发射事故，四起就是控制系统出了问题：1月15日，日本用M—36—2固体火箭发射德日联合研制的“快车号”返回式卫星，火箭起飞后103秒开始摇摆，地面站只好发出指令让其星箭俱毁；6月22日，美国用“飞马座”—XL空射小型火箭发射空军一个小型试验卫星时，第二次点火后的火箭失去控制而偏离预定轨道，发射场官员只好发出自毁指令；8月15日，美国用新研制的LLV—I小型火箭进行首次发射时，由于第二级火箭姿态失控，在发射后106秒时，发射场官员只好向星箭发出自毁指令；10月23日，美国私人投资的“大篷车”小型固体火箭从美国弗吉尼亚洲瓦洛普斯发射45秒后箭体倾斜，爆炸后坠入大西洋。
运载火箭的分离系统，就是自动分开的系统，它包括人造天体与末级火箭的分离、卫星整流罩的分离等。分离系统也不可忽视，这就像生孩子一样，如果不能分离或者分离不准，很可能会造成发射不能最终成功的缺憾。这里有两个典型的例子：
1995年8月5日，美国用“德尔它”火箭发射韩国第一颗国内通信卫星时，由于捆绑在第一级火箭周围九个固体助推器中的一个没有分离，致使火箭把卫星送入偏低轨道。后来经过地面17次操纵指令，该卫星虽然被推上地球同步轨道，但卫星燃料消耗过多，卫星寿命减半。
又如1995年8月31日，在俄罗斯用“旋风”号火箭发射乌克兰的海洋观测卫星和智利的50千克重的小卫星时，由于分离机构的故障，使智利卫星未能与主卫星分离，这样，乌克兰卫星也无法进行通信试验和对地观测。
他运载火箭有大有小，这常常由它所搭载的人造天体和飞行轨道所决定。如果飞行轨道不高，而人造天体不很大很重，那么火箭起飞要求的重量较小；当人造天体重量不大，而飞行轨道很高时，那么火箭起飞的重量也大。目前，各种卫星、飞船以及空间站的运行轨道都比较高，重量大，所以运载火箭也都是些体壮身高的庞然大物。一般地说，它们多为几百吨，重的也有二、三千吨的；高约为30米左右，也有四、五十米的，粗为三米左右，也有达10米的。但它所能携带天体的质量一般只有火箭起飞重量的1%～2%。像阿丽亚娜5号火箭直径达5.4米，固体助推火箭直径为3.01米，整个火箭高五十多米，起飞质量为710吨，起飞推力为1300吨，双星同步轨道运载能力为5.9吨，单星发射同步轨道运载能力为6.8吨，低轨道为18吨。
火箭的发射
火箭从点火起飞开始，到把人造天体送入预定轨道，这一飞行阶段叫发射阶段。火箭飞行所经的路线叫发射轨道。发射阶段一般分加速飞行段、惯性滑行段和再加速段三个部分，这就如一辆汽车先加速、再滑行、再加速一样。下面仅以一枚三级运载火箭发射一般轨道的人造天体为例，介绍一下火箭的发射过程。
首先，人造天体及运载火箭在工厂制造完成后，要分别进行总装试验，合格后才由大型运载车辆将其运到发射场。像上面所讲的阿丽亚娜5号运载火箭，原本在6月4日发射，但在前一天6月3日清晨，火箭才由总装厂房转送到发射区，四周可通行的道路全部被封锁，直升机在空中巡逻，以防某些人员图谋不轨。
火箭运到发射场后要进行调装，并进行推进剂加注以及各种测试，准备点火。阿丽亚娜5号火箭在起飞前几个钟头一直不顺利，先是凌晨下了大雨，后来又转为多云加小雨。到上午8点30分左右，仍无法发射，地面控制中心的大屏幕上一直有两个红条，分别表明天气和气象条件不具备。9点27分左右，大屏幕上出现了绿条，表明发射条件成熟，此时发射进入倒计时。
运载火箭第一级发动机点火后，巨大的轰鸣声震天动地，火箭拔地而起，直冲云霄，此时加速飞行开始。经过几十秒钟，运载火箭开始按预定计划向预定方向拐弯。再过几十秒钟，火箭穿过稠密的大气层，到达六七十公里的高空。第一级火箭关机熄火后，自动分离并掉下来。接着第二级发动机点火，推进第三级火箭和人造天体继续加速前进，此时火箭的飞行轨道变得开始向地面弯曲。同样，第二级火箭按计划熄火分离，到这个时候火箭的加速飞行段已结束。在地球的引力以及自身的惯性作用下，火箭携着人造天体开始自由滑行。当第三级火箭到达与天体预定轨道相切的位置时，第三级火箭点火并进行加速，一直等到人造天体达到所需的环绕速度时，它才把人造天体弹出。第三级火箭关机熄火。至此，运载火箭的整个使命就完成了。
当然，如果要发射地球同步卫星、载人登月飞船、星际探测器，那么火箭的运行轨道就复杂得多了。因为不同的人造天体的轨道是不一样的，按圆与扁来分有整圆和椭圆两种。地球静止轨道就是整圆，1984年我国发射的静止通信卫星，采用的就是这种轨道；如果按轨道高度和倾角来分，也有各种各样的轨道，如极地轨道、地球同步轨道、太阳同步轨道等。我国发射的“风云一号”气象卫星采用的就是太阳同步轨道。
一般地讲，火箭轨道的运行与发射任务紧密相关。如发射地球静止轨道的卫星，必须先把卫星送入初始轨道，当卫星飞临赤道上空时，火箭再次点火，卫星进入远日点高度为35，800公里的转移轨道；最后当卫星临近椭圆轨道的远日点时，再次点火加速，卫星最终进入地球静止轨道。这就是说，火箭分别跨过了卫星的几种轨道。
再如，发射返回式卫星时，反推火箭是很有意思的东西。一方面反推火箭要调好姿态，它是帮助卫星减速而不是再次加速。这里有一个令人哭笑不得的故事。1959年8月13日，美国“发现者5号”卫星返回时，由于火箭把方向调错了，不仅没有把卫星送回来，反而把卫星推到了更高的轨道，结果那颗卫星杳无音讯，逃得无影无踪。载人宇宙飞船的反推火箭也要严格控制。美国“水星号”载人飞船返回前，由于火箭点火时间比原计划晚了三秒，结果飞船的落地点远离回收区，运行轨道也与原计划大相径庭，真是“差之毫厘，谬以千里”。
最后谈一点火箭发射的新构想。到目前为止，世界上主要火箭的发射都是在陆地上进行的，但并不是说除此之外就没有别的发射方式，海上、空中、地下发射三种新的方案正在尝试和探索中。
1.海上发射方案
目前世界上有15个航天器发射中心位于海上。非洲肯尼亚东海岸的圣马科发射场就是其中之一，它由圣马科和圣丽塔两个海上平台和陆上结集营地组成。两个海上平台相距500米，各自形成体系。其中圣马科平台呈矩形，长100米，宽300米，平台上配有发射架、工作拖车等；圣丽塔呈三角形，是发射操作的神经中枢，它有发射航天控制中心、遥测站、雷达等设备。但此发射中心虽然从1967年进行过多次发射，却不能移动，海上发射的优势并没有显示出来。
据报道，美国空军正在研究开发一个新的发射方案：把浮体或石油钻井平台改造成海上移动型运载火箭发射场。罗马公司的戈里拉浮体海上石油钻井平台被初步选中。他们决定在沿岸设置靠岸的辅助发射装置，另外再在可移动的平台甲板上装上发射台，并把火箭架在上面；海底也打上支柱，并能够抬升平台。运载火箭在固体发射平台上装好后，就可以进行遥控发射。
从海上发射运载火箭有助于保护陆地环境，不需要占用大面积土地，并可以根据具体条件移动发射台。提出这种海上发射的不只有美国，日本也提出了“海上发射复合体”的构想，并取得了专利权。此外，最近也有人提出“航天母舰”的设想，顾名思义，它类似于航空母舰却又不等同于航空母舰。航空母舰主要是出于军事目的；而航天母舰则主要是为发射火箭而着想的。
2.空中发射方案
美国轨道科学公司在1986年左右提出了“飞马”方案。它实际上是一种介于地面和太空发射的一种方式。飞马发射过程是这样的：美国B—52轰炸机带着二级“飞马”运载火箭从地面起飞，当飞到12，000米的高度时，长15米，重18吨，并带有箭翼的“飞马”火箭自动脱落，下降五秒后，火箭第一级开始点火；随后第二级第三级点火；大约八分钟后，第三级火箭燃烧结束，卫星便被送入到450公里的运行轨道中。从1990年4月以来，美国果真从B—52轰炸机上成功地发射了多颗卫星。1993年2月3日，改装后的B—52轰炸机把一颗巴西卫星送入到400～800公里的椭圆轨道。
空中发射方案最吸引人的地方是费用低，只有地面发射的1/3；另外发射时间短，不受发射区域的地理限制，适用于军事上快速发射的要求。但它只适合小型卫星的发射，运载最大容量只有27吨。同时，美国也有“金牛”标准小型运载火箭。此火箭分四级，能将一吨重的卫星送入轨道，三百多公斤的卫星送入静止轨道。此种火箭已经投入到军民两用。
3.地下发射方案
90年代，日本有个公司提出过从地下二千多米深处发射火箭的构想。这个构想要在地下挖一个2000米深、直径为10米的竖坑，从底部利用压缩空气发射运载火箭。此种发射方式的优点在于它能节省燃料，并能提高火箭所搭载人造天体的重量，估计本世纪末可以实现。
目前世界上拥有自己卫星的国家很多，但有发射能力的并不多。从商业卫星的发射市场来看，比较先进的火箭型号有以下几个：一是欧洲空间局研制的阿丽亚娜号火箭；一是俄罗斯研制的质子号运载火箭；一是美国麦道公司研制的德尔它火箭；另一是中国航天工业总公司研制的长征号火箭等。
掌握返回式卫星技术的国家只有四个。除美国和独联体外，我国于1975年首次回收卫星成功，日本1994年用H—2型火箭发射的“返回大气层实验机”按预定计划溅落在大西洋上。
另外一箭多星技术也引人注目。我国于1981年9月2日，用一枚运载火箭发射了三颗卫星。美国、独联体也不甘落后。俄罗斯曾于1994年2月14日，用一枚“旋风—3号”运载火箭发射了“宇宙—2368号”至“宇宙—2273号”六颗通讯卫星，这些卫星都成功地运行在低轨道上。
中国火箭的商业市场潜力很大。我国在1990年4月7日、7月16日、1992年9月14日、10月6日，分别发射了亚洲1号通信卫星、巴基斯坦小型实验卫星、澳大利亚通信卫星、瑞典科学试验卫星。长征3号是我国比较成熟的运载火箭。虽然，我国卫星发射也曾有过挫折，但中国火箭的发射成功率仍是世界上最高的，前景很好。最近一次发射是在1996年7月3日，中国在西昌用“长征三号”发射了“亚太1A”通信卫星。
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