破解的天书(下册)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：舒天丹,仇静

出版社：中国环境科学出版社,学苑音像出版社

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破解的天书(下册)试读：

前言

宇宙茫茫，星空浩瀚。亿万年来，宇宙每天都在人类的面前，炫示着她的神奇与伟大，灿烂与深邃。

亘古永恒的宇宙时空，时时在演绎着如歌如梦的天地玄妙，处处伏掩着似真似幻的远古谜团。于是，怀着敬畏，也充满着向往的人们，无数次面对苍穹，向天发问：

是谁创造了如此绚丽多彩的大自然？又是谁赐予了人类最宝贵的生命？在无垠的宇宙中，人类是否就是惟一的生命？那些辉煌的史前文明究竟是谁的杰作？除了我们，还有谁曾造访到太阳系中这惟一蔚蓝色的星球？谁能告诉我们天有多高，地有多深，天高地深中都有些什么？……

伟大的科学家爱因斯坦曾说过，“我们所经历的最美妙的事情就是神秘，它是人的主要情感，是真正的艺术和科学的起源”。

尽管今天的人类，科学高度发达，我们可以上九天揽月，可以下深海探秘，但人类仍有太多的疑问、太多的谜团；我们可以分裂原子，改变基因，克隆生命，再造物种，但人类仍有太多的梦想、太多的期待。于是，疑问与谜团，梦想与期待，便给了我们破解人类文明与科学未解之谜的精神和勇气，给了我们心灵遨游未知世界的动力。人类的历史，也正是在不断探索和破解未知世界的过程中，不断地向前迈进。

我们所主编的这套《破解人类文明与科学之谜》丛书，内容极为丰富，包括《破解的天书》、《真实的梦幻》、《复活的古城》、《古老的密码》、《出土的谜团》、《灾祸的降临》、《科学的黑屋》、《大脑的神奇》、《人类的奥秘》、《生命的密码》、《身体的透视》、《长寿的钥匙》。它向读者展示了人类在时空长廊里考证历史的回响、发掘生命的秘密、探寻太空的谜团、破解文明的神秘，所揭示的神奇绚丽的壮阔画卷，将让我们的视野更加开阔，将使我们的心灵感到震颤。

揭示人类文明之谜，需要科学严肃的态度，需要建立在丰富的知识与缜密的思维的基础上。如果只是对科学一知半解就断然下结论，那将是幼稚可笑的。我们希望更多的人、尤其是广大的青少年读者，以严谨、求实的科学态度，对待种种神秘现象。只有这样，才能更接近真理，查清真伪，破解宇宙间未知现象的真实本质。

人类的进化，从来都是以一连串的问号开始的，始终都是以一系列的答案发展的。虽然，今天人类的未知世界依然非常广阔，太多的未解之谜依然等待着人们去探索与破解。但永不屈服与不懈的挑战，从来都是人类的优秀传统。为了未来的生存与发展，为了明天的光荣与梦想，谜底将逐渐被揭开，文明将不断被创造，一个无限美妙与神奇的新世界，将在未来向人类招手。

我们期待着这一天。舒天丹 仇静2006年春节于北京

第五章 宇宙孕育着无限的生命

一、拥有无限生命的宇宙

明亮的旋涡白云和湛蓝的海水，使地球在繁星天宇间相貌出众，楚楚动人。包裹地表的水以液态为主，约13.6亿立方公里，呈不连续分布水体状。生命的诞生发展，人类的文明昌盛，都离不开水。（1）干渴的星球

天文学研究和登月考察证实，我们的近邻——月球几乎是赤地-12千里的天国。月球的大气气压还不足地球的1×10倍。所以，130℃的向阳月面对沸点远远低于100℃的月球水来说，只能沸腾蒸发，绝不可能存在液体。而且，月球体态娇小，引力柔弱，根本没有使水汽存留的能力。

然而，在月岩样品中还是发现有含有针铁矿内的结构水。结构水-＋以（OH）、H离子形式，牢固地与其他离子连接在矿物晶体的一定位置，因而就不同于结晶水、吸附水之类的矿物水，非600℃～1000℃高温而不能逸出。这些数量极微的结构水的存在，表明月球也并非滴水皆无。因此，在终年-33℃的月表深层和极区倒还是有希望找到永久冰冻层。

水星距太阳仅0.39天文单位，其表面特征、大气稀薄（大气压2×-109毫巴）等诸方面与月球酷似。水星表面温度170℃～430℃。而且，水星地下温差极小，几乎永远保持在冰点以上。所以，水在水星上简直无立锥之地。

轨道近于圆形的金星比地球更临近太阳，加之浓厚CO大气的巨2大“温室蒸气效应”，使金星表面烈日酷暑、铄石流金，温度达420℃～485℃。因此，金星上的水始终以蒸气的形式漂浮于浓厚大气中。美国麦克唐纳天文台在60年代末首次获得金星水蒸气光谱，并测定其含量很少，只有1%。苏联“金星号”测定金星低层大气水蒸气含量不大于0.1%或0.2%。按照相当地球水量百万分之一的估计，则金星大气中水蒸气水量约为1.4千立方公里，只覆盖其表面不到10厘米深的一圈水层。金星大气重氢与氢比值约为地球的100倍，从而可推知金星也曾与地球一样拥有大量水体，而水的消失则是环境日趋恶化的结果。（2）水0℃就沸腾的地方

火星离太阳较远，其自转周期、黄赤交角等与地球相近，曾使人们对火星水寄以厚望。研究表明，火星水量虽不能与地球同日而语，但堪称充裕。

1963年，美国塞浦拉德等测定出火星大气光谱约含1/1000的微弱水蒸气带。空间探测器发现火星大气含水量悬殊极大，从无法测定到100微米降水量均有分布，平均含水量约0.03%，全部含水量约13立方公里。

平均仅有6.1毫巴气压的稀薄大气，无疑使火星水大约在0℃就会沸腾。因此，在火星赤道，水便会很快沸腾汽化，而在两极则能迅速凝结成冰。只有蒸气和冰才是火星水存储于世的稳定形态。

关于火星极冠，目前已认定它们是干冰和水冰混合组成的冰帽。在火星上，水蒸气的凝结温度（-80℃）远高于CO的凝结温度2（-125℃），所以，水冰可形成夏季冰帽。它们分布的面积分别为：南极冰帽27.6万平方公里，北极冰帽110.0万平方公里。此外，两极冰帽总共含水不超过136万立方公里，足以形成环绕火星表面近10米厚的水层。

高空飞行器的红外探测和“海盗号”登陆舱对火星表面物质的研究，均表明火星中含约1%的结合水。鉴于火星高纬度区地下终年寒冷，无疑也会形成类似地球极区的永冻层。此外，火星表面分布着宽阔蜿蜒的河床和树枝网状渠沟的干涸水道等，这些也都说明火星当年也曾流水潺潺、碧波荡漾，后随日月嬗变而水量锐减，才到了今天的地步。（3）冰天霜地的类木行星

与类地行星相比，距太阳较远的类木行星不仅以表面-130℃～-230℃的低温见长，更以其体积大并拥有浓厚氢氦大气而闻名。这些星球上，虽然是滴水成冰，但仍不失为水的太空“福地”。

木星大气含水极微。光谱分析揭示，水蒸气连同甲烷（CH）、4氨（NH）等气体总量仅占大气1%。维台茨林等依据“先驱者号”3红外资料，计算了木星云的成分和结构理论模式，指出其下部是一些冰晶体组分。据此，人们确信其他类木行星大气中也多少不等地含有水。

除木星表面没有固化而呈液氢外，其他固态化的类木行星理论上讲都可能具有不同厚度的水冰幔或冰包层。据推测，土星就有厚约5000公里的冰幔。而在天王星和海王星的各种结构模式中，对含水量的估计从50%～80%不等，一般认为可达到65%～68%。构成它们厚厚冰幔的主要成分是水。经鲍适拉克等推算，水冰以及一些其他冰冻气体的总含量如下：木星，5%；土星，12%；天王星，60%；海王星，70%。

对距离最远、发现较晚的冥王星虽了解甚少，但从其低密度（0.79克/厘米3）推断，也主要由水冰和某些石质冰冻气体组成。

此外，“先驱者11号”探明，土星环主要由约1厘米大小的冰块，以及表面包裹冰或薄冰霜的硅酸盐颗粒组成。

木卫2、木卫3和木卫4的反射波谱和红外研究也都表明，木星卫星的表面分别覆盖有50%～100%、20%～65%和5%～25%的水冰或霜。木卫2厚75米～150米的冰表层分布不均匀，致使其半球明亮半球暗。从木卫3的密度（1.9克/厘米3）来看，其含水达30%～50%之多。目前认为，木卫3有近100公里厚的冰壳覆盖于400公里～800公里的液态水幔上。

而且，土卫1、土卫2、土卫3、土卫4和土卫5都具有高反照率，还具有较低密度（1.0克/厘米3～1.4克/厘米3），这说明它们有着冰天霜地的表面，而且水冰或水将可能是它们70%～80%的组分。近红外照片已使人一睹土卫2那“满面冰霜”的神采。（4）远道而来的太空水

早在1947年陨石水就首次崭露头角，使人眼界大开，其中尤以碳质球粒陨石含水丰盛而著称，达20.08%。这主要是一些含于绿泥石、蛇纹石和石膏等矿物内的结构水。因此，它们既经得住漫游太空长途跋涉的考验，也能免遭坠落地球大气的灼热焙烧。科学家们发现，陨冰密度大于地球冰，而且其中含有氨基酸和高于地冰的金属元素。

陨石水和陨冰揭示了太空水的奥秘，使人们对与陨石有“亲缘”关系的天体——彗星、小行星等萌生有水的联想。1940年在彗星光谱中首次发现可能是来自水分解的羟基。目前，估计彗星中水的含量在30%～75%左右，并主要以固态——冰存在。只有经过近日点附近时，冰受热才会升华蒸发成汽并喷散空间产生彗尾。

对回归的哈雷彗星的近探，在包裹约1厘米厚的多孔高熔点物质的哈雷彗核表层以下依然严寒如冬，保持-80℃～-90℃的低温，仍不失为冰的久居之地。经测算，哈雷彗星含冰80%左右。

目前仅在一些小行星表面发现有含水化合物。这种结合水在谷神星表面含10%～15%，智神星也含5%左右。此外，诸如小行星福尔申娜以及奈玛由兹、维比莱等小行星，均表现出可能有水的姿态。1982年地面红外光谱进一步揭示，在谷神星上还可能有水和冰体存在。（5）倩影普存的星际水

水，不仅在太阳系内踪迹遍布，而且在浩瀚广宇间也倩影普存。除90%的氢和9%的氦外，宇宙中最普通的原子就是氧。氢与氧在适当条件下的结合就形成水。

射电天文学为人类开创了宇宙探水之路。1963年在仙后座A射电源首次发现预示水分子存在的星际羟基。1968年获得了星际空间分布的水分子的1.35厘米波长的射电谱线。后来，水分子谱线在人马座B射电源、猎户座大星云和其他射电源中相继出现。特别是在金牛座2一个被认为包裹着新生恒星的冷尘埃星云中，还观测到大量微粒状冰的3.1微米波长的红外特征谱线。

此外，水分子还能在温度低于5000°K的低温的M型恒星大气中及红外光谱中存在。距我们240万光年的三角座旋涡星系是最先观测到水微波谱线的河外星系。1978年，发现了远离1200万光年的河外星系表面“水澹澹兮生烟”，弥漫着大量氤氲水汽。

宇宙中已发现的清冽水、晶莹冰和蒙蒙汽，以及似乎微不足道的水分子，说明宇宙间的生命、智慧生物和文明星球也并非地球一家，这正是科学家们对宇宙水的兴趣所在。2.茫茫宇宙中可能有智慧生物

地球外的茫茫宇宙中，究竟有没有生命？究竟有没有类似地球人甚至更文明的高级外星人？随着空间科学技术的不断发展，这个富有神话色彩的猜测，越来越激励着人们。对这个亘古未解之谜，目前众说纷纭，莫衷一是。

大致说来，科学家们分成了两大派。其中一派说，既然我们人类居住的地球是个最普通的行星，那么有智慧的生命就应当广泛地存在和传播在宇宙中。另一派却说，尽管生命可能在宇宙中广为存在和传播，但能使单细胞有机体转变成人的进化过程所需的特定环境出现的可能性是极小的，因此在地球外存在智慧生命就不大可能了。就科学的发展来看，这样的争论是正常的、有益的，而且会推动对“地外文明”的探索。（1）火星：可能存在生命的星球

在被怀疑拥有原始生命的太阳系诸天体中，火星是被议论得最多的一个。

在20世纪70年代，“水手号”和“海盗号”飞行器对火星的探测，终于否定了“火星人”的神话。然而，从海盗号探测站所做的三项实验来看，却不能绝对地肯定，那里不存在任何生命形态。

第一项实验是检查有无以光合作用为基础的物质交换，结果是否定了。第二项实验是仿效地球上的物质交换，以澄清土壤样品，视察其中有无微生物。实验时在土壤样品中加入含碳-14的培养液，若土壤中有生物，会吸收与消化养分，会排出有放射性的碳-14，这可在计数管中进行检测，结果记录到了。而在预先经过消毒处理的土壤中则没有记录到。第三项实验是测量生物与周围环境所发生的气体交换。在加入培养液的土壤样品中，质谱仪记录到有氧的发生，但两小时后却突然停止，不过微量二氧化碳的析出却持续了11天之久。有人指出，如果土壤中存在过氧化物，那么氧的析出就可能不是生物造成的。因此根据这三项实验的结果，人们既不敢肯定火星上有生命存在，也不能否定火星生命存在的可能性。

即使退一步说，这三项实验证明了火星没有生命。但它毕竟只能反映实验地点的情况，而不能以点代面地说明整个火星的情况。要知道，40多年前，人们对环境恶劣的地球南极地区进行考察时，也曾认为那里是不适宜生命存在的，在早期的考察活动中也确实没有发现“定居型”的生物。然而在1977年，人们却在那里的石缝中找到了地衣和水藻。此外，一些火星研究者还指出，在火星赤道附近有两个地方，土壤中水的含量要比别处丰富得多。每天每平方厘米的地面至少能释放出100毫克的水（一到夜晚，水汽则凝结为霜，因此这两个地方从地球看去要比火星其他地方明亮得多）。他们认为这两个地方的环境比地球上一些已发现有微生物的极端恶劣环境相比，更适于生命的存在。

总之，对火星是否拥有生命体这一问题。目前我们还无法作出肯定与否的回答。（2）土卫六：也可能会存在生命

土卫六是土星的第六颗卫星。它的直径约5800公里，是太阳系中最大的一颗卫星。它也是太阳系里已知的惟一具有真正大气层的卫星。根据1944年奎伯对其光谱的分析，认为它的大气主要由甲烷和氢组成，其大气压约在0.1～1个大气压之间。也就是说，其大气密度虽不及我们地球，但比火星大气却要密得多。土卫六的表面温度，因距太阳较远，大约维持在零下150℃左右。

1979年9月，“先驱者”11号宇宙探测器在距离土卫六356000公里处拍摄到的照片显示，这颗卫星呈现桃红色。这表明它的大气中确实含有甲烷、乙烷、乙炔等，还可能有氮的一些成分。乙烷、乙炔的存在使人们相信，土卫六上有可能找到更复杂的有机物。因此人们认为，在土卫六表面可能存在一层由较复杂的有机物构成的海洋和湖泊，其情形也许酷似地球生命发生前夕的所谓“有机汤海”。如果这一推测是可靠的，那么土卫六上就很可能有一些原始的生命形态。

1980年底，“旅行者”号飞船飞临土星上空时，人们曾期望它能给我们带来更多的有关土卫六的信息。遗憾的是，它发现土卫六的大气并不像早先所认为的以甲烷为主，而是以氮为主，氮约占98%，甲烷占不到1%。此外，还有乙烷、乙烯、乙炔和氢。不过，在红外探测资料中，发现其云层顶端含有与生命有关的分子，可能是属于生命前的氢氰酸分子。可是，由于它的大气几乎完全呈雾状，妨碍了飞船对土卫六表面的观测。因此土卫六上是否真有生命，也还有待进一步证实。（3）木卫二：具有存在生命的自然条件

木卫二的直径为3000公里左右，在木星的卫星中属第四大卫星。根据近红外波长的光谱分析，这个卫星的表面存在大量由水构成的冰。而根据其平均密度为3.03克/厘米3来估算，它可能有一个厚约100公里的由冰和液态水组成的壳层。

木卫二具有奇特的与众不同的外貌，分布着许许多多纵横交叉的条纹，犹如一大堆乱麻。经分析，这些条纹应是木卫二冰壳上的裂纹，其中有些裂缝的宽度可能有数十千米，长达1000千米，深为100～200米。这种像乱麻一般交叉的裂缝具有褐色的基调，对这种褐色物所作的光谱分析表明，它们很可能是有机聚合物。

与此同时，来自地球的一项发现也启迪着人们的思考。那是在南极的干谷，有一些常年冰封的湖泊。极地微弱的阳光在透过上部厚厚的冰层以后，到达湖底已是微乎其微。然而，当人们潜入这冰冷的、幽暗的湖底时，却意外地发现那里生活着一大片蓝绿藻。它们就靠这微弱的阳光生活。木卫二尽管离太阳比地球远得多，温度低，阳光弱，但并不比南极冰湖下的环境更差。而且由于自转和公转的偶合关系，它有长达60小时的白昼。因此在一些裂缝刚刚破裂开来的地方，水体里将有可能接受到较充足的阳光，从而使生命有可能在那里繁殖生存。一直到5～10年后，当裂缝重新被厚厚冰层所覆盖时，生命也就暂时地潜伏起来，等待另一次机会。

当然，以上所述还只是一些推测，要证实这一猜想，需要有一个能潜入木卫二冰壳下的太空潜水装置。

二、地球生命的“天外来源”

地球上的生命究竟是怎样起源的，这是一个自古以来最为人们关切的课题，并与宇宙的起源、地球的起源和人类的起源并列为四大起源之谜。

众所周知，在生命起源问题上存在着许多不同的观点。早期的神创论和自然发生说，今天已没有多少市场了。科学的发展使人们渐渐相信，生命是物质进化的必然结果，是在特定的条件下，由无机物进化为有机物，再进化为复杂有机物，最后才形成最原始的简单生命。然而，对于这一进化过程究竟是在什么条件下发生的，却存在是地球环境还是宇宙环境的争论。我们这里谨向读者介绍后一种理论。1.孢子从火星飞向地球

早在19世纪末，当人们通过一系列实验，证明在正常条件下生命不可能从无生命物质转化而来，即证明生命自然发生说是无稽之谈时，就有人把视线转向了宇宙空间。1907年，瑞典著名的化学家阿列纽斯（1859-1927年）发表了《宇宙的形成》一书。他主张，宇宙中一直就有生命。“生命穿过宇宙空间游动，不断在新的行星上定居下来。生命是以孢子的形式游动的，孢子由于无规则运动而逸出一个行星大气，然后靠太阳光的压力被推向宇宙空间里。”其他科学家也证明了这种压力的存在。因为在宇宙中类似太阳这样的恒星多得很，故类似太阳的恒星光是处处存在的。如此说来，产生生命推动孢子运动的光压力在宇宙中客观是存在的，且很普遍。阿列纽斯认为：孢子在星际空间里被光辐射推着往前走，直到它掉到或落到某个行星上，在那里它就能发展成活跃的生命。如果那个行星上已有生命，它就和他们竞争；如果还没有生命，但是条件具备，它就在那里定居下来，使这个行星有了生命。

经他计算，孢子从火星飞向地球仅需84天，只需14个月就可飞出太阳系，若要飞到距地球最近的恒星——半人马座的比邻星（距地球4.3光年）也不过9000年。显然这些数字从天文学的角度来看是微不足道的。阿列纽斯还认为，孢子有着厚厚的外衣保护，所以有很强的生命力，足以忍受住遥远的、寒冷的、没有水分和营养的星际旅途的各种艰难，而不丧失其复苏的能力。一旦由于纯粹偶然的原因，这些宇宙间的“流浪汉”来到了一个适宜生长的环境，便开始了征服这个星球的过程。

上述的假说，看起来还是很有道理的。但是由于宇宙中存在着各种各样的辐射线，这些射线长期地、强烈地照射孢子，会不会对孢子形成威胁呢？孢子虽然具有厚厚的外衣，十分耐寒，并脱去水分，可在宇宙空间中长期存活。但是孢子在太阳紫外线的照射下，很快就死亡，这一点已被科学家们的试验（1910年）所证实。是不是还存在这一种生命力更强的孢子呢？它连紫外线之类的射线都不怕？到目前为止，还没有定论。不过1966年人们在“双子座9号”宇宙飞船里，放上了具有特别抵抗力的细菌孢子，它受到了外围空间的辐射，直接在烈日下暴晒6小时之后仍然还存活着。这说明耐宇宙射线的孢子还可能存在。不过上述试验还不充分，因为仅仅是暴晒6小时，而宇宙孢子运动的时间可不是短短的6小时，必须要经得起长时间的各种辐射才行。因为宇宙中存在着宇宙线，太阳X射线，类似地球周围的范艾伦带中的各带电粒子等等，都会对孢子形成严重威胁。

阿列纽斯的理论一度得到许多学者的支持。但是，由于他主张生命在宇宙中是永恒的，一直就有的，这就抹煞了生命有过起源的问题，把生命起源的探索推向不可追溯、不可认识的唯心领域，甚至为神创论者所利用。2.“天外来源”学说重放光彩

然而，科学的发展往往是曲折迂回的。近年来，一系列发现又重新唤起了人们对生命天外来源说的热情。首先是人们注意到，地球上的生命尽管种类庞杂，但它们却具有一个模式，具有相似的细胞结构，都由同样的核糖核酸组成遗传物质，由蛋白质构成活体。这就使人们不能不问，如果生命果真是在地球上由无机物进化而来，为什么不会产生多种的生命模式？其次，还有人注意到，稀有金属钼在地球生命的生理活动中，具有重要的作用。然而钼在地壳上的含量却很低，仅为0.0002%。这也使人不禁要问，为什么一个如此稀少的元素会对生命具有如此重要的意义？地球上的生命会不会本是起源于富含钼元素的其它天体里？第三，人们还不断地从天外坠落的陨石中发现有起源于星际空间的有机物，其中包括构成地球生命的全部基本要素。与此同时，人们也发现在宇宙的许多地方存在着有机分子云。这使许多人深信，生命绝不仅仅为地球所垄断。再者，一些人还注意到，地球上有些传染病，如流行性感冒，常周期性地在全球蔓延。而其蔓延周期竟与某些彗星的回归周期吻合。于是这使他们有理由怀疑，会不会有些传染病疫苗来自彗星。如果这是可能的，那么当然也不会排斥有其他的生命孢子的传入。

当然，近代对生命天外起源说的最重要支持，还是来自下述的两个实验。（1）大肠杆菌与星际消光

早在19世纪末，人们就曾注意到，来自宇宙的星光，在到达地球的途中，因被星际物质所吸收，从而造成了星光的减弱。然而，究竟是什么物质造成这种星际消光现象，却长期没能获得满意的答复。近代利用人造卫星进行研究，把来自宇宙的星光展成光谱，发现在红外区域的3.1微米、9.7微米、6微米～6.7微米和紫外区域的0.22微米波长处均有强烈的吸收带。这使我们有可能在实验室里进行实物模拟，来确认究竟是什么物质造成消光现象。人们一度曾经认为，造成星际消光的物质是石墨构成的宇宙尘，也有人认为是硅酸盐尘，还有的认为是带有苯核的有机物，但实际模拟的结果却将其一一否定。不久前，英国加迪夫大学教授霍伊尔对此重新进行了研究，他大胆地假定，宇宙中充满了微生物，正是这种微生物造成了星际消光。根据这一设想，他用大肠杆菌进行模拟试验，结果果真在紫外0.22微米的波长范围里，找到了与星光相吻合的吸收带。

在霍伊尔实验的启迪下，日本京都大学的薮下信助教授等人对大肠杆菌进行了更详细的研究，结果在红外区域的3.1微米、9.7微米和6微米～8微米之间均找到了相似的吸收带。但在紫外区域减光曲线则与霍伊尔的结果稍有出入，减光曲线的峰值不是在0.22微米，而是在0.19微米。尽管有这0.03微米之差，也仍不能令人完全信服。薮下等人认为一个原因可能是大肠杆菌在宇宙中也许会有一些不同于地球上的特征，从而造成了这种差别；另一可能是空气中的氧气也会吸收紫外线，也许是氧气造成的干扰。因此他们正准备在“空间实验室”中去进行这一实验。（2）顽强的枯草杆菌

另一个使相信生命天外起源说的学者得到鼓舞的实验，是对生命在宇宙空间存活能力的研究。

早年，人们对阿列纽斯理论的主要批判，是认为生命无法经受宇宙空间紫外射线的考验。因此要使阿列纽斯理论复活，就得对这一批判作出有力的否定。

1985年英国《自然》杂志发表了彼得·威伯等的实验结果。他们把枯草杆菌置于模拟的宇宙环境中，即气压低到七亿分之一个大气压以下的高真空条件，温度为10K时，进行紫外照射。结果发现枯草杆菌具有非常强的耐受能力（比在高温条件更能经受得住紫外线的照射），其中有10%可存活几百年的时间。如果枯草杆菌不是置于高真空条件下，而是置于含有水、二氧化碳等的分子云内，则其存活时间竟可达几百万到几千万年，因此他指出：这种“云”足以在显著短于枯草杆菌平均存活时间的时间范围内，从这个星球移向另一星球，从而把生命的种子撒向四方。

基于以上各种原因，生命天外起源说正在重新得到人们的重视。不过和早年不同的是，人们深信即使生命来自天外，也与上帝创生毫不相干，而是一种自然现象。只不过从无机物进化为有机物的条件不应在地球上寻找，而应着眼于宇宙中的环境和条件。3.生物体究竟如何来到地球

生命天外来源说得到越来越多的支持，但有一个问题需要得到解决：生物体究竟是怎样到地球地面上来的呢？

一百多年前，科学家从1838年、1857年落在南非的陨石中相继发现了有机物，不过这些有机物究竟是陨石从宇宙空间带来的，还是在地球上沾染的，当时还无法肯定。研究这两个陨石的科学家中有人还声称发现了某种生物的遗骸，但也不确实。

1969年9月28日早晨，落在澳大利亚南部默奇森地区的一个陨石，为这个问题提供了不容怀疑的证据。根据科学家们分析的结果，他们在这个陨石中找到了许多有机物质。由于默奇森陨石在落地后立即经过处理，没有被地球物质污染的机会，科学家从中发现了氨基酸、琥珀酸、草酸等一系列结构复杂的有机物质。现在，科学家们确认，这些有机物完全是陨石从宇宙空间带来的，没有受过地球物质的污染。

氨基酸是构成人体蛋白质的基本生命物质，在陨石中发现氨基酸这件事，对研究地球上生命的起源，具有重要的意义。

另外，小行星和彗星也被认为是生命的可能载体。库纳尔大学和耶鲁大学的研究人员提出了一个意见，该意见认为生物体，尤其是来自彗星的生物体会经过稀糊阶段而后进入地球的大气层。实际是，当撞击物不管以什么速度撞击固体岩石时，特别是其表面的生物体移动穿过大气层或在被破坏的地方散布，它们会升华。但假如这颗彗星撞击的是海洋，而地球又有一个比现在密度高10～20倍的大气层（30～40亿年前可能存在的情形），这将对闯进来的天体产生空中制动的影响。如果该彗星的速度减慢到约每秒10公里，有机物质的实体部分将会在强烈的撞击热之前从撞击点刮走而得以生存。研究成果表明，很可能生命基础的元素（包括水，某些气体和包括碳、氢等有机分子）会由彗星和（或）小行星带到早期的地球上，从而帮助了生命的演进。

1992年，卡尔·萨甘和克里斯托弗·奇巴提出，生命中的有机化学复合物来自撞击体的假说中存在两个问题，第一，弄清其构成的原物质的来源，第二弄清所需能源的来源。他们主张，有一种稳定的有机物小粒子蒙蒙细雨从彗星似的碎岩（携带外空合成的氨基酸的粒子）上漂落到地球，那很可能是生命的化学先驱者。只要有能源来源，如闪电放电、紫外线辐射和来自陨星、小行星及彗星碰撞的撞击能，大气层也是这些化学复合物的潜在来源。萨甘和奇马认为这样的能源每年可以合成成千上万的复杂的有机化合物。

除了可能帮助地球上的生命进展外，早期太阳系中的小行星和彗星也许还有取消生命的另一不同作用。许多科学家相信，地球历史早年的大、小行星和彗星对生命演化有过重大影响。例如加利福尼亚埃姆斯研究中心的两位NASA科学家维纳·欧伯比克和盖伊·福吉尔曼确认，地球上生命的化学演化时间最大有效期是1.65亿年，他们预期生命实际上已在地球形成后花了100万年那样少的时间形成（比以往生命研究中通常引证的10亿年短得多），但也几乎像大规模撞击后的结局那样快地衰弱。科学家通过使用来自月球的尺寸、年代和分布数据，外推到地球的数据，计算了中等尺度小行星撞击之间的最大时间。这样的天体或许会以每小时近64360公里的速度冲向地球，其威力之大能够烧掉整个大陆的顶层并将约305米深的海水煮干。在这些地区的生命被毁灭，也许只有在海洋最深处的生命活下来，重新按次序开始演进。

目前的许多研究主张，生命的开始不止一次，生命的先驱者也许已从外空被带到地球，或者，至少生命的发展比大多数科学家想象的要快，这全是由于地球被天体撞击的缘故。

包括埃姆斯研究中心凯文·扎恩勒等其他的科学家相信，生命已被“超级撞击”，即地球与太阳系诞生时留下的微行星之间的碰撞完全杀灭过几次，这些大规模撞击能汽化地球的早先海洋，熔化它的地壳上层，并除去地球最初10亿年期间开始的生命。还有其他的科学家相信，每十万年就有生态灾难，特别是在太阳系重轰炸阶段开始时。

事实上，加利福尼亚技术研究所科学家凯文·麦赫尔和大卫·史蒂文森曾经把它称为“生命起源的撞击挫折”，一次接一次地撞击消灭了地面上脆弱的原始生命开始。

可以设想这样一种情景：在几十亿年前的远古时代，天空中乌云滚滚，雷声阵阵，一条条火龙（闪电）在黑色的夜空中窜跳腾越，最初级的生命就在这惊天动地的轰鸣声中诞生了，他们随着雨水潜入大地，流入海洋，从此，地球有了生命，世界有了千姿百态的未来。

生命也可能是这样来到地球上的：一颗陨星、小行星或者彗星像古代传说中的天龙一样，拖着长长的亮尾，飞到了地球上来，它们带来了生命的种子，在地球适宜的环境中，生命由低级逐步进化到高级，最后，出现了智慧的生命——人类。

第六章 宇航科技使人类飞向天空

一、为上青天巧借力

从20世纪初开始，飞机的军用意义已广泛引起各个国家的关注。在20～30年代，飞机从双翼机到张臂式单翼机，从木结构到全金属结构，从敞开式座舱到密闭式座舱，从固定式起落架到收放式起落架，飞机外形结构和气动布局已经发生了革新性变化。二次世界大战期间，参战飞机数量猛增，性能迅速提高，军用航空显然已对战争局势具有举足轻重的影响。战后，航空科学技术迅速地发展，特别表现在飞机空气动力外形的改进上。所谓空气动力外形，就是应用空气动力学原理来设计飞机外形，使得它的升力高，阻力小，稳定性、操纵性好。比如，机身尽可能呈流线型，减少突起物，以此来减小阻力。机翼的形状和配置也相当讲究。低速飞机通常用长方形或梯形翼。当飞机飞行速度到达声速附近或超过声速以后，就要采用像燕子翅膀似的后掠机翼。超声速战斗机或轰炸机的机翼可采用三角形的平面形状。飞机的飞行速度从低速到高速发展，与机翼从直机翼到后掠翼、三角翼、边条翼这些飞机气动构形的不断地演变密切相关。可我们的力学家为了这些气动外形的演进，不知付出了多少心血。世界各国的空气动力学研究机构都投入相当大的人力、物力，致力于飞机机翼翼型的理论分析和风洞实验研究。翼型指的是机翼横切剖面形状。剖面形状是影响机翼升力的重要因素。在飞机诞生的初期，飞行的主要矛盾是如何克服飞机的重力，使飞机离地升空。实践已经表明，采用大翼面积、大弯度剖面的机翼，克服重力而升空不成问题。当飞机速度不断提高，特别是超声速飞机出现后，推动飞机前进的力与空气阻力的矛盾就更加突出了。因此，必须找到能进一步大大减小阻力的机翼形状，才能满足飞机提速后的需要。有人做过统计，经过各国力学家长期研究，可以应用于飞机设计的机翼翼型总数已经超过15，000个，简直就是一个翼型“大仓库”。仰仗翼型的这些空气动力学研究成果，加上活塞式发动机、喷气式发动机、涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、冲压发动机这一些性能越来越先进的航空动力装置的相继出现，飞机设计师才有可能设计出飞得高、飞得快、飞得远而且又灵活机动的一代又一代新型飞机。

二次大战前，飞机的速度超不过声速（每秒340米）。当时有人认为声速不可逾越，就是说飞机速度要达到和超过声速，似乎所需要的发动机的推力就得要大得不得了，而且飞机也难以驾驶。这就是所谓声障。但是由于空气动力学的发展，升力理论、阻力理论、稳定性操纵性理论、飞行力学理论的突破性进展，力学家根据这种飞行速度时空气流动的特点，采用后掠翼和小展弦比机翼机身组合体等先进的空气动力布局，1947年便出现首架超声速飞机，“声障”很快成为了一个历史名词。随着空气动力学、结构力学和材料科学的进展，飞机飞行突破声障之后，飞行速度接着又达到声速的2～3倍，进入了超声速飞行时代。

所有通过大气层的飞行器，都要利用理论计算和风洞实验来确定它们的空气动力外形和空气动力特性。实验家努力发展从亚跨声速到高超声速速度范围配套的风洞实验设备，并利用新的观测、显示、信息处理手段，揭示新的流动现象，为飞行器设计师更快的提供更多、更精确的气动力数据。理论家根据空气动力学的原理和各种理论，努力把实验揭示出的流动现象就其最典型的简化形态概括成数学模型。主要依靠数学分析的方法，研究流动现象中各种物理量之间的关系和变化以及这种关系和变化对飞行器性能的影响，尽可能获得有利的流动，避开不利的流动。经过反反复复研究变化中的变化，关系中的关系，才能对流动的物理实质和主要矛盾作出合理的解释和预测，以便把握新的流动规律，创造出飞行器新的设计思想、设计概念和设计方法。计算家则在已建立的数学模型指引下，利用当代最先进的电子计算机，致力于发展新的算法和软件，模拟更复杂的飞行器外形和流动现象。这些复杂的流动现象，是航空航天工程应用必然遇到和必须解决的。亚声速、跨声速（指0.75～1.2倍声速范围）和超声速（指1.2～5倍声速范围）空气动力学的发展，才使得后掠翼、小展弦比细长翼和三角翼气动布局在飞机设计中成功地应用，促使了第一代超声速战斗机和旅客机的诞生。1954年问世的F102蜂腰形超声速战斗机就是其中第一代战斗机的代表。

随着电子计算机的迅速发展，利用空气动力学经典的欧拉方程和考虑到介质的粘性建立起来的纳维斯托克斯方程，可以进行飞行器比较复杂流动的计算。现在已经进入对整个机身的空气动力特性进行整体计算的阶段。诞生了对航空工程发展起到先导作用的许多新的设计思想，加上在气动布局上精细的设计计算和风洞实验分析，使得具有高升力特性和良好操纵性、稳定性的第三代战斗机群应运而生。著名的美国F-15、F-16和前苏联的苏-27、米格29，就是其中的代表。这些战斗机的主要特点是：升限可至18～19公里，最大速度低空时为1350～1450公里/时；高空时为2300～2500公里/时，机动性（指转弯、加速、减速和爬升性能）也极好，保证能有效地进行近距空战和截击高空高速目标时能进入有利的攻击位置。

1991年海湾战争中多国部队运用的“空、地一体战”体系的核心是空中优势，说明发展飞机技术对未来战争的胜败至关重要。经过近20年来在超声速巡航、过失速机动、隐身外形（即采用技术措施有效地减小雷达的反射和红外辐射，使飞机不易被敌方发现）的气动布局等综合研究的基础上，美国又率先推出21世纪使用的先进战斗机F-22。

同时，国际民航事业一直在持续并高速发展着。从50年代喷气客机问世以来，全世界民客运年平均增长12%左右，约为同期经济增长的2倍。据专家预测，到2005年，民航市场的空运量将比90年代初翻一番。目前正在进行的民用飞机的层流控制技术和细长体布局研究，将为新一代亚声速干线飞机、第二代超声速旅客机提供可选用的外形。2.空气动力学支持航空技术的发展

航空与航天是20世纪人类认识和改造自然进程中最活跃、最有影响的科学技术领域。人类从陆地到大气层，从大气层到宇宙空间，每一次活动范围的飞跃，都集中了航空航天技术的众多新成就。空气动力学在航空航天的进步和发展中扮演了非常重要的角色。

没有接触过空气动力学的人们感到“空气动力”看不到、摸不着、很抽象、难理解。因此自然会联想到空气动力学这门科学深奥、难懂。实则不然，凡是有空气（原指流体）流动的地方，都有空气动力学的问题。因此，空气动力学应该成为现代社会必须普及的知识。

空气动力学既是基础科学，也是技术科学。它是在数学和理论物理的基础上发展起来的一门学科。它的研究领域十分广泛，与国民经济、国防建设有着直接的密切的关系。飞机、导弹、卫星、宇宙飞船、航天飞机等的研究与发展离不开它；汽车、火车、轮船等交通工具的发展离不开它；就是农林、环保、风工程也离不开空气动力学。人们已逐渐认识到了空气与物体只要有相对运动，在物体上就会有空气动力的作用。所以空气动力学是一门研究空气与物体有相对运动时空气的流动情况及空气在物体上产生空气动力的科学。

自从1903年美国莱特（Wright）兄弟试制成功人类历史上第一架低速飞机起，在低速飞机不断完善、发展的过程中，人们用古老的流体力学理论，对飞机在空气中运动时产生的力、力矩深入进行了研究，逐步掌握其规律。随着飞行速度的提高，为了要使飞行速度超过声速，人们克服了重重困难，终于突破了“声障”，于是就产生了超声速空气动力学。今天，人造卫星满天飞，载人飞船已多次把人送上月宫，星际探测器已飞出太阳系，到茫茫的太空去遨游。由于火箭、导弹的飞行速度高达十几倍声速，于是遇到了“热障”。人们发展了气动加热及热防护的理论和方法，保证导弹再入大气层，准确地击中地面目标，以及卫星安全返回地面。总之，随着航空航天技术的不断发展，使空气动力学这门基础科学得到了飞速的发展，使它的内容更加丰富，应用的领域更加广阔。3.风洞：飞行器的摇篮

飞行器空气动力学问题的研究有三大手段，即理论分析、地面模拟和飞行试验。随着航空航天科学技术的发展，空气动力地面模拟实验的方法也在不断发展。从物体的自由落体观察到空气动力车、旋臂、水洞，一直发展到风洞、缩尺模型飞行试验、弹道靶实验等。其中应用最广泛，试验数据可靠、重复性好、精度高的实验设备是风洞。

自从风洞问世以来，由于它具有重演物体在空气（泛指流体）中运动时所产生的复杂物理现象的本领，所以立即受到航空、航天及国民经济其他领域的科技人员的重视与关注。风洞不但是航空航天领域最重要、应用最广泛的实验设备之一，而且在国民经济的许多领域也得到了广泛应用。

随着飞机速度和性能的提高，风洞实验的小时数也随之迅速增加。据统计，1940年前后，老式螺旋桨飞机只需要进行几百个小时的风洞实验，而70年代的协和式超声速巨型客机要进行4～5万个小时的风洞实验。1981年试飞成功的航天飞机要进行6～10万个小时的风洞实验，相当于一个风洞十年的工作量。所用的风洞实验费用约2亿美元。

一架新飞机的诞生要在十几座不同类型不同速度范围的风洞中进行十多项实验。如飞机选型实验、操纵性和稳定性实验、发动机与进气道的匹配实验、飞机表面的防热实验等。每架新飞机试飞以前必须具有上述风洞实验的合格证明才能予以放飞。

同样，导弹、卫星、飞船等的研制过程也必须进行大量的风洞实验，如研制美国“民兵导弹”就曾使用了17座风洞等实验设备，实验时数达37，000小时以上。不少飞行器在初次发射过程中会暴露出不少新问题，这也得靠风洞实验来找原因。例如，无人驾驶的阿波罗飞船再入大气层时，发现实际着陆点和预算着陆点竟相差380公里！原因何在？通过更进一步的风洞实验才发现，原来风洞实验模型的模拟防热层和飞行器实际防热层在几何形状上有微小的差异，使操纵面平衡角差2.5°，于是在飞行重心一定时升阻比（升力与阻力之比）损失20%，因而着陆点相差了380公里。

新的统计资料表明，一个典型飞行器型号的研制周期大约是10年左右，其中有3～4年要花在研究实验工作上，这当中空气动力问题约占一半。由此可见，一种新的飞行器的诞生、试飞及改型都得靠在风洞里做大量的气动力实验。因此飞行器设计师们都深有感触地说：“风洞是诞生飞行器的摇篮”。风洞实验既能在飞行器的新型号研制工作中提供新的构思，开辟新的技术途径，又能保证新的飞行器及时地、经济地、可靠地飞上天。这个道理很简单，因为修改图纸比修改实物容易得多，节省得多。有人做过如下的测算：飞行器在方案设计和初步设计阶段若修改飞行器外形所付的成本为1的话，那么把它制造出来进行首次飞行后再要进行外形修正，则所需付的代价是30，000。由此读者就很容易理解为什么工业发达的国家和发展中国家都十分重视空气动力实验基地的建设，先后建立起了强大的国家级空气动力实验研究中心。4.乔治·凯利：空气动力学的奠基人

伦敦科学博物馆内收藏着一件1799年制作的小银盘。盘子的一面刻着对作用在机翼上的力的说明；另一面刻着一架滑翔机草图。飞行员坐在固定机翼下的船式机身内，操纵着一副桨式“扑动翼”，以产生推动力。尾部有组合式升降舵和水平安定面，以及组合式垂直安定面和方向舵，其安装呈十字形。如果用螺旋桨代替扑翼，那么，图上这架带动力的滑翔机和现代飞机就更加相似了。

当年制作这个小银盘的，便是航空史上被称为“空气动力学之父”的英国人乔治·凯利爵士。

凯利生于1773年12月27日，早期受过很好的教育，并同著名数学家乔治华克的女儿莎娜结为伉俪，俩人长相厮守达63年之久。凯利虽然从1792年便继承父志，开始经营庞大的产业，可是在他的内心里，却充满着征服天空的愿望和追求。

凯利10岁那年，亲眼见到了法国人作第一次载人气球飞行。那雀跃欢腾的热烈场面，惊心动魄的紧张时刻，以及凯旋的天之骄子，都使他激动不已，这一切在他那幼小的心灵中播下了飞天的种子。他想，轻于空气的气球能升天，那比空气重的鸟儿为什么会在天空中翱翔呢？于是他开始构思重于空气的航空器。

1792年，他开始用一种玩具做一连串的试验。这种玩具是从中国传入欧洲的“竹蜻蜓”。

白云万里，日丽风轻。绿草如茵的田野里，小小的竹蜻蜓一会儿翩翩飞起，一会儿飘然落下，这真叫凯利百思不解……

整整苦苦思索了12个春秋，直到1804年，他终于通过试验、观察、分析、研究，写下了第一篇有关人类飞行原理的论文，并于1809年，以“论空中航行”为题在自然哲学杂志上发表。这篇文章后来在整个西方世界被翻印转载了足足一百年。论文一再强调制造固定翼飞机的重要性，详尽地勾勒出现代飞机的轮廓，为空气动力学理论的产生和形成作出了重要贡献。他描绘出了固定翼、机尾、机身以及升降舵等的操纵面，解释了机翼的作用，并指出：适当的安定性，要从设计翼面一点点角度而获得——这简直就是现代飞机机翼讲求的“上反角”；接着又提到他的飞行器必须迎风而起，必须有垂直的和水平的舵面——这完全是现代机尾的描述。凯利的论文还阐述了速度对升力的关系，翼负荷，张力，重力的减轻，甚至内燃引擎的原理，以及流线型对飞行器的设计的重要性等等。

凯利，简直是不可思议的人物；在他所处的那个时代，许多人认为升空飞行，无异于痴人说梦。

但凯利矢志不渝，他深信只要能找到合适的引擎，他的飞行器一定可以高飞。他痛心地写到：我的发明无法试验而达到目的的惟一原因，就是如何产生一种推进的动力。

直到1848年，凯利75岁高龄，但轻重量的合适引擎仍杳无音信，他感到来日不多，惟一可试一试的只有无动力载人飞行，也就是用滑翔机飞行，来证实他的空气动力学理论。

于是在1849年，他造了一架三翼滑翔机，让一名10岁小孩坐在一只吊篮里，从小山上滑下来，一些人用绳子拉着滑翔机，迎着微风，飞机竟飘飞了一段距离。这是人类有史以来第一次载人滑翔机系留牵引飞行。

1853年，凯利又造了一架滑翔机，并装上了灵巧的刹车杠杆，进行有史以来第一次乘坐重于空气的航空器升空自由飞行。这次他把家中的马车夫放在驾驶室里，究竟飞了多远，没有明确记录，但据当时的目击者、凯利的曾孙女说，“大约500码”，事后，马车夫走下飞机叫了起来：“乔治爵士，我想请你注意，我是雇来赶车的，不是飞行的。”

1858年，凯利84岁，临终前仍然在工作间内敲敲打打，希冀制成一台轻重量的引擎，然而终无所成。

他去世前不久，曾在一本笔记本的封面内页写了一行字：“给你，查看笔记的朋友！我已去了，愿你在这些涂鸦中找到思想的花种。”

果然，这些种子在航空领域里引来了姹紫嫣红，百花争艳，开始了一个崭新的时代。

二、三大支柱，架起通天“金桥”

人类开拓空间的历程是艰辛的。要摆脱地球的引力，飞出“摇篮”，要经历千辛万苦的风雨沧桑。然而，一旦能冲出“摇篮”，就会产生一次认识上和实践上的巨大飞跃。从空间幅度看，以地球为中心，人类向宇宙空间拓展，发射人造卫星上天、登上地球自身的自然天体卫星——月球，这仅仅是人类在奔向宇宙漫长而久远的“金桥”上刚刚迈出了第一步。

近些年来，在全球范围内高技术群体蓬勃发展的大趋势下，航天技术更加活力倍增，各种新型航天器不断涌现。第三代、第四代高效率、多功能、全自动的航天器相继上天，载人航天器出现了崭新面貌，先后发射了“半永久性”空间站和自由往返天地之间的改进型航天飞机，实现了空间站与航天器的多头对接和宇航员创造在空间连续生活、工作超过一整年和在太空行走、劳作等新记录，为21世纪人类重返月球和飞往火星，提供了必要条件。在空间轨道上开展了发射、收回、修复、调整各种卫星、空间实验室、宇宙探测飞船和太空望远镜，并派出了飞往银河系寻找“外星人”的“地球特使”，同时开展了空间工业加工试验工作，为进一步拓展航天技术的空间工业应用打下了基础。航天技术在军事领域里的应用，有了突飞猛进的发展，航天兵器已悄悄进入外层空间，这给空间系统增加了安全保障，同时，也使和平的太空宇宙蒙上了一层恐怖的阴影。

令人欣喜的是航天技术的日益成熟，丰富的正反两方面经验不仅使航天事故率明显下降，而且完全按照人的科学意志行事的成功率大大提高，使举世瞩目的航天事业更加健康发展。这无疑与支撑航天技术稳步发展的三大支柱的日益坚强是分不开的。

航天技术之所以令人神往、惊叹，就由于它蕴含了现代高技术群体的集体力量。它是由运载器技术、航天器技术和航天发射与地面测控技术构成的高度综合性技术。它集中了近代力学、数学、物理学、天文学、大地测量学等基础理论，广泛应用了现代电子学、微电子学、无线电、自动化、真空、低温、高温、计算机、机械加工、冶金、化工等多学科高技术。它的发展又促进了现代天文学、空间物理学、地球物理学、生命科学、航天医学以及系统工程管理科学等一大批基础科学和应用科学的突破性发展。1.“茁壮成长”的运载器技术

运载火箭技术的发展经历了漫长的历史。中国是发明火箭的国家。早在宋朝的宋太祖开宝三年（即公元970年），就有人开始用黑色火药装在纸筒内，点燃引线后用弓箭射向敌方，作为“火攻兵器”。到明朝初年，这种“军用火箭”已相当完善并广泛应用于战场，被称为“空中利器”，它的作用远远超过了刀、枪、剑、戟等冷兵器。到公元13世纪，中国的火箭技术传到了欧洲，也曾被列作军队的装备。但由于当时科学技术水平的限制，火箭技术一直发展很慢，以致被冷落下来，而其利用火箭喷射产生反作用力的原理却保留了下来。

第一次世界大战后，随着科学技术的进步，现代火箭技术也开始发展起来。1926年，美国哥达德发射了世界上第一支液体火箭。而真正将这种火箭技术应用于现代兵器，研制成进攻性导弹的却是德国人。第二次世界大战后期，德国法西斯集团为了挽救败局，加紧研制出一种所谓“复仇武器”1号和2号，即“V-1”和“V-2”号导弹，这就是在冯·布劳恩等人主持下研制并发射成功的世上第一种实用型“V-2”型导弹。它能将约1吨重的弹头发射到260公里远处。这种导弹的运载能力和射程，今天看来虽属微不足道的“小不点儿”，但它却是现代航天运载器的雏形。

第二次世界大战之后，前苏联和美国都在积极发展火箭导弹，美国甚至干脆把德国许多火箭专家运到美国为之研究在“V-2”基础上发展新型远程弹道式导弹技术。1957年8月，苏联发射成功世界上第一颗洲际弹道导弹，同年12月，美国也发射了自己的洲际弹道导弹。

导弹是在火箭基础上发展起来的。具体说，依靠火箭发动机推进的飞行器而未装备制导系统，依靠其弹道自由飞行的称为火箭。这种飞行器如装载的有效载荷是战斗部（各类型的炸药），则称为火箭武器；有效载荷不是战斗部而是某种仪器设备，则根据其任务不同而称其为“探空火箭”、“卫星运载火箭”等等。依靠火箭发动机推动的飞行器既装有战斗部，又装有制导系统的火箭，就称为导弹了。因此，一般说火箭与导弹是既有区别又有联系的一种装备。一颗火箭发动机推进的飞行器，装上制导系统，再装上航天器，就成为航天运载火箭；如装上战斗部，就是导弹。可见有效载荷一更换，它就“变种”了。这就是为什么1957年8月苏联发射世界上第一颗洲际导弹之后两个月，到1957年10月4日就又发射成功世界上第一颗人造地球卫星，这是因为把同一种洲际导弹头更换上人造卫星就发射上去了。

作为航天运载器，在目前技术条件下，要达到每秒7.9公里以上的飞行速度，需要很大的推力。因此，依靠单级火箭是无能为力的，只有依靠多级火箭，实行“接力推举”，运载器起飞后，第一级火箭完成任务、燃料也烧完了，就可脱离运载器同时起动第二级火箭，依次接力，使运载器速度不断增加，而重量又不断减轻。所以，运载火箭都是多级的，一般有两级、三级，还有四级的。

运载器的多级火箭大多使用液体推进剂，一般用酒精、煤油和液氧作燃料，先进的运载火箭已大多使用液氢和液氧高能推进剂；还有的“助推火箭”、“末级火箭”多使用固体推进剂实质上是一种高能火药做燃料，在燃爆中产生巨大推力。目前，运载火箭的重量多为数十吨至数百吨，个别特大型的达到数千吨。长度一般为数十米，个别大型的达100米；直径多为数米，个别大型的达10米。

随着70年代航天技术的新发展，在近地轨道上建立了空间站。这种空间站一般都在300～800公里高度的近地轨道上，地心引力已极其微弱，处于微重力状态，科学家们就设想，在发射未来飞行星际宇宙飞船时，就可以避开地球引力，不需要制造大功率运载火箭从地面上发射，而是可以先从地面发射“散装件”，然后在空间站上组装好，再从空间站上发射。事实上，从1981年4月12日美国航天飞机上天后，已多次从航天飞机上发射宇宙探测飞船和各种绕地人造卫星。这样就可以大大节省运载火箭的推力了。因为在航天飞机上或空间站上发射航天器，它们本身既在失重条件下，又已具备了每小时2.8万公里的速度，即已有相当于每秒7.78公里的速度，这当然就可以省力多了。

运载火箭作为航天器的运载工具，其根本动力就是来源于火箭发动机。它将能源转化为工作介质的动能，形成高速射流排出而产生推力。按使用的能源分类，通常分为化学火箭发动机、核火箭发动机、电火箭发动机和光子火箭发动机。

所谓“化学火箭发动机”，就是指其推进剂是化学材料，既是能源又是工作介质，它在燃烧室内进行放热反应，将化学能转化为热能，生成高温燃气，再将热能转化为高速气流动能，产生推力。按推进剂的物态分为液体火箭发动机、固体火箭发动机和混合火箭发动机。

所谓“核火箭发动机”，就是指其使用燃料能源，用氢作工作介质，经核反应或反射性衰变释放热能加热工作介质，经喷管高速排出，产生推力。

所谓“电火箭发动机”就是指电作能源，使用氢、氮、氩或铯、汞、铷、锂等碱金属蒸气作工作介质，用电能加速工作介质，形成高速射流排出，产生推力。

科学家们还设想，将来可用一种“光子火箭”发动机，所谓“光子火箭”发动机就是使光子流以光的速度从火箭喷管排出，火箭就可以接近光速的速度飞行。但是，目前如何产生光子流仍未研究出来，要产生光子流就必须研制出比现代核反应发动机效率更高的核反应装置，同时还要解决光子流定向喷射问题。因此，这将是21世纪科学家的任务了。2.营造太空载体的航天器技术

人类要奔向宇宙空间，在那里长期活动，必须有一套相适应的活动“基地”。这个“基地”的大小，主要根据人们的需要和特殊要求，用以满足太空活动时的“船”或“车”，这就是经过专门设计的航天器。这是征服宇宙的必要条件和惟一工具，在现代航天技术领域中居于重要地位。没有航天器，就没有航天事业可言，航天器在发展科学技术，开发空间经济，增强综合国力和加强军事实力中发挥着越来越大的作用，对于一个国家的生存发展、抢占战略制高点，具有难以估量的重大战略意义。因此，不断研究发展航天器技术，已成为各国的重点科研项目和竭力追求的战略目标。

从20世纪50年代后期至今的40年来，世界航天器技术由创立到发展，出现了根本性的变化。品种越来越多、用途越来越广、面貌越来越新、质量越来越高。

航天器，按运行轨道分为两大类。第一类是环绕地球运行的航天器，包括人造地球卫星、卫星式载人飞船、航天站、航天飞机等；第二类是完全脱离地球引力飞往月球或其他行星，以至星际间空间运行的航天器，一般称为登月飞船、空间探测器等。航天器又分为载人和无人两类。载人飞船一般能在空间作短暂飞行，然后可自行返回地面。而载人航天站则可容纳多人在里面生活和工作，且可在轨道上长期送行。载人航天器中能集运载、航行和返回于一身的是航天飞机。航天器在轨道上或空间航行，能在超高空、强辐射、持续失重和温度剧烈变化的特殊环境中活动，是因为航天器中装备着一整套操纵、控制、能源、通信、计算、返回和生命保障系统，并可根据不同的任务装备专用系统。世界航天器技术正向更加严密、科学、实用、可靠的方向，以更快的速度迅速发展着。

航天器的运行原理是什么呢？航天器和自然天体一样，都要按一定的力学定律运行。人类无力改变自然天体的运行轨迹；而人造航天器则可根据发射目的，人们可以利用航天器上的动力系统和控制系统不断改变其航行轨迹。这主要由以下技术参数决定：（1）速度与高度

航天器在获得一定速度时（一般要达到第一宇宙速度以下），并达到一定高度（离地面125公里以上）时，开始进入“近地轨道区”绕地球做匀速运动，此时的“轨道”有两种几何形式，一种是圆形轨道，即以地球为中心，航天器的飞行轨迹高度基本不变，是个均值。此时的速度要保持在每秒7.9公里。另一种是椭圆形轨道，即当航天器运行速度大于第一宇宙速度而又小于第二宇宙速度时，就会出现椭圆形轨道。这时，地球处于椭圆的一个焦点上，航天器围绕地球旋转时，它们之间的距离是个变量，离地球最近的一点称“近地点高度”，离地球最远的一点称“远地点高度”。在绕地轨道上运行的航天器，其运行寿命和用途与轨道高度有直接关系。高度高，航天器的空间运行寿命就长些，反之，则寿命短些。如用于照相侦察，则不宜飞得太高，而如用于通信、转播、传输信息，则可运行在高度很高的“定点同步静止轨道”（即：在35786公里高度上作正圆形绕地球轨道飞行，其运行速度和地球自转速度一样。因此好像是静止定点地“挂在地球某地上空，故称之）。因此，航天器的高度和速度要根据实际来选择。

至于飞出地球运转轨道，已等于或大于第二宇宙速度时的航天器，其高度和速度对轨道的影响，则不是圆与非圆的问题，而是另一种空间轨道的问题了。（2）运行周期

通常这是专指航天器绕地球运行一圈的时间，其周期长短与轨道高度有关，轨道高，绕圈大，运行时间就长；反之，则短。但周期也不能太短，最短也不能少于84分钟，因为再短就说明轨道高度离地面太近了，低于125公里时，就会使航天器受到微薄空气的阻力而慢慢下降高度，最后掉回地球上来。掌握了航天器运行轨道和运行周期，就可以计算出该航天器经过某地上空的时间和观察视场。（3）轨道倾角

这是指航天器运行轨道平面与地球赤道平面的夹角。轨道倾角的大小，决定航天器对地球表面覆盖区的大小。倾角越大，覆盖区越大；反之，则越小。航天器的运行轨道分为三种：一是“赤道轨道”，即航天器轨道平面与赤道平面重合，倾角为零，航天器始终在赤道上空绕地飞行；二是“极地轨道”，即航天器轨道平面与赤道平面垂直，倾角为90度，航天器始终飞越地球南北两极；三是“倾斜轨道”，即航天器轨道平面与赤道平面夹角既不为零，也不为90度，而是航天器在这0～90度之间的某一倾角飞行。

航天器运行轨道倾角不同，主要是根据该航天器的功用需要而确定。航天器由地面发射时，倾角越大，所需运载火箭的推力也要相应大些，这是由于航天器上升入轨过程中，能“借用”地球自转的转动惯量大小不同而形成的结果。（4）常用轨道

根据各种航天器的用途不同，各自选择运行轨道也不同，其中有三种轨道最受欢迎。

一是“地球同步轨道”，又称“静止轨道”。这是“赤道轨道”的一种，属圆形轨道，高度为35786公里，运行周期为23小时56分4秒，与地球自转一周的时间完全相同。航天器在此轨道上处于与地球相对静止状态。这是一条地面跟踪简单，能24小时连续工作，适用于通信、广播电视、气象侦察和军事预警等人造卫星的理想轨道，因此，它成为各国争相使用的一条“空中林荫大道”，纷纷向此大道上发射卫星，大有川流不息，不堪拥挤之感。为防止发生互相碰撞而引起国际纠纷，国际卫星组织机构（有122个国家都参加的）规定，凡向此轨道发射通信卫星，必须事先登记，取得许可证。

二是“极地轨道”，其突出特点是航天器轨迹可覆盖全球，航天器在此轨道上可飞越地球上任何地区，是导航、资源勘察、气象探测等类卫星的常用轨道。

三是“太阳同步轨道”，是“倾斜轨道”的一种，是指航天器运行轨道平面绕地轴的旋转方向和周期，与地球绕太阳的公转方向和周期相同。其突出特点是航天器运行轨道平面与太阳照射方向始终不变。因此，当航天器沿此轨道运行，每次通过同一纬度的地面目标上空时，能保持对同一地方、在同一运行方向上，具有相同的光照条件，这对于空中对比观测，合理部署和充分利用航天器上太阳能电池阵列都有独特优点。一些国家的近地军事侦察卫星、地球资源勘探卫星和军事气象卫星大多数都采用这条轨道。（5）经济可靠的应变行程

航天器在空间运行过程中的运行轨道，是可以改变的，也就是航天器利用自身携带的推进剂启动自动的动力装置和航天器姿态控制装置改变自身的运行轨道，可以加速，也可掣动减速，还可改变运行方向和姿态角度。改变其运行轨道，这在航天技术的术语中称作“轨道机动”，或称“轨道转移”。

通常，航天器的轨道机动包括改变轨道平面和轨道形状两种情况。即：使航天器轨道平面从一个位置转移到一个新的轨道平面位置继续运行；航天器轨道形状从某一圆度改变为新的圆度。这两种转移可单独进行，也可同步进行。

为了节省航天器在“轨道机动”过程中耗费的能量，70年代以后，人们大量使用“引力跳板技术”。因为这种技术会大大节省航天器探测路程的飞行时间。所以行星际间的航天器轨道机动，除利用自身动力系统外，现在主要“借用”天体自身的引力来改变航天器运行轨道，即所谓“借力机动技术”或称“引力跳板技术”，形成“跳板式轨道”，则是更为重要的太阳系内行星际间航天活动的技术手段了。3.推上太空的发射与测控技术

航天器依靠运载器的推动发射上天，在空间航行也需人在地面监测和控制。因此，航天发射场地面监控网及其主要技术装备，是现代航天技术中三大支柱之一，是航天系统工程中重要组成部分，是发射和控制运载器与航天器必备的重要条件。

近30多年来，世界航天事业中，航天发射和地面监控技术同运载器技术和航天器技术齐头并进，相辅相成，取得了突飞猛进的发展，保障和促进了整个航天技术的发展。（1）航天发射场

所谓“发射场”，就是把航天器发射上天的场地。这是运载火箭进入茫茫宇宙之前在地面的最后一个停靠站。它是发射航天器的特定区域，主要包括发射区、测试区、指挥控制中心、综合测试设备（计算中心、航路测控站和测量船）、勤务保障设施（生产液氢、液氧、氮等工厂、各种辅助仓库、通信、气象、水电供应、计量等部分），以及各种行政后勤保障部门等。场区的条件要求很严格，它的场址选择、发射手段、地面指挥控制设备、后勤保障设施等，都是经过精心选择、精心筹措，并要确保准确无误、安全可靠的。

在发射场址选择上，一般要具备以下五个基本条件：一是根据本国地理条件和发射航天器的特殊需要，一般要选在纬度较低的地区，尽可能接近赤道，且人烟稀疏的山区、戈壁或海边，以防发生事故；二是要找适宜气候条件，大气温差尽可能小，包括一年四季温差尽可能冬暖夏凉，昼夜温差也不大，且每天日照时数尽可能长些，每年日照天数多些，保持晴空万里，天高云淡；三是发射上天的运载火箭运行的东南方向上有较多的易于布设测探网的地域或海岛；四是尽可能便于运输的地域，交通线尽可能易于开辟；五是尽可能多功能使用，即军用和民用兼容，既可用来发射航天运载火箭，又可进行导弹武器试验。

当然，这五个基本条件同时都具备不容易，但至少要优先保证纬度尽可能低些、气候尽可能好些这两条。

随着航天事业的发展，有条件的国家都在努力建设自己的发射场，或与别国合作建设。据统计，到1990年底，全世界已公开的航天发射场共有17个。

近几十年来，全世界有4200多次的航天器成功发射都是在这些神秘的场区进行的，人类走上探索宇宙的“金桥”就是从这里开始迈出第一步的。近两三年来这些严守秘密的航天器始发站开始逐步揭开一角，为世人所见，大开了眼界。（2）宇航测控

航天器进入茫茫太空，运转速度快，轨道复杂，航天器在空间航行，必须与地面保持密切的联系，由地面对航天器进行跟踪、遥测、遥控和通信。测控系统由分布在全球各地的台、站、船等组成。这些地面设备具有非常完备、高级的电子设备，是航天技术中的重要组成部分。

第一步，从升空到运行的测控。航天器随运载火箭离开发射台之后，很快进入看不见、摸不着的宇宙太空，要跟踪和测量航天器的飞行路线，掌握其工作状态，预报其运行轨道，以及改变其运行轨道，就只能通过无线电波等手段，同时建立实时的信息联系。

地面测控网要按照航天器的飞行轨道和任务，比如：入轨点、机动变轨段、回收段等，在地面上布置以控制计算中心为核心的多处测控站，在海上布置以测量指挥船为核心的测控船队和岛屿测控点。它的主要任务就是：一要接收记录遥测信息，并向测控计算中心传送；二要在跟踪测轨获得初轨的基础上进行计算，以作出航天器运行轨迹的全球性预报；三要控制计算中心综合并计算各测控站的数据、实时显示航天器的各种工作状态；四要通过地面遥控系统，向航天器及时发出遥控指令，对航天器进行遥控。

为保障长期执行航天测控任务，除少数测控航队可临时机动派遣外，绝大多数测控站是常设的。比如，我国航天测控网的卫星测控中心设在陕西渭南，辐射到全国各地，在各地建立了20多个航天器（当前还是人造地球卫星）观测站，形成了广阔而密集的测控网络。地面测控网规模宏大、系统综合性强，要能对航天器“抓得住、测得准、报得及时、指控得力”，必须建立一个综合控制的统一的测控网。这种“综合测控技术”在60年代后期我国首先采用，取得优异成效，在“计算机录取和交换数据”、“四机联网指令链”和“系统仿真模拟”等应用技术方面，对解决航天器进入太空、返回地面、同步定点问题发挥了突出作用。从80年代中期开始，我国西安卫星测控中心开发出了利用一套测控网，连续8年同时对多颗不同类型的在轨运行的长寿命卫星实施“一网管多星”的独特模式，闯出一条科学、高效、经济的卫星测控管理之路，使这一测控技术达到世界先进水平。

第二步，从绕地到定点的指挥。通信卫星，通常设在地球同步静止轨道上，故也称地球同步卫星或静止卫星。它定点于赤道上空35786公里的轨道上，比测控近地轨道上的航天器要复杂得多。在保证中、低轨道测控网的基础上，必须增加大功率、高灵敏度、超远距离的测控设备，才能适应静止轨道航天器的测探要求。为实现这种超远距的测控任务，通常要采取和解决下述三类措施的问题。

——分散测控系统

这是采用微波跟踪测量设备，加上超短波遥测、遥控等设备组成测控网，而这种分散测控系统的功能系统“各自为政”，互相独立。这种系统单个设备功能全，精度相对高，但协调统一难度大、耗资多，整体效益并不很高。

——微波统一系统

即将多种功能统一在一套设备上，采用微波频段进行协调。由一个天线、一套收发设备组成的微波统一系统，具有跟踪测轨、遥测、遥控、数传的能力，即“四合一系统”。

——同步控制系统

航天器在进入同步轨道静止定点过程中，要经过变轨和轨道调整等多种程序。航天器在进入转移轨道后，测控系统一要测量航天器与运载火箭分离后的卫星轨道参数，二要遥测监视其工作情况和姿态、转速等参数，三要对建立点火姿态及点火控制等进行控制。

当航天器进入准静止轨道后，测控系统一要对其即将越出地面测控站作用范围前测出准静止轨道参数；二要对其进行遥测和遥控，使其建立轨道法向姿态；三要进行轨道调整控制。首先使其向预定轨道位置漂移。当其到达预定位置后，进行轨道调整。当进入同步定点轨道时，使其停止漂移，并使其运行周期与地球自动周期相近（约差4分钟）。

当航天器进入静止轨道定点正常运行时，测控系统转入常规测控，一要定期测轨，及时调整其偏离值；二要测量其工作状态；三要对其姿态及转速进行测量和调整；四要对消旋定向天线对地定向的情况进行测量。

为了保证这些测控任务的完成，要派出远测量船队，对超出国土以外的航天器运行过程进行测控。

有的地球静止卫星采取自旋姿态稳定办法对其轨行修正和姿态修正时，要使卫星上的小发动机的喷气与卫星自旋同步。这种“同步控制”可有几种方式。比较先进的是采用“星地间测控大回路的”的同步控制，即由遥测测出卫星自旋的周期和瞬时相位以及其他姿态参数，由遥控系统发出遥控指令，使卫星小发动机的喷气脉冲正好在卫星自旋到相应的相位上。这对测控回路的传输及调制、解调方式的要求十分严格。只有这样，才能保证同步控制的时间精度达到小于1毫秒。

因此，确保航天器到达地球同步轨道，不仅要有一大批测控台、站、船队的相互配合、协同行动，而且要有大量计算机、通信设备来予以保证。通常要有一个拥有多台计算机的测控中心、两个精度高、作用距离远的微波统一系统和三艘远洋测量船。此外，还要有设置在广大国土地面上的雷达站、遥测站、光学跟踪站等众多的台站协同动作，各司其职，同步行动。

第三步，从脱轨到返回的召唤。要使航天器发射上天，固然很不容易；但要使其在茫茫太空运行中，按人的意志返回地面指定地点（或海面溅落），同样相当困难。截止到1992年，世界上也才只有三个国家具有航天器回收技术能力，我们中国就是其中之一。

对返回式航天器的测控，不仅对航天器本身要有特殊的要求，比如接收测控指令的灵敏度、制动姿态转变的控制系统，以及再入大气层时的能够忍耐1000℃以上的高温防护措施和软着陆或溅落装置；在载人航天器上还要有人工紧急操纵系统和救生逃逸系统等，这些都大大不同于非回收式航天器的技术要求，而且对地面测控系统技术也提出了更高的特殊要求。它不但要能进行发射、升空、运动等轨迹跟踪测控，而且要能对其脱轨、再入、回收等准确无误地进行测控。

返回式航天器测控网负有重要的历史使命。其主要任务：一是对航天器进行跟踪观测，取得数据；二是进行数据处理，计算初轨并对初轨进行修正，计算精轨，选择回收圈，预报发出回收调姿、分离指令的时间和粗略落点；三是接收和处理遥测数据，并对其中重要参数实时处理；四是对航天器发出遥控指令，以控制航天器上对应的设备及时进行开（关）机，同时还要校准航天器上的计时装置；五是根据轨道寿命和遥测参数，作出判断是否需要紧急回收的决定；六是在航天器回收段，要完成再入控制、跟踪、观测，再入弹道计算、安全判断和安全控制等任务。

综上所述，我们可以看到，从航天器发射升空、地球静止轨道同步定点，到返回式航天器返回成功，都与地面测控系统技术的不断提高有着密切关系。

第七章 航宇工具：与神共舞的“天梯”

一、运载火箭：毅然割断引力锁链

根据物理学知识，我们知道，要使卫星或飞船克服地球引力，进入环绕地球的轨道运行，需要达到或超过7.9公里/秒的第一宇宙速度才行；要使飞船或星际探测器摆脱地球引力的束缚，实现太阳系内的星际航行，进行科学考察，至少需要达到11.2公里/秒的第二宇宙速度才行；要使星际探测器摆脱太阳的引力，到太阳系外去银河系探索宇宙的奥秘，则必须要达到16.6公里/秒的第三宇宙速度。在目前技术条件下，要达到这么高的速度，只有利用火箭推动，而且单级火箭是无能为力的，只有依靠多级火箭。所以，运载火箭都是多级的，又细分为有两级的，三级的，也有四级的。

运载火箭按组合方式基本上可以分为两大类，一类是各级首尾相接的串联式运载火箭；另一类是下面两级并联，上面一级串联的串并混合式运载火箭。

整个运载火箭是由箭体结构、动力装置和控制系统三大部分组成的。

运载火箭的大小是由飞行任务要求的有效载荷和飞行轨道决定的。飞行轨道相同，有效载荷越大，起飞重量越大；有效载荷不变，飞行轨道越高，起飞重量越大。由于卫星和飞船等空间飞行的轨道都比较高，重量较大，所以运载火箭都是一些身高体重的庞然大物。它们的重量少则几十吨，一般为一百多吨到几百吨，重的可达二三千吨。高度一般在30米左右，有的40～50米，有的可达100多米。粗直径在1米以上，一般为3米左右，最粗的可达4.8米。通常，有效载荷占运载火箭起飞重量的1%～2%。就是说，发射一颗一吨重的人造卫星，运载火箭就得有50～100吨重。这与飞机等运输工具相比，其运输效率是不高的。2.直冲九霄——运载火箭的发射

运载火箭从地面发射起到把有效载荷送入预定轨道止，称为发射阶段。在这一阶段所飞经的路线就称作发射轨道。发射轨道一般分为加速飞行段、惯性飞行段和最后加速段三部分。下面，就以三级运载火箭发射轨道人造卫星为例，介绍一下典型的发射过程。

发射前，运载火箭最后检验合格、准备完毕，载着卫星耸立在发射台上，由地面控制中心倒计数到零便下令使第一级火箭发动机点火。在震天动地的轰鸣声中，火箭拔地而起，冉冉上升，加速飞行段由此开始了。经过几十秒钟，运载火箭开始按预定程序缓慢地向预定方向转弯；100多秒钟后，在70公里左右高度，第一级火箭发动机关机、分离；第二级接着点火，继续加速飞行。这时火箭已飞出稠密大气层，可按程序抛掉卫星的整流罩。在火箭达到预定速度和高度时，第二级火箭发动机关机、分离，至此加速飞行段结束。随后，运载火箭靠已获得的能量，在地球引力作用下开始惯性飞行段，一直到与卫星预定轨道相切的位置止。此时，第三级火箭发动机点火工作，开始了最后加速段飞行。当加速到预定速度时，第三级发动机关机，卫星与火箭分离，进入预定轨道。至此，运载火箭的运载使命就全部完成了。

与上述发射轨道相比，发射地球同步卫星、载人登月飞船及星际探测器等的轨道要复杂得多，但原理雷同。3.遥探“大力神”：运载火箭的控制

现以中国“长征3号乙”运载火箭将菲律宾马部海卫星送入预定轨道的全部控制过程为例，说明火箭入轨的各个阶段的工作情况和各级箭、星分离的时间。各个控制的控制程序列于表1和表2中。表1为发射准备程序，表2为飞行程序。表1 发射准备程序表2 飞行程序*1.828千米指的是发射台的海拔高度。4.冯·布劳恩：掌握通天大门钥匙的人

二次世界大战末期，德国法西斯为了挽救自己垂死的命运，从1944年9月6日到1945年3月27日，向英、比利时等国发射了4300多枚“复仇”2号（V-2）火箭（导弹），造成人员和财产的惨重损失。V-2箭虽在战争中扮演了极不光彩的角色，但它在技术上的成功却使人类向征服太空迈进了一大步，成为现代大型火箭的鼻祖，构筑了航天史上重要的里程碑。“孕育”V-2火箭的首要人物是冯·布劳恩。

布劳恩（1912～1977）出生于德国维尔西茨（今波兰维日斯克）一个富豪家庭，父亲做过魏玛共和国教育部和农业部部长。中学时代，布劳恩发奋读书，刻苦钻研，还给奥伯特写信，表示自己如何喜爱火箭研究。1930年，18岁的布劳恩由于才学出众，被破格吸收为德国宇宙航行学会最年轻的会员。1932年他毕业于柏林工学院，2年后成为该校的物理学博士。

1932年11月1日，尚在大学中的布劳恩便被聘用为非军人雇员，帮助多恩伯格从事火箭研究。在距柏林不远的库默斯多夫试验场内，火箭研究小组很快就试制成功了一台小型液体火箭发动机，燃烧60秒，推力达到1370牛。透过成功，布劳恩意识到火箭研制是一项十分复杂的系统工程，不是几个人就能把技术问题全部解决的，必须组织一批科学家分工协作，才能使火箭工程顺利发展。在他的倡议、组织下，德国宇宙航行学会中一批才学出众的专家集中到了火箭研究小组中，从1932年11月至1935年，研究小组已有80名科学家，布劳恩成为小组的核心人物。

在布劳恩的领导下，火箭研究小组从1933年开始研制A系列火箭，到1942年他们已经研制了推力分别为2646牛、8820牛、13328牛和27970牛的A～A液体火箭，并且于1937年建成了世界闻名的佩纳明14德火箭研究中心，这时布劳恩小组有118名工程技术专家，平均年龄26岁。

A-4火箭1942年10月首飞成功，它的飞行速度接近2公里/秒，飞行距离达到189.8公里。法西斯垂青于它的军用价值，下令把A-4火箭改型为V-2导弹，用作战争武器。V-2导弹全长14米，直径1.65米，起飞质量13吨，装有十字形尾翼，以酒精和液氧作推进剂，发动机推力为260千牛，飞行速度5倍于音速，能将1吨重的弹头发射到275～320公里的地方。

战后，布劳恩为美国政府工作，1945年至1955年，他组织领导了美国弹道导弹武器计划的实施，先后在V-2导弹基础上研制成功了单级液体红石导弹和丘比特导弹。1957年10月4日苏联抢先把世界上第一颗人造卫星送上地球轨道后，布劳恩又受命主持把单级丘比特导弹改为四级丘比特运载火箭的工作。1958年2月6日，布劳恩主持研制的丘比特C运载火箭，把美国第一颗人造卫星送上了天空，开拓了美国通向天空的道路。这种火箭的第一级是红石导弹的改进型，第二、三、四级分别是11个、3个和1个固体火箭，由于推力较小，美国第一颗卫星的重量只有前苏联的第一颗卫星的1/10。

此后，布劳恩参加了包括研制宇宙飞船及运载火箭的“水星”载人飞行计划、“双子星座”载人飞行计划，参与了把几种中程导弹改制成“雷神”系列、“宇宙神”系列、“大力神”系列运载火箭的工作，为美国的航天计划立下了汗马功劳。而他最辉煌的成就，是他为美国阿波罗登月计划而研制的“土星5”号巨型运载火箭。“土星5”号是一种三级液体火箭，加上阿波罗飞船全长110.6米，直径10米，起飞质量2840吨，能把100吨重的卫星送上地球轨道，或者把50吨重的飞船送上月球轨道。从1967年至1973年，“土星5”号一共发射了13次，其中6次将阿波罗载人飞船送上了月球。布劳恩和他的杰作“土星5”号火箭在人类航天史上写下了最为光辉的一页。

1970年，布劳恩到华盛顿任美国航宇局副局长，负责空间计划，1972年退休，1977年因患癌症去世。5.初战告捷以外的梦想（1）形形色色的设想

齐奥尔科夫斯基曾经说过：“火箭对我来说，只是通向太空深处的一种办法，如果有另外的登天办法，我也会采纳，问题的实质是能够飞离地球并到太空居留。”

在齐奥尔科夫斯基之后，还有人提出过形形色色的登天设想。如美国人提出的“戴松球”、“擎天柱”，英国人提出的“轨道塔”，苏联人提出的“宇宙梯”、“宇宙链”、“太空传送带”等等。

一个叫马依波罗的人提出，在地球赤道上建一座很长很高的桥，桥顶高出地面几百千米，远在稠密大气层之上。如果让航天器沿桥面往上行驶，当到达桥顶时，不需要很大的动力，就可离开桥顶进入太空飞行。

由于月球总是用同一面对着地球，因此，有人设想，如果在月球的这一面中央拴一条绳子，让绳子一直垂到地面，那么，沿着绳子就可爬上月球，或到达在不同高度轨道上运行的航天器上。其实，只要把人员和物资吊在绳头上的篮子里，也可以到达约4万公里的高空。因为月球是沿着一条椭圆轨道绕地球运行的，就是说，它有时离地球近，最近时，距离为363300公里；有时离地球远，最远时，距离为405500公里。如果绳子的长度为363300千米，那么，当月球离地球最近时，篮子就正好到达地面。这时，人员和物资进入篮子中，随着月球继续绕地球运行，篮子离地面越来越高。到月球离地球最远时，篮子就到了42200公里的高空了。因此，这个篮子可以给42200公里轨道高度以下的航天器运送人员和物资。当然，也可以给更高轨道上的航天器，甚至给月球基地运送人员和物资，而且不用费力爬绳子，只要在绳子上安装升降机就可以了。

那么，在对地静止轨道卫星上拴一条绳子，可不可以利用这条绳子向太空运送人员和物资呢？大家可以独立思考，作出回答。（2）电磁线圈炮

电磁线圈炮是将强电流通入线圈，产生巨大的电磁力，使线圈内载着航天器的射弹不断加速，最后被弹射出去的航天发射装置。

美国桑迪亚实验室研制的长0.8米，直径0.1米，有6级线圈的原型线圈炮，可使5千克重的射弹的出口速度达到335米/秒，一些工程问题解决后，线圈炮是发射小卫星的理想工具。一个线圈炮一天可以发射100多次，费用只有火箭的百分之一，特别适合高频次的发射。（3）氢气炮

氢气炮好比一支巨大的气枪，它用高压氢气将卫星从发射管中弹射出去。

美国劳伦斯·利弗莫尔实验室正在研制的氢气炮，结构形状呈L形。一部分在地面上，是一根长82米，直径36厘米的泵管，泵管中有一个重4吨的钢制活塞；另一部分由塔架支撑着，倾斜地指向天空，是一条长47米、直径10厘米的发射管。两部分呈直角。发射时，将甲烷与空气的混合物注入泵管的一头，隔着活塞靠近发射管的一头泵管内则充氢气。点燃甲烷和空气的混合物，产生爆炸，推动活塞，压缩氢气，使氢气的压力迅速上升到4100大气压，将炮管中的卫星高速推出。为承受氢气压缩时产生的巨大冲击，装在泵管两端滑橇上各重100吨的缓冲器向后滑动3米，而发射管中的反作用力则由一个10吨重的缓冲器和填满胶体物质的容器来吸收，反作用力使胶体物质通过容器的孔隙喷出，使发射管得到保护。

1993年，劳伦斯·利弗莫尔实验室在范登堡空军基地用原型氢气炮向太平洋上空发射炮弹，5千克重的炮弹可达到450千米高度的轨道。全尺寸的氢气炮建成后，可将10吨重的有效载荷送入450千米高的轨道，或将2吨重的有效载荷送上月球。发射费用只有航天飞机的1/40。

二、人造卫星：各路“星”神显神通

每当仰望黄昏或黎明前的晴朗夜空时，我们常常会看到有明亮的“星星”快速飞过，时间不过二分钟就会消失。其运行轨迹有时为东西向，有时呈南北向。这就是人类自己制造的人造地球卫星。（1）人造地球卫星概况

人造卫星的运行轨道（除近地轨道外）通常有三种：地球同步轨道、太阳同步轨道、极轨轨道。

①地球同步轨道：是运行周期与地球自转周期相同的顺行轨道。

②太阳同步轨道：是轨道平面绕地球自转轴旋转的、方向与地球公转方向相同、旋转角速度等于地球公转的平均角速度（360度/年）的轨道，它距地球的高度不超过6000公里。

③极轨轨道：是倾角为90°的轨道，在这条轨道上运行的卫星每圈都要经过地球两极上空，可以俯视整个地球表面。气象卫星、地球资源卫星、侦察卫星常采用此轨道。

在地球上的许多国家中，能够自己制造和发射卫星的国家并不多。其中最早实现自己制造、发射卫星的国家有前苏联、美国、法国、日本和中国。这五个国家可以称为发射卫星的明星国家。（2）人造地球卫星的分类和应用

在目前发射成功的卫星中，包括科技实验考察、通信、气象、导航、地球资源、军事侦察、海洋监视、早期预警、数据中继、军用测地等用途的卫星。它们在各自的领域大显神通，使人类传统文明和军事技术发生了革命性的变化。

人造地球卫星具有对地球进行全方位观测的能力，其最大特点是居高临下，俯视面大。一颗运行在赤道上空轨道的卫星可以覆盖地球表面1.63亿平方公里的面积，比一架8000米高空侦察机所覆盖的面积多5600多倍。因此，对完成通信、侦察、导航等任务来说，它具有其他手段无法比拟的优势。

另据专家2005年底统计，在已发射成功的各类卫星中，除去军用和科研实验用以外，民用的通信、广播、气象、导航及地球资源卫星共计1093颗，占各国发射总数的27.6%。其中通信和广播卫星共658颗、气象卫星163颗、导航卫星239颗、地球资源卫星33颗。这些卫星的工作寿命都很有限，大部分为1～2年，最长的不超过10年。按设计寿命统计，目前仍在轨道上工作的应用卫星并不很多，实际上1983年以前发射的应用卫星已基本上停止工作。目前经常保持在轨道上正常工作的约为200颗左右，最多时不超过400颗。

人造地球卫星的广泛应用，又进一步推动了整个空间科技的发展，它的种类越来越多、功能越来越全、用途越来越广，成为航天器中发展最迅速、最活跃的一种。2.太空鸿雁的微波塔：通信卫星

自1958年12月美国发射第一颗称为“斯科尔”的有源实验型通信卫星，1962年6月开始部署实用型通信卫星，特别是1964年美国发射“辛康-3”地球静止轨道卫星获得成功后，充分显示了卫星通信具有覆盖范围大、通信容量大、传输质量高、机动性好、生存力强和经济、成本低等优点，从而引起世界各国广泛重视，纷纷投入了大量人力、物力来进行开发活动，导致了新的卫星通信时代的到来。

随着大规模集成电路、卫星能源和大功率电子器件等关键技术的不断进步，通信卫星的容量和传输质量有了飞速进步。如最初的国际“通信卫星1号”，卫星上只有两台转发器，通信容量为240条双向话路或1路电视。90年代使用的第六代国际通信卫星，转发器已增加到58台，通信容量达到12万条话路和3条彩色电视信道，寿命达13年。与此同时，地面接收站的小型化也进展很快，从而给卫星通信展示了更大发展的前景，并产生了难以估量的社会效益和商业利益。迄今，卫星通信已能为社会提供上百种以上的服务，除电报、电话、传真、数据传输、电视广播、远距离教育、无线电广播和海事移动通信外，还能提供电视电话会议、数据广播、应急救灾、遥远医疗、银行汇兑、电子文件分发、报刊印刷、电子邮政、资料检索与传送以及计算机联网等业务。同时，由于卫星通信的发展，实现军队自动化指挥的自动化通信网成为现实，并广泛应用到作战指挥、武器控制、情报处理、后勤指挥及军务管理等各个领域，大大提高了现代高技术战争的水平。

为更好地发挥通信卫星的作用，实现全球通信的设想。1991年正式提出的由66颗卫星组成的低轨道铱星全球通信系统工程已开始启动，1997年5月5日，美国麦道公司研制的“德尔塔I型”运载火箭从加利福尼亚范登堡空军基地首次将5颗铱星送入太空，该计划于1998年年底基本完成系统组网，并开始投入运行。这样，由美国摩托罗拉公司研制的“铱星”群和个人便携式电话组成的全球移动通信系统，将实现对地球表面任何一处“天衣无缝”的覆盖。无论你走到地球的任何地方，不管是陆地、海洋还是天空，只要你利用入网的便携式移动电话，拨出对方号码，“铱星”系统便可自动在全球为你搜索接通。“铱星”体积小（直径约1米，高度约2米），重量轻（385公斤），又是低轨道（约765公里）运行，不仅发射费用低、工作可靠，还不依赖其他地面通信设备，其发展前景，已引起世界各国的高度重视。3.巡天风云的“万里眼”：气象卫星

气象卫星，主要用于气象观测。据美国统计，气象卫星的经济效益巨大。该国每年用于气象卫星工程的投资约3亿美元，而通过气象卫星的服务得到的效果，可折算成每年增产或减少灾害损失达20亿美元，投资效益比为1：7。据前苏联有关当局估计，前苏联的气象卫星的投资效益比高达1：10。

被称之为“巡天千里眼”的气象卫星按运行轨道可分为两类：一类是太阳同步轨道气象卫星。由于卫星是逆地球自转方向与太阳同步，沿着太阳早升晚落的方向运行，每圈都要经过地球两极上空，故又称极地轨道气象卫星。卫星运行高度通常为数百公里，可观测全球的气象数据，供中长期数值天气预报用；另一类是与地球保持同步运行，相对地球是静止的地球静止轨道气象卫星。这类卫星轨道比较高，观测范围更广阔，通常用于对同一地区进行长期、持续观测，及时提供有关天气预报数据。卫星对云图的拍摄也有两种形式，一种是借助于地球上物体对太阳光的反射程度而拍摄的可见光云图，只限于白天工作；另一种是借助于地球表面物体温度和大气层温度辐射的程度不同，形成红外云图，可以全天候工作。显然，两类卫星和两种云图的拍摄形成共同配合使用，即可起到取长补短、相得益彰的作用，提高气象预报的准确效果。

迄今为止，气象卫星有的已发展为以气象为主的多用途对地观测卫星，不仅用于提高天气预报精度和准确度，还可用于海洋观测、冰雪和水文监测、庄稼生长以及病虫害和土壤墒情的监测等，在国民经济中发挥着越来越巨大的作用。4.火眼金睛的勘探者：地球资源卫星

资源探测卫星，用于对地球资源和海洋环境的勘测以及对某些自然灾害的监测，主要有地球资源卫星和海洋监视卫星等。如果说气象卫星为了及时对变迁的大气层进行大面积和多次数的观测，它注重的光观测仪器必须有较大的视场角，而对其分辨率没有过高要求的话；那么地球资源卫星对观测仪器的性能选择则恰恰相反，它希望卫星上的光谱扫描仪对地面的分辨率要高，而相对地可以缩窄观测幅宽。地球资源卫星对发展国民经济的作用重大，如前苏联曾利用卫星获取的资料发现若干个金刚石矿，在第聂伯-顿涅茨的沼泽地区发现大油田。美国通过卫星勘察，在南非发现一个世界上最大的镍矿，在撒哈拉大沙漠找到巨大的沙下古河道和多个淡水源。

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