征服太空：人类首颗人造卫星的传奇

那么究竟是什么东西妨碍我们飞向宇宙呢？主要是地球引力。地球上所有的物质都被引力吸向地心，不仅地球有引力，任何物质，从微小的尘埃到巨大的星体都具有引力，只是我们周围物质的引力太小，我们无法察觉出来罢了。而地球的引力，却是我们时刻都会感觉到的，假如地球没有吸引力，一切物质自会飞向太空，我们人类也将在地球上无法立足。

既然地球吸引力把我们地球的一切物质牢牢地束缚在地球上，那么，人类又如何摆脱这种引力呢！这就需要速度，只要达到一定速度就会冲出地球步入太空。

让我们假定，有人站在一个平台上，平台周围是地面，当他使一个小球从4.9米的高处自由落下，这个球就在地球引力作用下，以9.8米/秒2的重力加速度下落，小球用一秒钟的时间就降到地面；如果他以每秒14.7米的速度沿水平方向抛出小球，小球就沿着一条抛物线，在距离平台14.7米落至地面；如果他再用点力，使小球以每秒29.4米的速度抛出，小球就沿着更长一点的抛物线在29.4米处落至地面（以上不考虑空气阻力为假想值）。

我们再假设一下，有一个火箭发射场，设在很高的山顶上，而山顶上的空气阻力忽略不计。火箭以一定的速度，水平发射出，那么火箭就划出一道弯曲的弧线，落到离山顶一定距离的地方。如火箭发射的速度再增加一倍，它飞行的距离也会差不多增加一倍，飞行的轨迹弯曲得更小一些。如增10倍，飞行的距离也会增加10倍，弯曲轨道也就更小了。当火箭达到某一速度时，它的飞行轨迹的曲面正好等于地表的曲面，这时火箭就会绕地球飞行，而不再落回地面，如月球一样成为地球的卫星。物体能够绕地球运行，而不再落回地面所需的速度，叫做“第一宇宙速度”或“环绕速度”。

为什么物体达到了环绕速度而不会落回地面呢？

当物体沿着圆周运动的时候，就会产生离心力。运动速度越大，离心力也就越大。离心力跟速度的平方成正比，与旋转半径成反比，当物体以环绕速度，即7.9公里/秒的速度飞行时，离心力就等于地球的引力，物体就将环绕地球而运行了。

从以上我们可以知道，人造天体如想冲出地球的关键是速度，如要完全摆脱地球的引力飞向宇宙太空，就需要达到第二宇宙速度，也叫脱离速度或逃逸速度，这个速度在地球表面上等于11.2公里/秒。此外，既要摆脱地球引力，又要摆脱太阳的引力，就要有16.7公里/秒的速度，这就是第三宇宙速度。

目前，人类克服地球引力的工具是多级运载火箭。

多级运载火箭的鼻祖是中国的火箭。现代火箭的设想是由俄国人齐奥尔科夫斯基在20世纪初才提出来的。

火箭的雏形是德国人在第二次世界大战生产的。即为V—2火箭，希特勒制造它的目的，是为突袭盟国，挽回败局，但他没有成功。当德国被盟国攻占以后，前苏联人俘虏了德国技术人员，美国则取走了技术资料。这些技术人员和资料为两国后来的导弹武器和空间技术发展奠定了基础。

1957年10月4日，寂静的太空中传来了前苏联第一颗人造卫星的声音。前苏联第一颗人造卫星的上天，开创了人类征服宇宙的新纪元。

前苏联发射的第一颗人造卫星重83.6公斤，直径58厘米，铝合金的球状外壳上，还附着四根弹簧鞭状的天线，其中一对长240厘米，另一对长290厘米，卫星内部没有什么特别仪器，只有两部频率分别为20.005兆赫和40.002兆赫的无线电发射机，它采用一般电报的形式发射信号，有两个化学电池作为发报机能源。

此外，卫星内还装有一台磁强计，一台辐射计数器和一些测量卫星内部温度和压力的感应元件。这颗卫星后来把一些关于气象、宇宙线及陨石尘的资料送回到地面，重要的是它开创了人类航天的历史。

发射“旅行家一号”的火箭是一种多级火箭，这种火箭由七枚小火箭组成，最后一级可以加速到第一宇宙速度，这样才能保证卫星弹射出来，进入环绕地球的轨道飞行。卫星运行轨道远地点约950公里，近地点约为230公里，时速28160公里，96.2分钟绕地球一周，以电报形式向全球拍发信号。第一颗人造卫星升空至今已有数千颗人造天体进入了宇宙空间，这些天体都是借助多级运载火箭飞向宇宙的。火箭不像一般飞机发动机那样需要大气中的氧气来燃烧，而是自己带有燃料和氧化剂，能在真空条件下工作。发射人造天体的运载工具都是2—3级火箭。因为单级火箭的技术水平无法达到宇宙速度，多级火箭可在飞行过程中不断把工作完毕而无用的火箭壳体以及发动机抛掉，来达到提高速度的目的，因而世界上普遍采用多级火箭作为运载人造天体的工具。

运载火箭通常由2—3个单级火箭组成，这些火箭用串联连接起来，各级头尾相联，也有下面级为并联，上面级为串联的组合形式，整个运载火箭可分为结构、动力装置、控制系统三大部分。

结构部分有仪器舱、推进剂箱、尾段，推进剂箱占了整个火箭的大部分，一般它既是装推进剂的容器，也是运载火箭的外部壳体，承受飞行期间的载荷。氧化剂和燃料箱分别为两个独立的箱体，为缩短运载火箭的长度，也可作成一个整箱，用一个中间共底把储箱分成两个部分。对于低温推进储箱，因推进剂蒸发耗量大，需要设置绝热层来减少推进剂蒸发。发动机直接安装在后储箱的壳体上。仪器舱的位置多位于前端，舱内放置控制系统中的主要仪器设备。(www.xing528.com)

常用动力装置有固体和液体两类。固体比液体的发动机性能低，构造简单，可靠性高，多用做卫星上的远地点发动机，也用作运载火箭末级。液体火箭发动机一直是运载火箭的动力系统，主要由喷管、燃烧室、泵压输送系统等部分组成。一般把高能液体火箭发动机用于上面级，常规液体发动机用于下面级。

控制系统包括制导、姿态控制、地面测试、发射系统以及电源、配电设备等。通常用于运载火箭的制导系统有惯性制导和无线电制导。控制系统的执行机构一般采用摆动发动机和游动发动机，产生控制力和力矩，以便运载火箭在飞行中按程序转弯和保持姿态的稳定。

运载火箭还有各种分离机构系统。其中包括各级之间的分离、人造天体与运载火箭末级的分离、卫星整流罩的分离、级间分离系统。当下面级火箭燃烧完毕后，要可靠地把它分离掉，同时使上面级的发动机启动，控制系统也同时工作。

火箭发射是件惊心动魄的事情，如有一点小问题都会引出意外事故。发射过程为：人造天体和运载火箭经总装合格后，送上发射架，进行人造天体和火箭的连接，推进剂的加注，各种控制指令装定与测试，最后检测合格后，才命令点火起飞。从地面到把天体送入预定轨道，一般要经历加速飞行段、滑行段和再加速段等三个过程。一枚三级运载火箭，加速飞行段点火后，火箭在第一级发动机强大作用力下，冲出发射台，垂直向上缓缓上升；穿过稠密大气层后，按程序控制指令在预定时间第一级发动机熄火，并自动分离脱落；紧接着第二级发动机点火开始工作，推动2、3级继续加速前进。此时火箭的运动轨道，逐渐变得向地面弯曲，第二级发动机在预定时间内熄火并自行与第三级和人造天体分离脱落。运载火箭熄火后，推力为零。此时，火箭第三级与人造天体依靠本身获得的能量，在地球引力作用下滑行，经惯性飞行达到预定轨道相切位置，按指令第三级点火，继续加速使其达到所需的环绕速度，在预定点把人造天体弹出、进入预定轨道。就这样运载火箭便完成了任务。

还有一点要说明，运载火箭的大小，主要由人造天体的有效载荷和运动轨道来决定。人造天体越重，轨道越高，所需运载工具的推力和能量也就越大越多，而发射地点和轨道倾角也影响所需能量。因为地球自西向东自转，地面上一切东西也随之转动，这个转动速度在赤道最大，随着纬度的增加也逐渐变小，在南北极为零。所以如顺着地球自转方向发射一颗重量与轨道高速相同的人造天体，轨道倾角越大，发射点纬度越高，运载火箭所需能量也就越多。

1958年10月，前苏联成立了国家航空航天局，统管全国的航天活动，在第一颗人造卫星上天后一个月又发射了第二颗人造卫星，重508.3公斤，并载有小狗“莱依卡”。这次发射为人类步入太空做好了准备。

1960年8月，前苏联将载有两条狗和一些老鼠苍蝇的太空舱二号，送入了地球轨道。太空舱二号安全返回地面后，标志着人类探测太空进入了一个新的阶段，载人宇宙飞船已经进入了实用阶段。

前苏联当时最大的火箭尽管有4台发动机，但最大推力只有102吨，用来发射载人飞船还远远不够。如果等到研制出具有更大推力的火箭，并赶在美国前面发射载人卫星是不现实的，于是有个叫科罗列夫的总设计师想出了一个办法，叫“集束的集束”，即把五个RD—107型火箭组合起来，那么就有500吨的推力，尽管这样使火箭自重太大，会使效率受到影响，有效负荷只有5吨，但这样可争取时间。

1961年4月21日清晨，前苏联“东方一号”，在拜克努尔飞船发射架上乘着集束火箭出发了，飞船里坐着宇航员尤里·加加林少校，他感到荣幸，因为他不仅代表着国家，同时代表着地球上几十亿人到太空走一回，实现千百年来人们的幻想。

这艘飞船是第一代宇宙飞船，只能容纳一名宇航员。它由两部分组成，一部分是生活舱，呈球状，里面有3个舱口，分别用于放下降落伞，通向机械舱和供宇航员进出，3个观测窗可以观测外面；另一部分是机械舱，控制飞船在轨道上飞行、返航，是飞船脱离火箭后的动力装置。生活舱内气温适宜，只有20℃左右，气压和地面上一样，氧气是靠化学物质反应获取的，然后再和一定的氮气、水蒸气按比例混合送进生活舱内。

当飞船进入太空脱离地球引力后，人便处于失重的环境中，科学家们怕在失重的条件下加加林的生活受影响，专门设计了一种流体状食品，放在导管里，简单加热即可食用。因为固体食品在太空舱中到处飘舞，水和饮料不是朝下流而是到处飞，不进入口中是到不了肚子的。

加加林乘坐的“东方一号”进入宇宙太空轨道后，绕地球飞行一周，他在飞船上向地面报告说：“飞行正常，经受失重状况的情况良好。”上午，10时25分，飞船返航了。加加林启动了装在机械舱的制动火箭，飞船减速后，控制火箭喷射气体使飞船脱离轨道，进入北非上空稠密的大气层。球型生活舱与机械舱脱离，机械舱被留在了太空，生活舱高速下降，与大气发生剧烈摩擦，由于舱外涂有一层厚厚的材料可抗5500℃以上的高温，这样加加林不致于担心生活舱被大气“吃”掉，舱内仍保持20℃的温度不变。当生活舱离地7700米时，加加林和他的座椅一起弹射出来，三顶彩色的降落伞张开了，到了4000米时，座椅与他也分离了，慢慢地他又踏上了地球。

当加加林返回地面后，美国肯尼迪总统说道：“看到前苏联在太空方面比我们领先一步，再也没有人比我更泄气了……，不管你们的看法如何，加加林的飞行终止了人能否在太空中生存的争论。”为了扭转空间竞赛中的落后局面，1961年，美国批准了规模庞大的“阿波罗”计划，决心在载人登月飞行中，与前苏联一决高低。“阿波罗”计划的最终目标是：在60年代末把人送到月球并安全返回。由于起步晚，第一步已落后了，但第二步“双子星座”计划时，情况就大为改观了。

“双子星座”计划是在第一步水星计划的基础上进行的，是为载人飞船阿波罗载人登月计划做准备的过渡计划。