第6章 宇航科技使人类飞向太空(2)
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。