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    作者简介

    引言 亮剑太空

    目录

    第一章 火箭研发

    第1节 纳粹溃退烽火灭绝 美军挺进人才捕获

    第2节 古人爱做太空梦 大师练就理论功

    第3节 戈达德饱受嘲讽 奥伯特见证登月

    第4节 委以重任科罗廖夫 举世无双冯· 布劳恩

    第5节 苏联卫星发射抢先 美国落后心有不甘

    第二章 登月之路

    第6节 古月依然照今人 犹抱琵琶半遮面

    1.潮汐和潮汐锁定

    2.月亮正在远离地球

    3.如果月球公转比地球自转快

    4.地球为什么不对月球锁定？

    5.轨道共振

    6.月亮其实不是“半遮面”

    7.月球地貌

    第7节 双子星计划成功 俄罗斯栋梁病逝

    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

    2.胜利的失败：阿波罗 13号

    3.苏联为何没有登月

    第9节 三体运动生混沌 引力助推荡秋千

    1.引力助推

    2.原理

    3.三体问题和拉格朗日点

    第10节 气象通信科研忙 人造卫星立大功

    第三章 星海拾贝

    第11节 恒星也有生老死 太阳尚在中青年

    第12节 大伞撑起地磁场 变幻莫测太阳风

    1.从彗星尾巴的方向说起

    2.太阳风的来龙去脉

    3.地球磁场随“风”起舞

    第13节 “尤利西斯”英雄汉 太阳极区勤为探

    1.神秘的极区

    2.英雄身负重任上轨道

    3.探测结果

    第14节 离地最远旅行者 高速飞入寰宇中

    第15节 望远镜九霄揽银河 “哈勃”深空探宇宙

    1.哈勃望远镜

    2.詹姆斯· 韦伯空间望远镜

    第16节 天体间的引力之战 希尔球和洛希极限

    第17节 钻石星球价连城 无毛黑洞却有熵

    第18节 信息悖论难解决 霍金软毛论辐射

    1.黑洞热力学

    2.霍金辐射

    3.黑洞信息悖论

    4.霍金的软毛黑洞

    第19节 天文观测寻黑洞 物理学者赌输赢

    第四章 航天漫谈

    第20节 气态木星朱庇特 巨大神秘行星王

    1.太阳系中的巨无霸

    2.气态巨行星引人关注

    3.磁场和极光

    4.木星的卫星

    第21节 欲为夫君揭面纱 全靠“朱诺”布罗网

    1.巡航5年被俘获

    2.轨道密布似罗网

    3.巧钻空隙避磁场

    4.快速自转有玄机

    5.终点冲刺自杀亡

    第22节 广义相对论太空验证 探测引力波地面响应

    1.光线弯曲

    2.引力红移

    3.进动

    4.引力时间延迟

    5.引力时间膨胀和GPS

    6.引力探测器B

    7.引力波和黑洞

    第23节 潮汐锁定共振曲 混沌自转土卫七

    1.什么是混沌？

    2.庞加莱三体问题

    3.单摆和双摆

    4.三生混沌

    5.土卫七的混沌自转

    第24回 “惠更斯”登上泰坦 “卡西尼”智探土星

    1.土星探测：“卡西尼—惠更斯号”

    2.宏伟的探测计划

    3.泰坦：早期地球？

    4.土卫五、土卫八和土卫二

    5.神秘的土星北极六边形

    第25节 木星周围伴侣多 土星腰间环带美

    1.复杂多变的土星环

    2.太阳系有多少“行星环”？

    3.行星环从何而来？

    4.行星环为什么能稳定？

    第26节 梦想殖民火星 大难临头逃生

    1.地球未来的灾难

    2.寻找第二家园

    3.探索火星的秘密

    4.火星地球化

    第27节 太空之路不平坦 失误酿成大灾难

    1.魂系太空——航天史上的事故

    2.第一位牺牲者

    3.牺牲人数最多的导弹试验惨剧

    4.小火花成大祸

    5.小小O形环造成的灾难

    6.“哥伦比亚号”灾难

    参考文献

    版权所有，侵权必究。侵权举报电话：010-62782989 13701121933

    图书在版编目(CIP)数据

    揭秘太空：人类的航天梦张天蓉著.—北京：清华大学出版社，2017

    ISBN 978-7-302-47159-2

    Ⅰ . ① 揭 … Ⅱ . ① 张 … Ⅲ . ① 空 间 探 索 - 普 及 读 物

    Ⅳ.①P159-49

    中国版本图书馆 CIP数据核字(2017)第119836号

    责任编辑： 胡洪涛 王 华

    封面设计： 蔡小波

    责任校对： 王淑云

    责任印制： 王静怡

    出版发行： 清华大学出版社

    网 址： http:www.tup.com.cn，http:www.wqbook.com

    地 址： 北京清华大学学研大厦 A座

    邮 编： 100084

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    印 装 者： 北京鑫海金澳胶印有限公司

    经 销： 全国新华书店

    开 本： 148mm×210mm

    印 张： 7.625

    插 页： 2

    字 数： 172千字

    版 次： 2017年7月第1版

    印 次： 2017年7月第1次印刷

    定 价： 45.00元

    产品编号：073141-01

    作者简介

    张天蓉，女，科普作家。美国得州奥斯汀大学理论物理博士，现住美

    国芝加哥。研究课题包括广义相对论、黑洞辐射、费曼路径积分、飞秒激

    光、激光探测晶体性质、高频及微波通讯、EDA 集成电路软件等。发表

    专业论文三十余篇。2012年开始，出版了一系列科普著作，其文风深入浅

    出，趣味盎然，亦保持科学的严谨性，深得读者喜爱。代表书籍有：《蝴

    蝶效应之谜：走近分形与混沌》《世纪幽灵：走近量子纠缠》《上帝如何

    设计世界：爱因斯坦的困惑》《爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事》

    《永恒的诱惑：宇宙之谜》等。

    引言 亮剑太空

    从地球走向太空，是人类文明的一大进步。

    飞天梦是人类自古以来就有的梦想。希望能像鸟儿一样自由自在地在

    空中飞翔，是航空梦；到月亮上去，进而探索莽莽河汉和浩瀚神秘的太空，是航天梦。这两类梦想吸引着无数英雄竞折腰，甚至为此牺牲，但人类仍

    然前仆后继，勇往直前。

    航空和航天，起源一致但因理论和技术不同而分家，本书描述的是航

    天而非航空。

    中国人自古不缺航天梦，从“嫦娥奔月”的神话想象，到“万户飞天”的

    身体力行，历史文化中均有传说和记载，甚至现代航天中必不可缺的火箭

    技术也是源自于我们祖先的伟大发明。

    20 世纪中叶开始的美苏“冷战”把人类拉进了太空时代。从 1958 年苏

    联发射第一颗人造卫星开始，人类探索太空的脚步已经走过了近 60 年的

    历程。奔赴太空半个世纪，托起人类千古一梦。其中不仅有科学家求知欲

    的满足，也伴随着时代变革的风风雨雨。从苏美两个超级大国在第二次世

    界大战之后的人才争夺战开始，航天方面的科学技术发展迅猛，全世界各

    国纷纷在太空亮剑，掀开了在科学、技术、军事、政治各领域的全面竞争。

    这其中有成功的喜悦，也不乏失败的教训。

    这个世界各国以千亿万亿资金投入，数万人辛勤劳动以至付出生命代

    价的“航天工程”，为人类文明做了些什么？人类对太空的众星系有何更深

    入的理解？如今，借助于现代的高科技，我们如何重新解读太阳系和银河

    系、如何认知太空中那些遥远而且形形色色的神秘天体？太空的探索与开

    发又如何改变了人类的生活和思维方式？此外，在满天繁星及航天探秘的

    背后，隐藏着哪些基本又有趣的物理知识？这些是本书作者希望引领读者

    思考解决的问题。

    然而，宇宙茫茫，星辰无数。除了亿万的自然天体之外，几十年来，人类发射至太空的人造天体也已经上万!因此，作者不可能面面俱到，只

    能带领你在这个巨大星海旁的沙滩上，拾取几颗美丽的贝壳。通过一些典

    型事例的介绍，让读者对基本航天知识以及其中的物理原理有所了解。同

    时，也通过介绍人类航天史上一些妙趣横生和震撼人心的故事，使读者认

    识人类航天的简要历史轮廓。从古代的飞天传奇，到世界各大国之间的太

    空争夺战，说明航天工程对人类文明社会的重要性。

    也许有人会说，天上的星星固然美丽迷人，但离我们太遥远。登陆月

    球、火星，那都是科学家和航天员考虑的事，与我们的日常生活有什么关

    系呢？这实际上是对天文学及航天事业的误解，姑且不谈“理想”“梦想”之

    类的长远而抽象的话题，太空中发生的很多事情是与人类生存息息相关的。

    天上的星星并非遥不可及，它们的运动和变化无时无刻不在影响着我们的

    生活。

    在美苏太空竞争的年代，美国总统林登· 约翰逊曾经说过“控制了太空，便有能力控制天气、干旱和洪水，改变潮汐、提高海平面……这是比终极

    武器更重要的东西，这是从太空某处达到完全控制地球的最终目的”。

    约翰逊这段话的意思就是说，控制了太空便意味着控制了世界的未来。

    谁不愿意控制未来呢？谁也不希望未来被别人控制!这就是为什么世

    界各国都想要发展航天事业，都纷纷想加入这个“太空俱乐部”中，来分一

    杯羹。发展航天事业，将自己的国力展示于他人，也亮剑于太空，这是如

    今每一个大国的愿望和共识。

    如今的航天领域，已经不仅仅是美苏两国之争。美国对太空的兴趣一

    如既往，近几年的探索重心已大大超出月球，而世界上许多国家也都纷纷

    宣布了自己的太空探索计划。俄罗斯的航天计划停滞多年后正在艰难重启；

    日本将与美国合作载人探月项目；欧洲的航天计划因金融危机搁置，但希

    望参与俄罗斯的月球探测项目中；印度一直都关注航天事业的发展，自主

    研发显示了其大国雄心，探索太空的步伐也从未停止。

    中国从来就重视航天事业。从 1970 年发射第一颗人造地球卫星(东

    方红 1 号)，在太空响起“东方红”开始，“长征”号运载火箭、神舟载人飞

    船、北斗卫星导航系统，还有“天宫”“嫦娥”和“玉兔”，一系列太空探索计

    划步步紧跟。航天时代已经到来，太空离我们并不遥远!

    没有哪一门科学像“航天”这样充满了幻想色彩。除了古代各种文化中

    的神话故事外，近现代的许多天文学家也都写过科幻作品。航天科学的先

    驱者更是热衷于将他们的航天思想用科幻的形式表达出来，以便容易得到

    广大民众的认同。早在 400 多年前，天体力学的祖师爷，大家熟知的开普

    勒(Kepler，1571—1630)就写过一本既像科幻又像科学专著的作品(以

    《梦》为题发表)，描述他想象中的星际之旅。

    航天相关的科幻作品与天文、物理方面的科学论文如同纠缠在一起的

    两条环绕线，在互相促进和影响下前进。从开普勒之后，特别是哥白尼的

    日心说站稳地位、牛顿又建立了经典力学之后，西方有关航天的科幻小说

    可以列出一大串。1657年，法国作家贝尔热拉出版的科幻小说《月球之旅》

    中，已经颇为超前地讨论了 7 种登月的方法，前 6 种都失败了，只有第 7

    种“爆竹产生的焰火”成功了。贝尔热拉并非科学家，却偶然地预言到了牛

    顿直到半个世纪之后才总结出的作用与反作用原理。在阿西尔· 埃罗于

    1865年出版的《金星之旅》中，主人公也发明了一种利用水的反作用力将

    飞船推入太空的动力装置。作者在书中还用手枪的后坐力来生动地说明了

    反作用力的由来。从原理上来说，现代的火箭和书里的“水箭”并没有本质

    区别，只不过是喷射的物质不同罢了。当年文学作品的想象力大大地超越

    了科学技术能达到的现实，更为可贵可赞的是 17、18 世纪的科幻作家们

    在其作品中表现出的那种认真思考科学原理的求实精神。

    如今，在现代新一轮的太空航天竞赛中，如何才能发挥中国现有的优

    势，尽快缩小与先进国家的差距，走出自己独特的航天技术之路呢？这其

    中除了专业人士的努力之外，广大民众的理解和支持必不可少。因此，向

    公众科普航天知识，让老百姓更多地熟悉太空、了解航天，是科学工作者

    的任务，也是本书作者的初衷。

    航天学是一门有趣的理论，但实际的工程发射过程却充满了危险和挑

    战，特别是载人航天。太空毕竟是一个与人类的地球家园迥异的环境，我

    们要适应太空、克服人体的各种不良反应等。对此，科学家们做了许多研

    究。此外，载人航天器的发射和返回过程危险性很大，航天史上有过几次

    大事故，作者也会稍加描写，使人们能以此为鉴。

    迄今为止，因为航天器的速度所限，现代的航天技术只是主要探索了

    太阳及太阳系中的八大行星。因此，作者仅对太阳系几个主要行星及它们

    的几个典型有趣的卫星的物理规律和特点作了基本介绍，带领读者星海拾

    趣。人类最感兴趣且派去探测器的是哪些星球？为什么对它们特别看待？

    哪几个星球与地球的环境最为类似？在这些天体上是否探测到任何生命存

    在的迹象？如果地球突然发生大灾难，人类有移民其他星球的可能性吗？

    此外，如今飞得最远的“旅行者”号探测器被认为是刚刚抵达太阳系的

    边界。但通过望远镜，人类却已经观察到了广博得多得多的宇宙。作者也

    将对哈勃空间望远镜及韦伯空间望远镜略作介绍。

    为了增加可读性，作者以“二战”后美苏的太空竞争为线索，插入一些

    当事人和研究者的逸闻趣事，再将航天方面的科学技术发展穿插其中，读

    故事、长知识，让读者在轻松阅读故事的过程中学习航天知识。

    十分有趣的是，除了人类社会中的各个大国在进行太空争夺战之外，宇宙中的各个天体虽然本是没有意识的非生命之物，它们之间却似乎也在

    进行着一场永恒的争斗。从物理学的视角看，宇宙间存在 4 种基本相互作

    用，其中强相互作用和弱相互作用只在微观的尺度范围内起作用，它们可

    以影响每个星体内部结构中的物理过程，但与天体之间的运动关系不明显。

    其他两种力：引力和电磁力，都是长程力，对天体的相互运动起着重要的

    作用。宇宙中大大小小、形形色色的天体运用它们各自的引力和电磁力，像是在互相抢地盘、占山头，大星吞小星、小星撞大星，用物理规律展开

    一场无言的战争。对此，作者描述了宇宙中一幅十分有趣的物理图景。

    该书的读者可定位于各个领域的大学本科生、研究生，对天文学、航

    天、物理学等感兴趣的初、高中学生等。然而，航天技术及其探索目标—

    —“太空”之谜，对各个阶层和领域的读者，都具极大的诱惑力。本书中没

    有数学公式，因而适合所有爱好科学的广大群众阅读，包括各个年龄层次

    的文科读者。

    本书作者既是物理学者，又是科普作家。物理概念清晰，文字功底深

    厚，表述深入浅出，比喻恰到好处。作者善于使用通俗的解释、流畅的语

    言、直观的图像来深入浅出地解释深奥难懂的物理内容。

    阅读本书，能使读者从如下几个方面获益：

    通过介绍航空航天中的典型事例，满足各个年龄阶层人们对太空的好

    奇心，增长见识，启发人们对地球、太阳系和人类未来的思考，吸引年轻

    人踏进科学技术、天体物理、航天工程的大门。

    用通俗易懂的比喻，图文并茂的解释，幽默风趣的语言，引导读者学

    习、思考和探索星体背后的物理现象，了解天体运行、恒星演化、宇宙变

    迁的基本物理规律。让读者体会大自然造物之巧，感受科学理论之美。

    目 录

    引言 亮剑太空

    第一章 火箭研发

    第1节 纳粹溃退烽火灭绝 美军挺进人才捕获

    第2节 古人爱做太空梦 大师练就理论功

    第3节 戈达德饱受嘲讽 奥伯特见证登月

    第4节 委以重任科罗廖夫 举世无双冯· 布劳恩

    第5节 苏联卫星发射抢先 美国落后心有不甘

    第二章 登月之路

    第6节 古月依然照今人 犹抱琵琶半遮面

    1.潮汐和潮汐锁定

    2.月亮正在远离地球

    3.如果月球公转比地球自转快

    4.地球为什么不对月球锁定？

    5.轨道共振

    6.月亮其实不是“半遮面”

    7.月球地貌

    第7节 双子星计划成功 俄罗斯栋梁病逝

    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

    2.胜利的失败：阿波罗 13号

    3.苏联为何没有登月

    第9节 三体运动生混沌 引力助推荡秋千

    1.引力助推

    2.原理

    3.三体问题和拉格朗日点

    第10节 气象通信科研忙 人造卫星立大功

    第三章 星海拾贝

    第11节 恒星也有生老死 太阳尚在中青年

    第12节 大伞撑起地磁场 变幻莫测太阳风

    1.从彗星尾巴的方向说起

    2.太阳风的来龙去脉

    3.地球磁场随“风”起舞

    第13节 “尤利西斯”英雄汉 太阳极区勤为探

    1.神秘的极区

    2.英雄身负重任上轨道

    3.探测结果

    第14节 离地最远旅行者 高速飞入寰宇中

    第15节 望远镜九霄揽银河 “哈勃”深空探宇宙

    1.哈勃望远镜

    2.詹姆斯· 韦伯空间望远镜

    第16节 天体间的引力之战 希尔球和洛希极限

    第17节 钻石星球价连城 无毛黑洞却有熵

    第18节 信息悖论难解决 霍金软毛论辐射

    1.黑洞热力学

    2.霍金辐射

    3.黑洞信息悖论

    4.霍金的软毛黑洞

    第19节 天文观测寻黑洞 物理学者赌输赢

    第四章 航天漫谈

    第20节 气态木星朱庇特 巨大神秘行星王

    1.太阳系中的巨无霸

    2.气态巨行星引人关注

    3.磁场和极光

    4.木星的卫星

    第21节 欲为夫君揭面纱 全靠“朱诺”布罗网

    1.巡航5年被俘获

    2.轨道密布似罗网

    3.巧钻空隙避磁场

    4.快速自转有玄机

    5.终点冲刺自杀亡

    第22节 广义相对论太空验证 探测引力波地面响应

    1.光线弯曲

    2.引力红移

    3.进动

    4.引力时间延迟

    5.引力时间膨胀和 GPS

    6.引力探测器 B

    7.引力波和黑洞

    第23节 潮汐锁定共振曲 混沌自转土卫七

    1.什么是混沌？

    2.庞加莱三体问题

    3.单摆和双摆

    4.三生混沌

    5.土卫七的混沌自转

    第24回 “惠更斯”登上泰坦 “卡西尼”智探土星

    1.土星探测：“卡西尼—惠更斯号”

    2.宏伟的探测计划

    3.泰坦：早期地球？

    4.土卫五、土卫八和土卫二

    5.神秘的土星北极六边形

    第25节 木星周围伴侣多 土星腰间环带美

    1.复杂多变的土星环

    2.太阳系有多少“行星环”？

    3.行星环从何而来？

    4.行星环为什么能稳定？

    第26节 梦想殖民火星 大难临头逃生

    1.地球未来的灾难

    2.寻找第二家园

    3.探索火星的秘密

    4.火星地球化

    第27节 太空之路不平坦 失误酿成大灾难

    1.魂系太空——航天史上的事故

    2.第一位牺牲者

    3.牺牲人数最多的导弹试验惨剧

    4.小火花成大祸

    5.小小O形环造成的灾难

    6.“哥伦比亚号”灾难

    参考文献

    第一章 火箭研发

    “峨峨云梯翔，赫赫火箭著。”

    ——韩愈

    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年的 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四处巡逻

    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日的清晨 6点，泰晤士河边一声巨

    响，1 吨多的炸药从天而降，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 公里之外荷

    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共发射了 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，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)

    (1)

    的 V2 导弹

    实在太不合算，效率极低，平均一个导弹才炸死 2～3 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纳粹劳工就有数万人，比轰炸敌国炸死的人还要

    多。

    当时 V2 武器的威力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月份就要求我哥哥(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，躲避正在逼近的俄国红军……我们手中有大

    量的资料、技术和人才，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、英姿焕发，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

    无疑问地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

    箭技术。战争成全了他的理想，也改变了他的命运。1932 年，布劳恩在

    20岁时就被命名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)右上)：动力(即发动机产生的推力)、阻力、升力、重力。这

    里与地面交通工具不一样的是，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))。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

    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。

    图1-1 火箭和飞机工作原理不同

    (a)飞机；(b)火箭

    火箭的工作原理不同于飞机(图 1-1(b))，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。作用与反作用定律也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

    果将气体后喷所受的力当作作用力，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，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

    增加而减少。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 100km的高度定义为大气层和太空的界线。美国认为到达

    海拔 80km 的人即为宇航员。因此，高度超过 80km(到 100km)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。

    十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 84.5km，飞行距离达到 190km。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 750kg 炸药飞行约 300km 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 13t，可负载 1000kg 的高能炸药弹头，并

    射向 300km 远的目标。导弹先被垂直发射到一定的高度(24～29km)，然后按一定的倾角弹道上升。当升至最高点(48km)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 97km。然后，以 3542kmh

    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)。

    图1-2 V2导弹飞行路线示意图

    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 14t 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。

    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 万公里!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道理将自己送上太空，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 个烟花同时点燃。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 Cio?kowski，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 18、19 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，重视科学根据，所以他的小说既有文学价值，也有科学价值。他小说中的诸多幻想，有许

    多如今已成为有趣的预言。

    《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，并指出多极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。从那时候开始，“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宇宙飞船。

    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 8kms，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，也有人一直活到九十多岁，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”。他对自己的研究进行过分的保护，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，戈达德进行火箭研

    究直到1941年为止，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 3.4m，发射

    时重 4.6kg，空重为 2.6kg。飞行延续了约 2.5s，最大高度为 12.5m，飞行

    距离为 56m，见图 3-1(a)。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。”

    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

    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

    (2)”，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 2.7km 以上，之后更被德国

    “二战”期间的火箭研究所超越。

    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 岁高龄去世，是真正见证了美国

    的“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

    反冲火箭的概念，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 90s，产生了约 70N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

    齐奥尔科夫斯基在俄国的追随者不止一个，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，俄国也和当年欧洲

    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

    盘原来是划归苏俄托管的，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 6 月 1 日抵达的时

    候，只看到一座座空荡荡的工厂。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，苏联的确曾经

    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“卡

    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，独裁者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。但他痴迷于飞上天空，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，将他的志向专为研究火箭和航天，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。

    虽然俄国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慨帮助了他们。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，双方都很快地重

    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，美国可以将中程导弹部署在欧

    洲国家，其射程就可以到达苏联。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。1 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

    放置到离敌方越近越好。再则，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，见图 4-1。

    图 4-1 德、苏、美早期导弹(火箭)技术比较

    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。北极熊和老鹰谁也不怕谁了!

    虽然谁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

    (100km)，再作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，物体将顺着它的速度方向做直线运动，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(V 10 )，便有可能使得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。

    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

    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，V 10 ＝7.9kms，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V 10 、V 11 、V 12 、V 13 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 V 20 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 V 20 为第二宇宙速度，它的数值是 11.2kms。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

    射第一枚人造卫星!”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、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。

    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)

    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试射人

    造卫星，但因种种原因均告失败。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(83.6kg)，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(7.9kms)、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“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 108min 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(400km)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，1.57m。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。话说这位宇航员拨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道了这个消息，满

    面笑容的苏联人加加林代表人类，第一次离开了“摇篮”!

    三个星期之后，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

    分钟22秒。

    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。

    (1) 1马克约为3.8583元人民币，1999年起被欧元代替。

    (2) 1英里＝1609.344米。

    第二章 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”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？

    图 6-1 月球的两面(图片资料来自 NASA)

    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)右图

    所示那种情形的话，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。

    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

    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。

    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

    轨道角动量 L ＝mvR ，是月球质量 m 、轨道线速度 v 和轨道半径 R

    的乘积。卫星绕行星运动的速度 v 与轨道半径R 的平方根成反比，因此，轨道角动量便与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 1.6ms。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 3.8cm 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 4cm，100 年就要增加 4m左右。在大约 5000年的中国历史中，这个距离已经增

    加近 200m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

    23500km，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 181

    (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)。

    5.轨道共振

    月亮自转、公转同步的现象，类似于一种共振，称之于自旋与轨道间

    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。

    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

    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。

    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。

    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

    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 235km 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200km的距离，见图6-5(b)。

    周日天平动是因为地球的自转所造成，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 30km 的

    区域，见图6-5(c)。

    前面三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 2500km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 俄罗斯栋梁病逝

    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，因此加强

    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三种方案。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”。

    图7-1 三种登月方案

    (a)直接登月；(b)地球轨道交会；(c)月球轨道交会

    苏联了解到美国的“双子座计划”后，便也匆忙制定了一个“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

    我们就坐三个人，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

    排成品字的三个座椅中，“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，使得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 300km，但那天的运载火

    箭推力似乎过大，将飞船推到了 500km的高度。列昂诺夫原计划在飞船绕

    地的第一圈出舱，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

    5.35m 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 5.35m 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出汗、心律失常，只好匆匆结束太空行走。

    但在回舱时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 190cm的大气球，使得他怎么也进不

    了 120cm宽的舱门，只好高声大叫“我来不及了。我回不去了!”还好在危

    急的最后关头，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分钟的太空行走，以及为了挤进舱门与航天服搏斗了

    12分钟，列昂诺夫大汗淋漓，心率达到每分钟 190次，靴子里积聚了 6升

    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 3200km 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呼救信号……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。

    另一方面，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(15～100km)。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 0.5～1km)。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 100m，相对速度为(1～

    3)ms，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)ms 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。

    图 8-1 “阿波罗”的月球交会轨道(图片资料来自 NASA)

    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 3 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三位年轻人了。然而，三位宇航员克服困

    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。

    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。

    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

    “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，三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”的发动机，这点上也没有区别。

    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 110.6m，质量 3039t，有效载荷 45t。迄今为止，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。

    图 8-3 美国和苏联的登月运载火箭(图片资料来自 NASA)

    (a)“阿波罗11号”和“土星 5号”；(b)N1火箭爆炸

    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 UR500700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。由 5

    台 F-1 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 火箭的失败就归天了。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，却缺乏他那种政治头脑和作为总设计师的威望，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，又随着 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，就也变成了一颗“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

    举刚才说的人造地球卫星而言，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

    (7.9kms)能让物体围绕地球旋转；如果达到第二宇宙速度(11.2kms)

    便可以克服地球引力，绕着太阳转；第三宇宙速度(16.7kms)标志着能

    够摆脱太阳的引力羁跘。

    不过，想跨越这几个门槛谈何容易？人类努力了几十年，迄今为止发

    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 16.26kms，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 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)中间的曲线所示，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 30kms。曲线上的 4个尖峰分别代表该飞行器在土星、木星、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。

    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

    1AU也被称为1个天文单位，是从太阳到地球的平均距离。

    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(F landro)的研究员，负责研究探索

    太阳系外行星的任务。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，是运行至实现“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”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 64kB(40 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，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 v 1 =5ms，火车速度 u ＝10ms，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v 2 =v 1 +2u ＝25ms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。

    图 9-2 理解引力助推(或称“引力弹弓”)原理的直观图

    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于火车的动力系统。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 m 1 和 m 2 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：

    公式中的F 12 和 F 21 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 m 1 和m 2 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L 1 、L

    2 、L 3 实际上是欧拉得到的，L 4 和L 5 由拉格朗日在1772年得到，发表在

    他的论文“三体问题”中。

    从图9-3(a)所示，拉格朗日点中的3个点L 1 、L 2 、L 3 位于两个大

    天体的连线上，L 4 和L 5 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L 4 和L 5 是对应于最小值的稳定点。也就是说，当小质量位于 L 4 和L 5

    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 L 4 点对小天体的 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 L 4 和L 5 时，三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？L 4 和 L 5 有时也被称为“三角拉格朗日

    点”或“特洛伊点”。

    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

    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 L 4

    和L 5 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 L 4 点，1047颗

    在L 5 点。

    此外，在土星-太阳系统及火星-太阳系统的 L 4 和L 5 点上也都发现

    有小卫星存在。还曾经在地球-太阳系统的 L 4 和L 5 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，L 1 、L 2 、L 3 都在日地连线上，L 1 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 L 1 点运行。L 2 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。L 3 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 导弹收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”，但日本抢先了一步，比我们早了 3 个月左右。但日本的第一颗

    卫星只有 23.8kg，中国的卫星是 173kg，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 8.2kg，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，在当年地上一片红海洋，知识分子几无立足之地的险恶条

    件下，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，他在 1968 年文化大革命开始时，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，数量也很大。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。

    图10-1 人造卫星

    (a)三颗通信卫星覆盖全球；(b)卫星按轨道形态的分类

    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。

    首先，卫星的轨道可以有高度上的差异，由此可将卫星分为低轨

    (2000km以下)、中轨(介于 2000～35 786km之间)和高轨(等于或高

    于 35 786km)。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

    坠毁的原因便是因为轨道较高。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都是采取低轨道

    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。

    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 786km，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 ，离心力才能刚好平衡引力。

    设卫星质量为m ，地球质量为M ，半径为 R ，自转周期为 T ，万有

    引力常数为G ，利用下列“牛顿引力等于离心力”的方程：

    代入已知数据，则可得高度h 等于35 786km。

    放在这个高度的卫星绕行地球转一圈的时间(公式中的 T )正好是

    24小时，该时间内地球也刚好转一圈。所以，从地面上看起来，卫星似乎

    是挂在天空某个定点固定不动，故称静止卫星，见图 10-2(a)。这种卫

    星的优越性显而易见，那才真正可以等效于一个延伸到了太空的“地面”气

    象观测站或通信站。

    图 10-2 静止卫星示意图

    (a)卫星在天上的位置“固定”；(b)拥挤的克拉克带

    前面介绍过，通信网络中使用 3 个静止卫星便能覆盖全球。气象卫星

    一般有两种：绕极卫星和静止卫星，前者可以飞经地球的每个地区，巡天

    遥看整个地球周围气流、温度等的空间分布，拍摄全球的云图；后者则可

    观测和监督地球上某固定范围内随时间的风云变幻。两种卫星相得益彰，联合起来为人类提供尽量准确的气象服务。

    地球静止轨道的概念由英国著名科幻作家兼科学家亚瑟· 克拉克于

    1945 年提出，为了纪念他，海平面以上大约 36 000km 的地方有一片区域

    可以作为类静止轨道来使用，被称为克拉克带。

    静止卫星有这么多优点，每个国家都需要，但它们又都要运行在一种

    高度，即克拉克带上。那么就由此产生了两个问题：一是大家的轨道都相

    同，转来转去是否会互相碰撞呢？二是那个高度上的赤道轨道只有那么一

    圈，称之为“黄金圈”，圈内位置有限，发射的卫星越来越多，克拉克带越

    来越拥挤，见图 10-2(b)，是否会“星满为患”呢？第一点不成问题，因

    为虽然所有的静止卫星都共用一条“跑道”，但大家的速度都一样，前前后

    后，排着队跑，没有“争先恐后”，谁也不超过谁。所以，只要发射的时候

    不相撞，后来基本也不会相撞。第二点倒是需要考虑的，国际上也为此制

    定了一些规则，正在完善之中。

    迄今为止，人类的眼光看得很远，但脚步还只在太阳系中徘徊，顶多

    就是走到了边缘而已。到底在太阳系中探索了些什么？下一章中，将带领

    你到茫茫星海中游览……

    第三章 星海拾贝

    “天地玄黄，宇宙洪荒，日月盈昃，辰宿列张。”

    ——千字文

    第 11节 恒星也有生老死 太阳尚在中青年

    宇宙是如此浩渺，但人造物体能够到达的，还主要仅限于太阳系这个

    大家庭内部，这些人造物体丰富和加深了我们对太阳及其八大行星的知识。

    古人望着满天繁星说：“天上一颗星，地上一个人”。他们将星星看作

    是地球上人的化身，用心目中的英雄人物为最亮的星座命名。如今的孩子

    们，早就知道了星星并不是人，他们要问的问题可能是：“星星是不是也

    有生老病死呢？”

    的确，星星和人一样，也有生老病死。不过，星星的寿命要比人类个

    体的寿命长得多，经常需要以“亿年”为单位来计算!

    从天文观测的角度看，恒星会主动发光，而行星只是被动地反射或折

    射恒星发出的光线而已。恒星的质量较大，它们“心中燃着一把火”，它们

    的生命过程轰轰烈烈、多姿多彩。科学家们将各类恒星的诞生、演化，直

    至死亡的整个过程，称之为“恒星的演化周期”。根据恒星质量的不同，它

    们的演化周期(寿命)也大不相同。一般而言，恒星质量越小寿命越长，从几百万年到数兆年不等。

    那么，首先让我们考察一下我们这个大家庭的主人，离我们最近的恒

    星——太阳。太阳诞生于何时？经历了什么样的生命周期？它还能照耀多

    久呢？太阳的“生死”决定了大家庭成员们的生死，也与我们地球上人类的

    生存息息相关，千万不可小觑。

    目前的太阳几乎是一个理想球体，从中间向外依次为核心区、辐射区

    和对流区(图 11-1(b)左上太阳内部截图)。恒星发光的原因是因为它

    们内部有热核反应，太阳也是如此。公众熟知的核反应例子是世界上一些

    大国掌握的核武器：原子弹和氢弹。前者的物理过程叫作“核裂变”，后者

    则叫作“核聚变”。裂变指的是一个大质量的原子核(例如铀)分裂成两个

    较小的原子核，聚变则是由较轻的原子核(例如氢)合成为一个较重的原

    子核，比方说氢弹便是使得氢在一定条件下合成中子和氦。无论是裂变还

    是聚变，反应前后的原子核总质量都发生了变化。爱因斯坦的狭义相对论

    认为质量和能量是物质同一属性的不同表现，它们可以互相转换。在两类

    核反应中都有一部分静止质量在反应后转化成了巨大的能量，并且被释放

    出来，这就是核武器具有巨大杀伤能力的原因。太阳内部所发生的，是与

    氢弹原理相同的核聚变。

    核聚变要求的条件非常苛刻，需要超高温和超高压。人为地制造这种

    条件不是那么容易，虽然人类已经有了氢弹，但那是一种破坏性的、对付

    敌人的武器，要想办法控制这种能量而加以和平利用，仍然是困难重重。

    可是，在太阳的核心区域中却天然地提供了这一切难得的条件。那里的物

    质密度很高，大约是水密度的 150 倍，温度接近 1.5×107

    ℃。因此，在太

    阳核心处进行着大量的核聚变反应。

    图11-1 太阳内部的核聚变反应

    (a)核反应；(b)太阳中心的热核聚变

    太阳内部的热核反应会产生大量能量极高的伽马射线，这是一种频率

    比可见光更高的光子，同时也产生另外一种叫作中微子的基本粒子。因而，在我们的宇宙中，不仅飞舞着各种频率的光子(电磁波)，也飞舞着大量

    的中微子!中微子字面上的意思是“中性不带电的微小粒子”，是 20 世纪

    30年代才发现的一种基本粒子。中微子有许多有趣的特性，有待人们去认

    识和研究。比如说，科学家们原来以为中微子和光子一样没有静止质量，但现在已经认定它有一个很小很小的静止质量。

    如图 11-1(b)所示，光子从太阳核心区出来后的轨迹弯弯曲曲，平

    均来说，要经过上万年到十几万年的时间，才能从太阳核心区到达太阳的

    表面，并且从伽马射线变成了“可见光”，继而再飞向宇宙空间。中微子的

    行程则是直的，两秒钟左右便旅行到了太阳表面，并且逃逸到太空中去了。

    无论如何，太阳系大家庭的有用能量之来源是太阳核心区的核反应。

    聚变反应的每一秒钟，都有超过 4×106

    t 的物质(静止质量)转化成能量。

    如此一来，科学家们不由得担心起来：太阳以如此巨大的速度“燃烧”，还

    能够烧多久呢？简单的计算可以给我们一个近似的答案。太阳的质量大约

    是2×1027

    t，每秒钟烧掉 4×106

    t，每年大约要烧掉1014

    t。因此，如果太阳

    按照这个速度进行核反应，大约还能燃烧 1013

    年，即 100亿年。这个结论

    只是粗略的估算，太阳具体的演化过程，可参考图 11-2。

    恒星的生命周期和演变过程取决于它最初的质量。大多数恒星的寿命

    在 10 亿岁到 100 亿岁之间。粗略一想，你可能会认为质量越大的恒星就

    可以燃烧更久，因而寿命更长。但事实却相反：质量越大寿命反而越短，质量小的(矮子)细水长流，命反而长。比如说，一个质量等于太阳 60

    倍的恒星，寿命只有 300 万年，而质量是太阳一半的恒星，预期的寿命可

    达几百亿年，比现在宇宙的寿命还长。

    图 11-2 显示了恒星诞生后的演化过程。太阳是在大约 45.7 亿年前诞

    生的，目前“正值中年”。太阳在 45 亿年之前，是一团因引力而坍缩的氢

    分子云。科学家们使用“放射性测年法”得到太阳中最古老的物质是 45.67

    亿岁，这点与估算的太阳年龄相符合。

    恒星自身的引力在演化中起着重要的作用。世界万物之间存在的引力

    使得两个质量互相吸引。一个系统中，如果没有别的足够大的斥力来平衡

    这种吸引力的话，所有的物质便会因为引力吸引而越来越靠近，越来越紧

    密地聚集在一起。并且，这种过程进行得快速而猛烈，该现象被称为“引

    力塌缩”。在通常所见的物体中，物质结构是稳定的，并不发生引力塌缩，那是因为原子中的电磁力在起着平衡的作用。

    图11-2 恒星的生命周期(彩图见后)

    在恒星形成和演化过程中存在引力塌缩。所有恒星都是从分子云的气

    体尘埃坍缩中诞生的，随之凝聚成一团被称为原恒星的高热旋转气体。这

    一过程也经常被称作引力凝聚，凝聚成了原恒星之后的发展过程则取决于

    原恒星的初始质量。太阳是科学家们最熟悉的恒星，所以在讨论恒星的质

    量时，一般习惯将太阳的质量看成是 1，也就是用太阳的质量作为质量单

    位。

    质量大于 110太阳质量的恒星，自身引力引起的塌缩将使得星体核心

    的温度最终超过 1 千万℃，由此启动质子链的聚变反应，氢融合成氘，再

    合成氦，大量能量从核心向外辐射。当星体内部辐射压力逐渐增加并与物

    质间的引力达成平衡之后，恒星便不再继续塌缩，进入稳定的“主序星”状

    态。我们的太阳现在便是处于这个阶段，如图11-2所示。

    质量太小(小于 0.08倍太阳质量)的原恒星，核心温度不够高，启动

    不了氢核聚变，就最终成不了恒星。如果还能进行氘核聚变的话，便可形

    成棕矮星(或称褐矮星，看起来的颜色在红棕之间)。如果连棕矮星的资

    格也够不上，便无法自立门户，最终只能绕着别人转，变成一颗行星。

    太阳的主序星阶段很长，有 100 亿年左右。到目前为止，太阳的生命

    刚走了一半。并不是所有恒星的生命演化过程都和太阳一样，恒星最后的

    归宿是什么？主要取决于恒星的质量。从主序星到红巨星阶段，大家的过

    程差不多，后来则因为质量不同而走了不同的路，见图 11-2。分叉点是在

    “8 倍太阳质量”之处，对应于“钱德拉塞卡极限”。这个界限值是由印度物

    理学家钱德拉塞卡在 20 多岁时发现的，他为此而在 70 多岁时荣获诺贝尔

    物理学奖。

    图 11-2中向下的分岔是质量小于 8倍太阳质量的恒星演化过程，也就

    是我们太阳将来要走的路。太阳在主序星阶段中，温度将会慢慢升高。当

    它 100 亿岁左右时，核心中的氢被烧完了，但是内部的温度仍然很高，就

    开始烧外层的氦。于是，太阳会突然膨胀起来，体积增大很多倍，形成红

    巨星。经过了红巨星之后，可以进行聚合反应的元素燃烧完了，星体慢慢

    冷却下来，继续塌缩，体积从红巨星大大缩小，星体中的物质以离子和电

    子云的状态存在。电子是费米子，遵循泡利不相容原理，任何两个电子都

    不能处于完全同样的状态。然而，逐渐缩小的星体体积却力图迫使它们处

    于相同的(简并的)状态，如此便在星体中产生一种“电子简并压”与引力

    塌缩作用相抗衡。也就是说，引力塌缩的作用要使星体体积越变越小，而

    电子简并压则使得星体体积增大，才能有更多的空间容纳更多的电子状态。

    两者在某个点取得平衡，形成白矮星。这里我们用“矮”字来表示那种体积

    小但质量大的星体。天文学中有 5 种小矮子：黄矮星、红矮星、白矮星、褐矮星、黑矮星。白矮星白而不亮，还能够慢慢散发出暗淡之光，延续若

    干亿年，最后什么光都没有了，变成黑矮星。这便是这一类质量小于 8 倍

    太阳质量的恒星(包括太阳)的归宿。

    质量大于 8 倍太阳质量的恒星，后来的结局有所不同。它们内部的引

    力太大了，压抑太厉害了爆发起来也厉害。爆发成了一个红巨星还不能使

    它们过瘾，紧接着又爆发成一颗亮度特大的超新星。超新星之后才慢慢冷

    却，内部的巨大引力使得其中的物质继续塌缩。这次塌缩的结果又会是什

    么呢？即使经过了与白矮星类似的电子简并压阶段，但因为质量太大，电

    子简并压抗衡不了引力以达到新的平衡。那么最后，物质将塌缩到哪里去

    呢？这些问题困惑着 20 世纪二三十年代的物理学家们。当时从实验中已

    经发现了电子和原子核，但中子尚未被发现。后来，实验物理学家发现并

    证实了“中子”的存在，证明物质是由电子、质子和中子组成的。这个消息

    立即传到了哥本哈根，量子力学创始人波尔(1885—1962)召集讨论，正

    好在那里访问的著名苏联物理学家朗道(1908—1968)立刻将这个发现与

    恒星塌缩问题联系起来。朗道敏锐地认识到，质量大于 8 倍太阳质量的恒

    星，将塌缩成为“中子星”。也就是说，巨大的引力作用，将使得电子被压

    进氦原子核中，质子和电子将会因引力的作用结合在一起成为中子。中子

    和电子一样，也是遵循泡利不相容原理的费米子。因此，这些中子在一起

    产生的“中子简并压”力，可以抗衡引力使得恒星成为密度比白矮星大得多

    的稳定的中子星。

    中子星的密度大到我们难以想象：108

    ～109

    tcm3。

    不过，恒星塌缩的故事还没完!后来在“二战”中成为与原子弹有关的

    “曼哈顿计划”领导人的奥本海默，当时也是一个雄心勃勃的年轻科学家。

    他想：白矮星质量有一个钱德拉塞卡极限，中子星的质量也应该有极限啊。

    一计算，果然算出了一个奥本海默极限。超过这个极限的恒星应该继续塌

    缩，结果是什么呢？如同图 11-2 右上方所显示的，这种超大质量恒星最

    后将塌缩成一个“黑洞”。有关黑洞，我们将在后面介绍。

    虽然科学家们在 20 世纪 30 年代就预言了中子星，甚至黑洞，但是真

    正观测到类似中子星的天体却是在30多年之后。

    中子星和白矮星都是已经被观测证实在宇宙中存在的“老年”恒星。天

    文学家们也观测到很多黑洞，或者说观测到的是黑洞的候选体。将它们说

    成是“候选”的，是因为它们与理论预言的黑洞毕竟有所差别。例如，离地

    球最近的孤立中子星位于小熊星座，被天文学家取名为“卡尔弗拉”

    (Calvera)。这种中子星没有超新星爆发产生的残余物，没有绕其旋转的

    星体，因为发出X射线而被发现。

    太阳的最后“归宿”是白矮星。但是，我们中的任何人都等不到那一天，好几十亿年，实在太长了!不过，银河系中如此多的恒星给我们展示了这

    两种星星的样板。在离太阳系大约 350 光年远的地方，有一对有趣的联星

    系统，正好由一颗红巨星和一颗白矮星组成，它们的英文名字叫“Mira(A

    和B)”。Mira的中文名是蒭藁增二，来自中国古代的星官名。

    前面的章节中说到人类社会中的各个大国正在进行太空争夺战。十分

    有趣的是，宇宙中的各个天体之间，也在进行着无言的、永恒的争斗。天

    体之间最基本的力是引力，但很多天体周围都有电磁场，因此星体间的电

    磁作用有时也起主导作用。在这两种长程力的作用下，天体之间互相影响，互相制衡，形成宇宙中一幅十分有趣的物理图景。

    图 11-3 Mira-A和Mira-B(图片资料来自 NASA)

    地球和太阳间的电磁场也有“搏斗”，欲知它们如何搏斗，且听下回分

    解。

    第 12节 大伞撑起地磁场 变幻莫测太阳风

    太阳的活动情形与人类在地球上的生存环境息息相关，因此，太阳自

    然地成为人类航天计划最重要的探索目标。20世纪 90年代，以“尤利西斯

    号”(Ulysses)、太阳和月球层探测器(Solar and Heliospheric Observatory，SOHO)等为代表的一系列太空飞船的任务，还有最近的欧洲空间局与中

    国科学院合作的“SMILE”计划，目标都是直指太阳以及地球附近空间的辐

    射带。

    俗话说得好：“万物生长靠太阳”。太阳发光又发热，供给地球上生命

    所需的一切热量和能量。然而，太阳除了向四周辐射光和热之外，还有一

    个不广为人知的向宇宙空间“发威”方式，叫作“太阳风”。

    1.从彗星尾巴的方向说起

    人类对太阳风的最初认识，开始于对彗星尾巴形状和方向的观察。古

    人并不知道有什么“太阳风”，他们只是根据观测资料，将彗尾的方向与太

    阳所在的位置联系起来。《晋书· 天文志》中指出：“彗体无光，傅日而为

    光，故夕见则东指，晨见则西指。在日南北，皆随日光而指。” [知识众筹群]

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    古代的观测手段有限，用肉眼就能看到的大彗星毕竟是少数。彗星周

    期很长，从几十年到百万年都有。比如，人类了解最多的哈雷彗星，属于

    “短周期彗星”，周期也有 76 年。因此，古人们将这些多年难得来访一次

    的“稀客”看着是不祥之兆，称为扫帚星。实际上，现代天文观测资料告诉

    我们，太阳系中彗星的数目可以说是多到“不计其数”，到 2016 年 8 月为

    止，有记载的彗星便已经有3940个

    【7】 。

    美丽的彗星总是拖着长长的尾巴。彗星的直径仅几十千米，但彗尾却

    可以长达几千千米。一般而言，彗尾不止一条。比如 2006 年发现的麦克

    诺特彗星，多条彗尾如孔雀开屏一 ......