航空·航天·航宇

郭放晴

宇宙空间是广漠无垠的，人类对宇宙大自然的认识、斗争和利用，也是一步一步发展的。迄今，人类只不过刚刚踏出地球的大门。在太阳系内的航行，只是空间技术发展的第一阶段，可以称为航天阶段；而飞出太阳系，真正实现宇宙飞行，则是空间技术发展的第二阶段，可以称为航宇阶段。

宇宙空间，广阔无比。它包罗了无数星系，其中之一称为银河系。半径约为四十亿公里的太阳系，只不过是银河系中一个很小的组成部分。以太阳系内人类居住的地球比宇宙空间，说作沧海一粟，尚且言过其实，因为浩瀚的大海，毕竟有边；而茫茫的宇宙空间，却永远没有个尽头。

辩证唯物主义认为，物质的宇宙不仅是无限的，而且处于无休止的运动和变化中。毛主席指出：“客观现实世界的变化运动永远没有完结，人们在实践中对于真理的认识也就永远没有完结。”宇宙空间之无限，决定着人类对于宇宙大自然的认识、斗争和利用必然也是无限的。古人看到空中的飞鸟而想出嫦娥奔月的神话故事。他们把在大气中的飞行与在大气层外的飞行混淆起来，而不知两者是何其不同！但幻想的神话却朴素地反映出了人们的早期意愿，说明人类很早以前就向往遨游太空，飞向无边的宇宙空间。

实践出真知。古往今来，不曾有脱离实践的先知先觉。人类在同自然作斗争的漫长岁月里，经过“由实践到认识，由认识到实践这样多次的反复”，一步一步地探索着自然界的客观规律，创造并不断发展着自然科学。“自然科学是人们争取自由的一种武装。”历史发展表明，随着科学技术的不断进步，人类总是不断地扩大着自己的活动范围，从陆地到海洋，到穿云拨雾，以至“巡天遥看一千河”。

一

从本世纪初发展起来的航空技术，实际上是在低层大气中航行的技术，离地面至多不过二、三十公里，比起地球半径的六千四百公里，简直是贴地面的飞行。即便如此，这门航空技术也大大影响了人类的社会活动，成为本世纪前半叶的一项伟大的科学技术成就，在国防事业中，在工业、农业和交通运输事业中，航空都形成了一个重要的部门。

从五十年代末人类第一颗人造地球卫星进入太空以来，空间技术的发展与应用，使人类对自然界的认识与斗争，又突破了地球大气的屏障，进入了一个新的境界。

空间技术迄今取得的成就，是人类几千年来劳动所创造的。然而，人类利用今天的空间技术只不过刚刚踏出了地球的大门。要恰当处理空间技术发展中的矛盾，必须注意空间技术发展中的阶段性。飞出地球大气层，实现太阳系内的航行，这是空间技术发展的第一阶段，可称为航天技术阶段。飞出太阳系，真正实现宇宙航行，则是空间技术发展的第二阶段，可称为航宇技术阶段。正象在大气层内的航行叫航空一样，我们把大气层以外、太阳系以内的航行叫航天，把太阳系以外的航行叫航宇。

航空、航天、航宇的划分是对人类在同自然作斗争的过程中客观存在的某些阶段性的科学反映；是人们的认识随着实践活动“一步又一步地由低级向高级发展”的结果。

大家知道，航空技术的发展，由最初的气球、气艇，到本世纪初出现的活塞式发动机推进的飞机，尔后又到喷气式发动机推进的各种飞机，迄今可以说已经达到相当完善的地步。但是，一切航空器，从最初级的气球到最新式的喷气式飞机，有一个共同的特点：都只能在大气中飞行，而不能离开大气飞行。就一般飞机而言，它要离开地面，必须靠发动机的推动，一方面去克服空气的阻力，另一方面使机翼与空气发生相对运动，产生升力。而所有的航空发动机的运转都必须从大气中获得燃料燃烧所需要的氧气。这就是问题的关键：飞机要依靠大气，而大气层的高度有限，能支持飞机飞行的大气层高度不过二、三十公里。因此，尽管航空技术日积月累的经验对航天是极可宝贵的，但套用飞机升空的老办法，人类将无法飞出大气层。

一个物体要在大气层外沿圆形轨道不断环绕地球飞行而不掉回地球，那它凭借环绕地球的速度产生的向外离心力必须刚好等于向内的重力。这时物体的速度称为环绕速度，也叫第一宇宙速度，在地球表面附近其数值约为每秒七点九公里。人类只有拥有了达到第一宇宙速度的手段，才有可能跨进宇宙空间的门槛。直到二十世纪五十年代以前，这个门槛对人类来说显得是太高了！

让我们设想，恰好在大气层外某一点以不同速度水平抛射物体的各种情况。当抛射速度等于第一宇宙速度时，物体就将沿圆轨道绕地球旋转。抛射速度小于第一宇宙速度时，物体的离心力小于重力，结果不能保持圆形轨道，要掉回地球。抛射速度大于第一宇宙速度时，离心力大于重力，物体将沿椭圆轨道向远离地球的方向飞去，它离开地球越远，则速度越减，直到离地球最远的一点(即远地点)时速度减至最小，方向为水平，尔后物体又开始重新接近地球，速度逐渐回升，直到近地点，速度增至原来大小，这样不断做椭圆运动。抛射速度如果再增大，椭圆轨道的远地点就往外远离，直到抛射速度大到一定值时，远地点移至无穷远处，椭圆变成抛物线，物体沿抛物线脱离地球引力场而去，不再回来。这个速度值约等于每秒十一点二公里，称为第二宇宙速度。如果抛射速度大于第二宇宙速度，物体将沿双曲线轨道脱离地球。如果再考虑太阳引力场的作用，我们也可以算出从地球抛射一个物体飞出太阳引力场所需要的最小速度，即第三宇宙速度，其值约为每秒十六点六公里。

第一、第二宇宙速度，是航天所需的起码速度。要在近乎真空的空间达到如此高的速度，没有新的推进工具是不行的。这种新推进工具与航空发动机不同，不仅要能在真空中独立工作(即不依赖空气)，而且还要有巨大的推进能力。火箭正是这种理想的推进工具。最古老的火箭是我国劳动人民的伟大发明。公元一二三二年，在我国就出现了利用火箭燃气的反作用而推进的箭，并用于作战，这是最原始的火箭。这种火箭烧的是火药，后来发现用液体的燃料和液体的氧化剂一起燃烧能得到更大的推力，这就叫液体推进剂。火箭发动机一般烧的都是推进剂。苏联的著名科学家齐奥尔科夫斯基最先把火箭的原理和航天的概念建立在科学基础之上。他在一九○三年发表了一篇有历史意义的论文，名叫《去宇宙空间的火箭》。在这篇论文中，他最早建立了火箭推进的速度公式，指出：火箭的推进剂燃烧完后所能达到的速度，与推进剂的比推力和火箭的质量比有关(比推力是火箭在每秒钟之内燃烧单位重量推进剂所产生的推力；质量比是指火箭起飞时质量与推进剂燃烧完后火箭质量之比)。他还提出了多级火箭和惯性导航的概念，并且实际描述了一个用液氢、液氧作推进剂的火箭推进器。

可以大略这样说：二十世纪的头三个十年，是现代火箭概念和原理的发展时期，紧接着的近三个十年，即从法西斯德国决定大力发展火箭的一九三二年，到洲际导弹出现的一九五七年，则是火箭技术和导弹技术发展到实用阶段的时期。一九四二年十月，第一枚现代火箭V－2发射“成功”。V－2火箭使用液氧——酒精作推进剂，比推力为二百一十秒，最大速度近每秒两公里。V－2火箭在第二次世界大战末期投入大规模使用。第二次世界大战结束后，美国和苏联在V－2基础上继续发展地地弹道式导弹。一九五七年八月，苏联发射成功第一枚洲际导弹，美国紧跟着在一九五七年十二月发射了它的第一枚洲际导弹。现代火箭技术和导弹技术为航天技术的发展奠定了基础。一九五七年十月四日，苏联发射成功第一颗人造地球卫星，三个多月后，美国于一九五八年一月三十一日，也发射了它的第一颗人造地球卫星，从此开始了航天的历史。

二

我们地球所在的太阳系，是由太阳、九大行星和其它许多较小的天体组成的。太阳系占有极大的空间，地球到太阳的平均距离是一亿四千九百万公里，而最远的行星冥王星到太阳的平均距离则远达四十八亿公里。

与物体航行于地球引力场内可能有种种不同轨道一样，一个物体航行于太阳引力场内也会有类似的结果，其轨道必是椭圆、抛物线、双曲线中之一种，而椭圆是在太阳系中航行所需速度最小的一种轨道。我们可以按照椭圆轨道，计算出从地球出发到月球和其它行星去航行所需的种种速度。如果把空气阻力和重力损失也计算在内的话，几个有代表性的结果是：从地球出发降落于月球，所需的速度(指的是特性速度，即火箭在连续不断将推进剂燃烧完后，所能达到的速度)约每秒十六公里：从地球出发降落于月球并再返回地球，约需每秒三十二公里：从地球出发降落于火星，约需每秒二十公里：从地球出发降落于火星并再返回，约需每秒四十公里。

应用现代最先进的推进系统和多级火箭结构，可使火箭的速度达到每秒儿十公里，这正好与环游太阳系诸行星所需的速度同一数量级。所以，太阳系内的航行是可以实现的。但是，以这样的速度去航宇，即使要飞抵离太阳最近的一颗恒星半人马座α星表面(相距四十亿万公里，即四点三光年，是太阳系半径的一万倍)，也得飞上几万年，显然这是不可设想的。正象航空技术不能解决航天问题一样，航天技术也将不能解决航宇的问题。空间技术的目前阶段是发展航天技术，实现太阳系的飞行；要突破太阳系，发展航宇技术，实现大宇宙范围内的飞行，则是将来科学技术所要解决的课题。

三

航天技术从导弹技术的基础上发展起来，但它毕竟同导弹技术的任务不同。航天技术对运载工具的要求，较之导弹技术对运载工具的要求也另具特点，如：工作时间长；一次飞行中可能需要在失重条件下多次启动发动机；着重加大运载能力，对使用条件要求不那么严格；要经济性能好，甚至要考虑重复使用，等等。因此，随着航天技术的发展，航天运载工具必然要先在导弹运载工具的已有基础上加以改造，然后在从导弹运载工具中独立出来，创造完全新的运载工具。象液氢—液氧发动机、电火箭发动机、核火箭发动机、航天飞机，以及航天能源，都是随着航天技术的发展而生长出来的新技术。

1.液氢—液氧发动机

火箭发动机的一项重要技术指标是比推力。化学火箭发动机比推力的数值主要取决于推进剂的种类。早期使用的液氧—酒精推进剂的火箭发动机，比推力只有二百一十秒；五十年代使用的液氧—煤油火箭发动机，比推力已达二百五十秒；目前使用的液氢—液氧发动机的比推力最高可达四百二十秒。

液氢—液氧的沸点太低，可贮性很差，不便于在导弹武器上使用。但是，在化学推进剂发动机中，液氢—液氧发动机具有高能量、高效率和价格低廉的特点，作为现阶段航天运载工具却是适宜的、现实的。

2.电火箭发动机

电火箭利用电来加速推进剂，从而产生推力。它通过电场、磁场，或者通过电弧的热能以及其它电加热方式加速推进剂的质点，实现高速喷射以产生推进作用。电火箭可以分为离子推进和磁流体动力推进等不同类型。所有电火箭都装备有电源系统，可以利用核能，也可以利用太阳能来发电。

一般火箭发动机的能源来自推进剂的燃烧，所释放的能量是有限的，因此，排气速度的进一步提高就受到限制。液氢——液氧发动机的排气速度只有每秒四公里。电火箭的能源与推进剂无关，是外加的，所以可以突破这一限制，它把排气速度提高了一至三个数量级，也就是比推力可以达到万秒以上。

可是，由于电源系统重量大，电火箭必须限制推进剂的流量。尽管比推力大，推力却不能大。目前技术上比较现实的离子火箭，推力只能达到飞行器重量的千分之一，所以不能用电火箭来从地面起飞。但如果飞行器已经上了天，电火箭用于卫星轨道修正和改变轨道，是很合适的。

3.核火箭发动机

为了实现远距离的航天飞行，要求有高比推力的运载火箭。化学燃料火箭发动机的比推力有一定限制。理论上比推力最高的液氢——液氧化学火箭也超不过五百秒。选择化学推进剂是由它们所含能量的多少决定的，但是高能化学推进剂燃气的分子量都太高，这是限制比推力提高的关键。从提高比推力考虑，燃气的分子量应越低越好。

航天飞机可以往返于地面和近地空间的航天站，解决人员轮换和后勤供应等问题。

插图：丘成昊

核火箭发动机可以直接加热极低分子量的推进剂(如氢)产生喷气推力，这就解除了化学火箭对提高比推力的限制。最早研制的一种固芯核火箭发动机：热能由固体物质构成的堆芯放出，传给推进剂，如液氢，推进剂受热后通过发动机喷管膨胀，将热能转为推力。美国至今已投资十四亿美元研制这种发动机。计划于一九七七年进行飞行试验的“奈瓦”发动机，功率为十五亿瓦，推力三十四吨，比推力八百二十五秒。

然而固芯发动机比推力的提高也有它的限制。按照这种发动机的工作原理，堆芯固体燃料元件的温度必须大于被加热推进剂气体的温度。如果用液氢作推进剂，对应于八百二十五秒的比推力，氢在喷管入口处必须加热到二千多度；如果要产生二千秒的比推力，氢则必须加热到二万多度，而堆芯固体燃料元件的温度理应比这还要高，这是客观规律所不能容许的。燃料元件在这么高的温度下面早就气化了。固芯核火箭发动机的比推力虽然比化学火箭有很大提高，但它也还不能提高到几千秒的水平。

固芯发动机的局限性早在五十年代初就被人注意到了。在一九五○年，就有人提出突破这一局限性的气芯核火箭发动机的概念。气芯发动机不用固体裂变铀作燃料元件，而是应用裂变铀等离子体形成的灼热辐射作为燃料元件。铀等离子体内部释放的核能以热辐射的方式离开其表面，包围着火球的液氢推进剂获得这些能量，通过喷管膨胀产生推力。容纳火球的发动机腔壁和喷管可采用类似化学火箭的冷却方法和其它方法进行防护。气芯发动机的喷气温度可以比固芯发动机高得多，可达到四千秒至六千秒的高比推力，而相应的腔壁和喷管防护技术是可以解决的。

4.航天飞机

一九六一年四月和一九六二年二月，苏联、美国先后将他们各自的第一艘载人飞船送上了天，从而开始了美、苏两霸互相争夺载人航天优势的历史。进入七十年代以后，为了在空间建立侦察和进行其它军事活动的基地，美、苏载人航天活动的重点都转向了环绕地球的近地空间，展开了建立载人航天站的竞争。他们都有既定的计划，并且都已发射过小型的试验性的航天站。

为了保证载人航天站能长期有效的工作，需要发展一种象飞机一样可重复使用的、以提高发射效率为目的的航天运输工具，往返于地面和近地轨道之间，以便于与轨道间飞船相配合解决航天站后勤供应和人员轮换问题。这种新型运输工具就叫航天飞机。航天飞机又是一种经济的卫星运载工具。用它将各种卫星送入地球轨道，比用一次使用的运载火箭要经济得多。航天飞机还可用来回收、检查和维修卫星；还可以作为潜在航天武器、破坏和俘获对方的卫星

航天飞机既能象飞船一样，使用火箭发动机垂直起飞，又能在返回大气层后，象现代飞机一样，机动飞行，到选定地点水平着陆。既具有垂直发射并能在真空中独立工作的航天飞行器的功能，又具有超音速和亚音速航空飞行器的功能。所以，一旦航天飞机研制成功，航天和航空就必将联系起来。

今天的航天技术，已经能够解决星际飞行器探测太阳系内各星球的问题；但是要突破太阳系，实现大宇宙范围内的飞行，则有待未来的科学技术去解决。

5.能源

导弹的各种弹上设备只工作几分钟，而卫星、飞船等航天飞行器需要工作几天、几个星期、几个月甚至儿年。供应航天飞行器上各种设备的能源，不仅要求寿命长，而且还要功率大。小型卫星要求的功率一般在十瓦级，大型卫星是百瓦级，小型载人飞船是千瓦级，大型载人飞船则是万瓦级，这些特点，使得航天能源分化了出来。航天能源有三种基本形式：太阳能电池、化学能电池(包括银锌电池、镍镉电池和燃料电池)、核电池(即同位素电池)。它们当前的水平是：

(1)太阳能电池。太阳能电池是一种直接发电装置，在航天飞行中应用已有十几年的历史。单个硅太阳能电池的尺寸一般为两厘米见方。功率很小，为了获得高达几千瓦甚至几万瓦的功率，需要把几万个、几十万个甚至上百万个电池串连起来，构成太阳能电池板。

(2)燃料电池。燃料电池和银锌电池、镍镉电池一样，都是直接将化学能转换为电能的能源装置。燃料电池可以不断地送入燃料，不断地发出电来。现在已能制成的氢氧燃料电池，功率两千瓦，寿命为一千至两千小时。功率重量比为每公斤三十三瓦。

(3)核电池。这是一种将放射性同位素蕴藏的热能转变为电能的发电装置。核电池与太阳能电池和燃料电池相比，寿命更长。一般可达五至十年。一九五六年，美国就着手执行“斯纳普”计划，发展侦察卫星、气象卫星和导航卫星所用的核电池。目前正在研制的“斯纳普－29核电池，功率达五百瓦。

四

从一八○三年第一次飞上天空的那架十分原始的飞机到现在超音速飞行，航空的发展经历了半个世纪以上的时间；而从一九五七年的第一颗人造地球卫星到今天的载人航天飞行，航天技术仅仅十六年的发展就是十分巨大的，其影响是极其深远的。

这十六年的发展首先说明：航天具有重大的军事意义。从一九五七年以来，美、苏为了侵略性的军事目的，展开了一场空前规模的空间竞赛。截至一九七三年六月底，美国共发射了七百五十个人造地球卫星、行星探测器和载人飞船，其中直接为军事目的服务的就有五百三十个，占总数的百分之七十；苏联发射的总数是七百一十四个，其中五百五十一个直接服务于军事目的，占总数的百分之七十七。截至同一时间，美、苏共发射军事侦察卫星(包括照相侦察卫星和电子侦察卫星)五百九十五个，在空间发射总数中占据首价。美国一九七二年至一九七三年财政年度整个航天投资为四十八亿美元，其中航天军事侦察费用就达十五亿美元。

在军事活动中，原始的侦察手段依赖人的目力，作用距离短；后来，望远镜延伸了目力侦察的距离，但仍受地形的影响，限于局部目标，不易深入对方的纵深。以后又出现了气球，侦察活动才从地面演进到天空，初步摆脱了地形的限制，从而可以侦察局部地区的纵深。一七九四年六月二十六日，法国军队在比利时的弗勒律斯与德奥联军对阵，法军施放了世界上第一个载人侦察气球，掌握了对方的部署和兵力，取得了弗勒律斯战役的胜利。二十世纪出现了飞机，又进一步发展了航空侦察技术。但是，飞机并未克服气球侦察的弱点，就是都要深入对方的领空，在使用上有很大局限。只有卫星侦察才最后摆脱了这一局限，它使侦察活动超越了领空的范围，从大气层内扩展到天上。卫星类似航行于公海上的舰船，可长期在“公天”运转，可飞越地面所有目标，并且安全可靠，与遥远感受技术(简称遥感技术)相结合，就可形成一种十分有效的战略侦察手段。

十六年的发展事实还说明：航天还具有巨大的科学意义。它使人类第一次有可能从大气层外来发展对地球、大气层和整个宇宙世界的认识。环绕地球飞行的卫星、飞船，一般不用运转动力，象不耗动力而航行的帆船和滑翔机一样平稳航行，可长时间工作几天到几年，在上面可进行精密的科学观测工作。航天技术正在大大革新气象预报技术、通信技术、导航技术和天文、地质勘测技术，诞生了“卫星气象”、“卫星通信”、“卫星导航”和“卫星勘测”这样一些前所未有的改造自然活动的新领域。

最后，必须强调指出的是科学技术的阶级性。自人类历史进入阶级社会以来，一切新技术无不成为实现阶级利益的工具。航天技术毫不例外。美、苏两个超级大国发展空间技术，在公天中横冲直撞，把公天变为他们的“私天”，是为他们各自的帝国主义和社会帝国主义政策服务的，“对内剥削和压迫，对外侵略和杀人”。技术优势代表着军事潜力。近十多年来，这两个超级大国在航天技术领域的争斗，其实质是一场军事竞赛，这是他们全球战略的重要组成部分。

我国发展航天技术是为了打破两个超级大国对航天技术的垄断，让航天技术为全中国人民和全世界人民服务。这与两个超级大国的目的根本不同。在毛主席“我们也要搞人造卫星”的号令下，我国人民自力更生，发奋图强，发扬革命精神，已于一九七○年四月二十四日和一九七一年三月三日，先后成功地发射了两颗人造地球卫星，这是我国发展空间技术的良好开端。我国航天技术所取得的成就沉重地打击了帝、修、反，极大地鼓舞了全世界人民。在毛主席革命路线的指引下，我国航天技术的发展，前途无限光明。将来征服宇宙空间的只能是解放了的无产阶级。