人类的进化与空间科学技术的诞生

人类的进化与空间科学技术的诞生_人类与自然界的进

第三节　人类的进化与空间科学技术的诞生

物理学家将大气分为对流层、平流层、中间层、热成层、电离层和外大气层。地球上空的大气约有3/4在对流层内，97％在平流层以下，平流层的外缘是航空器依靠空气支持而飞行的最高限度。某些高空火箭可进入中间层。人造卫星的最低轨道在热成层内，其空气密度为地球表面的1％。在1.6万千米高度空气继续存在，甚至在10万千米高度仍有空气粒子。

1957年，前苏联第一颗人造卫星进入轨道，标志着空间时代的开始。伴随空间活动的兴起和发展，逐渐形成了一门独特的科学技术——空间科学技术。空间科学技术包括空间科学与空间技术，是一门综合性学科。

概括地说，空间科学就是在宇宙空间中进行各种科研活动，以研究宇宙空间的物质及其运动变化为目的，包括空间物理、空间生物和空间化学等分支；空间技术是从事空间飞行的综合性技术，包括空间飞行、空间系统工程、空间控制与导航、空间通信、遥测遥控等技术。

空间科学技术的发展为探索宇宙奥秘，揭开生命起源之谜，为物理学、化学、生物学、材料科学等领域的基础研究增添了新的内容，对整个科学技术、国民经济和社会发展都必将产生很大的影响。

回顾人类40多年来的空间活动和空间科学技术的发展，大致说来，20世纪70年代以前的十几年，空间科学技术在很大程度上集中在发展火箭以及制导系统和其他有关装置的研究上；20世纪70年代以后，从总的趋势上说，空间技术发展重点转向应用，同时注意开展以科学研究为目的的活动。

宇宙三维图像

阅读延伸：外空委员会

联合国和平利用外层空间委员会（简称“外空委员会”）作为永久性机构，于1959年成立。外空委员会设立了法律和科技两个小组委员会，分别审议和研究有关的法律和科技问题。除上述1963年联大通过的宣言外，外空委员会先后草拟了5项有关外空的国际条约，即《关于各国探索和利用包括月球和其他天体在内外层空间活动的原则条约》（1966，简称《外层空间条约》）、《营救宇宙航行员、送回宇宙航行员和归还射入外层空间的物体的协定》（1967）、《空间物体所造成损害的国际责任公约》（1971）、《关于登记射入外层空间物体的公约》（1974）和《关于各国在月球和其他天体上活动的协定》（1979）。中国于1983年12月加入了《外层空间条约》。

1.70年代以前的空间科学技术

很久以前人类就有到宇宙空间去探索旅行的幻想，探索活动有悠久的历史。18～19世纪乘坐气球到天空上去曾风行一时。1782年法国孟特格菲兄弟（1740～ 1810年）乘坐热气球在世界上首次离开地面90米，在空中停留了25分钟；1783年，法国人查理（1746～1823年）和罗伯特乘氢气球升到离地面2000米的高空；1912年，赫斯（1833～1964年）乘气球上升到2～3公里高空并发现了宇宙射线，因此他获得了1936年的诺贝尔奖金。

19世纪末，内燃机发明后出现了有动力的飞行器，开创了航空新时代。火箭是中国古代的重要发明之一，到了现代，它成了到宇宙空间飞行的重要运载工具。火箭靠自身所携带的燃料在燃烧时喷射气体推动飞行，这些燃料本身自有氧气，所以火箭飞行不受有无空气的限制。

19世纪末到20世纪初，俄国一位中学教师齐奥尔科夫斯基（1857～1935年）提出了著名火箭速度公式和多级火箭飞行原理，他建议使用液体燃料推进剂代替固体燃料推进剂，从理论上论证了到宇宙飞行的可能性。美国戈达德（1882～ 1945年）把理论研究同实验结合起来，使齐奥尔科夫斯基的火箭飞行原理付诸实现。

早在1908年，戈达德就开始研究火箭原理，试验各种火箭燃料。1914年，他首次应用分级原理，设计一枚两级火箭。1916年，他进一步提出研究火箭的计划和设想并得到史密斯研究所的资助。1919年，他发表了题为《达到极限高度的一种方法》的著名论文，预言火箭能冲破地球引力的束缚而到达月球和太空。这个预言当时没有得到舆论的支持，1920年的《纽约时报》还发表文章嘲笑他是“月球上的人”。然而，戈达德并未灰心，仍不懈地进行火箭飞行的研究。

1926年3月17日，戈达德在美国马萨诸塞州一家农场中发射了用液氧和汽油做推进剂的第一枚液体火箭，这枚火箭在2秒钟内升高约12米，射程约55米。1929年，戈达德得到吉根海姆基金会资助，在新墨西哥州建立大型火箭试验场，发射了第一枚载有仪器的火箭。1930至1935年间，他发射了多枚火箭，高度达2500米左右。

为纪念戈达德在火箭研究中的重大贡献，美国宇航局研究机构于1962年被命名为“戈达德宇航中心”。1969年6月17日，当阿波罗11号绕月飞行即将登月时，《纽约时报》正式撤消了该报1920年发表的关于嘲讽戈达德的文章。

在德国，液体燃料火箭的研究受到政府和军方的极大重视和支持。20世纪30年代，德国投入很大的力量进行该项研究，在火箭专家冯·布劳恩（1912～1977年）主持下，于1942年10月3日试验发射了总重为13吨的远程液体火箭V-2，它的推进剂是酒精（75％）和液氧，最大飞行高度80公里，最大速度7.5公里／秒，最大射程300公里。1944年，V-2火箭投入到第二次世界大战中使用，他们总计发射了4300枚V-2火箭，给英国造成了很大的破坏，但没有能挽救纳粹德国覆灭的命运。

第二次世界大战后，冯·布劳恩等德国火箭研究所的研究人员为美国所俘虏和控制。冯·布劳恩在美国集中力量研究航天飞行，1953年，他出版了《飞往火星的计划》一书，系统地论述了飞往火星的各种工程细节。

前苏联在战后也从德国的火箭实验中得到好处，他们得到了火箭研究人员、火箭的研究报告以及一些V-2火箭，在莫斯科附近成立了希姆基火箭研究中心，集中力量研制强大的火箭发动机。

1957年10月4日前苏联把重83.6公斤的世界上第一颗人造地球卫星送入空间轨道，开创了空间科学技术的新纪元，标志着空间时代的开始。随后，1958年美国也发射了人造地球卫星。接着美、苏两国相继开展了航天和航天器的回收工作，经过多次实验研究，美国于1960年8月17日第一次回收到从人造卫星上弹回来的回收舱，为载人探空飞行开辟了道路。

前苏联卫星

1961年，前苏联成功地发射载有宇航员加加林的第一颗载人卫星，尤里·阿列克谢耶维奇·加加林（1934～1968年）在地球空间轨道上运行108分钟后安全返回地面。谱写了人类宇宙航行的新篇章。1961年，美国总统肯尼迪宣布美在60年代末实现人类登月计划——阿波罗计划，开始设计阿波罗宇宙飞船和卫星-V火箭，参与该计划的约有2万多家公司和120所大学，共计400多万人，耗费达250亿美元，1967年7月阿波罗登月计划终于实现。1969年，美国的阿波罗-11宇宙飞船把人送到了月球，实现载人登月计划，空间科学技术又发展到一个更高的新阶段。

2.太空游客

地球上的人类仰望着浩瀚的天空数百万年后，人类于公元1961年4月12日，由苏联发射世界第一艘载人飞船“东方”1号。尤里·加加林少校乘“东方”1号飞船用了108分钟绕地球运行一圈后，在萨拉托夫附近安全返回。加加林成为世界上第一位遨游太空的航天员。普通人对于太空是可望而不可即的，直到21世纪初，普通人终于可以像宇航员那样翱翔太空。

尤里·加加林

（1）第一位太空游客

2001年4月30日，第一位太空游客、美国人蒂托快乐地进入国际空间站，开始了他为期一周的太空观光生活。太空旅游的开辟使得普通人也能够像宇航员一样畅游星际之间。

（2）第二位太空游客

2002年4月25日，载有世界第二位太空游客南非人沙特尔沃思、俄罗斯宇航员吉德津科、意大利宇航员维托里的“联盟”号火箭从哈萨克斯坦拜科努尔发射场发射升空。3人乘坐的“联盟TM—34”号飞船10分钟后与火箭成功分离，顺利进入预定轨道，5日顺利返回。此次旅行花费2000万美元。

（3）第三位太空游客

2005年10月11日，在哈萨克斯坦北部阿尔卡雷克市附近的降落地点，安全返回地球的世界第三位太空游客美国人格雷戈里·奥尔森兴奋之情溢于言表。他于2005年10月1日进入太空。

（4）第四位太空游客

2006年当地时间9月29日，俄罗斯“联盟”号飞船在哈萨克斯坦成功着陆，全球首位太空女游客、40岁的伊朗裔美国女企业家阿努谢赫·安萨里和同行的宇航员一起平安返回地面。此次旅行花费2000万美元。

（5）第五位太空游客

2007年莫斯科4月9日电：世界上第五位自费太空游客查尔斯·希莫尼搭乘的俄罗斯“联盟TMA－10”载人飞船于莫斯科时间9日23时11分（北京时间10日3时11分）成功与国际空间站对接。此次旅行花费2500多万美元。

（6）第六位太空游客

2008年10月12日，在哈萨克斯坦的拜科努尔发射场，国际空间站第十八长期考察组的俄罗斯宇航员尤里·隆恰科夫、美国宇航员迈克·芬克和世界第六位太空游客、美国电脑游戏开发商理查德·加里奥特登上俄罗斯“联盟TMA-13”载人飞船。

当日，俄罗斯“联盟TMA-13”载人飞船升空，前往国际空间站。理查德·加里奥特时年47岁，他的父亲欧文·加里奥特是美国宇航局前宇航员。欧文·加里奥特35年前曾在美国第一个试验型空间站“天空实验室”逗留59天，25年前他还曾乘坐“哥伦比亚”号航天飞机进入太空。理查德·加里奥特从小就梦想遨游太空，这次旅行他在国际空间站上逗留了10天，于本月24日乘坐俄“联盟TMA－12”载人飞船安全返回地面。为了这次太空旅行，理查德·加里奥特花费了3000万美元，不过他认为此次旅行物有所值。“实现童年的梦想就是最好的投资回报，”他说。

（7）第七位太空游客

2009年9月30日，在哈萨克斯坦拜科努尔发射场，世界第七位太空游客、加拿大太阳马戏团的创始人及总经理盖·拉利伯特进行太空服测试。俄罗斯飞行控制中心30日宣布，拉利伯特和2名宇航员当天乘坐俄“联盟TMA-16”载人飞船升空，前往国际空间站。他是世界第七位太空游客，为这趟旅程付出了3500万美元。在空间站逗留期间，他还远程主持了一场有众多名人参加、地球上多个城市参与的慈善演出。10月11日和拉利伯特一起返回的，还有一名俄罗斯宇航员和一名美国宇航员。出舱时，他和升空时一样，戴着他的红色小丑鼻子。另据报道，在拉利伯特之前，美国人蒂托、南非人沙特尔沃思、美国人奥尔森、伊朗裔美国人安萨里、匈牙利裔美国人希莫尼和美国人加里奥特先后以太空游客的身份造访过空间站。

自人类进入空间以后就开始了空间科学的研究活动。1961年，苏联发射了一系列星际探测飞行器，用于研究行星际的电离气体和太阳微粒子辐射。美国于1962年首次发射天文观察卫星—“轨道太阳观测台”，进行太阳电磁辐射的测量和宇宙中微粒的探索等研究。

美、苏两国不惜工本进行空间活动，发展空间技术，军事需要是他们的重要目的之一。空中间谍卫星已经成为美苏两国战备竞赛的重要手段。但是，从空间活动中发展起来的许多新技术，如卫星通信、遥感技术等具有巨大的科学价值和经济意义，为科技发展提供了新的研究与实验手段。

太空行走

遥感技术在减少洪水损失，改进灌溉用水的预测预报，探测农作物病虫害等方面也有重要应用。据科学家估算，空间遥感技术仅在上述几方面的应用就可使其每年受益10亿美元以上。

3.70年代以后的空间科学技术

20世纪70年代以后，空间技术在许多方面转为民用，各国相继发射大量天文探测器、通信卫星、资源卫星和气象卫星等。早在1964年和1965年期间，美国宇航局、国家科学院和海军研究局共同制定了发展地球资源卫星的计划，并于1972年7月23日发射第一颗地球资源卫星，之后又于1975年和1978年先后发射两颗同类卫量。

1977年，苏联也发射一颗地球资源及海洋勘测卫星。1970年，美国在戈达德中心建立地球资源光谱信息系统，广泛收集各种地物光谱特性数据。在1960年美国发射第一颗气象地球卫星之后，苏、法、日等国都发射了这类卫星。目前已发射了100多颗气象卫星，卫星上的气象观测技术和设备也不断地改进和日趋完善。

苏联研制的月球探测车月球一号

20世纪70年代以后人们更加重视对太阳、行星和宇宙空间的探测，发射了许多用于这方面科学研究的卫星和飞行器。

美国人在1971年和1975年发射的“太阳轨道观测台”7号和8号，主要用以研究太阳各层之间的能量转移规律和机制，1977年和1978年发射的“高能天文台”1号和2号，用以观测广阔天空的X射线源，测定其位置和强度；1973年发射第一个水星金星探测器“水手”10号，它发回了8千余张有关水星和金星的照片和其他资料。1977年又先后发射“水手”11号和12号；计划对木星和土星及其20多个卫星进行比较；1972年发射的“先驱者”10号用以探测行星际介质、木星磁层和大气。1973年发射“先驱者”11号，1978年发射“先驱者”12号和13号，向金星表面放置了三个探测器；1975年发射的“海盗”1号和2号，已于1976年在火星上着陆，从“海盗”探测器获得的资料可望对行星起源、演化等方面的认识前进一大步。

苏联发射的科学卫星种类也很多，数量也不少，大部分混编在“宇宙号”系列里，这类卫星主要研究近地空间的环境和同地球的关系，为载人飞船、应用卫星和战略武器的发展提供资料。

虽然20世纪70年代以后的空间活动，重点是转向应用和开展科学研究为目的的活动，但实际上这些活动却是与一定的军事目的密切相关的，它成了美、苏两国争霸的一个重要方面。

中国自行设计、制造的第一颗人造地球卫星是在1970年4月24日发射的，以后又陆续发射了许多颗，并且成功地使人造地球卫星按照预定计划准确返回地面。1984年1月，中国又成功地向东经125度赤道上空定点发射了一颗地球静止轨道试验通信卫星；1988年9月7日，中国发射了一颗试验气象卫星“风云1号”。

1999年11月20日，中国在酒泉卫星发射中心用运载火箭成功发射了第一艘“神舟号”试验飞船。2003年10月15日9：00，中国发射了第一艘载人飞船“神舟5号”，飞船在太空中飞行了21小时，绕地球运行14周后，于16日清晨6：23安全返回地面。宇航员杨利伟成为第一个乘坐中国人自己研制的飞船进入太空的中国人。中国人造地球卫星的发射和回收的成功，反映了中国各个科学领域的成就。

空间技术的发展只有大型火箭是不够的，还必须研究飞行器的设计和制造，解决卫星通信、遥测遥控和遥感技术等许多问题，其中遥感技术可说是空间科学技术的眼睛。

中国第一颗人造地球卫星

空间技术和遥感技术的发展，使整个地球表面进入人类眼帘，人类看到了许多过去用肉眼无法观测到的奇异现象，从根本上改变着人类认识地球的方式，影响着人类对自然界的利用和改造。

遥感技术是一门综合性的探测技术，它的兴起可以追溯到19世纪中叶摄影照片出现的那个时代。1913年，塔迪沃发表论文首次提出用航空摄影的办法绘制地图的问题。第一次世界大战期间航空侦察摄影得到应用，第二次世界大战后，航空摄影已广泛应用于生产、科研各个领域。

人造卫星等各种航天飞行器的出现，使遥感技术跨入一个新的发展阶段。遥感技术的兴起促进了图像处理技术的发展，出现了电子计算机图像处理技术和计算机自动标志、识别、分类技术的发展。美国宇航局在戈达德空间中心所建立的遥感图像处理系统，每年可处理50万张图像数据。

人类对遥感技术的应用虽然才开始，但它已显示出巨大的实用价值和发展前景。遥感应用于军事侦察已成为十分有效的手段，目前除地下核实验、深潜的潜艇以及实验室实验外，遥感几乎可以看到另一个国家的全部军事秘密；遥感可以提供地球大面积，甚至整个洲的清晰图像，使地质勘探、地理和水文调查工作发生了巨大变化；遥感可以监测农作物的长势和病虫害，预测产量；遥感对海洋开发、环境保护、气象预报等方面也都起着十分重要的作用。