人类航天的里程碑

在人类近50年的航天活动历程中，已经发射了5000多个航天器，其中有700多个至今仍在轨道上工作。本节讲述的，是一系列里程碑式的重要事件。

宇航之父今天，人类借助航天飞机、宇宙飞船实现了在太空遨游的梦想。许多人为实现这一梦想进行了艰辛的探索。在这些人中，人们不会忘记被尊称为“宇航之父”的俄罗斯-苏联科学家齐奥尔科夫斯基（КонстантинЭдуардовичЦиолковский，图1-2）。正是他在19世纪末醉心研究宇宙航行问题，提出了关于人造卫星和宇宙飞船的最早构想，提出了火箭在自由空间中运动的基本原理，并推导出描述火箭在重力场中运动所能达到的最大速度的数学公式，这就是具有奠基意义的齐奥尔科夫斯基公式，简称齐氏公式。这个著名的公式以非常简洁的形式表明，提高火箭速度的关键不在于增大火箭的尺寸和质量，而在于提高发动机的喷气速度以及火箭在一定条件下尽可能多地添加推进剂。这一公式为火箭和宇航的发展奠定了理论基础。此后齐奥尔科夫斯基进一步提出了研制“宇宙火箭列车”——即多级液体火箭实行宇宙航行的构想，并且培养造就了一代成就卓著的航天探索者。

图1-2苏联于1986年发行的纪念邮票“齐奥尔科夫斯基”。他有一句至今鼓舞着我们的名言：“地球是人类的摇篮。但是人类不会永远生活在摇篮里，他们不断地争取着生存世界和空间，起初是小心翼翼地飞出大气层，然后便是征服整个太阳系。”

图1-3苏联于1957年10月4日发射的“人造地球卫星1号”

第一颗人造地球卫星1957年10月4日，在苏联哈萨克荒漠一个小小的角落，一枚火箭顶部载着一颗直径只有58厘米的铝制圆球，奇迹般地升上了太空。这个圆球就是人类发射的第一颗人造地球卫星——“人造地球卫星1号”。人造地球卫星在俄语中称为спутник，读音如“斯布特尼克”，因此“人造地球卫星1号”有时也被音译为“斯布特尼克1号”（图1-3）。这颗卫星重83.6千克，装着一只化学电池、一只温度计、一台双频率的小型发报机和4根鞭状天线。尽管这颗“小星”在天空不过逗留了92天，但它却“推动”了整个地球，具有划时代的重大意义。“人造地球卫星1号”标志着人类航天实践活动的开端，人类从此开始了走出地球、大踏步地挺进太空的时代。

月球探测月球是距离地球最近的天体，也是夜空中最明亮的天体。人类开始航天活动之初，就已经把目光投向了38万千米以外的月球。从1959年开始，苏联发射了多个月球探测器。“月球1号”探测器（图1-4）第一次近距离掠过月球，获得了在距月球约5000千米远处拍摄的照片。“月球3号”探测器史无前例地绕到了月球背后，它发回的照片使人类第一次看到了月球背面被陨星撞击得满目疮痍的景象。“月球9号”探测器（图1-5）首次在月球上软着陆，拍回第一批月球的全景照片，获取了月表的物理化学特性数据，人类真正确信月面也是固态的。美国也相继发射了“徘徊者号”、“勘测者号”和“月球轨道器号”探测器到月球考察，为载人登月奠定了坚实的基础。

图1-4　苏联于1959年1月2日发射的“月球1号”探测器

1970年，苏联的“月球车1号”在月面行驶，考察了月面10.7千米路程内的情况，实现了人类的第一次月面自动巡视。1973年，苏联的第二辆月球车在月球上行走了37千米。

1998年，美国“月球勘探者号”探测器进行了环月考察，证实了月球上存在丰富的矿藏和氦3资源，还推断月球两极存在储量达上亿吨的水冰，为人类开发月球带来了福音。截止到2006年，人类已进行了100多次月球探测，实现了月球的掠飞、环绕、着陆、巡视、取样返回及宇航员登月探测，获取了大量关于月球的科学成果和工程实践经验。

图1-5　苏联于1966年1月31日发射的“月球9号”探测器

火星探测摇火星是距离地球最近的外行星，也是和地球最相近的一颗行星。探索火星一直寄托着人类移居另一个星球的梦想。苏联于1962年11月发射了第一个火星探测器“火星号”（图1-6），标志着人类的太空活动已开始从地球附近向整个太阳系扩展。

图1-6　苏联于1962年11月1日发射的“火星1号”探测器

图1-7　“勇气号”火星车。“机遇号”和它宛如一对孪生兄弟

1975年，美国的“海盗号”着陆器成功着陆火星表面，使人类第一次看到了这颗红色行星的真实面目。目前，人类已发射将近40个火星探测器，美国的“勇气号”与“机遇号”火星车（图1-7）更是“超期服役”地在火星表面驰骋，为人类进一步开发利用火星收集了大量资料。

迄今为止，人类所发射的探测器已探测了太阳系中所有的八大行星，其中有的已经越出海王星的轨道，前往银河系中更遥远的星际空间。这些探测活动极大地拓展了人类对宇宙的认识，促进了科技的飞速发展。

第一次载人飞行1961年4月12日，苏联在9次无人飞船试验后，“东方号”运载火箭承载着“东方1号”飞船（图1-8），载着27岁的苏联空军少校尤里·加加林（飞向太空，进行了108分钟的环绕地球的太空旅行。这是人类历史上第一次载人航天飞行，加加林也成为人类造访太空的第一人，迎来了人类载人航天飞行的新时代。

图1-8　苏联的“东方1号”飞船

图1-9　“阿波罗11号”飞船着陆在月面上，照片上的宇航员是奥尔德林

第一次载人登月1969年7月21日，美国宇航员阿姆斯特朗（NeilA.Arm鄄strong）、奥尔德林（EdwinEugeneAldrin,Jr.）乘坐“阿波罗11号”飞船登上了月球（图1-9）。阿姆斯特朗在月球上踩下人类的第一个足印时曾由衷地慨叹：“对一个人来说，这是一小步，但对人类来说，却是跨了一大步。”此后，美国又进行了次载人登月活动，其中除“阿波罗号”飞船因故障未能登月而直接返回外，其余5次均获得了成功。美国共有12名宇航员登上月球（图1-10），开展了大量科学技术试验，带回380余千克月球岩石土壤样品，为进一步研究月面提供了条件。“阿波罗计划”的成功极大地促进了美国的科技发展，产生了巨大的社会和经济效益，该计划本身也成了人类航天史上最成功的项目。

图1-10　“阿波罗号”飞船的登月舱在月球表面停留

第一个空间站1971年4月19日，苏联成功发射了世界上第一个试验性载人空间站——“礼炮1号”空间站。载人航天活动由此进入到规模较大、飞行时间较长的空间应用探索与试验阶段。“礼炮1号”空间站由轨道舱、服务舱和对接舱组成，呈不规则的圆柱形，总长约12.5米，最大直径4米，总重约18.5吨。它在200多千米高的轨道上运行，站上装有各种试验设备，照相摄影设备和科学实验设备。与“联盟号”载人飞船对接组成居住舱，容积100立方米，可住6名宇航员。“礼炮1号”空间站在太空运行6个月，相继与“联盟10号”、“联盟11号”两艘飞船对接组成轨道联合体，每艘飞船各载3名宇航员，共在空间站上停留26天。“礼炮1号”完成使命后于同年10月11日在太平洋上空坠毁。

图1-11　苏联于1977年9月29日发射的“礼炮6号”空间站

苏联一共发射了7座“礼炮号”空间站。前5座都只有一个对接口，即只能与一艘飞船对接飞行。因站上携带的食品，氧气，燃料等储备有限，在太空寿命都不很长。经过改进的“礼炮6号”（图1-11）和“礼炮7号”空间站，增加了一个对接口，除接待“联盟号”载人飞船外，还可与“进步号”货运飞船对接，用以补给宇航员生活所需的各种用品。1977年9月29日发射上天的“礼炮6号”空间站，在太空飞行近5年，共接待18艘“联盟号”和“联盟T号”载人飞船。有16批33名宇航员到站上工作，累计载人飞行176天。1982年4月19日“礼炮7号”空间站进入轨道飞行，先后接待了“联盟T号”飞船的11批28名宇航员，其中包括第一位进行太空行走的女宇航员萨维茨卡娅（Светлана Евгеньевна Савицкая）。特别是1984年3名宇航员基齐姆（Леонид Денисович Кизим），索洛维约夫（Владимир Алексеевич Соловь觕в）和阿季科夫（ОлегЮриевич Атьков）创造了在空间站连续飞行237天的纪录。“礼炮7号”空间站载人飞行累计达800多天，直到1986年8月才停止载人飞行。

图1-12　“联盟号”与“阿波罗号”在太空中对接

第一次空间交会对接1975年7月，苏联的“联盟19号”飞船和美国“阿波罗号”飞船，在太空中成功对接（图1-12），进行联合飞行，共同执行两国宇宙开发合作计划。通过电视转播，全世界数以亿计的观众目睹了来自两国的两位太空使者相拥的历史画面。当对接舱的舱门打开之后，苏联“联盟19号”飞船的宇航员列昂诺夫（Алексей Архипович Леонов）和美国“阿波罗号”的宇航员斯坦福德（ThomasP.Stafford）热烈握手，列昂诺夫用英语对斯坦福德说：很高兴见到你。”在当时冷战背景下实现这次被称作“太空握手”的太空交会对接，在政治上产生了积极的影响。

图1-13　“哥伦比亚号”航天飞机在总装厂房

第一次航天飞机飞行1981年4月12日，正值世界第一名航天员加加林上天20周年纪念日，美国发射了可以重复使用的太空运载工具——“哥伦比亚号”航天飞机（图1-13）。在万众瞩目中“哥伦比亚号”遨游太空54.5小时后安全着陆。航天飞机区别于苏联的载人宇宙飞船，具有可重复使用、像飞机一样水平着陆等特点。“哥伦比亚号”的首航成功，使载人航天进入新阶段，从此有许多宇航员得以到太空进行各种科学实验。航天飞机还携带和施放过各种卫星、太空探测器，著名的“哈勃”太空望远镜就是由航天飞机送上天的。

图1-14　飞行中的“奋进号”航天飞机

美国共研制了6架航天飞机：“企业号”（系试验样机，未正式执行航天飞行任务）、“哥伦比亚号”、“挑战者号”、“发现号”、“亚特兰蒂斯号”和“奋进号”（图1-14）。其中“挑战者号”和“哥伦比亚号”分别在发射后不久和返回时不幸失事，共有14名宇航员献身蓝天。这促使美国国家宇航局对航天飞机的安全性与可靠性进行反思：原先设想由于重复使用可大幅降低飞行成本的愿望没能实现，飞行的安全性比苏联的载人飞船要低。因此，在美国2004年公布的新太空计划中已经明确将逐步废除航天飞机的使用，取而代之是研制一种新型的“乘员探索飞行器”（图1-15），英语中称为CrewExplorationVehicle（简称CEV），来满足地球轨道以及月球、火星等载人飞行的需要，其返回方式与苏联的载人飞船相似。

图1-15　研制中的“乘员探索飞行器”构想图

第一个长期在轨工作的空间站1986年2月，苏联发射了人类第一个地球轨道长期工作站——“和平号”空间站。“和平号”经多次空间对接后逐步完善，先后与“进步号”、“进步M号”货运飞船和“量子号”、“晶体号”专用公用舱对接组成轨道联合体。“和平号”空间站全长32．9米，体积约400立方米，重约137吨，其中科研仪器重约11．5吨。它在高350至450千米的轨道上运转，约90分钟环绕地球一周。它由工作舱、过渡舱和服务舱三部分组成。它有6个对接口，其中两个主要对接口位于轴线的两端，用来与载人及货运飞船对接。这6个对接口可在互不干扰的情况下接待6艘飞船，其中有的飞船质量可以比“和平号”本身的质量大几倍，从而形成巨大的空间轨道联合体（图1-16）。与“和平号”对接过的主要科研舱体有：进行天体物理观测的“量子1号”舱、进行对地观测和试验新的舱外活动装置的“量子2号”舱、进行微重力科学与应用试验的“晶体号”舱、用于大气层研究的“光谱号”舱和进行陆地、海洋与大气的地球环境研究的“自然号”舱。自1995年到1998年，“和平号”空间站与美国航天飞机进行了8次对接飞行。

图1-16　与若干舱体对接后的“和平号”空间站

“和平号”的设计寿命为3年，但却在太空中飞行了整整15年！实现了在太空工作时间最长、超期服役时间最长、工作效率最高、接待各国宇航员最多等多项载人航天史上的第一。据统计，15年来，“和平号”空间站总共绕地球飞行了8万多圈，行程35亿千米，共与艘“联盟号”载人飞船、艘“进步号”货运飞船实现对接，宇航员在“和平号”上进行了78次太空行走，在舱外空间逗留的总时数达359小时12分钟。先后有28个长期考察组和16个短期考察组在上面从事考察活动，有俄罗斯、美国、英国、法国、德国、日本、叙利亚、保加利亚、阿富汗、奥地利、加拿大、斯洛伐克共12个国家的135名宇航员在空间站上工作。这些宇航员共进行了1．65万次科学试验，其中完成了23项国际科学考察计划，获得了大量知识、数据和具有重大使用价值的成果。宇航员们还拍摄了许多恒星、行星的照片，进行了基本粒子和宇宙射线的探测，大大扩展了人类对宇宙的认识。他们还探索了从太空预报地震、火山爆发、水灾及其他自然灾害的可能性，宇航员在太空生活的经验为进行长期星际飞行提供了医学保障经验。应该说，“和平号”空间站为空间科学和空间技术的发展做出了卓越贡献。

第一个国际空间站1998年，俄罗斯把国际空间站的功能舱“曙光舱”发射入轨，标志着这个有11个国家参与的国际太空大合作项目正式启动。尽管在实施过程中遇到了种种困难，但它仍然是人类合作和平利用太空的一块里程碑。

国际空间站的设想是1983年由美国总统里根（RonaldWilson Reagan）首先提出的，经过十来年的探索和多次重新设计，直到苏联解体、俄罗斯加盟，国际空间站才于1993年完成设计，开始实施。该空间站以美国、俄罗斯为首，包括加拿大、日本、巴西和欧洲空间局的11个成员国共16个国家参与研制。其设计寿命为10~15年，总质量约423吨、长108米、宽88米（含翼展），运行轨道高度为397千米，载人舱内大气压与地球表面相同，可载6人。

国际空间站在组装阶段，其主要设施由俄罗斯的“质子号”火箭、欧洲空间局的“阿里安5号”火箭以及美国的航天飞机发射运送。组装完成后的运输工作由美国的航天飞机、俄罗斯的“联盟-TM号”飞船及“进步号”货运飞船完成。

图1-17　“国际空间站”在太空中翱翔的艺术形象图

组装成功后的国际空间站将作为科学研究和开发太空资源的手段，为人类提供一个长期在太空轨道上进行对地观测和天文观测的机会，并成为开展生命科学研究、微重力研究等的良好平台（图1-17）。

国际空间站的建设并不如想象中那么顺利。由于技术、政治等种种原因，至今欧洲空间局、日本研制的舱段尚未升空，空间站也远没有发挥预想的作用，反而是庞大的经费需求让美、俄都难以承受。2004年美国公布的新太空计划已明确指出，将逐步放弃国际空间站，转而开发新型的载人航天器。

第一个飞出太阳系的探测器2003年，美国国家宇航局透露，第一个飞出太阳系的探测器“先驱者10号”（图1-18）在经过31年的长途跋涉后，目前已经同地球失去了最后的联络。

2003年2月7日，美国国家宇航局最后一次试着与“先驱者10号”取得联系，但得不到任何有价值的回音，为此他们将停止继续联络“先驱者号”。此前的一次联络是在1月22日，当时地面控制人员收到了从“先驱者10号”发回的响亮而清晰的信号。那时“先驱者10号”距离地球122亿千米，从飞船发回的信号用了11小时20分钟才到达地球。

图1-18　美国于1972年3月发射的“先驱者10号”探测器

“先驱者10号”于1972年3月2日发射升空，原定考察计划只有21个月，但实际上它的“探测生命”之长，远远超出了人们的预期。直到1997年3月底，科学家才正式结束“先驱者10号”的科学考察使命，宣告它正式“退役”。

2005年5月25日，美国国家宇航局下属的喷气推进实验室宣称，1977年发射的“旅行者1号”飞船经过漫长的旅行，已飞出了太阳系的激波边界，即将成为进入太阳系外空间的航天器。1977年9月5日发射的“旅行者1号”飞船，经过近28年的飞行后，目前距离太阳近140亿千米。它是飞得最远的人造航天器。

然而，通天之路从来就充满着艰难险阻——

1971年6月，苏联的载人飞船在返回地球时，返回舱气压阀失效，名宇航员因窒息不幸全部遇难；

1986年1月，美国“挑战者号”航天飞机起飞后72秒凌空爆炸，7名壮志未酬的宇航员，在万众瞩目中献身蓝天；

2003年2月，美国“哥伦比亚号”航天飞机在它的第28次飞行返程途中突然解体，原本再过16分钟就能踏上地球的7名宇航员全部牺牲；

2003年8月，巴西第三枚VLS型卫星运载火箭在发射前的最后检测中爆炸，“咖啡王国”的航天梦再次遭受重创……

收获大喜，却也历尽大悲。在悲喜交加的太空旅程中，人类一点一滴地感悟着“科学”两字那沉甸甸的分量。