穿越星球的交通工具（）

时间：2023-02-10 理论教育版权反馈

【摘要】：本章就让我们认识穿越星球的交通工具。火箭可作为探空、发射人造卫星、载人飞船、空间站的运载工具，也可作为其他飞行器的助推器。其中可以制导的称为导弹，无制导的称为火箭弹。所谓“一箭多星”就是用一枚运载火箭同时发射多颗人造卫星的发射方式。在大气层内飞行的飞行器称为航空器，如气球、滑翔机、飞艇、飞机、直升机等。在空间飞行的飞行器称为航天器，如人造地球卫星、载人飞船、空间探测器、航天飞机等。

人类正确认识地球经历了漫长的进程，从认识地球到认识月球，从地心说到日心说，从认识太阳系到河外星系。在这一次次的进程中，人类借助探测工具，实现了对星球的穿越。本章就让我们认识穿越星球的交通工具。

自带燃料的火箭

要到太空中去，乘飞机是不行的，因为飞机的速度也不过每秒1公里左右。要想使飞船加速到每秒1公里以上，目前常采用火箭来完成这个任务。火箭自带燃料和助燃剂，即使到了真空地界，火箭照样可以工作。如果火箭在大气层中就达到7.9公里／秒这样大的速度，那么，物体与空气摩擦产生的高热将把它烧成灰烬。所以，无论是人造卫星或是宇宙飞船，都得先以较低的速度穿出大气层，然后再加速到所需之速度。因为火箭所带的燃料是有限的，要想用单级火箭把卫星送上天是不可能的。后来，人们采用了多级火箭解决了这个矛盾。所谓多级火箭就是在大火箭上再装上数个更小点的火箭。起飞之后，大火箭先工作，到一定的速度时，它的燃料用完，便把一级火箭的壳体抛掉，这样一级一级的加速，并一级一级的抛掉壳体，最后将卫星送入轨道。

火箭是以热气流高速向后喷出，利用产生的反作用力向前运动的喷气推进装置。人类采用多级火箭技术，已发射了数以千计的人造卫星及载人飞船，并且还发射了许多星际探测器，对太阳系及其它行星进行了考察，取得了不少宝贵资料。

火箭可作为探空、发射人造卫星、载人飞船、空间站的运载工具，也可作为其他飞行器的助推器。火箭如用于投送作战用的战斗弹头，便构成火箭武器。其中可以制导的称为导弹，无制导的称为火箭弹。

另外还有一种重要技术叫“一箭多星”。所谓“一箭多星”就是用一枚运载火箭同时发射多颗人造卫星的发射方式。大多用于将同一枚运载火箭中的多颗卫星送入基本相同的轨道上。在末级火箭发动机熄火之后，卫星分离，前后只相隔几秒钟的时间。只是由于各个卫星与火箭分离速度不同，它们的运行轨道才略有差异。如果需要把几颗卫星分别送入不同的运行轨道，那么末级火箭发动机就应有多次起动的能力。当第一颗卫星分离以后，末级火箭发动机再次点火工作，改变轨道。在发动机第二次熄火后，第二颗卫星分离……后面的卫星发射以此类推。

发射多颗卫星的运载火箭常常配置有专用的卫星安装支架。支架的下端与末级火箭连接，支架上可以同时安放几颗卫星。卫星的“座位”下有弹簧或顶杆机构，入轨时靠弹簧或杆机构将卫星推出。

最早实现“一箭多星”的国家是美国。1960年美国用一枚火箭发射了两颗卫星，1961年又实现了“一箭三星”。苏联曾经多次用一枚火箭将8颗卫星送入运行轨道。1981年，欧洲空间局的“阿里安”运载火箭，将一颗欧洲气象卫星和一颗印度实验通信卫星，同时送入地球同步轨道。我国于1981年9月20日也成功地将3颗科学实验卫星送入近地轨道，开始了一箭多星技术的研发。

为了提高火箭在宇宙航行中的飞行速度，科学家一直在寻找新的能源。1953年，一位德国科学家提出了光子火箭的设想。光子，就是构成光的粒子。当它从火箭的尾部喷出来的时候，就具有光的速度，每秒可以达到30万千米。如果用光子来作为火箭的推力，我们到达太阳的近邻——比邻星就只要4～5年的时间。

可是，光子火箭的设想还只是停留在理论上，制造它的困难在于它的结构。

我们已经知道，原子是物质化学变化中最小的微粒，原子又是由带正电的原子核和围绕原子核运动的带负电的电子组成的。原子核由带正电的质子和不带电的中子组成。质子、中子和电子还可以分成许多微小的粒子，如中微子、介子、超子等等。

科学家还发现，宇宙中还存在着和这些粒子对应的、电荷相等而符号相反的粒子，如带正电的“反电子”、带负电的“反质子”等，这些粒子被称为“反粒子”。科学家预言，在宇宙空间还存在着“反粒子”组成的“反物质”，当粒子与“反粒子”、物质和“反物质”相遇的时候，就会发生湮灭，同时就会产生大得惊人的能量：500克的粒子和500克的“反粒子”湮灭，所产生的能量就相当于1000千克铀核反应时释放的能量。

如果我们把宇宙中存在的丰富的氢收集起来，让它和其“反物质”在火箭发动机内湮灭，产生光子流，从喷管中喷出，从而推动火箭，这种火箭就是“光子火箭”，它将达到光的速度，以30万千米／秒的速度前进。

虽然湮灭得到的能量十分诱人，科学家在实验室里，也已获得了各种“反粒子”，如“反氢”、“反氚”和“反氦”。但是，它们瞬息即逝，无影无踪。按目前的科学技术水平，不可能将它们贮存起来，更难以用于推动火箭的飞行。

然而，科学家还是乐观地认为，光子火箭的理想一定会实现。他们设想，在未来的光子火箭里，最前面的是航天员工作和生活的座舱，中间是粒子和“反粒子”的贮存舱，最后面是一面巨大的凹面反射镜。粒子和“反粒子”在凹面镜的焦点处相遇湮灭，将全部的能量转换成光能，产生光子流。凹面镜反射光子流，推动火箭前进。

当然，在这样的光子火箭里，航天员的座舱必须有防辐射保护。否则，航天员的生命就会受到伤害。

知识点

飞行器

飞行器是由人类制造、能飞离地面、在空间飞行并由人来控制的在大气层内或大气层外空间飞行的器械飞行物。

飞行器分为3类：航空器、航天器、火箭和导弹。在大气层内飞行的飞行器称为航空器，如气球、滑翔机、飞艇、飞机、直升机等。它们靠空气的静浮力或空气相对运动产生的空气动力升空飞行。在空间飞行的飞行器称为航天器，如人造地球卫星、载人飞船、空间探测器、航天飞机等。它们在运载火箭的推动下获得必要的速度进入太空，然后在引力作用下完成轨道运动。火箭是以火箭发动机为动力的飞行器，可以在大气层内，也可以在大气层外飞行。导弹是装有战斗部的可控制的火箭，有主要在大气层外飞行的弹道导弹和装有翼面在大气层内飞行的地空导弹、巡航导弹等。

延伸阅读

火箭的分类

火箭可按不同方法分类。按能源不同，分为化学火箭、核火箭、电火箭以及光子火箭等。化学火箭又分为液体推进剂火箭、固体推进剂火箭和固液混合推进剂火箭。按用途不同分为卫星运载火箭、布雷火箭、气象火箭、防雹火箭以及各类军用火箭等。按有无控制分为有控火箭和无控火箭。按级数分为单级火箭和多级火箭。按射程分为近程火箭、中程火箭和远程火箭等。火箭的分类方法虽然很多，但其组成部分及工作原理是基本相同的。

固态火箭跟液态火箭便是现今比较常用的火箭。此外，还有混合火箭，就是用固体的燃料而用液体的氧化剂。比如一个火箭可能第一节是固态的而第二节却是液态的。

火箭的基本组成部分有推进系统、箭体和有效载荷。有控火箭还装有制导系统。火箭推进系统是火箭赖以飞行的动力源。其中火箭发动机按其工质，可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等。广泛使用的是化学火箭发动机，它是依靠推进剂在燃烧室内进行化学反应释放出来的能量转化为推力的。推力与推进剂每秒消耗量之比称为比冲，它是发动机性能的主要指标，其高低与发动机设计、制造水平有关，但主要取决于所选用的推进剂的性能。火箭发动机的推力，是根据其特点和用途选定的，其大小相差很大，小到微牛，如电火箭发动机；大到十几兆牛，如美国航天飞机的固体火箭助推器。

箭体用来安装和连接火箭各个系统，并容纳推进剂。箭体除要求具有良好的空气动力外形外，还要求在既定功能不变的前提下，质量越轻越好，体积越小越好。在起飞质量一定时，结构质量轻，则可获得较大的飞行速度或射程。

人造地球卫星

随着人类科学技术的不断发展，探索太空的能力和手段越来越多，其中人造地球卫星的成功发射，为人类探索太空开创了新纪元。

人造卫星的概念始于1870年。人造地球卫星是指发射到绕地球轨道上作短期或长期运行的人造航天器。其运动服从开普勒行星运动定律，其轨道一般是以地心为焦点的椭圆，特殊情况下是以地心为中心的圆。它离地面的高度根据用度而定，从几百公里到几万公里不等，一般不低于200公里。

1957年10月4日，前苏联在拜科努尔发射场发射了世界上第一颗人造地球卫星——"斯普特尼克1号"，首先闯入浩瀚的太空，人类从此进入了利用航天器探索外层空间的新时代。

第一颗人造卫星由镀铬合金制成，重83．6公斤，外表呈圆球形，直径58厘米，轨道远地点为986．96公里，近地点为230．09公里，每96分钟绕地球一周。卫星载有两部无线电发报机，通过安置在卫星表面的4个天线，发报机不断地把最简单的信号发射到地面。世界各地许多无线电爱好者当时都接收到了这一来自外空的信号。第一颗人造地球卫星在近地轨道上运行了92个昼夜，绕地球飞行1400圈，总航程6000万公里。

继前苏联成功发射第一颗人造地球卫星后，美国、法国、日本、中国先后也成功独立发射了人造地球卫星。其中，1970年4月24日，我国用自己研制的"长征"l号运载火箭送上太空的"东方红"l号卫星是是一个直径约1米的近似球形多面体，重173公斤，它比苏、美、法、日的第一颗人造卫星总重量还重。轨道的近地点为439公里，远地点为2388公里，轨道倾角为68．5度。

人造卫星是发射数量最多的一种航天器，占全部航天器的90％左右，在科学、军事和国民经济各个方面都获得了极其广泛的应用。以科学探测和研究为目的有天文卫星、观测卫星、地球物理卫星、大气密度探测卫星和电离层卫星等。

正是考虑到1957年10月4日发射的第一颗人造卫星开辟了人类探索外空的道路，以及1964年10月10日外空条约生效，1999年联合国第三次外空会议的与会国一致建议，将每年的10月4日至10日作为“世界空间周”。这一意见得到了联合国第54届大会的核准。

知识点

开普勒行星运动定律

开普勒行星运动定律，也称开普勒三定律，是指行星在宇宙空间绕太阳公转所遵循的定律。由于是德国天文学家开普勒根据丹麦天文学家第谷.布拉赫等人的观测资料和星表，通过他本人的观测和分析后，于1609～1619年先后早归纳提出的，故行星运动定律即指开普勒三定律。

1609年，开普勒在他出版的《新天文学》上发表了关于行星运动的两条定律，又于1618年，发现了第三条定律。开普勒认为，地球是不断地移动的；行星轨道是以椭圆形运动的；行星公转的速度不等恒。这些论点，大大地动摇了当时的天文学与物理学。经过一个世纪，物理学家终于能够用物理理论解释其中的道理。牛顿利用他的第二定律和万有引力定律，在数学上严格地证明开普勒定律，也让人们了解其中的物理意义。