1.人类的梦想

自古以来，人类遥望广袤而深邃的星空，在感叹宇宙变幻莫测的同时，企盼有朝一日能离开地球，飞向星球。由此产生出许多美妙而动人的神话，如我国古代的“嫦娥奔月”，以及古希腊“伊卡尔飞向太阳”等故事来。它寄托了人类对宇宙的关注和向往，也表达了渴望能飞到其他星球的心情。唐代著名大诗人李白也为此留下了“羽驾灭去影，飙车绝回轮”的诗句。

1896年，世界上出现了航空史上的第一个激动人心的奇迹。美国华盛顿史密森学会的一位秘书──天文学家兰利，根据16世纪达·芬奇对鸟类飞翔的研究，制作了一架令人惊叹不已的9磅重的蒸汽动力飞机模型。当年的5月6日下午3点5分，这个模型从波托马河上的一艘游艇上发射出去，在天空依靠蒸汽动力足足飞行了0.5英里。这在当时，成了一条广为传播的重要新闻。到1903年的12月17日，美国的奥维尔·莱特和威尔伯·莱特兄弟，成功地将装有马达的载人双翼飞机飞上了天空。从此，载人的“航空时代”在美国加利福尼亚州的基迪霍克村静悄悄地开始了。

但到此为止，所谓人类征服太空，也只是意味着只能在近地空间内穿云破雾，在大气层内绕地球飞行而已，人类还无法冲破地球万有引力的束缚，打开太空之“天门”，到大气层之外去自由翱翔。

2.太空“天门”的钥匙

1883年俄国著名科学家齐奥尔科夫斯基在一篇“自由空间”的论文中，根据牛顿于1678年提出的“反作用力等于作用力，但方向与其相反”的第三定律，提出了利用喷气原理制造宇宙飞船的设想，使齐奥尔科夫斯基成为第一个用牛顿定律找到打开太空“天门”钥匙的先驱者。1903年，他在多年的研究成果的基础之上，终于写成了一篇迄今仍给人以启示的不朽之作《利用喷气装置探测宇宙空间》一文，在这篇开拓性的著作中，他提出了著名的火箭运动公式。设火箭最初的质量为Mi，燃料烧完后的火箭质量为Mf，喷出的燃料气体相对于火箭的速度为u，则火箭最后获得的速度为

。

火箭箭体内贮有推进剂，包括燃料(例如液态氢)和氧化剂(例如液态氧)，它们经过输送泵喷入一个燃烧室内混合燃烧，其生成的炽热气体向后喷射。火箭飞行的原理是由于燃料燃烧生成的高温高压气体不断由火箭向后喷出，获得向后的动量，因此按动量守恒定律，火箭将获得向前的动量。燃料不断燃烧，连续向后喷出气体，使火箭不断地受到向前的反冲力，这个反冲力即为推动火箭箭体飞行的动力。由于火箭不依靠空气提供推力，因而可以在空气稀薄的高空，甚至没有空气的太空飞行，所以火箭发动机最适合星际航行。这和依靠推动器受到空气反推力才能飞行的螺旋浆飞机相比，在运载手段上有了新的飞跃。

3.火箭推进与齐奥尔科夫斯基公式推导

宇宙飞船、导弹等均以火箭为动力。由于燃料不断燃烧，火箭体质量不断减少，因而火箭体是一个变质量物体。下面，我们运用动量守恒定律来讨论火箭体飞行的速度。设t时刻火箭总质量(包括内部运载的燃料质量)为

，到t时刻为止已喷出的燃料气体质量为，是初始时刻火箭总质量，是燃料喷完后的火箭质量。由于体系总质量守恒(所有速度还都远小于光速，故可不计相对论效应)，在t时刻的
与之和就等于，它是一个常数，即

①等式两边取微分，因，就有

②这表示在时间这一微小间隔内喷出气体质量()等于同时引起的火箭质量的减小量()而。

设t时刻火箭的速度为，则此时它的动量等于(以火箭向前的方向为正)。在时刻的系统总动量由两部分组成，一部分是火箭的动量，另一部分动量是时间内喷出气体的动量。于是，动量守恒定律给出：

③两边消去MV并略去这一高阶无限小量，整理得

④注意到u是常数，将④式改写成，两边积分。定积分上、下限表示：当火箭质量由(t=0时刻的)变到最后的时，火箭速度相应地由开始时的变为最后的。上式积分得：

⑤其中为火箭质量比，此即为齐奥尔科夫斯基公式。

从速度公式⑤可以看出，提高火箭的飞行速度有两个办法：一是提高火箭发动机产生的燃气流排出速度(化学能火箭发动机排气速度最高可达5000m/s)，选用高能推进剂，提高火箭发动机的性能;另一个办法是增大火箭的质量比

，即尽可能减轻火箭关机时的质量，尽量增加推进剂的加注量。

我们知道，用火箭发射人造地球卫星的条件是火箭必须把人造地球卫星加速到第一宇宙速度v=7.9km/s。但是，按照现代火箭发动机的性能和结构水平，单级火箭所能达到的飞行速度不超过6.0km/s，因此，目前还不能用单级火箭把人造地球卫星送上太空。

为了实现人类宇宙航行的宿愿，齐奥尔科夫斯基于1903年至1914年间，提出了设计多级火箭，实现人类宇宙航行的理论。如果是二级火箭，则当第一级火箭燃料烧完时，无用的空结构立即分离舍弃，第二级火箭在新的初始质量

和初始速度下工作。假设燃料气体的喷速也改为u2，则二级火箭喷完燃料后的速度及质量

将有关系：

⑥以 代入，有，其中，。如果是三级火箭，就有

⑦1929年，齐奥尔科夫斯基发表了一篇“火箭列车”的论文，不仅将这种“多级火箭”的概念进一步理论化，并很有远见地提出了建立星际站的设想。切望有朝一日这种星际站能作为人类驾驶宇宙飞船实行太空航行的“加油站”。他说：“地球是理想的摇篮，但人们不能永远在摇篮里……在寻求光和空间的过程中，起初是怯生生地探索大气层的极限，其后就会把它的控制延伸到整个太阳系。”齐奥尔科夫斯基的这句铭言，至今仍是激励人类开拓太空航行的强大动力。

当然随着火箭级数的增加，火箭系统变得更为复杂，可靠性下降。当今世界上常用的运载火箭多为2～4级.用于发射载人航天器的运载火箭，对可靠性要求更高，一般不超过两级.多级火箭的缺点，一是结构复杂，二是抛掉的火箭白白地浪费了。随着科学技术的进步，新型高性能火箭发动机和质量更轻的结构必将问世，那时用单级火箭发射人造地球卫星、空间探测器和载人航天器将变为现实。

4.卫星如何发射上天

目前有三种发射卫星的方法：

第一，通过多级火箭发射。根据目前情况，发射低轨道人造地球卫星，一般用二级或三级火箭，而发射大椭圆轨道卫星、地球同步卫星多用三级或四级火箭。

第二，用航天飞机发射。航天飞机是一种可以载人的天地往返运输工具。它能像火箭一样垂直起飞，像卫星一样在轨道上运行，又能像普通飞机一样水平着陆。一架航天飞机可以重复使用100多次，因而，它既可以大大降低发射费用(150万美元/吨)，简化卫星设计，又能向近地轨道发射、回收与修复已失效的各种卫星。例如，在1991年11月24日，美国“阿特兰蒂斯”号航天飞机升空后仅6小时，就将一颗2335公斤的导弹预警卫星送入太空;美国原本有五架航天飞机，1986年“挑战者”号航天飞机升空后不久就爆炸了。现在剩下四架航天飞机：即“哥仑比亚”号航天飞机;“发现”号航天飞机;“阿特兰蒂斯”号航天飞机;“奋进号”号航天飞机。

第三、用飞机发射。目前只有美国做到这点，1990年4月，美首次将一颗200公斤重的卫星从B-52轰炸机上，用三级“飞马”火箭高空发射成功。显然，这是很经济的。

卫星发射后的飞行过程大致可分为三个阶段：

第一阶段：垂直起飞阶段。由于在地区表面附近，大气稠密，火箭飞行时受到的阻力很大，为了尽快离开大气层，通常采用垂直向上发射，况且垂直发射容易保证飞行的稳定。发射后经很短的几分钟的加速使火箭已达到相当大的速度，至第一级火箭脱离时，火箭已处于稠密大气层之外了。此后第二级火箭点火继续加速，直至其脱落。

第二阶段：转弯飞行阶段。当第二级火箭脱落后，火箭已具有足够大的速度。这时第三集火箭并不立即点火发动，而是靠已获得的巨大速度继续升高而做惯性飞行(速度会减小)，并在地面控制站的操纵下，使火箭逐渐转弯而偏离原先的竖直方向，直至变为与地面平行的水平方向。

第三阶段：进入轨道阶段。当火箭到达与卫星预定轨道相切位置时，第三级火箭点火开始加速，使其达到卫星在轨道上运行所需的速度而进入轨道。进入轨道后，火箭就完成了其运载的任务，卫星随即与其脱离而单独运行。刚脱离时，卫星与末级火箭具有相同的速度，并沿同一轨道运动。由于轨道处仍有稀薄气体存在，而卫星与火箭的外形不同，致使两者所受的阻力不同，因而两者的距离逐渐被拉开。

地球同步卫星的发射精度要求比一般卫星高得多。它的发射通常采用一个椭圆形中间转移轨道而最后进入同步轨道的方案，其发射过程大致经历如下：首先依次启动运载火箭的第一级和第二级，使火箭加速，至第二级火箭脱离后，按惯性转弯进入一低高度的圆形轨道，称为初始轨道或停泊轨道。在此轨道上运行少许时间后火箭再次点火，发动第三级，使装有远地点发动机的卫星进入一个大椭圆的转移轨道，此轨道的远地点和近地点都在赤道平面上，并且远地点与同步轨道相交，此轨道也称霍曼轨道。进入此轨道后，使卫星开始自旋。在绕行几圈的过程中，地面控制站对其姿态进行调整，当其达到远地点时，启动卫星上的远地点发动机，使它改变航行，进入地球赤道平面，同时加速卫星使之达到在同步轨道运行所需的速度后，还需对其姿态作进一步的调整，才能准确地把卫星送入赤道上空的同步轨道。

5.关于大型运载火箭

众所周知，运载火箭的大小是由飞行任务的有效载荷和飞行轨道所决定的。飞行轨道相同，有效载荷愈大，起飞重量愈大;有效载荷不变，飞行轨道愈高，起飞重量愈大。所以，运载火箭都是一些身高体重的庞然大物。通常，有效载荷占运载火箭起飞重量的1%～2%。也就是说，发射一颗1吨重的人造卫星，运载火箭就得50～100吨重。

由于运载任务繁重及其要求有多种多样，不可能为每项任务设计新的运载火箭，因此基本上采取在原有的运载器上增加一级，或者捆绑上若干个助推器的办法，来满足不同用户的运载要求。捆绑助推器的优点除可降低发射费外，更主要的是它只在原有火箭结构的基础上作很小的变动，可根据不同的运载任务，捆绑不同数量的助推器，较为灵活。捆绑技术现已被越来越多的火箭采用，一级捆绑助推器已被公认是提供运载能力极好的途径。美国火箭公司设计的大型运载火箭，提出了二级捆绑方案，第一级上捆绑12个助推器，第二级上再捆绑 6个助推器。

大型运载火箭既可用于发射地球同步轨道卫星，也可承担发射空间站，并支持载人月球计划和火星计划。俄罗斯的能源号火箭，是目前应用的大型火箭，火箭由氢氧芯级和4个捆绑液体助推器组成。全长约60米，起飞重量约2000吨，起飞推力38500千牛。可将100 多吨重的有效载荷送入太空。火箭芯级长60米，直径8米，用液氧、液氢作燃料，助推器长50米左右，直径4米，用液氧煤油作为燃料。将要研制的巨型火箭，由4级液体火箭组成，起飞重量8000吨，能将150吨重的航天器送入地球低轨道。

欧空局的阿里安5火箭，氢氧芯级直径 5.4 米，长 30 米，在一级的两侧各捆绑一个直径 3.1米，长30米的固体助推器。

美国目前已提出的大型运载方案较多，低地球轨道运载能力在10～180吨之间，标准运载火箭是由空军订购的大型运载工具，可把重达112吨的有效载荷送入地球低轨道，把重4.5吨的卫星送入地球同步轨道。这些新研制的大型运载火箭的共同特点是，应能确保成本低、性能可靠、维修和保养简单、任务适应性强的要求。

20世纪50年代开始兴起的航天技术就如一棵在物理学丰润土壤里滋生的高科技新苗。正是它使嫦娥得以奔月，使人类飞向宇宙的梦想得以实现。人造卫星的上天，载人航天器的发射，人类首次登月的成功……一个个激动人心时刻的到来，把人类航天活动推向高潮。到目前为止，共发射了数千颗不同类型的航天器，这些航天器发挥了各自不同的作用，造福于人类。一些肩负着探索宇宙使命的探测器已造访了除冥王星以外的太阳系所有的行星，有的已开始远离太阳系，进入茫茫的宇宙。