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世界航天发展史

文昌市航天旅行社有限公司    
    
2015-06-23

自从1957年10月4日世界上第一颗人造地球卫星上天以来,到1990年12月底,前苏联、美国、法国、中国、日本、印度、以色列和英国等国家以及欧洲航天局先后研制出约80种运载火箭,修建了10多个大型航天发射场,建立了完善的地球测控网,世界各国和地区先后发射成功4127个航天器.其中包括3875个各类卫星,141个载人航天器,111个空间探测器,几十个应用卫星系统投入运行.目前航天员在太空的持续飞行时间长达438天,有12名航天员踏上月球.空间探测器的探测活动大大更新了有关空间物理和空间天文方面的知识.到上世纪末,已有5000多个航天器上天.有一百多个国家和地区开展航天活动,利用航天技术成果,或制定了本国航天活动计划.航天活动成为国民经济和军事部门的重要组成部分.
  航天技术是现代科学技术的结晶,它以基础科学和技术科学为基础,汇集了20世纪许多工程技术的新成就.力学、热力学、材料学、医学、电子技术、光电技术、自动控制、喷气推进、计算机、真空技术、低温技术、半导体技术、制造工艺学等对航天技术的发展起了重要作用.这些科学技术在航天应用中互相交叉和渗透,产生了一些新学科,使航天科学技术形成了完整的体系.航天技术不断提出的新要求,又促进了科学技术的进步.
  一、 火箭技术
  火箭技术推动了人类航天发展的历史.
  火药是中国古代的四大发明之一,火箭是在火药发明之后中国人发明的.早在公元1000年宋朝唐福献应用火箭原理制成了战争武器,13世纪初传到外国.传说在14世纪末,中国有个学者万户在坐椅背后安装47支当时最大的火箭,两手各持大风筝,试图借助火箭的推力和风筝的升力升空.但是一声爆炸之后,只见烟雾弥漫,碎片纷飞,人也找不见了.为纪念这位世界上第一个试验火箭飞行的勇士,月球表面东方海附近的一个环形山以万户命名.18世纪,印度军队在抗击英国和法国军队的多次战争中曾大量使用火箭并取得良好的效果.由此推动了欧洲火箭技术的发展.曾在印度作战的英国人康格雷对印度火箭作了改进.他确定了黑火药的多种配方,改善了制造方法并使火箭系列化,射程达3公里.这些初期火箭的原理成了近代火箭技术的基础.
  19世纪末20世纪初,随着科学技术的进步,近代火箭技术和航天飞行发展起来,先驱者的代表人物有前苏联的齐奥尔科夫斯基,美国人戈达德和德国奥伯特.
  齐奥尔科夫斯基毕生从事火箭技术和航天飞行的研究.在他的经典著作中,对火箭飞行的思想进行了深刻的论证,最早从理论上证明用多级火箭可以克服地心引力进入太空.他建立了火箭运动的基本数学方程,奠定了理论基础.他首先提出了使用液体推进剂火箭的倡议,经过了短短的30年就实现了.他预想到现代火箭的真实结构,并论述了关于液氢-液氧作为推进剂用于火箭的可靠性,设想用新的燃料(原子核分解的能量)来作火箭的动力.他具体地阐明了用火箭进行航天飞行的条件,火箭由地面起飞的条件,人造地球卫星及实现飞向其他行星所必须设置中间站的设想.他还提出过许多的技术建议,如建议用燃气舵控制火箭,用泵来强制输送推进剂,以及用仪器自动控制火箭等,都对现代火箭和航天飞行的发展起了巨大的作用.
  戈达德博士在1010年开始进行近代火箭的研究工作.他在1919年的论文中提出了火箭飞行的数学原理,指出火箭必须具有7.9km/s的速度才能克服地球的引力.他认识到液体推进剂火箭具有极大的潜力,1926年3月他成功在研制和发射了世界上第一枚液体推进剂火箭,飞行速度103km/h,上升高度12.5米,飞行距离56米.
  奥伯特教授在他1923年出版的书中不仅确立了火箭在宇宙空间真空中工作的基本原理,而且还说明火箭只要能产生足够的推力,便能绕地球轨道飞行.同齐奥尔科夫斯基和戈达德一样,他也对许多种推进剂的组合进行了广泛的研究.
  真正的近代火箭的出现是在第二次世界大战时的法西斯德国.早在1932年德国就发射A2火箭,飞行高度达3公里.1942年10月发射成功V-2火箭(A4型),飞行高度85公里,飞行距离190公里.V-2火箭的发射成功,把航天先驱者的理论变成现实,是现代火箭技术发展史的重要一页.
  1945年5月,第二次世界大战德国战败,前苏联俘虏部分德国火箭技术人员,缴获了几枚V-2火箭和有关技术资料.在此基础上,1947年前苏联仿制V-2火箭成功.1948年自行设计了P-1 火箭,射程达300公里.1950年和1955年又先后研制成P-2和P-3火箭,射程分别达到500公里和1750公里.1957年8月,成功发射两级液体洲际导弹P-7,射程8000公里,经过改装的P-7于1957年10月4日,发射成功世界上第一颗人造地球卫?quot;人造地球卫星1号",从而揭开了现代火箭技术新的一页.前苏联由于发射多种航天器的需要,先后研制成功"东方"号、"联盟"号、"宇宙"号、"质子"号、"能源"号等多种型号的运载火箭,可将100多吨的有效载荷送入近地轨道.
  二战后,美国俘虏了以冯·布劳恩为首的德国火箭专家,缴获了100余枚V-2火箭.美国陆军在布劳恩的帮助下于1945年发射了V-2火箭,1949年开始研究"红石"弹道导弹,1954年制定人造卫星计划,1958年2月1日"丘辟特"C火箭成功发射美国第一颗人造卫星,美国为发射多种航天器的需要,先后研制成功"先锋"号、"丘诺"号?quot;红石"号、"侦察兵"号、"大力神"号和"土星"号等运载火箭.
  中国于1960年11月5日第一枚近程火箭发射试验成功.我国有"长征"号(CZ)系列运载火箭,主要有CZ-1、CZ-2、CZ-3、CZ-4四种基本型运载火箭和CZ-1D、C(CZ-2C)、CZ-2C/SD、CZ-2D、CZ-2E、CZ-2F、CZ-3A、CZ-3B、CZ-4B等几种改进型.
  1990年4月7日,中国CZ-3 运载火箭发射成功美国制造的"亚洲一号"卫星.长征火箭成功地进入了国际商业发射卫星的行列,至今已将27颗外国卫星发射上天.
  法国从50年代开始自行研制探空火箭和导弹,并在此基础上研制"钻石"号运载火箭.1965年11月至1967年2月,法国"钻石"号火箭将A-1、D-1人造卫星送入太空.法国积极推动西欧国家联合发展欧洲航天事业,它是欧洲空间局的主要成员国,并承担"阿里安"号运载火箭的大部份研制工作.
  欧空局正式成员国有比利时、丹麦、法国、联邦德国、爱尔兰、意大利、荷兰、西班牙、瑞典和英国;非正式成员国有奥地利和挪威;加拿大为观察员国.由欧空局研制的"阿里安"1号运载火箭于1979年12月24日首次发射成功.迄今已研制有"阿里安"1-5号五种基本型和多种改进型火箭."阿里安"4号为欧空局主要运载工具,至今已发射80余次,失败7次,成功率在世界商用卫星运载工具中名列前茅.
  日本自1963年开始研制"谬"系列固体运载火箭,共有4代.1970年日本宇宙开发事业团决定引进美国"德尔它"号运载火箭技术,以发展本国的N号运载火箭.1975年9月,日本首次用N-1火箭成功地发射了"菊花"1号技术试验卫星.1994年试验成功带有氢氧燃料装置的N-2火箭.印度自行研制成功运载火箭系列SLV,ASLV,PSLV和GSLV.2001年4月同步轨道卫星运载火箭GSLV发射成功.
  此外,还有英国、意大利、加拿大、印度、巴西、以色列、韩国、朝鲜等国均有利用本国制造或租用他国运载火箭来发射人造卫星的能力.
  二、卫星时代
  人造地球卫星的计划设想早在1945年就在美国出现,美海军航空局已着手研究一种把科学仪器送入太空的卫星,次年美国陆军航空局在审?quot;兰德计划"的一项类似的研究报告中,就有"实验性环球空间飞行器"的初步设计.随着现代科学技术和一系列大功率运载火箭的发展,为人造地球卫星的研制和发射打下了坚实的基础.
  1957年10月4日,前苏联用"卫星"号运载火箭把世界上第一颗人造地球卫星送入太空,卫星呈球形,外径0.58米,外伸4根条形天线,重83.6公斤,卫星在天上正常工作了三个月.同年11月3日,前苏联发射了第二颗卫星,卫星呈圆锥形,重508.3公斤,这是一颗生物卫星,除了利用小狗"莱伊卡"作生物试验外,还有于探测太阳紫外线,X射线和宇宙线.按照今天的标准衡量,前苏联的第一颗卫星只不过是一个伸展开发射机天线的圆球,但它却是世界第一个人造天体,把人类几千年的梦想变成现实,为人类开创了航天新纪元.
  人造地球卫星出现之后,60年代前苏联和美国发射了大量的科学实验卫星、技术实验卫星和各类应用卫星.70年代军、民用卫星全面进入应用阶段,并向侦察、通信、导航、预警、气象、测地、海洋和地球资源等专门化方向发展.同时各类卫星亦向多用途、长寿命、高可靠性和低成本方向发展.80年代后期新起的单一功能的微型化、小型化卫星是卫星发展上的新动向,这类重量轻、成本低、研制周期短、见效快的小型卫星将是未来卫星的一支生力军.除美、苏外,中国、欧洲航天局、日本、印度、加拿大、巴西、印尼、巴基斯坦等国都拥有自己研制的卫星.
  为什么经过短短的三十多年,航天活动取得了如此迅速的发展呢?除了美、苏搞空间军备竞赛发射了大量的军事应用卫星外,主要是人类一开始就非常重视航天技术的应用.航天活动大大扩大了人类知识宝库和物质资源、给人类日常生活带来了重大的影响和巨大的经济效益.航天活动大大推动了现代科学技术和现代工农业的向前发展.
  三、空间探测
  空间探测的主要目的是:了解太阳系的起源、演变和现状;通过对太阳系内的各主要行星及其卫星的比较研究进一步认识地球环境的形成和演变;了解太阳系的变化历史;探索生命的起源和演变.空间探测器实现了对月球和行星的逼近观测和直接取样探测,开创了人类探索太阳系内天体的新阶段.
  月球探测:月球是地球的唯一的天然卫星,自然成为空间探测的第一个目标.直接考察月球有助于更好地了解地-月系统的起源,月球是未来航天飞行理想的中间站和人类进入太阳系空间的第一个定居点.
  美国和前苏联自1958年至1976年8月共发射过83个无人月球探测器,其中美国36个,前苏联47个.此后,美、苏再也没有发射过无人月球探测器.1990年1月日本发射了一颗月球探测器,成为第三个向月球发射探测器的国家.探测器由两部分组成,一部分(182公斤)进入大椭圆轨道,在地-月系统中飞行,另一部分(11公斤)在月球轨道上飞行.日本还计划在1996年2月发射一颗重550公斤(含推进剂190公斤)的月球-A探测器.
  月球探测已经实现的主要方式有:(1)在月球近旁飞过或在其表面硬着陆,利用这个过程的短暂时间探测月球周围环境和拍摄月球照片;(2)以月球卫星的方式获取信息,其特点是探测时间长并能获取较全面的资料;(3)在月球软着陆,可拍摄局部地区的高分辨率照片和进行月面土壤分析.
  1999年7月31日,为了确证月球上到底有没有冰,美国"月球"勘探者号进行了飞行器撞击月球实验.
  行星和行星际探测 人类长期借助于天文望远镜观测行星表面的细节,发现了土星光环、木星卫星和天王星;运用万有引力定律陆续发现了海王星和冥王星;借助于近代照相术、分光术和光度测量技术对行星表面的物理特性和化学组成有了一定的认识.然而人们在地面隔着大气层观测行星,已经不能满足对行星的深入研究.行星和行星际探测器为行星和行星际空间的研究提供了新的手段.
  自1960年至1978年美、苏和西德共发射了63个行星和行星际探测器,其中美国23个,前苏联38个,西德2个.采用的探测方式有:(1)从行星附近飞过拍摄照片,测定它们的辐射和磁场;(2)在行星表面硬着陆,直接探测行星大气;(3)绕行星飞行,成为行星的人造卫星;(4)在行星上软着陆,对行星表面进行细致的分析和探测.1960年3月发射了第一个行星际探测器"先驱者"5号,进入了一条0.8~1.0天文单位的椭圆日心轨道,测量了行星际磁场、行星际粒子和太阳风,探测表明太阳风像喷水池螺旋形喷水图形;发现地球磁场在向着太阳的一面被太阳风压缩,另一面至少延伸到500万公里远.1962年8月发射的"水手"2号成功地飞过金星,发现金星没有磁场和辐射带.1970年8月发射的"金星"7号第一次降落金星表面,探测表明金星表面温度为475℃,压力为90±15个大气压.多次探测表明金星有稠密的大气层和厚厚的云层和频繁的闪电,发现金星大气中二氧化碳占97%,氮气占1%~3%,水气占0.1%~0.4%.1964年11月发射的"水手"4号飞过火星,探测表明火星没有辐射带和磁场,测量到火星电离层的特性和大气密度垂直分布,火星表面大气压不到海平面大气压的百分之一,照片表明火星上的环形山与月球相似.1975年8月发射的"海盗"1号第一次在火星上着陆成功,探测表面火星大气中尘土含量很高,火星大气本身二氧化碳占95%,氮占2.7%,还有微量的氩、氧和水汽;对火星土壤分析表明,硅占15%~20%,铁占4%,还有少量的钙、铝、硫、钛、镁、铯和钾.1973年11月发射的"水手"10号,同水星相会的探测表明,水星有极稀薄的含有微量氩、氖和氦的大气,只有地球大气的一万亿分之一;水星表面温度在510℃~-210℃之间;水星有磁场,强度是地球磁场强度的百分之一,照片表明水星有密密麻麻环形山.1972年2月和1973年4月发射的"先驱者"10号和11号发现木星的辐射带强度是地球辐射带强度的10000倍,而且它的脉动磁场延伸到土星附近,发回了木星和土星云量的图像,有关土星主外光环很有价值的资料,它们通过小行星带时没有受到损害,它们最终将飞出太阳系进入恒星际空间,它们带有会被地外文明世界理解的信息牌.
  为了探索宇宙的奥秘,美欧联合研制的"哈勃空间望远镜"于1990年4月发射升空,这项计划获得了巨大的成功,十年间进行了10多万次的天文观测,观测了大约13670个天体,向地球发回了黑洞、衰亡中的恒星、宇宙诞生早期的"原始星系"、慧星撞击木星以及遥远星系等许多壮观图像,为近2600篇科学论文提供了依据.这是人类空间天文观测工作的一个里程碑.
  1997年7月4日,美国"探路者"号火星探测器在火星表面安全着陆,并释放出一辆火星?quot;漫游者"号,第一次拍摄到火星的彩色三维立体图像,传回地球大量的火星表面的照片.
  四、载人航天
  载人航天在航天活动中占有重要位置.尽管航天器携带装置精确、灵敏度高、能自动观察、操作、储存、处理数据,但它们不能代替人的思维.初期载人航天器一方面研究航天技术,另一方面进行生物学和医学试验,研究航天员在长期失重条件下的反应,航天员在密闭舱中的工作能力,航天器对接时和走出航天器时的人的生理反应.
  前苏联自1961年4月到1970年9月共发射了17艘载人飞船("东方"号6艘、"上升"号2艘?quot;联盟"号9艘).1965年3月航天员在"上升"号上第一次走出飞船,1966年1月两艘"联盟"号飞船第一次在轨道上交会对接,并实现两个航天员从一艘飞船向另一艘飞船转移.1971年到1982年发射了7艘重量为18~20吨的"礼炮"号空间站,截至1985年还发射了27艘载人飞船("联盟"T号、TM号)和25艘无人飞船("进步"号)用作天地往返运输系统.1986年发射了"和平"号空间站,这是未来永久性空间站的核心舱,将于90年代建成由7个舱组成的大型空间站.俄罗斯计划21世纪前期发射无人和载人火星飞船以及建立载人月球基地.设计寿命为五年的"和平号"空间站运行了十五年,于2001年3月23日13时59分安全地坠落在南太平洋海域.
  美国自1961年5月至1966年11月发射了16艘载人飞船("水星"和"双子星座")."水星"和"双子星座"计划是载人登月飞行目标"阿波罗"计划的头两个阶段.1965年6月"双子星座"飞船上的航天员第一次步入太空,1966年3月"双子星座"-8号和"阿金纳"飞行器在轨道上第一次成功地实现对接,此后,"双子星座"飞船系统进行过多次交会和对接.1967年至1972年共发射了14次"阿波罗"飞船(其中3次无人飞行,3次载人绕月飞行,6次载人登月飞行,12名航天员登上月球).1973年发射了"天空实验室"并和"阿波罗"飞船进行过对接.1969年尼克松政府宣布70年代研制载人航天飞机,1984年里根政府宣布90年代建立永久性载人空间站.
  1993年9月美俄二国达成协议,合作建造一个有16国参加的国际空间站,2006年完成.2001年5月,美国宇航发烧友蒂托进入国际空间站俄罗斯舱遨游8天,成为地球旅客航天游第一人.
  另一方面,美国和俄罗斯关于载人火星飞行的计划正在悄悄进行之中.二、三十年以后,人类就可能登上红色的行星--火星.
  1999年11月20日,长征二号乙火箭发射"神舟号"无人试验飞船上天,11月21日飞船顺利回收,我国航天技术实现了历史性的跨越.中国航天员遨游宇宙的日子已经不远了.
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