提及载人航天,离不开载人航天器,更离不开人。这里所说的人主要包括两种,一种是为研制航天器提供理论支持或技术保证的科学工作者们,一种是搭乘航天器进入太空的航天员们。在一百多年前,一些科学工作者就有了把人类送上太空的科学设想,并且在一代又一代科学家的努力践行下,人类才在航天事业上取得了一个又一个的辉煌成就。航天员是人类的英雄,人类载人航天之路充满了荆棘,但是为了实现探索太空的梦想,这些英雄们勇于用自己的血肉之躯铺就一条通天大路。
齐奥尔科夫斯基1958年,前苏联的第一颗人造卫星上天,震动了全世界,也开创了人类航天史的新纪元。如此巨大的成功,当然要归功于为航天事业而不懈努力的科学家们,被后人尊为“火箭之父”的齐奥尔科夫斯基就是他们中的一位。
齐奥尔科夫斯基1857年生于俄国梁赞一个贫寒的家庭。10岁那年一场严重的猩红热病,夺去了他两耳的听力,无法继续上学,只好由母亲指导他读书写字。但第二年母亲去世了,他靠坚强的毅力自学了小学和中学的课程。16岁那年,他执意上大学,但没有一个学校肯收这个没有中学文凭的聋子。他只身来到遥远的莫斯科,寄住在一家好心的穷人家中,在图书馆中自学大学课程。父亲每月只能给他寄来十几个卢布。这点钱远不够伙食费,但他还要挤出钱来买书籍和实验用品,有时连续两三天不吃东西,常常饿得昏了过去。父亲将他接回家后,他好不容易才被录用为中学数学教师。在业余时间里,他全力进行宇宙航行理论的研究和实验。然而,他并不被人们理解,被认为是一个“怪人”。他用科幻小说的形式宣传宇宙航行知识,被权贵们斥为“异端邪说”。一家杂志发表一幅漫画,讽刺他头顶地、脚朝天,腋下夹着大大小小的星球,挖苦他是“一个无名之辈,无聊文人”,斥责他“企图把青少年引向邪路”。但他顶着各种奚落和打击,毫不动摇地坚持着自己的事业。
航天先驱与英雄经过10多年的艰苦努力,他的研究成果才开始得到门捷列夫和斯托列托夫等著名学者的赏识。齐奥尔科夫斯基在宇宙航行理论方面的建树是多方面的,当今宇宙航行的一些基本问题,他几乎都曾涉猎。
1883年,齐奥尔科夫斯基在《外层空间》一书中首先从理论上证明,行星际空间为绝对真空状态,火箭可以在空间的真空环境中工作,因为它自带氧化剂,燃料燃烧不需要外界供氧。同时,它的反作用推进原理在真空中仍然有效。因此,火箭可以作为宇宙航行的动力。
1885年,他在一本科幻小说中提出发射人造地球卫星的设想。
1903年,齐奥尔科夫斯基发表《用火箭推进器探索宇宙》论文,文中提出火箭公式,从理论上证明:火箭的速度与火箭发动机的喷气速度成正比;火箭自身的结构质量越小,火箭所获得的速度越高。这个公式后来被称为齐奥尔科夫斯基公式,也被誉为宇宙航行第一公式,它为宇宙航行奠定了理论基础。齐奥尔科夫斯基还指出,液氢液氧是最理想的推进剂。在当时的工业技术水平上,他还指出,单级火箭达不到宇宙速度,必须用多级火箭接力的办法才能进入宇宙空间。
1911年~1912年,齐奥尔科夫斯基又提出有关载人宇宙飞行的一系列设想,例如,到其他星球上去必须经过真空区,载人宇宙飞船必须携带空气;飞船上必须有密封座舱;座舱中的空气必须不断净化,才能为乘客提供新鲜空气;飞船返回时利用地球大气刹车;建立轮胎形空间住宅,用自旋产生人造重力;用动物和植物组成生物循环链,建立密闭生态系统,为人提供食物和氧气。他还推导和论述了不同质量的物体在失重条件下的运动规律,研究了失重和超重对人体的影响。
1924年,他在《宇宙飞船》一文中具体地设想了一种纺锤形飞船,除动力装置和密闭生态系统外,还提出了现今太空机动器的设想。他设想乘员走出密封座舱后,可利用“宇宙枪”喷出气体的反作用力在太空的真空中漫游。
1929年他提出了多级火箭构造设想。这一富有创见的构想为研制克服地球引力的运载工具提供了依据。
齐奥尔科夫斯基还预言太阳的光能可以作为推动宇宙飞船的动力,并提出太阳帆的设想。
齐奥尔科夫斯基一生写下了730多篇论著,70岁以后,他还写了《进入宇宙空间的火箭》、《宇宙火箭推进的列车》、《航天员和火箭飞机加速升空》、《火箭燃烧》和《火箭的最大速度》等多部著作。1932年,前苏联政府授予他劳动红旗勋章。1935年9月19日,他在卡卢加逝世。
“地球是人类的摇篮,但人不能永远生活在摇篮里。他们不断地向外探寻着生存的空间:起初是小心翼翼地穿出大气层,然后就是征服整个太阳系。”这段被经常引用的名言就出自齐奥尔科夫斯基之口。虽然他的设想在当时的科技条件下无法成真,但却为火箭技术和星际航行奠定了基本的理论概念。他的这句名言也激励着人类为挣脱大地的束缚进行不懈的努力。
知识点密闭生态系统
生态系统最根本的属性是生物与非生物之间的能量转换和物质循环,即能量流和物质流。这两个“流”在生态系统中是封闭的运转,还是开放的流动,要看生态系统的范围来确定。在自然界,就物质循环而言,真正封闭的系统只有一个,就是生物圈。在面积5.1亿平方公里,上下34公里的范围内,从物质不灭的角度看,生物圈是封闭的。如水分的循环,通过降雨—蒸发和蒸腾—地表径流和地下径流,在大陆与海洋之间构成一个往返巨大的封闭循环。如矿物质营养元素、土壤等的搬运,不论途径长短,搬运量(流失)大小,但仍然是在生物圈内此消彼长,西流东积,物质是不灭的。
赫尔曼·奥伯特于1894年6月25日出生于特兰西瓦亚,该地当时属奥匈帝国,现在位于罗马尼亚境内。他在12岁的时候,就因凡尔纳的《从地球到月球》的影响而迷上了星际旅行。1913年他到慕尼黑学医,但第一次世界大战中断了他的学业。
从1919年开始,奥伯特认真钻研物理,他阅读了所有他能找到的关于火箭和宇宙航行的著作,其中包括齐奥尔科夫斯基的著作。
1922年,他把研究成果整理成文,作为申请博士学位的论文寄给了海德堡大学,但他的研究成果没有得到承认。
1923年,他发表了后来被称为宇宙航行学经典著作的《飞向行星际空间的火箭》,书中提出空间火箭点火的理论公式,用数学阐明火箭如何获得脱离地球引力的速度。
1925年,13岁的冯·布劳恩读了这本书,并通过当时著名的火箭研究者威利·勒的介绍,成为奥伯特的一名少年助手和学生。
1927年6月,德国一批业余火箭研究者成立“宇宙航行协会”,在罗马尼亚工作的奥伯特闻讯后来到德国,并被推举为该协会会长。
奥伯特在继续研究中对他的火箭理论进行了修改和充实。1929年又发表了第二部经典著作《实现太空飞行的道路》,他在书中预见到电推进火箭和离子火箭的发展。这本书使他获得第一届佩尔——希尔施奖。
除了对火箭进行理论研究外,奥伯特还亲自与同事一起研制火箭,并于1930年7月23日发射成功的一枚火箭,飞行高度达20千米。奥伯特和其他人在火箭研究和实践中的成就,引起了科学家对火箭问题的普遍重视。
奥伯特不仅勤奋好学,善于思考,而且虚心求教。在与齐奥尔科夫斯基的通信中,他实事求是地承认,齐奥尔科夫斯基等人在推导与宇航有关的方程方面,走在自己前面。当他从报纸上看到戈达德研究火箭的报道后,就热情地给他写信,并索要他的著作。
奥伯特虽然没有直接参与发展后来的A-4火箭发动机,也就是著名的V-2火箭设计,但A-4火箭却完全是以他的理论框架为基础的。第二次世界大战后,奥伯特留在德国,并回到他的家乡住了一段时间。1951年,他离开德国到美国与冯·布劳恩合作,共同为美国空间规划努力。这期间他写了两本书,一本是对十年内火箭发展的可能性作展望,另一本谈到了人类登月往返的可能性。1960年奥伯特退休后回到德国,大部分时间用来思考哲学问题,这也许是许多德国科学家的习惯。奥伯特于1989年12月去世,享年95岁。
奥伯特的主要贡献是理论上的,他建立了下列条件之间的理论关系:燃料消耗、燃气消耗速度、火箭速度、发射阶段重力作用、飞行延续时间和飞行距离等。这些关系对于火箭的设计是最基本的因素。他更多的是作为一个理论家,而不是一个实验家,影响了整整一代工程师。作为航天事业的奠基人之一,他受到的称赞是当之无愧的。
冯·布劳恩
1925年,在德国一个叫维尔西茨的小镇上,有一位13岁的少年用6支特大的烟火绑在他的滑板车上,然后,他点燃了导火线。烟火的爆炸声此起彼伏,滑板车像发疯似的飞了出去,这位少年也被重重地摔在地上。结果,巨大的爆炸声引来了警察,少年被带到了警察局,受到了一顿训斥。这位少年就是后来著名的科学家冯·布劳恩。
1912年3月23日,冯·布劳恩出生于德国维尔西茨一个贵族之家。他是使火箭技术由试验走向实用的关键性人物,主导了二战期间纳粹德国的火箭研发和第二次世界大战以后美国的火箭研发,是V2和阿波罗登月(负责土星V火箭——人类有史以来推进力最大的火箭)两大项目的灵魂人物,被誉为20世纪最伟大的火箭专家。
1930年,冯·布劳恩进入柏林大学,成为奥伯特的学生。1932年,冯·布劳恩大学毕业,还获得了飞机驾驶执照,受聘为多恩伯格的主要助手。1934年,冯·布劳恩获得柏林大学物理学博士学位。1937年,冯·布劳恩在佩内明德大型火箭试验基地任技术部主任,领导了德国的“复仇使者”V-2火箭的研制工作。
第二次世界大战期间,曾给英国带来巨大灾难的武器——德国的V-2火箭,当时又叫“飞弹”。V-2工程起始于A系列火箭研究,由物理学博士冯·布劳恩主持,是1936年后在佩内明德新建火箭研究中心的重点项目。A系列火箭经过许多新的改进,性能大大提高,由纳粹的宣传部长戈培尔命名为“复仇使者”,所以代号变为V-2。V-2工程开始于1940年,目标是扩大容积和承载重量,以容纳自控、导航系统和战斗部。1942年10月3日,V-2试验成功,年底定型投产。从投产到德国战败,纳粹德国共制造了6000枚V-2,其中4300枚用于袭击英国和荷兰。
冯·布劳恩V-2是单级液体火箭,全长14米,重13吨,直径1.65米,最大射程320千米,射高96千米,弹头重1吨。V-2采用较先进的程序和陀螺双重控制系统,推力方向由耐高温石墨舵片操纵执行。V-2在工程技术上实现了宇航先驱的技术设想,对现代大型火箭的发展起了承上启下的作用,成为航天发展史上一个重要的里程碑。
希特勒曾对火箭技术发生兴趣。在1939年希特勒参观发射试验台的时候,布劳恩被指定给元首讲述技术原理。布劳恩以他一贯的认真严谨态度为希特勒讲解火箭的基本构造,正如他后来为美国总统肯尼迪分析月球接轨方案优劣时一样的认真。但他很快发现,希特勒对他的介绍几乎是一耳进一耳出,只有提及V-2可能具有的军事用途时,元首的眼睛才闪闪发亮。布劳恩开始隐隐感到他航天梦的前途将是不平坦的。
1944年3月,冯·布劳恩被盖世太保抓进了监狱。记录在案的逮捕原因是:他和他的同事们一起声明,他们从来没有打算把火箭发展成为战争武器。他们在政府压力之下所从事的全部研制工作,目的只是为了赚钱去做他们的实验,证实他们的理论。他们的目的始终是宇宙旅行。因此布劳恩可能被判以叛国罪并被枪毙。最终由于朋友们的多方营救和叛国罪名理由不充分,布劳恩被释放了。
第二次世界大战以其不可逆转的局势向前推进着。美国在意识到V-2破坏性的同时,也深知它的价值,所以他们将韦纳·冯·布劳恩的名字列入战后需搜罗的科学家名单之中。而与此同时,冯·布劳恩正被党卫队监视着,他也在设法与美国人取得联系。他认为“把我们的‘婴儿’交给妥当的人,这是我们对人类应尽的责任”。当冯·布劳恩最终顺利到达美军营地的时候,美国士兵不敢相信这个30刚出头的年轻人,就是著名的V-2型火箭的主要发明者。
1945年德国投降,冯·布劳恩作为“头脑财富”来到美国。
1950年转到红石兵工厂研制弹道导弹。
1956年任陆军弹道导弹局发展处处长。在他的领导下先后研制成功“红石”、“丘比特”和“潘兴”导弹以及“丘比特”C火箭。
1958年1月31日,用他设计的“丘比特”C火箭(改名为“丘诺”1号火箭)成功发射了美国第一颗人造地球卫星“探险者”1号。
1958年10月,冯·布劳恩成为新建立的国家航空航天局的领导成员。