航天火箭的“十萬個為什么”

解曉峰 童話

在之前兩期我們介紹了航天相關的知識，但熱愛天文、喜好科幻和憧憬太空探索的小伙伴似乎還有些意猶未盡。那么這一期就來整一篇關于航天火箭更為詳細的知識問答，可不要嫌篇幅太長哦，因為你將不僅能知道火箭是怎么做“體檢”，為什么火箭要“站著”發射，為什么火箭發射的時間那么飄忽不定，還可以見識到動物“航天員”們帶來了哪些貢獻，等等。

Q：我希望以后長大成為一名航天員，那從現在開始，我需要自學哪些知識來為我的夢想打基礎呢？

A：我國對于航天員最早的選拔標準，除要求具有思想作風好、政治素質高、心里穩定和臨危不亂等“軟性”條件外，還要求具有強健的體魄、高超的飛行技術、豐富的飛行經驗等。不過現在隨著我國航天事業的不斷發展，對于航天員的選拔范圍也已經不再局限于飛行員，譬如航空航天相關的工程技術人員，未來還會有物理學家、生物學家、地質學家和醫生等。

又比如2015年美國NASA公布的招募火星宇航員的要求，其中就包括擁有工程學、生物學、物理學或數學領域的學士學位。因此，工程師、理工科科學家和醫生等專業其實是較受歡迎的，因為知道如何做實驗非常重要，在國際空間站上，宇航員需要進行各種微重力實驗，比如納米粒子的液體中的表現，被斬首后扁平蟲能否再生等。同時，NASA也會招募地質學家或生物學家。

我國航天員的訓練大體分為三個階段：第一階段是基礎理論培訓，在這一階段，航天員要學習火箭和飛船的設計原理、飛行動力學、氣象學、天文學、通信、設備檢測、航天醫學知識等等;第二階段是專業技能訓練，航天員要熟悉飛船的結構、組成，飛船各系統的工作原理和模式，甚至要掌握重要部組件和單機的情況;第三階段是飛行程序和任務訓練，航天員們要在與真實飛船相同的訓練模擬器上，通過實景仿真，掌握和知道應該注意觀察什么，什么時候和地面聯系，在這一階段，航天員們還要學會發現和排除緊急情況，以考察和鍛煉他們的判斷能力和對事物的迅速反應能力。

這三個階段的訓練通常需要3～5年的時間。在訓練中，他們還要奔赴沙漠、寒區、雨林和海上，配合搜救部隊進行野外生存和搜救演習。而體能訓練、特殊生理功能訓練等一直伴隨在三個學習階段。如果是需要參與太空行走的航天員，出艙時要像攀巖一樣主要靠手來實施在太空進行的上千項操作，所以對航天員的體能、上肢力量和應對突發情況的處置能力提出了更高要求。

此外還有心理層面，良好的心理狀態在孤寂的太空作業中起著至關重要的作用，它包括以下三點要求：熟練掌握復雜的操作技能，在發生意外情況時從容不迫、沉著應對;有獻身精神，以適應航天探險活動;坦然面對外界各種壓力，不驕不餒。

Q：聽科普節目說“火箭直徑是由馬屁股決定的”，這是真的嗎？

A：火箭的直徑最主要是由它的研制目的決定的。也就是說，如果火箭需要運輸更大的重量，就要直徑更大、箭體更長。這樣的想法在理論上沒錯，但在現實中是受到了諸多限制的。一般來說，火箭研制地與發射地有一定距離，大多是用火車或者汽車運輸。路上難免會通過一些隧道，隧道的寬度都是參照鐵軌的寬度確定的?；鸺ㄟ^這些隧道，直徑就不能超出隧道的寬度。再考慮到火車晃動、會車等因素，火箭的直徑就更受限制了。所以，在2016年以前，我國運載火箭直徑最大的為3.35米。

這樣看的話，火箭直徑是由鐵路軌道的寬度決定的。那鐵路軌道的寬度又是由什么決定的呢？其中有很多說法，不過，最為人所熟知的就是“馬屁股決定說”。這個說法認為：英國人發明了火車，而火車軌道的寬度在設計之初就沿用了馬車的輪寬標準。馬車的輪寬是怎么確定的呢？是根據英國老路上的轍跡確定的。當時路上轍跡的寬度是4.85英尺（約合1.48米），而轍跡的尺寸標注是古羅馬人定的。因為當時歐洲的長途老路都是由羅馬人為他們的軍隊鋪設的，羅馬戰車是他們的主要裝備，4.85英尺正是羅馬戰車的寬度。

那古羅馬人又為什么以4.85英尺作為戰車的輪距寬度呢？原因其實很簡單，因為這是拉動戰車的兩匹馬的屁股寬度。這樣一來，關系就清楚啦：馬屁股的寬度決定了鐵軌間的距離，鐵軌間的距離決定了隧道的寬度，隧道的寬度則影響了火箭的直徑。

當然，世界上很多國家的鐵軌間的距離都不太一樣。1937年，國際鐵路協會做出規定：1435毫米為國際上通用的標準軌距，1520毫米以上的軌距為寬軌，1067毫米以下的軌距為窄軌。我國采用的是標準軌距，受此影響，我國在長征五號運載火箭研制出來前，火箭的直徑最大為3.35米。如今，隨著運輸工具的發展，火箭不僅可以選擇公路、鐵路運輸，還可以海運，這讓火箭的直徑不再受限于鐵軌間的距離。

Q：都是在天上飛，為什么飛機要防凍，火箭要防熱？

A：火箭和飛機在天上飛時，到底需要防凍還是防熱，與它們飛行的馬赫數緊密相關。馬赫數就是指物體運動速度與周圍空氣中的音速之比，相同條件下，馬赫數越小，物體表面溫度越低;馬赫數越大，物體表面溫度越高。

火箭在大氣層飛行的過程中，為了掙脫地球引力，飛去更高更遠的太空，會一直加速飛行，速度從亞音速、超音速到高超音速，在距離地面10公里左右的高度時，馬赫數甚至超過5，此時火箭表面的溫度有1000多攝氏度。隨著火箭飛行速度的增加，這個溫度還會繼續升高，直至脫離大氣層。而這個階段，如果沒有足夠的防隔熱措施，火箭外表的金屬外殼將會變形甚至融化，火箭內部的電路板、元器件、精密儀器等將會燒穿、變形，導致整個飛行任務失敗。

普通的民航飛機一般以亞音速飛行，同樣在距離地面10公里左右的高度時，馬赫數僅為0.7～0.8，外部大氣的溫度低至零下55攝氏度左右，接近北極圈以內的溫度，飛機的溫度和外界溫度差不多，這個溫度下飛機必須開空調為機艙內調節溫度，否則客機的乘客會被凍傷。實際上，如果飛機的速度也提高到超高音速，也就是馬赫數也達到10左右，它也同樣需要防熱。航天飛機的速度與火箭差不多，表面溫度可高達2000攝氏度，因此航天飛機的表面也安裝了一層厚厚的防熱瓦來抵御高溫。

Q：那載人飛船的返回艙是不是也是一樣要防熱呢？

A：載人飛船返回艙在返回地球時，要以每秒數公里的速度與大氣摩擦，會產生1500℃以上的高溫，別說人體，就是普通的金屬材料也會瞬間融化。為了保證航天員的安全，科研人員會為載人飛船返回艙穿一件“防熱衣”。我國“神舟”載人飛船返回艙“防熱衣”采用了蜂窩增強低密度燒蝕材料，在返回艙返回地球時，“防熱衣”在高溫中會通過自身的燒蝕帶走大量的熱。正如人們在炎炎夏日向地面潑水，水在蒸發時會消耗熱量，讓屋子更涼爽，載人飛船的“防熱衣”在高溫中也會出現熔化、蒸發、升華等物理變化以及分解等化學變化，帶走飛船表面的熱量。

此外，由于“防熱衣”采用的蜂窩增強低密度燒蝕材料里有很多氣孔，就像蓬松的羽絨服一樣，會阻擋熱量進一步向內傳遞。外層燒蝕帶走熱，內部蓬松阻擋熱。當洶涌的熱流闖過“防熱衣”時，熱量已所剩無幾，不會對航天員造成威脅。

Q：火箭為什么是“站”著發射的？

A：大家都知道，飛機是水平起飛的，火箭是站著發射的?；鸺c飛機的目的地不同，決定起飛方式不同?；鸺l射是為了擺脫地球引力，實現宇宙航行，將衛星等航天器送到預定軌道。因此，火箭在飛行過程中，除了要克服自身的重力外，還要受到空氣阻力等因素的影響。而飛機是從地球上的一個地點飛到另一個地點，不需要擺脫地球引力，借助航空發動機的推力和機翼上下的空氣動力，在大氣層中穿行。

垂直起飛是火箭沖出大氣層的一條最短路徑。除此之外，垂直發射推力只要稍微超過起飛重量，火箭就可以騰空而起。如果是傾斜發射或是水平發射，需要更大的起飛推力，消耗的燃料更多。根據美國火箭理論家哥達德研究，火箭發射主要克服從地面到100千米以內的空氣阻力，因此，火箭在垂直起飛十幾秒后，一般會進行程序拐彎，逐漸轉為水平方向。目前，國際上正在研究磁懸浮發射、空中發射、真空管道發射等多種新型發射方式。未來火箭可能不走尋?！奥贰?，可以呈各種角度發射。

Q：為什么火箭發射，都會進行倒數計時，而且都是從10開始倒數？

A：觀看火箭發射時，我們都會聽到這樣的倒計時口令，“10……3、2、1，點火”，緊接著一聲巨響，火箭騰空而起。據中國運載火箭技術研究院火箭設計師錢航介紹，這種火箭發射倒計時方式是科學家跟導演學來的。

1926年3月16日，世界上第一枚液體火箭在美國馬薩諸塞州發射成功，激起人們對航天技術的興趣。翌年，航天科技的愛好者們會聚德國，成立了“太空航行協會”。34年后，世界上第一艘宇宙飛船“東方一號”由蘇聯發射成功。為滿足人們當時對航天飛行的強烈向往，德國的烏發電影公司拍攝了描寫太空旅行的科幻片—《月球少女》。該片導演弗里茲·朗格在火箭發射的鏡頭中設了“10……3、2、1，發射！”的倒數發射方式。這一方式引起火箭專家們的興趣，他們認為該程序十分科學。它簡單明了，清楚準確，突出地表現了火箭發射的準備時間逐漸減少，使人們思想集中，產生準備時間即將完畢、發射就要開始的緊迫感。此后，這種倒數計時發射方式被國際上普遍采用了，一直沿用至今。

其實，火箭發射除了最后的10秒倒計時外，還有發射前2小時、1小時、30分鐘、20分鐘等射前準備口令。它們在火箭發射前的準備階段發揮十分重要的作用，提醒、協調火箭各個系統，最后確認所有準備工作是否無誤，各個系統的工作是否正常。在這期間，一旦發現問題，可以及時排除隱患，甚至可能終止發射。

據錢航介紹，1970年4月24日18點30分左右，距離長征一號火箭發射只有2個多小時，科研人員突然發現一個彈簧墊圈從火箭上掉下來。經過再三耐心細致地檢查后，發現彈簧墊圈只是一個多余物，不會對火箭發射造成影響，為火箭成功發射排除了隱患。在火箭射前準備期間，發現問題的事例，國外也屢見不鮮。據日本共同社和《朝日新聞》2013年8月27日報道，日本新型固體燃料火箭Epsilon原定于27日下午1時45分發射升空。但是在發射進入倒計時后，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）突然宣布終止發射。2015年1月6日，SpaceX原定晚間發射的獵鷹9號火箭由于技術原因取消?；鸺l射倒計時原本已經開始，發射塔架也被打開，但是最終在倒計時1分鐘左右被叫停。

Q：看火箭發射錄像，倒計時后有時候火箭起飛往往延遲了一小會兒，這是怎么回事呢？

A：好細心的觀察！國內的火箭發射是點火倒計時，比如新一代運載火箭點火后，會有一個幾秒的間隙，在這期間火箭要經歷排氫、預冷等過程。而國外的火箭發射是起飛倒計時，火箭可能在倒計時數到“3”時，就已經點火了，所以你會看到，發射倒計時口令剛落，火箭已經飛出去了。

Q：火箭發射點火時，為何有的冒“紅煙”，有的冒“白煙”？

A：發射時，有的火箭尾部噴吐著紅色火焰升空，有的是白色火焰，還有的會冒橙褐色的火焰，火箭發射點火時尾部顏色竟然如此不同。其實，除了長征五號、長征七號、長征十一號火箭外，其他的火箭點火發射時，尾部都是冒“紅煙”。產生紅色火焰是因為火箭的燃料是四氧化二氮、偏二甲肼。發射時，低溫的四氧化二氮在常溫下具有強氧化性，分解成紅棕色的二氧化氮氣體。伴隨著火箭起飛，這就是大家看到的紅煙。

而我國發射的新一代運載火箭長征五號、長征七號點火起飛時，會看到大量的白色氣體，尾部噴吐的就是白色火焰。這里的“白煙”主要由兩部分構成，大部分是水蒸氣，還有一小部分是燃料燃燒后產生的。新一代運載火箭是采用無毒無污染的液氫、液氧、煤油作為燃料，液體和氣體狀態的氧都是無色的，燃料的燃燒會帶來少量“白煙”，所以火箭發射升空時，會看到“白煙”。

那么，火箭發射哪里來的水蒸氣呢？=新一代運載火箭的發射塔上，設有一個能容納600噸水的水箱，在火箭發射時，水箱中的水通過“大流量噴水降溫降噪系統”技術，在火箭飛到5米高以后向箭體尾部火焰中心噴水，噴水量達400噸，這些水會在瞬間被氣化。不僅如此，新一代運載火箭在塔架上等待起飛和飛行時，火箭側壁也會冒出“白煙”。這是因為火箭使用的是冷藏的液氫液氧低溫燃料，液氫溫度為零下253攝氏度，液氧為零下183攝氏度。這些燃料使得火箭內部是遠遠低于冰點的超低溫，在與外界空氣接觸時，就好像夏天在屋里放了一塊冰。雖然火箭外殼有真空隔絕層進行保溫，但還是會看到少量“白煙”。

火箭點火發射時，除了會冒“紅煙”和冒“白煙”外，還會冒“橙褐色的煙”。具有操作簡單、發射速度快等優點的固體運載火箭長征十一號，使用的是固體推進劑，其中含有碳或碳氫化合物，所以在點火發射時，火箭尾部噴涂著“橙褐色的火焰”。

Q：火箭升空過程中產生的熱量足以融化金屬，那它的外殼一般是什么材料，又有多厚呢？

A：我們如今看到的火箭一般身高數十米，體重有幾十到幾百噸，許多人會覺得，它額度外殼一定特別厚重，才能支撐起這樣的龐然大物。其實，火箭的外殼是很薄的，最薄處甚至和雞蛋殼差不多。

火箭的重量每減輕1公斤，就可能使它的有效載荷增加1公斤。對于衛星、飛船來說，能多1公斤，就可能增加一項重要的功能，就可能為衛星或航天員提供多一份保障。航天科技人員通常形容火箭是“薄皮大餡”，主要的重量都在火箭肚子里的燃料上?？扇剂隙际恰八乐亓俊?，不能隨意增減，所以，火箭設計師們就把心思放在了火箭的外殼上，把火箭的外殼變薄，目的就是為了給火箭減重。

要想把火箭外殼做得薄，材料是非常重要的。目前，常用火箭外殼的主要材料為鋁合金，這種材料強度高、耐腐蝕、重量輕、成本低、綜合性能最好，是做外殼的最佳選擇?；鸺耐鈿び啥鄠€部分組成，包括蒙皮、桁條和框環?？颦h和桁條組成一個圓柱形的框架，通過鉚接與蒙皮組合到一起。蒙皮主要是起到維持形狀、安裝儀器電纜等作用;而桁條則是起到縱向主支撐力的作用。桁條、框環和蒙皮之間的關系就像是燈籠里的竹條和外面的紗罩。我們通常所見到的火箭“外殼”，其實只是它的“蒙皮”。

火箭蒙皮很薄、很軟，但根據受力分析進行科學計算、結構優化后，用鉚釘把蒙皮和框架進行固定，每一殼段有上千個鉚釘，這就保證了整體結構的強度和剛度。在發射過程中，無論受到哪個方向的外力，都不會影響火箭的飛行。當然，如果蒙皮過薄，靠不斷加密內部框架來保證堅固性的話，反而會使殼體重量加重，達不到預想的效果。因此，設計師要計算出蒙皮和框環、桁條的最佳配比，既保證用最少的材料，又能保證箭體堅固、可靠。

隨著技術的不斷進步，設計人員計算得也越來越精確，火箭結構也越來越優化，蒙皮的厚度也隨之變得越來越薄。以長征二號丙運載火箭為例，火箭衛星支架的蒙皮面板厚度只有0.8毫米;長征五號運載火箭的蒙皮最薄處厚度僅僅只有0.3毫米。

Q：太空探險中，是否也有和電視上那樣的動物參加呢？

A：自1961年蘇聯航天員加加林進行太空行走以來，全世界有超過500名人類航天員曾經“上過天”。不過，還有一類“航天員”，它們的數量要更加龐大。例如1998年美國“哥倫比亞”號航天飛機第25次飛行，除了7名人類航天員，還有超過2000名特殊的宇航員同行—1500多只蟋蟀、223條箭魚、170只實驗鼠和135只蝸牛。細數航天技術發展的歷史，可以發現人類能走出地球，與動物航天員們的鋪墊和犧牲是分不開的。幾十年來，一批批動物被送上太空，要么代替人類進行危險的旅程，要么被當成實驗對象。

美國是最早開始太空動物試驗的國家。1946年至1947年，美國在白沙試驗場先后發射了8枚火箭帶著植物種子、細菌芽孢和果蠅等生物上天，借以研究輻射對它們的影響，這應該是最初的太空宇航員實驗。不過這里需要提一句，早期火箭發射的高度還都比較低，大部分的動物都還算不上“動物航天員”。外太空的起點通常被認為是距離地面100千米高的空中，被稱為“卡門線”。只有飛到卡門線高度以上，才認為是真正進入外太空。

1947年美國用V-2火箭送一只果蠅到109千米高空。1948年美國將一只編號為阿爾伯特一號的猴子送到62千米高空，但不幸的是，它在降落時摔死了。而且，它所乘坐的火箭沒有飛到卡門線高度。真正意義上的第一只太空猴是它之后的阿爾伯特二號，1949年它乘坐的火箭飛到了134千米高。阿爾伯特二號同樣因為降落失敗死去。1951年，美國送到天上的11只小鼠生還，但同行的猴子降落后2小時依然死亡;直到1952年，才實現2只猴子上天之后的成功回收。

美國人執著于猴子，是因為猴子的生理結構與人類相似，它們往往是接受麻醉后上天的。而蘇聯的航天計劃從一開始就鐘情于狗，因為他們認為狗能更長時間忍耐惡劣的發射環境。1949年到1958年，蘇聯曾把42只狗發射升空。1957年11月3日，第一個到達地球軌道、真正的動物宇航員誕生了—蘇聯發射了人造地球衛星2號圍繞地球飛行，衛星近地點約211千米高，遠地點約1659千米高。衛星上搭乘了一只名叫萊伊卡的小狗。它是第一只到達地球軌道高度的動物，可惜由于缺乏空氣和水僅存活了2天。

第一只進入外太空的黑猩猩則叫作哈姆。1961年1月，哈姆作為宇宙飛船“水星號”的唯一乘客進入253千米高的外太空，成為第一個到達外太空的類人動物。它的任務相當重大—當看到儀表盤閃現藍光時，扳動拉桿引導降落。在地面上是通過香蕉和電擊來訓練哈姆學習這項操作的。哈姆成功完成了任務，太空艙墜入大西洋，營救人員打撈起太空艙，給出艙的哈姆一個蘋果和半個橘子作為獎勵。哈姆在這次太空之旅中毫發未損，后被送到美國華盛頓國家動物園生活了17年，最終在北卡羅來納州動物園去世，享年25歲。

進入太空的喵星人則來自法國。1963年法國發射Veronique AG1火箭將一只來自巴黎的、名為Félicette的黑白色母貓送到了156千米的太空中。這是一次非軌道飛行，持續約15分鐘。它是世界上第一只也是唯一一只進入過太空的貓。最終它成功生還。

最近幾十年，人類的太空工程中進行了越來越多的動物實驗，比如摘除實驗鼠大腦觀察大腦在失重下的變化、解剖懷孕母鼠觀察胎兒發育、觀察幼鼠學會在失重條件下爬行等。其中也讓我們驚訝發現了水熊蟲竟然可以在太空環境和太陽輻射暴露下存活（實驗樣本被放回水中只有10%存活了下來，并且所有的幼蟲都沒有孵化出來）。前邊說到的“哥倫比亞”號航天飛機，其貨艙中放置了一個神經實驗室用于生物實驗。如較著名的第25次飛行，7名航天員進行26項（11項以人類航天員為實驗對象，15項以動物為研究對象）以研究大腦和神經系統為主的生物學實驗，旨在發現地球上特有的疾病，如失眠、血壓異常及暈車船癥等常見病的新療法。哥倫比亞號航天飛機在2003年最后一次飛行時，還攜帶了蠶、蜘蛛、蜜蜂、螞蟻和魚等動物，最后遺憾失事，其殘骸中依然發現了活著的線蟲。

我國第一批動物航天員是8只白鼠（4只小白鼠，4只大白鼠），它們在1964年7月19日搭乘中國第一枚生物探空火箭“T-7A/S1”在安徽廣德發射升空。除了這8只白鼠外，火箭上還載有12支生物試管，里面裝著果蠅等生物。送這第一批動物宇航員送入太空，主要是為了研究超重失重、高空彈射、宇宙輻射對生物的影響，為以后載人航天提供重要依據。我國第二批動物宇航員是兩只可愛的小狗“小豹”和“珊珊”，1966年7月搭乘探空火箭“T-7A/S2”升空。小豹和珊珊都是雌性小狗，前者當時只有兩歲。這次實驗被認為是最有意義的一次太空生物實驗，小豹和珊珊的貢獻拍制成紀錄片《向宇宙進軍：中國航天夢想之小狗飛天》。而且，小豹和珊珊最終安全返回地面了。

最近幾年中國有名的動物宇航員，則是搭乘“神州十一號”上天的蠶寶寶們?！疤震B蠶”這個科學設想是由香港一群中學生提出來的，為了試驗順利進行，科學家用尖端科技保證蠶寶寶在太空的“衣食住行”。這些蠶寶寶們回到地球后，已經化蛹為蛾，順利“結婚生子”，產下蠶卵。

動物航天員們曾在航天史上有著光輝的過去，將來也會長期服務于人類航天事業。上天大概不是它們的本愿也不是它們的幸福，但讓我們尊重和緬懷它們。

Q：為啥國外叫“宇航員”，中國叫“航天員”？

A：其實，不論是“航天員”還是“宇航員”，都指經過訓練能駕駛航天器或在航天飛行中從事科學研究的人。那為什么會出現不同的叫法呢？這就要從冷戰期間說起，美國和蘇聯針鋒相對，在航天領域更是如此，以至于對宇航員的稱呼都是不同的。加加林成功進入太空后，蘇聯率先將宇航員的英文名稱定為“Cosmonaut”（Cosmic意為宇宙的）直到今天這個詞依然特指俄國宇航員。1962年8月24日發行的《時代》雜志，封面人物為俄國宇航員尼克諾耶夫和波波維奇，當時的報道中就使用了“Cosmonaut ”一詞。

美國官方卻拒絕使用這個稱謂，反而新造了個名詞“Astronaut”（Astro在希臘語中意為“宇宙、天梯”），與cosmonaut并無本質區別。但兩國都固守自己的名詞體系，對別國航天員使用音譯的譯法來指代，以示區別。

而中國“航天員”的稱呼來自錢學森對航空航天的范圍定義，“航空”定義為大氣層內，“航天”為大氣層外到太陽系內，“宇航”則是指太陽系外。據說，“航天”一詞是由錢學森首創，是從航海、航空“推理”而成的。因此，我國為了更精準地描述航天活動，所以稱駕駛航天器或在航天飛行中從事科學研究的人員為“航天員”。

Q：從小我們就知道錢學森爺爺是中國的航天火箭之父，那世界的航天火箭之父是誰呢？

A：康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基（KonstantinTsiolkovsk，i 1857年9月17日～1935年9月19日），現代宇宙航行學的奠基人，被稱為航天之父。他最先論證了利用火箭進行星際交通、制造人造地球衛星和近地軌道站的可能性，指出發展宇航和制造火箭的合理途徑，找到了火箭和液體發動機結構的一系列重要工程技術解決方案。他有一句名言：“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠被束縛在搖籃里?！?/p>

童年時罹患猩紅熱，使齊奧爾科夫斯基幾乎完全失聰并因此失去了上大學的機會，但智慧超群、具有創新思維的他通過自學，提出了在當時甚至超乎科幻小說的想法。他撰寫了超過400件作品，包括大約90篇關于太空旅行和相關科目的出版物。 他的作品涉及火箭的設計、轉向推進器、多級增壓器、空間站、用于將太空船引入空間真空的氣閘，以及為空間殖民地提供食物和氧氣的閉合循環生物系統。出版于1903年的齊奧爾科夫斯基的航天器設計的外觀，是現代宇宙飛船設計的基礎。 設計有一個船體，分為3個主要部分。飛行員和副駕駛在第一部分，第二部分和第三部分擁有燃料航天器所需的液氧和液氫。

這里簡單列舉一下這位科學家預言太空時代來臨的五個最有意思的想法，其中部分如今已成為現實，其他設想則仍有待實現。希望他的一些想法，也能對我們年輕的下一代有所觸動，以科學為翅膀，放飛關于未來的幻想。

1.折疊式飛行器和鳥狀飛機

齊奧爾科夫斯基最早的發明設計之一是特殊結構的飛艇，該發明的獨特之處在于飛行器外殼的制造材料，即用金屬材料取代涂膠的布質材料，可以避免危險的化學反應，還能根據其構造改變飛行器的形狀。通過計算和試驗，齊奧爾科夫斯基得出結論：只有金屬材料制造的飛行器才能不僅滿足舒適性和安全性的要求，而且更節省成本。齊奧爾科夫斯基不斷在此方向進行探索并發明出了早于飛機出現幾十年的設計——帶有厚厚的弧形機翼的全金屬單翼飛機，他稱之為“鳥狀（航空）飛行器”。

2.反作用飛行

在1883年以日記形式創作的作品《自由空間》中，齊奧爾科夫斯基化身為一名置身于不受阻力和吸引力限制的空間講解員。正是這部作品中首次提出了宇宙空間中反作用力是移動的唯一方法的理論。其隨后的作品《利用反作用儀器進行太空探索》用最簡單的力學定律對上述結論進行了論證。也是在這篇作品中，齊奧爾科夫斯基證實了火箭具有完成太空飛行的能力。

3“. 火箭列車”

齊奧爾科夫斯基將“火箭列車”這一術語賦予了多級火箭的原型，即在地面啟動后飛入空中并進入宇宙太空的火箭組合。每級火箭燃料用完后將自動脫落并墜入地球。根據其計算，每級火箭的長度應為30米，直徑則為3米。按照齊奧爾科夫斯基的設想，建立此類“列車”不僅可以更快地實現人類進入太空的夢想，而且還能打開星際間交通的時代。

4.太空“電梯”

對齊奧爾科夫斯基而言火箭并非離開地球的唯一方式。這位科學家首次提出使用法，提出人造重力旋轉裝置的規劃。根據該設想，裝置中將能容納工業和農業生產，甚至能開發出整座移民城市。目前，該設想在“環形太空移民計劃”（俗稱“環形城市”）中得以體現，斯坦福大學的科學家正在開發該計劃。

Q：科技館里看到我國長征系列火箭的模型全家福，發現多數火箭都是圓頭的，而少數火箭的頂部卻是見見的，像是一根“避雷針”，這是為什么呢？

A：那個“獨樹一幟”的尖頭火箭應該是執行載人發射任務的長征二號F火箭，大家看到的像“避雷針”一樣的裝置其實是逃逸塔，這是載人火箭的獨有設計。逃逸塔在長二F火箭頂部，高約8米。它的作用是在火箭沖出大氣層時，一旦出現意外，幫助宇航員脫離險境，保證他們的生命安全。逃逸塔也不是越長越好，逃逸塔的尺寸是通過理論計算和試驗反復調整確定的。在設計逃逸塔時，主要考慮結構重量問題，在滿足逃逸功能所需足夠強度和氣動外形的基礎上，逃逸塔整體重量會盡可能地進行控制。

大家看到的火箭“圓頭”，其實是火箭的整流罩，但并不是所有火箭的整流罩形狀都完全相同。比如長二丙、長三甲系列火箭是圓錐結構整流罩，新一代運載火箭和執行非載人任務的長二F/T系列火箭則是馮·卡門曲線整流罩。馮·卡門曲線是一個流體動力學概念，由美國著名工程力學大師、航天技術理論的開拓者馮·卡門發現并創立，具有減小空氣阻力和載荷影響的作用。我國航天之父錢學森就是馮·卡門的得意門生。

馮·卡門曲線整流罩外表如水滴狀，流線型好，能夠減少空氣阻力和發射過程中的脈動壓力，同時減輕了對箭體結構的壓力影響，更好地保護整流罩的有效載荷。圓錐結構整流罩雖沒有馮·卡門曲線整流罩的保護效果好，但是它簡單可靠。經過多年的實踐證明，圓錐結構整流罩完全能夠勝任發射任務的要求。因此，在多型現役火箭中，圓錐結構整流罩仍然延續使用。

Q：為什么火箭有的白天發射，有的晚上發射？

A：火箭作為運載工具，選擇白天還是晚上發射，沒有特殊要求。除非遇到臺風、雷電等惡劣天氣，長征系列火箭都可以做到全天候發射?；鸺l射時間其實不是一個確定的時間點，而是一個時間范圍，被形象地稱為“發射窗口”。真正對發射時間有要求的是火箭的“乘客”—有效載荷的類型，比如衛星、飛船等，以及航天發射的其他系統，比如測控系統、發射場系統等。

有效載荷的任務一般可以分為三類。一是執行近地軌道任務的衛星，比如飛船、空間站等，對發射窗口要求不嚴格，但是發射載人飛船一般要在白天，發射中一旦出現故障便于搜救。二是執行地球同步轉移軌道任務的衛星，比如通訊、對地觀測衛星等，這類衛星一般對發射窗口要求也不嚴格。但是有些高軌衛星在進入工作軌道前，還需要完成一段很長時間的滑行。這就可能發生地面發射衛星時是白天，但衛星入軌的位置卻處在地球陰影區里的情況。這樣的話，衛星太陽帆板就可能不能及時充電。所以，很多衛星的發射時間是根據入軌時的位置和時間倒推出來的，只好在夜間發射。

三是執行探空測試任務的衛星，比如“嫦娥一號”等探月衛星，對發射窗口要求較嚴。這類衛星的發射窗口可能每月就幾天。而有行星、小行星和彗星等地外天體交會需求的探測器則為年窗口，那就是一年甚至幾年才能遇到一次了。如美國“旅行者”號探測器發射窗口數十年，甚至百年一遇。這樣就對發射時間要求很嚴格，很多都要求 “零窗口”發射，即火箭點火起飛的實際時間與預計時間偏差不超過1秒，否則就要等到下一次發射窗口。

最關鍵的是，航天活動一直講究“斤斤計較”，力爭用最少的消耗發射最大的質量。無論是火箭還是衛星，它們在飛行過程中消耗的燃料都是極其珍貴的。由于地球不停地自轉和公轉，要想讓衛星準時到達特定的位置，從火箭發射到衛星入軌、變軌等每一個環節必須掐準時間，這樣才能讓這個過程中的消耗最少。這樣一來，可供選擇的時間就并沒有那么多了。除此之外，火箭發射是一個復雜的過程，發射窗口的確定還要考慮其他因素，比如何時發射更加方便地面觀測，發射場的氣象條件，地球自轉和公轉的影響等。綜合平衡后，科研人員選擇一個最合適的發射窗口。

Q：能不能舉例詳細講講不同衛星的發射時間是怎么計算的嗎？

A：如果再詳細一點展開來講，火箭發射窗口設計是一個復雜的科學問題，一般來說，有效載荷的軌道總可以用半長軸、偏心率、軌道傾角、升交點赤經、近地點幅角、真近點角和星箭分離時刻來確定或描述，其中發射窗口對于升交點赤經、星箭分離時刻兩個因素影響最大，是設計師調整軌道面空間指向的重要手段。無論選擇什么樣的窗口，讓衛星等有效載荷準確入軌，完成它承擔的任務一直是火箭最大的目標。因此，有效載荷的不同，決定了火箭發射時間。

比如對于一些衛星來說，它會要求入軌點的位置有太陽光照，可是，由于地球自轉和火箭發射角度等因素，從火箭起飛到衛星入軌的這段時間，火箭飛行并不是直上直下的，發射場所在的位置和衛星最終入軌的相對位置是有很大偏差的。有些高軌道衛星還需要完成一段很長時間的滑行才能最終入軌。這就造成地面發射衛星時是白天，但是衛星入軌的位置卻處在地球的陰影區里。所以，很多衛星的發射時間是根據入軌時的位置和時間倒推回來的，只好在夜間發射。

而資源衛星、海洋衛星等，由于它們的任務主要是對地觀測，因此要求地面上的目標區域在它“路過”上空時有較好的光照條件和共視條件，這樣它們才能“看到”。所以，這些衛星的發射窗口也是根據衛星“路過”目標區域的時間倒推出來的，這樣能保證衛星對目標區域實施有效覆蓋。

而在向月球、行星和其他星體發射探測器時，必須在地球與被探測的目標天體處在一個有利的相對位置時來發射，這樣才能讓探測器進入一條“捷徑”?？墒?，這樣的窗口隨著被探測天體的距離的增加而不斷減少。因此，發射時間也就被限制了。以火星探測為例，最有利于探測的地球-火星相對位置大約26個月才會出現一次。若錯過這個窗口，探測所耗費的能量會大大增加，如果所需的能量超出火箭的能力，那么就無法實施探測活動了，只能等待下個窗口到來。

某些特殊的衛星，如地球同步軌道衛星和探月衛星對測控和太陽高度角有特殊要求，還必須在發射方案本身可行性的基礎上充分予以考慮。比如，地球同步軌道衛星定點過程中通常希望地面站能有效跟蹤，顯然不希望衛星飛抵遠地點附近時，我國的地面站恰好位于地球背面，無法對衛星實施有效的測控跟蹤。而像探月飛行器則需要在星箭分離后進行2～3次中途修正，并在近月點附近實施變軌，假如相應時刻剛好地面站“看不到”飛行器，那就無法及時發出指令，勢必出現“差之毫厘，失之千里”的情況。

除此之外，火箭發射窗口設計的思考因素其實還有很多，比如何時發射更加方便地面觀測、地面測控乃至飛船的著陸回收，等等。有的時候，這些條件甚至會相互矛盾，設計人員需要按優劣次序排出幾個發射窗口，考慮各方面的要求并經綜合平衡后，選擇一個最合適的發射窗口?，F在，火箭發射窗口會由專業設計人員考慮一系列因素最終來確定，遵循一整套科學、規范的流程，完全有實現億萬公里之外“百步穿楊”的充分自信，這就是科學的魅力。

Q：為什么我們要在不同的地方建好幾個發射場？

A：航天發射場被稱為“進入太空的大門”。它們要么坐落在沙漠、大山深處，要么毗鄰廣闊海域……地理位置不同，決定每座發射場適合發射的火箭也不相同，因為從不同 “大門”出發，通往不同的目的地。目前我國有四大航天發射場：酒泉衛星發射中心、太原衛星發射中心、西昌衛星發射中心和海南文昌衛星發射場，這些航天發射場各有優勢，形成了沿海和內陸相結合、高低緯度相結合、射向范圍相結合的格局?；鸺l射的軌道要求是選擇發射場的重要因素，不同的發射軌道對應不同的發射場，這種適應性是“因地制宜”。

酒泉衛星發射中心位于約北緯40°，緯度較高，適宜發射傾角較大的中、低軌道衛星。我國東方紅一號衛星、天宮系列空間實驗室都是從這里成功發射的。酒泉衛星發射中心地處戈壁灘，人煙稀少，地勢開闊，安全性好，是天地往返運輸系統理想的回收著陸場所，因此，適宜發射返回式衛星。目前，該發射場承擔著我國載人航天工程和航天員應急救生等任務。我國已發射的神舟系列飛船都是從這里成功發射的，我國11名航天員也是從這里啟程進入太空的。

太原衛星發射中心位于約北緯38°，地處高原地區，群山環抱、地勢高峻、安全性高，具備發射太陽同步衛星等中、低軌道衛星的條件。該發射場通常發射氣象、資源等太陽同步軌道衛星和部分國外商業衛星等，以便人們能從太空對地球及大氣層進行氣象觀測，還可用于勘測和研究地球自然資源。其中，“風云一號”“風云三號”系列衛星、“資源”系列衛星等都是從這里成功發射的。

酒泉、太原發射場因為海拔比較高，可以為火箭節省不少燃料，同樣的飛行海拔高度下，在這里發射的火箭起飛高度就相當于在低海拔發射的火箭飛行了約20秒的高度。而西昌衛星發射中心位于約北緯28.5°，緯度相對較低，距離赤道較近，通常發射地球同步軌道衛星等，如各類廣播通信衛星、北斗導航衛星?；鸺龔脑摪l射場起飛，能讓衛星入軌距離較近，并可充分利用地球自轉，消耗較少的燃料就能到達預定軌道。

海南文昌發射場位于約北緯19°，緯度低，距離赤道近，通常發射地球同步軌道衛星、大質量極軌衛星，承擔空間核心艙段、深空探測衛星等任務，將極大提高我國航天發射的綜合能力。文昌發射場臨近大海，便利的海運，可以解決鐵路運輸所滿足不了的大直徑火箭運輸難題;毗鄰廣闊海域，方便火箭航區和殘骸落區的選擇。從西昌、文昌發射場發射的火箭，因為發射點緯度低，軌道傾角低，與從高緯度發射低緯度傾角衛星的火箭相比，可以節省很多燃料，提高火箭運載效率。

Q：火箭發射前的檢查工作是怎么樣的呀？能舉例講講嗎？

A：這里講一個大家可能不太知道的小秘密吧。胃不舒服的人，到醫院看病，醫生可能會讓他做這樣一項檢查—胃鏡。通過長長的內窺鏡，醫生能夠看到病人胃里面的真實情況，這是最直接、最快捷的檢查方式。有意思的是，每一發火箭發動機在總裝過程中，也需要做“胃鏡”。

發動機被稱為火箭的“心臟”，承擔著給火箭提供動力的職責，它要是出了毛病，將直接影響火箭發射的成敗。20世紀90年代，一臺發動機在試車中突然出現了故障，因動力不足，不得不停機處理?？蒲腥藛T經過仔細排查后發現，原來是發動機中的微小多余物在“搗鬼”?？墒?，這些多余物都躲在發動機復雜管路里，總不能每次檢查都把發動機拆開吧？于是，負責檢驗的人員想到了用內窺鏡檢查發動機內部關鍵地方。

內窺鏡的檢查與人做胃鏡檢查十分類似，長長的軟管一端連接著攝像頭，另一端連接著目鏡或是顯示屏，操作人員可以清楚看到里面的情況，即使是復雜、拐彎等地方也不在話下。發動機總裝時，需要進行導管挫修、打孔，難免會產生毛刺。為了找到這些毛刺，員工們就會用內窺鏡插進導管里查看，即使是呈S形的導管內部，也能看得很清楚。給發動機做“胃鏡”，有效避免了多余物的產生，給火箭發射的成功又增加一份保障。

Q：為什么火箭發射時也要量“體溫”？

A：對于人來說，體溫是健康的重要指標，而對于火箭來說，“體溫”也十分重要，每次發射之前火箭也要量“體溫”?；鸺龔陌l射場“站起來”開始加注燃料起，箭體通電，“體溫”監測就開始了。

火箭上有近百臺儀器，對環境溫度有一定的適應范圍，從燃料加注起，箭體溫度就開始變化?；鸺幼r溫度很低，尤其是新一代運載火箭，使用的是低溫氫氧燃料，在發射場加注以后，火箭就像裝滿了一肚子冰水，“體溫”極低，直接考驗儀器設備在低溫下的工作狀態?；鸺c火起飛后，因為速度快，大氣的沖刷使得箭體表面升溫，火箭殼體成了個燙手的“大殼子”，內部設備儀器也跟著升溫。飛行過程中，火箭各級發動機噴出的火焰，也會影響火箭“體溫”，尤其是火箭進入太空后，在地面看到的火箭噴出的“火柱”，在這里變成了“火球”，多個噴管噴出的“火球”不斷變大，然后相互“打架”，讓火箭底部更熱。

如此冰火兩重天，對火箭里面各種儀器電纜是嚴酷考驗。據統計，受到隔溫、防熱等保護的各種儀器電纜，可承受的溫度范圍在零下40攝氏度到零上50攝氏度之間。如果火箭“體溫”超出了這個范圍，就要采取“艙段吹除”措施，就像吹空調一樣，給火箭吹風，保證儀器設備工作正常。

對于火箭這樣的龐然大物來說，量“體溫”可不是小事。長三甲系列火箭全身有幾十個測點，新一代運載火箭全身有近百個測點，“體溫”要逐點測量，每一點的溫度，都能夠說明火箭相應部位的儀器工作狀況?；鸺摹绑w溫計”也比較高大上，它們是各種結構復雜的傳感器。有測量壁面溫度的，也有測量空氣溫度的。傳感器的外形也不一樣，其中測量空氣溫度的傳感器看上去像個鼠籠，也被叫鼠籠傳感器，而測量壁面溫度的傳感器則要小巧很多。

火箭飛行過程中，實時傳到地面監測設備上的溫度數據，就是研制人員的“定心丸”?；鸺l射后，研制人員要經過數據分析，才報告火箭發射成功，這個分析就包括火箭“體溫”的分析，研制人員可以從火箭“體溫”變化、溫度范圍等，掌握發動機工作、彈道飛行、分離等動作是否規范、正常。此外，溫度數據累積得越多，研制人員對火箭承受環境的判斷越準確，這能為后續設計提供借鑒，讓火箭飛得更好。

Q：我們的航天員出征前都有歡送儀式，那國外呢？

A：中國航天人經過長期不懈的艱苦努力，終于在2003年10月15日用神舟五號飛船將中國第一名航天員楊利偉送入太空。大家眼中的出征儀式往往是航天員在每次載人航天任務之前，在酒泉衛星發射中心問天閣圓夢廣場給航天員舉行的歡送儀式。殊不知，航天員們在出征儀式前還會不約而同地做一個非常有意思的“小動作”。

在我國執行神舟五號飛行任務前，一共有3名航天員入選并同時做準備工作，他們分別是楊利偉、翟志剛和聶海勝。但是直到發射任務前一天，這3位航天員都不知道誰能成為首位飛向太空的中國人。直到2003年10月15日凌晨3點，楊利偉才被通知，確定中國飛天第一人。于是另兩位戰友拿出酒杯在開水里加了一滴干紅，和楊利偉一起喝了壯行酒，祝他旗開得勝。臨出發前，楊利偉在自己住的宿舍門上簽名留念。這一舉動從此為中國航天員執行任務前的文化傳統。從那以后，每位中國航天員出征前都會在宿舍門上簽名。

類似充滿“儀式感”的操作，在國外也是有的。俄羅斯航天員在進入太空前，會在送他們到發射場的巴士輪胎上撒尿，而女航天員會事先用瓶子裝好自己的尿液，然后灑在巴士輪胎上。這個出征儀式乍看上去不倫不類，實際上與第一位上天的航天員加加林有關。早前，蘇聯的航天服沒有設計尿液排放系統。因此航天員在穿上航天服后就無法排尿，必須在進入飛船之前排尿。當時的拜科努爾發射場還非?；臎?，連遮蔽物都沒有。無奈之下，加加林只好對著將他運送到發射臺的巴士汽車輪胎上進行“人工降雨”。

從此以后，這個無奈的舉動變成了蘇聯/俄羅斯航天員進入太空前必須履行的儀式。女性航天員由于不方便，會將自己的尿液裝入小瓶中潑在輪胎上。有意思的是，就連搭乘俄羅斯飛船去國際空間站的其他國家航天員都會毫不例外地完成這個非常奇怪的出征儀式。

美國是世界上唯一實現載人登月的國家。美國航天員在出征前的儀式比較簡單，就是吃爆米花。這個儀式的由來據說和1966年執行的雙子座八號飛船的飛行任務有關。眾所周知，美蘇從20世紀50年代開始進行太空競賽后，美國在各個領域都能感受到來自蘇聯的巨大壓力。直到“雙子座八號”實現了人類歷史上第一次太空交會對接，才在這場競爭中第一次戰勝蘇聯。而在執行此次任務的過程中，一位地面人員由于太過緊張，就打開了一個裝滿爆米花的巨大罐子并吃了起來。任務完成后，美國宇航局的不少人都開玩笑地認為是爆米花給他們帶來了好運，也就是這個玩笑，讓他們在以后的每次發射任務時都會吃上幾顆爆米花。

由于其他國家不具備獨立進入太空的能力，一般都是搭乘美俄兩國的航天器進入太空，因此在發射前一般都遵循這兩個國家的出征儀式，最多再加上一點非常個人的儀式。比如，阿富汗航天員莫德曼在發射前要誦讀一下《古蘭經》，以色列航天員伊蘭·拉蒙出發前會默念《圣經》;比較有意思的是英國航天員海倫·夏爾曼在出發前提醒家人，即便他不在地球也別忘了替他交稅……不過這些航天員所做的“儀式”都是個人行為，沒有形成固定的文化形式。