第十回 空间技术 尖端且高难物理前景 迷茫又灿烂

“二战”中，德国一共向英国发射 1120 枚 V—2 火箭。1957 年 10 月 4

日，第一颗人造卫星“伴侣一号”由前苏联发射成功。1982 年 11 月 11 日， 美“哥伦比亚”号航天飞机正式开航。前苏联发射的“和平号”第三代空间站，已显示出建立空间城市的可能性。

且说第二次世界大战结束后，科学和技术都有新的发展，技术的进步尤为突出。40 年代中期开始陆续产生的一批主要来源于科学的新技术，进入 70 年代已经形成一次新的技术革命的浪潮。自动控制与电子计算机、原子能、航天飞行器、火箭等，形成科学技术总体化发展的趋势。

现代空间技术是研究人类如何进入、利用和开发外层空间的工程技术。它包括动力推进、空间飞行器和运行制导三大技术系统。1957 年，前苏联发射成功第一颗人造地球卫星，标志着空间时代的到来。为了这一时代的到来， 人类已进行了长时间的理论和技术准备。

历史上最早出现的升空动力推进器，是中国古代发明的火箭。最迟在南宋，我国已把火箭当作武器。到了明代，已有把多个火箭绑在一起和使用二级火箭的记载，前者称为“神火飞鸦”，后者称为“火龙出水”。

到了元代，中国火箭先后传入日本、印度、阿拉伯和欧洲。19 世纪初， 英国人康格雷夫曾对火箭武器作了较大改进。这些火箭虽不能与现代火箭相提并论，但就其基本原理和基本结构来说却大致相同。

火箭技术是现代空间技术的基础。为现代火箭技术奠定理论基础和开辟实验道路的代表人物，是俄国的齐奥尔科夫斯基、美国人戈达德和罗马尼亚人奥伯特。

齐奥尔科夫斯基从 1903 年起发表了《利用喷气仪器研究宇宙空间》等一系列论文，通过严密的数学计算，提出利用火箭作为探索宇宙空间的工具的设想，建立了著名的齐奥尔科夫斯基公式。

按照他的公式，火箭排气速度的大小是决定火箭末速度的关键因素。在火箭排气速度一定时，火箭总重量与结构总重量之比则是影响火箭推力的主要条件。

根据这个原理，他提出了使用液氧作氧化剂、液氢作燃烧剂、采用多级火箭以提高质量比的构思，并计算出了第一、第二和第三宇宙速度。

齐奥尔科夫斯基公式至今仍然是火箭设计的重要理论基础。戈达德独立地研究了火箭推进原理，1919 年出版了有关著作，并亲手制造了世界上第一枚液体火箭。

火箭用液氧和汽油作推进剂，于 1926 年 3 月 16 日发射，在 2.5 秒的时

间内，上升到 12.5 米的高度，水平飞行了 56 米。奥伯特也对宇宙进行了独

立的研究，并于 1923 年出版了《深入星际太空的火箭》一书。

第一次世界大战结束后，许多国家都大力进行了火箭的研究，其中尤以希特勒当政后的德国最为积极。

德国在极端保密的情况下，集中一批科技力量，由布劳恩主持，从 1933 年起开始设计研制火箭。通过对 A 型火箭系列的研制和试验，在燃料冷却技术、发动机性能、弹道设计、制导与控制方面都积累了大量经验。

1942 年 10 月 3 日，他们成功地发射了第一枚液体军用飞弹“V—2”。

这种飞弹全长 14 米，结构重量 3.99 吨，携带 8.96 吨推进剂和 1 吨弹头，总推力为 27.2 吨，最大射程为 30O 公里，最大速度 1.5 公里/秒。

它以 75％的酒精作燃料，液氧为氧化剂，用自动控制装置从地面垂直起飞，由燃气舵和陀螺仪进行制导，用然气涡轮泵将推进剂注入燃烧室。这些技术创新成了第二次世界大战后火箭继续发展的基础。

1944 年 6 月，德国将 V—1 飞弹（喷气机推进装置）发射到英国本土， 英国用喷气式战斗机还击获得成功。

1944 年 9 月，德国使用了新武器 V—2 火箭。这已不是喷气机作推进动力，而是很好的火箭，前面已作了介绍。

对科学一窍不通的希特勒，对火箭技术不信任。1939 年 9 月，他说“V

—2 火箭在这次大战中用不上”。于是大量削减火箭的研究经费。

在完成 V—2 火箭的 1942 年，由于已经不能实现用 V—2 火箭攻击英国本土的任务，只好停止制造 V—2 火箭。因此，V—2 火箭的实用推迟了。

可以想象，如果德国 V—2 火箭的研究与制造一直进展下去，能在 1943 年用于战争，那么，英美等国军队将遭受巨大损失。

当时，V—2 火箭是从荷兰的瓦萨纳森林向伦敦发射的，速度超过了音速，因此防备 V—1 飞弹的方法对V—2 火箭无效，德国一共向英国发射了 1120 枚 V—2 火箭，有 1050 枚命中伦敦，很多建筑物被破坏，大量市民死亡。

后来德国受东西两个方面军的包围，到 1945 年，德国生产 V—2 火箭的工厂和发射基地被占领后，才解除 V—2 火箭的威胁。

在第二次世界大战中，德国的火箭技术占绝对优势。战后，苏美的火箭技术都是从继承德国遗产开始的。

1945 年 4 月，德国无条件投降的时候，以布劳恩为首的 150 名德国火箭技术科学家都向美国投降，并把 100 枚 V—2 火箭的零部件从德国抢运到美国。

在美国掠夺德国火箭技术的时候，苏联也抢占了位于民主德国地区的德国火箭研究所，俘虏了遗留下来的德国全部科学家和技术人员。总之，美苏的火箭技术正是从此开始的。

战后很长一段时间，美国并不重视火箭技术的研究，其重要原因是美国政府对火箭技术的意义缺乏认识，资本家则认为这是不赚钱的研究，也不积极。

战后的最初 10 年，用于军事目的的探空火箭和导弹的研制和发射，使火箭发动机技术、飞机控制、跟踪、遥测和遥感技术、基本元件制造技术等都得到了提高。

美国从 1946 年起开始执行一系列探空火箭计划。1947 年，美国将装有科学仪器的 V—2 火箭发射到 73 至 130 公里的高空，并用降落伞完好收回。1949 年，美国第一次给 V—2 加上第二级，发射到 393 公里的高空，真正进入了外层空间。

前苏联于 1947 年 10 月第一次发射 V—2，不久，在科洛廖夫主持下设计出 RD—101 火箭发动机，用它推动 V—1—A 地球物理探空火箭，并于 1949 年试射，将 2.2 吨重的载荷带到 2121 公里的高空。

1957 年 7 月—1958 年 12 月，国际地球物理年的活动把探空火箭的发射推向一个新高潮。

在此期间，美国发射 210 枚，前苏联发射 125 枚探空火箭，最大高度达

4760 公里，获得了有关大气层物理化学性质、地磁场、宇宙射线和太阳辐射、X 射线和紫外辐射以及陨石等大量资料。

苏美两国频繁发射探空火箭的目的，是为发射导弹武器作准备。它们同时都积极进行着导弹的研究。

为了制造大型火箭，需要动员极为广泛的科学技术力量，突破重重难关。众所周知，液体燃料比固体燃料能量大，调节使用容易，所以液体燃料

受到重视。但是液体燃料的火箭在装载液体燃料与液氧时困难，液氧的沸点为负 183 摄氏度，处理时需要特别慎重。

燃料箱壁越厚越安全，但是燃料箱壁厚就要增加整个火箭的重量，从火箭射程角度考虑，要求燃料箱越轻越好。可是，燃料箱壁太薄就不能承受高压和低温。其次，火箭燃烧室要承受 100 个大气压强以上的高压和 4000 摄氏度的高温，所以，发动机要用长时间能承受高温的耐热金属制成，并且需要冷却系统，这又使结构变得复杂。

大型火箭的内部构造也是非常复杂的，在内部实际上有几十万个部件。它一方面承受极高的高温，另一方面又得经受极低的低温的考验。所以一切要求都很高，只要有一点差错就不能运转。

前苏联在 1950 年开始研究射程为 3000 公里的火箭，1954 年 6 月完成了

这个工程。这种火箭己属于 2000 至 6000 公里射程的“中程弹道导弹”，它能从莫斯科飞到伦敦。当时赫鲁晓夫就曾用这种火箭威胁过英国和法国。

美国于 1950 年在布劳恩主持下开始实施“红石计划”，1953 年 8 月试飞成功。红石中程导弹在技术上有许多新进展：它有极好的制导系统，由带有空气轴承陀螺仪的稳定制导平台、空气轴承加速表和空气轴承校平摆组成。它还首次在自动控制装置中利用了晶体管，使导弹的命中精度提高。

以后，美国又批准了第一代远程导弹 MX—774 和 MX—1593 研究计划，但初期进展缓慢。1953 年 8 月 12 日苏联在空中爆炸了一颗氢弹后，才刺激了

美国，使它在 1954 年决定给“宇宙神”计划以最高的优先权尽快研制。且说第二次世界大战后，前苏联的导弹研制优于美国。

苏联在中程导弹取得成功以后，立即开始洲际导弹的研究，并制订了研制洲际导弹的计划。

为了造成更大推力，前苏联采取了新的“集束式”技术路线，设计出全燃烧室发动机，使几个燃烧室共同使用推进剂贮箱，各有自己的喷管，联合起一个大发动机的作用。为避免一级火箭脱落后二级火箭不能及时点火的危险，在主动机上又附加四个助推器，各有独立的发动机系统，发射时一起点火以加大推力，上升到一定高度后再抛掉助推器以减轻重量。

按照上述思想设计的 RD—107 和 108 火箭发动机于 1954 年制造成功。然后以 108 为主发动机，107 做助推器，制成了 SS—6 洲际导弹，总推力达 504 吨，并于 1957 年 3 月 3 日首次试射。

事实表明，发射射程为 8000 公里的导弹所需要的动力和发射人造卫星所

需要的动力是相等的，这两方面都需要每秒 8 公里的初速度，从而可知，发射与洲际导弹弹头重量相等的人造地球卫星是可能的。

只要能解决火箭或导弹的自动控制技术的问题，人造地球卫星就可以发射了。

1957 年 10 月 4 日，第一颗人造卫星“伴侣一号”由苏联发射成功，这

颗卫星就是用这种火箭送入轨道的。

这颗球形卫星直径为 58 厘米，重量为 83.6 公斤，球上有 4 根长度为 2

米多的天线。卫星飞行的最高高度为 900 公里，绕地球一周为 1 小时 35 分钟。人造天体的诞生，空间科学时代的到来，对世界是一次冲击，特别是对

美国、西欧各国的刺激、震动最大。

人造卫星发射成功，表明科学技术已经进入一个新的发展阶段。特别是电子学、金属学、热工学、化学燃料的研究已达到一个相当高的水平。同时， 它还会对物理、天文、化学、地球科学和生物学等的发展产生巨大影响。

现在，对人类来说，地球显得小了，人造地球卫星绕地球一圈只需 1.5 小时，这对今后和平利用宇宙空间、开展国际间交往和合作提供了美好前景。

前苏联在发射第一颗人造卫星以后一个月，1957 年 11 月 3 日发射了带

狗上天的人造卫星“伴侣二号”，其重量为 508.3 公斤，最高飞行高度为 1500 公里。

第二颗人造卫星发射的目的是观测狗在宇宙空间的生活状况。在卫星内部有空气再生装置、定期给狗提供食物的装置和保持一定温度的装置。

这些装置顺利地工作，对狗的呼吸、脉搏、血压能够很快测定出来，一切正常，这说明载人飞船指日可待了。

在这颗人造卫星上，还装有很多重要的观测设备，其中包括测量宇宙射线、大气层以外的电子密度和太阳紫外线等重要数据的设备，它对空间科学的发展是一大推动。

到 1965 年时，前苏联已使用了能把 5500 公斤的有效载荷送到月球轨道、

可载 4650 公斤进行火星飞行、可将 3000 公斤送入地球同步轨道的多级火箭，

并用它将几个 18.6 吨的“礼炮号”航天站送入太空。

前苏联火箭—导弹的巨大成就震惊了美国，促使它从 1955 年起同时加快了洲际导弹“宇宙神”和中程导弹“丘辟特—C”、“雷神”计划的执行。同年 9 月，美国又开始了“大力神”洲际导弹计划。

“宇宙神”火箭系统的技术特点是：利用弹壳本身作为推进剂箱的外壳以减轻结构重量；用万向架喷嘴代替燃气舵；依靠与制导系统联在一起的可旋转喷嘴保持预定方向；采用助推发动机和微调发动机设备，以加强推力、精确调整位置和速度。

1957 年 12 月 7 日，“宇宙神”首次试飞成功。1959 年 1 月 6 日，使用液氧煤油二级火箭结构的“大力神”也试飞成功。

60 年代至 70 年代，美国的航天器主要都是由这些火箭系列再加上“上面级”构成的多级火箭发射的。

60 年代初，美国开始实施“阿波罗登月计划”，从而使火箭技术发展到了新高峰。

运载阿波罗航天器的“土星”系列火箭是实现这一计划的关键。 “土星—V”是三级火箭，第一级由 5 个用液氧、煤油为推进剂的“F—1”

火箭组成，总推力为 3400 吨；第二级由 5 个“J—2”发动机组成，总推力为

520 吨；第三级只有 1 个“J—2”发动机，推力为 92 吨。

整个“土星—V”可将 1150 吨负载推入低地球轨道，将 450 吨负载推上月球，到目前为止它仍是推力最大、有效载荷量最大的先进火箭。

“土星—V”火箭的“J—2”发动机使用的是液氧—液氢推进剂，比冲高达 424 秒，并有第二次点火的能力。它装有最先进的电子制导系统，可保证

火箭稳定飞行。

1967 年 11 月，“土星—V”首次试飞成功，1969 年，它把阿波罗航空飞船送上月球。

火箭是现代空间技术的动力装备，没有它，所有的航天飞行都不能实现。通过上面的介绍，可以看出，火箭已具备这个能力。但是，可以在空中运行并执行任务的，则是由火箭送入轨道的各种航天飞行器。

前面已说明，第一颗人造地球卫星是由前苏联发射的，它标志着“空间时代”的开始。从此，各种人造卫星陆续升天，现已达 3000 多颗，其中苏、美占 90％以上。

我国从 1971 年开始到如今，也发射了 19 颗卫星，成为 5 个能独立发射卫星的国家之一。

人造地球卫星按用途大体上可分为侦察卫星、通讯卫星、气象卫星、资源卫星和科学卫星五大类。为了军事和政治目的，其中以军事侦察卫星的数量最多。

美国从 1959 年开始试验发射照相侦察卫星，1962 年投入使用，属于第一代侦察卫星，其分辨力低，工作效率短。

到 70 年代末，照相卫星发展到了第四代，水平有了显著提高，如分辨率

高于 0.3 米，从 160 公里处拍摄的照片可分辨出汽车的型号，照相胶卷可以

随时收回。卫星可变换轨道高度，它的寿命可达 179 天。

此外，海洋监视卫星、导弹预警卫星、核爆炸探测卫星等也发展起来了。苏美两国现在都发射了多种侦察卫星，互相搜索着对方的军事秘密。

通讯卫星发展得也较快。早在 1945 年，英国的克拉克就论证了在空间建

立通信中继站的可能性和优越性。1958 年 12 月 18 日，美国发射了第一颗通信卫星“斯科尔”号，它是一个单向传输延迟通信卫星，轨道低，使用寿命仅 13 天。

1960 年 8 月 12 日和 1964 年 1 月 25 日，美国又先后发射了“回声”1

号和 2 号，转发宽带信号良好，能够传输电话、电报和传真。

1963 年至 1964 年，美国发射了三颗试验性同步卫星，其中“辛康—3” 号获得成功，可通两路电视。

1965 年 4 月 6 日，以美国通信卫星公司为首组成的“国际通信卫星财团” 发射了一颗半试验半实用的同步卫星“晨鸟”即“国际通信卫星—1”号，从此通信卫星从试验阶段转入实用阶段。

从 1965 年至 1971 年，国际通信卫星发展了四代，在转发器、天线、稳定系统、通信体制、卫星功率、通信容量和工作寿命等方面每代都有提高。 1974 年 7 月 29 日，前苏联才发射了第一颗同步卫星，并成为环球通信

系统的组成部分。

1984 年 4 月 8 日，我国发射了第一颗地球同步静止轨道卫星，4 月 16

日定点成功。1986 年 2 月 1 日，我国又成功发射了一颗“实用通信广播卫星”。通信卫星系统具有容量大、覆盖面广、通信距离远、可靠性高、灵活性

好、速度快、投资少和费用低等优点，所以发射数量迅速增加。

现在同步轨道卫星的数目已使轨道可容量饱和，今后的发展方向最终是建立大型同步通信站。

由于加强气象预报和勘察资源的需要，气象卫星和资源卫星应运而生。这两种卫星在技术上的特点是使用高功能遥感仪器，因此，它和遥感技术联

在一起。

1960 年 4 月，美国开始发射“泰勒斯气象实验卫星”，接着又发射了一系列气象卫星。

美国第一代气象卫星基本上采用的是一系列可见电视的摄像技术，接受白天云层对太阳可见光反射的光信号，取得白天光云图资料。

第二代使用双波段扫描辐射计，除接收可见光反射辐射外还接受红外辐射，可分辨 0.85 公里高度的云层结构。

第三代使用的扫描辐射计发展到 4—5 个波段，装置了泰勒斯垂直探测

器，可给出距地 50 公里的温度、水汽和臭氧含量等资料，用数字传回地面。同时，前苏联也发射了一系列“流星”气象卫星。1974 年世界气象组织

还施行了“全球大气研究计划”，美、日、西欧等国按计划发射了几颗同步和极地轨道卫星，构成了全球气象卫星网。

美国从 1972 年至 1982 年连续发射了地球资源卫星“陆地卫星”1—4 号。

苏联从 1977 年开始发射地球资源卫星“宇宙—912”。

美国还发射了“海洋卫星”系列，进行海洋资源探测。

资源卫星上均装有高分辨率的电视摄像机、多光谱扫描仪、微波辐射仪等遥感仪器，可提供地下矿藏、地下水源、海洋资源、地质地貌、植物分布、作物生长等多方面的资料数据，具有重要的经济意义。

除了各种应用卫星之外，无人航天器还有科学卫星和空间探测器。科学卫星是专门用来进行各种科学研究的地球卫星；空间探测器是用于科学考察的星际飞行器。

1964 年 9 月美国开始发射轨道地球物理观测站系列，卫星重量超过 500 公斤，分别携带二三十种实验仪器，在不同轨道上探测不同项目，如宇宙线、磁场、极光、微流星、星际大气和太阳耀斑等。

连续发射的空间探测器，先后对月球、金星、火星、水星、土星、木星和天王星进行了程度不同的考察。

1959 年，前苏联发射的“月球—3”号拍回了月球背面的照片。此后发射的“月球”系列曾在月球上软着陆，取得了大量资料，带回了月球土壤。 1962 年 8 月 27 日美国发射了“水手—2”号，首次对金星进行了 42 分

钟的考察。1964 年 11 月 28 日发射的“水手—4”号于 1965 年 7 月 15 日逼近火星，拍摄了火星表面 1％的照片，其后“水手”6 至 7 号也都成功地飞经了火星。

美国于 1972 年开始执行探测木星和土星的“旅行者计划”。旅行者—1

号于 1977 年 9 月 5 日发射，旅行者—2 号于同年 8 月 20 日发射。

两个“旅行者”具有良好的信息传输系统、制导和温控设备、可靠的部件，并使用了核电源；它们携带 11 种科学实验仪器，可以执行宇宙射线、磁

场、等离子波等 11 项科研任务。

现在它们已完成对木、土星的探测，其中 2 号于 1986 年 1 月 24 日抵达天王星的最近点，以后它将离开太阳系进入茫茫的宇宙，带着录有“地球之间”的铜盘唱片，寻找不知是否存在的“外星知音人”。

载人宇宙飞船和地球轨道空间站的发射成功，在空间技术发展史上具有重要意义。

载人飞船和空间站除了发射、飞行、制导技术要求更高之外，关键问题是必须解决返回技术，并保证人的安全。经过多次实验，苏美两国都在 60

年代解决了这种返回技术，开始了载人飞行。

1961 年 4 月 12 日，前苏联第一次发射飞船成功，把宇航员加加林送入

地球轨道，运行 108 分钟，安全返回地面，开辟了人类航天的新纪元。

这一成功震动了美国，美国总统肯尼迪在国会上指出要在 10 年内把人送

上月球并安全返回，并批准了“阿波罗登月计划”。1969 年 7 月 16 日，阿波罗—11 号发射成功，宇航员阿姆斯特朗、奥尔德林登上月球，7 月 25 日返回地球，取得了完全的成功。

1973 年 5 月 14 日，美国利用“土星—V”火箭，发射“天空实验室—1”

号，并取得成功，该实验室重 82 吨，携带 58 种科学仪器，美国还用阿波罗

飞船作为交通工具，先后共把 9 名宇航员送进实验室，进行了 20 多种科研。在此期间，前苏联则以建立空间站为重点与美竞争。

空间站具有多学科实验室和多用途卫星的作用，是今后建设太空工厂和太空城市的技术基础，还可以作为更远宇宙飞行的中继站，预计它是今后空间科学技术的重点发展方向。航天飞机兼具飞船和飞机二者之长，是可执行多种任务和反复使用的航天器。它的技术要求更高更困难。

但到 60 年代末，人类已经掌握了大推力火箭、载人飞船、空间站和大型喷气客机等技术，研制航天飞机的条件已经成熟。

美国于 1970 年 7 月开始设计航天飞机，1976 年 2 月确定采取“哥伦比亚”设计方案。“哥伦比亚”航天飞机由轨道器、助推火箭和推进剂外贮箱三个主要部分构成。

轨道器分前、中、后三段，前段载人，中段载各种仪器设备和准备施放的卫星，后段装使用液体燃料主发动机，推力为 510 吨。助推火箭有两个，

使用固体燃料，重 580 吨，推力为 1315 吨。推进剂外贮箱内有两个分装液氢和液氧的贮箱，为轨道器主发动机提供燃料。

飞行过程分上升、轨道飞行和返回三个阶段。发射时助推火箭和主发动机同时点火，先垂直上升，到 50 公里高时，助推火箭熄火并与轨道器自动分离，溅落在海面上由船只收回另用。

在将进入绕地轨道时，主发动机熄火，抛掉外贮箱，另由两台机动发动机推动，进入地球轨道，轨道器开始绕地球无动力飞行，乘员执行各项任务。

在返回阶段，机动发动机再次点火，进行制动减速，使轨道器脱离轨道， 进入大气层时则利用大气摩擦减速，靠轨道器的机翼滑翔下落。

“哥伦比亚”号经过三次试飞后，于 1982 年 11 月 11 日正式开航，将两颗卫星发射到预定的地球同步轨道位置上。

1983 年美国第二架航天飞机“挑战者”号也试飞成功，到 1986 年 1 月

28 号“挑战者”号进行第 10 次飞行时发生爆炸事故为止，美国航天飞机共

飞行了 24 次。

前苏联还没有发射航天飞机，但研制的第一台样机已基本装成，并于1986 年 12 月完成了发射前的各种检验和试验工作。

这架航天飞机与美国的“挑战者”号不同的是：它把四个液体推进剂捆绑式助推器都装在轨道飞行器上，在轨道器的尾部加装了喷气发动机，三台主机则装在外挂燃料箱上。

航天飞机的出现是空间技术发展史上的一个重要阶段，但最初几次飞行后，人们从几个方面已认识到它还存在不少需要继续解决的问题。

因此，在“挑战者”号不断发射的过程中，改进研制就已开始了。其目

的在于制出能水平起飞，能平稳返回地面的航天机。

美国于 80 年代初开始进行“X—30”研究计划，后来该计划公开名称叫“东方快车”，目前正加速进行。

英国则正在研制一种“霍托尔”航天机，按照设计，该机有效载荷舱长

7.8 米，起飞总重近 200 吨，总长 63 米，翼长 20 米。

起飞时，在跑道滑动 2300 米，用滑车加速到 540 公里/时，然后离地升空，2 分钟后达到超音速，9 分钟高度可达到 26 公里，速度达 5 马赫，然后由液氧火箭发动机发动，最后进入绕地轨道。

欧洲航天局也正在研制一种由法国设计的“赫姆斯”小型三角翼航天飞机。它只有喷气战斗机那么大，预定由“阿丽亚娜—V”火箭发射，返回时可在普通机场着陆。

联邦德国 1986 年 6 月又向欧洲航天局提交了“詹格尔”航天飞机方案， 它的设计是上下两层（级）。

发射后在第一级飞到约 30 公里高度时，第二级开始点火，继续飞向轨道，第一级脱离第二级返回地球，还可单独作喷气客机使用，第二级完成任务返回地球时亦能在机场降落。

综上所述，从火箭到航天器，可以看到，空间科学技术是一门综合性的科学技术。没有电子学与电子计算机、自控与遥控、遥感与遥测、材料和能源等科学技术的发展，就不会有空间技术。

反过来，空间技术发展中需要解决的问题，又推动了这些科学技术的研究与进步。所有这些，都使空间技术为人类创造了难以估计的经济效益与社会效益。

人类已着手准备在空间建立卫星太阳能电站，卫星电站可把太阳能转化为电能，再通过微波发射输送给地球。

卫星太阳能电站一旦取得突破，将给人类提供清洁、安全和极为丰富的能源。现在许多国家都在研究利用大型电池板转化太阳能的技术，并取得进展。

人类已在准备建立空间工厂。空间特有高真空、无重力、无尘埃的优越条件，可以制造在地球上无法制造的高纯度、高精度、高功能的特殊合金等材料和产品。

现在建立空间工厂的技术基础已初步具备，可以预期在不久的将来这种理会由少到多，由小到大地逐步实现。

人类已在设想建立空间城市。空间城市要有居住、生活、生产和科研等环境条件，是一种具有系统配套设施的综合空间，体积要比空间站大得多， 技术上有更高的要求和困难。

美国有的科学家已经指出，前苏联发射的“和平号”第三代空间站，已显示出建立空间城市的现实可能性。

人类已准备开发月球。月球离地球最近，也知道它虽是一个没有生命的荒凉世界，但却是一个丰富的资源宝库，铁、钴、钛、铀、钍等重要金属原料都有蕴藏，而且建立生产和生活设施所需的材料，月球本身能提供 90％以上。

月球开发不但可以成为新的生产基地，成为宇宙航行的中继站，还可以成为地球人类的“殖民地”。

美国已决定耗资 100 亿美元建立月球太空城，计划第一步于 2007 年先在

月球上建立太空基地，以此为基础再行扩大。

人类还在准备登上其他星体，更深入地探索宇宙奥秘和利用宇宙空间。苏美两国都已有登上火星的计划。

宇宙是个广阔无垠的空间，依靠空间技术的发展，人类将改变被束缚于地球表面的状况，扩展自己的活动范围。

除了空间技术以外，我们再谈一下物理学在其他几个领域里的发展情况。

雷达技术是电子应用技术发展的一个重要方面。雷达是无线电探测和定位的简称。它的基本原理是电磁波遇到物体时被反射回来并在荧光屏上显示。

1922 年马可尼提出用电磁波进行探测的论文后，美国海军研究实验室验证了他的设想。

1925 年，美国开始研究利用脉冲调制技术探测目标的手段，1936 年，研制成第一台脉冲式雷达装置。

1935 年，在沃森瓦特的建议下，英国空军开始雷达的秘密研究，并很快用于第二次世界大战中的飞机舰船的报警系统。

1939 年 9 月 1 日，即第二次世界大战爆发的时候，英国已在东海岸建立

了雷达网。1939 年 9 月 7 日，德国空军开始轰炸英国领土。

但是，英国通过雷达总是在德机没到之前就派出战斗机迎击，使德军一筹莫展，被迫将白天轰炸改为夜间偷袭，但由于雷达昼夜都能发挥作用，德国轰炸仍然不能达到预期目的，德国空军只好放弃轰炸英国的念头。

当时，人们使用最短的电波波长为 1.5 米，而雷达所使用的波长越短越

有效。英国物理学家于 1939 年秋季开始研究厘米波，1940 年 7 月试制成功发出厘米波的磁控管。

深深了解雷达重要意义的美国，在物理学家拉比的领导下，从 1940 年 8

月起投入大量资金，有组织地进行雷达的研究。到 1942 年 7 月，制成了用磁控管的雷达装置。

在这以后，美国科学家又制出了比磁控管雷达更好的克来斯管雷达。1942 年末，英美利用装备了雷达的有利条件，发起了对德日的进攻。

临近大战结束时，德国也制出 600 兆赫的雷达，可惜它还未来得及用于战争。雷达技术的重大发明是在可以发射高频率微波的磁控管问世以后。

第二次世界大战中，美国和英国利用高频率的微波管先后制成了先进的雷达系统，用于投弹指挥和报警。战后，雷达技术继续发展。

1946 年，美国成功地探测了从月球反射回来的雷达信号，这实际上是射电天文学的开始。电子计算机发明以后，雷达和计算机结合起来又出现了自动雷达侦察系统，在导弹防御系统、空间飞行的跟踪及定位等方面发挥重大作用。

自动化技术是不由人直接操纵而利用一定装置，对机器或其他设备进行程序控制，使之准确实现预定目的的技术。自动化可以提高效率，节约人力， 对各种劳动、工作和生活都有重要意义。

我国古代用以计时的“铜壶滴漏”、自动记录行程的记里鼓车、自动指示方向的“指南车”以及欧洲中世纪出现的钟表等，都是早期自动装置的雏形。

进入 20 世纪，自动控制技术有了飞速发展，自动调节进入了系统水平。

到 50 年代末，电子计算机用于辅助设计之后，又促进了自动调节系统的更快发展。

自动调节系统是在与自动化技术科学相互促进中前进的。自动化技术的提高促进了自动化技术科学的产生和发展，自动化技术科学的指导又使自动化技术得以更快地提高。

在第二次世界大战期间，由于火炮、雷达、战斗机等设计和生产的需要， 科学家和工程师们在总结以往自动调节器、反馈放大器等控制技术的基础上，逐渐形成了调节原理、伺服系统理论，并以此为指导生产了具有高精度、快速响应的伺服机构的武器装备。

1949 年，美国数学家维纳出版了《控制论》一书。控制论是一门以数学为纽带，把横贯工程、技术、通讯、人的神经生理病理等自动控制的共同规律加以提炼而形成的一门边缘学科，它把人和机器的自动控制统一起来进行研究，为自动控制技术的发展开创了新路。

随后，经典控制理论成立，自动化技术科学已经形成，自动化技术开始成为一门将应用数学、控制论、信息论、电子学、电子计算机等多种现代科学技术结合起来，运用推理、判断、测量、操纵等多种精密技术的科学。

从自动化技术科学形成和经典控制理论建立之后，第二次世界大战后 30 多年来的自动化技术，主要是在自动控制科学理论的指导下继续发展的。

现代控制理论是由匈牙利出生的美国学者卡尔曼奠基的。他以维纳的控制论为基础，引进了数学计算方法中的“校正”概念，吸取了“最佳化”研究的成果，发表了一些著作，对控制系统的属性和关联作用提供了深入的认识。

微处理器、高集成度的半导体存贮器的发明和电子计算机的发展又使控制装置形成为一个综合控制系统成为可能。

70 年代以来，随着经济、科技和社会的进步，各种社会部门和机构的规模越来越大，活动内容日益复杂，人们把这种规模庞大、内容复杂而又紧密联系的动态整系称为大系统。

可想而知，大系统和复杂系统的控制难度很大，大系统理论或大系统工程学也难于在短期内十分成熟。但 70 年代以来的大系统研究已取得了颇为丰富的成果，大系统理论也已具有了相当的基础。

大系统工程的一个重要特点是，它不但要控制物质、机器系列，更重要的是把人、事、物统一起来实现综合控制。

现在大系统理论已同计算机、电子学、信息科学、经济管理学、生理和环境等许多现代科学技术相互渗透，成为一种非常重要的交叉科学或软科学学科，在大科学、大工程、大经济和社会管理中得到广泛应用，也使自动化控制技术发展到一个新水乎、新阶段。

在复杂系统和大系统自动控制技术不断取得进展的同时，实现智能控制是自动化技术已经呈现出来的一个重要发展趋势。

所谓智能控制主要是指利用智能机进行自动化操作和自动化管理，而智能机本身就是一种自动化技术高度发展的反映，利用智能机进行系统的控制和管理则又是系统控制技术的深化发展。

智能机器人是具有仿人智能的自动机器。1959 年，出现了弈棋机器人， 它战胜了自己的设计者和美国一个州的跳棋冠军。

60 年代后期，出现了一些工业用机器人，可以自动进行一些简单的搬

运、装配和某些连贯性操作。

70 年代初研制出的机器人已具有一定的环境识别能力，逐步解决了多关节手臂、步行、手脚协调、根据对象的简单位置变化作出自适应调节等问题。

1969 年，美国斯坦福研究室研制的一个机器人就可以爬高摘香蕉。到此时为止出现的实用机器人，虽然是自动化的，但还不是真正具有智能的，它主要还是代替人的体力劳动的机器。

能够代替人的智力，或者说具有一定人的智力的才是真正的智能机，它不但要能进行环境识别，还要能进行分析、判断、决策，做出相应的变化， 直到能够与人对话，领会和执行人的口述命令。

70 年代微处理器出现以后进行的人工智能研究，加快了智能控制的步伐：机器翻译与定理证明、程序设计与程序检验的自动化，可以自学的信息

—咨询系统、使用自然语言的人机对话、对复杂系统过程的自动控制等方面都陆续开展了研究并取得了发展。

1972 年，美国斯坦福大学的费根巴欣研制出医用“专家系统”，可以代替人进行诊断和处方。

1981 年，日本富士通公司的一家工厂已经利用机器人建立了无人车间， 原料进厂、零件加工、机器装备、故障排除、产品进仓等都由机器人担当。

可以预计，随着超大规模集成电路、微电器和电子计算机向更高水平发展，大系统的智能控制水平也将进一步向广度、深度发展，对社会生产和各个领域都会产生深刻的影响。

激光技术的理论基础是由爱因斯坦奠定的。他指出，能量辐射有自发辐射和受激辐射两种方式。

在受激辐射过程中，一个处于高能态的粒子在一个频率适当的辐射量子的作用下，会跃迁到低能态，同时发射出一个与入射量子同样频率的辐射量子。

按照这一理论可知，如果能采用某种激励方式，形成高能态粒子多于低能态粒子，即“粒子数反转”的状态，则在外界辐射场作用下，受激辐射过程就会占优势。

对应于光辐射来说，处于粒子反转状态的光源，只要有一个粒子引发， 就会迫使另外一个处于高能态的粒子辐射出一个与之相同的光子，这两个光子又会继续激射下去，实现光放大，再加上适当的谐振腔的反馈作用，就可以发射出激光。

有了理论基础，还要有技术条件。微波波谱的研究和微波激射器的发明， 为激光器的涎生作了必要的技术准备。

在第二次世界大战中为研究雷达而成熟的一批物理学家，他们把光谱学、波谱学和微波电子学结合起来，开创了微波波谱学。

随着这门学科的发展和许多微波波段的发现，粒子数反转的可能性和利用受激辐射实现相干放大的问题，逐渐引起了他们的兴趣。

自从爱因斯坦提出受激辐射原理之后，一些科学工作者和工程师们就沿着这一方向继续从理论和技术上进行更为具体的研究。

1924 年，荷兰物理学家克喇末将拉登伯格色散公式用于激发原子，证明受激辐射过程存在“负吸收”。

1928 年，拉登伯格和克夫曼在研究由放电受到激励的氖气时，首先从实验上证实了受激辐射的产生。

以后他们用实验验证了粒子数反转，此后，各种微波激射器相继问世。微波激射器的诞生，打开了相干放大波长为厘米或更短的电磁波大门，也为激光器问世准备了条件。

在微波激射器不断改进的过程中，继续向更短的波段努力。在向毫米和亚毫米波段进军时，在技术上遇到了实现粒子反转和制造谐振腔的困难。

1958 年，肖洛和汤斯首先公开发表了在光频段工作的激射器即激光器的理论分析和设计方案，提出了开放式谐振腔的设想，讨论了可能用于激光器的工作物质等。

1960 年 7 月 7 日，美国的梅曼报告了他制成第一台红宝石激光器的消

息，同年 8 月 6 日在英国《自然》杂志上正式公布了这一结果。

这台激光器采用脉冲氙灯进行光激励，激光以脉冲方式输出，波长为6943 埃，峰值功率为 10⁴ 瓦。

1960 年 12 月，贾万等人在两周时间内又连续制成两台在 1.15 微米处工作的氦氖激光器，并将这两台激光器的输出平行地重叠在一起，输入一个光电管中，形成了清晰的正弦波形拍频信号。

激光所具有的极好的相干性、单色性、方向性和亮度得到了实验的证明。第一台激光器诞生以后，由于它表现出一系列优越性，加上不断发展的

放电物理学、等离子物理学、高能物理学等相关科学给它的支持，激光器品种和输出水平的进展十分迅速。

人们不但希望能有不同波长和不同用途的激光器，而且希望激光器能像收音机那样可以自由调频。这一希望由于激光器的工作物质范围的不断扩大而得以逐步实现。

1966 年以后，可调谐的激光器陆续问世，它对光谱学、非线性光学、光通信和同位素分离等科学技术领域的研究有重要价值。

激光技术的进展还表现在大能量激光器的出现上。大能量是制造激光器武器和激光核聚变的前提条件。

1964 年，佩特耳研制出有较大能量的二氧化碳激光器以后，人们看到气体工作物质是制造大能量激光器的一个现实方向。在研制高能量二氧化碳激光器的同时，人们又发现不必靠外部电源的化学激光器也是产生高能量的另一有效途径。

激射超短脉冲和巨脉冲的技术成就是激光技术发展的又一重要表现。调Q 技术、腔倒空技术和锁模技术，是其中几个主要成果。

自由电子激光器的研制成功，是激光技术发展中的重大成就。目前人们正在研制可以产生长波端的毫米波和短波端的 X 射线和 V 射线的自由电子激光器。

激光的高亮度与物质作用时所产生的极强的热效应，可以用来对工业材料进行打孔、切割、焊接等精细加工。

由于激光的热效应，它不但对硬性、脆性和柔性材料都可以切割，而且速度快，质量好。激光焊于 1964 年开始应用。

激光能焊接高融点或极易氧化的金属，还能进行不同金属之间以及金属和非金属之间的焊接。对微电子器件引出线的焊接具有明显的优越性。现在已经形成了一门相对独立的激光工艺学。

激光医疗与激光工艺的原理类似。激光最早被用于焊接脱落的视网膜， 以后又用于治疗青光眼和进行角膜移植。

1972 年，激光开始作为“手术刀”用于脑、胸和普通外科的精微手术。近来用激光治疗鼻癌、皮肤癌等也有疗效，激光现已成为治疗许多内、外科疾病的常规手段。

激光用于通信是通信技术的一次革命性进展。

因为光也是一种电磁波，所以激光通信与电通信在原理、结构和过程方面基本相同，而且它具有信息容量大、保密性能好、抗干扰能力强、结构简便、设备经济等许多优点。

近年来美、日、西欧等国每年都在扩大激光通信线路，我国也已开始起步。目前实用的光纤最高水平能通 15000 话路，同时传输几套电视。

激光用于激光电视唱片制作、全息照相和传感，也是它为信息技术发展所作的贡献。

激光用于引发可控热核聚变已不断取得新进展。巴索夫首先提出用激光加热获得高温等离子体的可能性。

激光分离同位素是激光应用的一个重要方面。过去用气体扩散法对铀235 进行浓缩需多次重复，花费很大，用激光分离基本上一步就能达到所需的浓度。

用激光制造战略武器一直受到超级大国的重视。激光武器的原理就是利用激光的高辐射能量摧毁对方目标，激光武器具有速度快、命中率高、可迅速改变方向等优点。

美国凯特兰空军基地进行地面激光射击试验：1978 年初，用氟化氢化学激光器摧毁了一枚正在高速飞行的反坦克导弹。1979 年，美国海军用激光打下一枚慢速飞入目标区的导弹。

美国于 1985 年开始实施“战略防御系统计划”，也把激光武器作为拦击导弹的主要手段之一。

此外激光还被用于制作激光准直仪、激光雷达、激光测距仪以及用激光进行育种和各种科学技术研究等。目前，激光工业正在迅速发展，它将和电子技术一起深入社会生活，为人类造福。

现代物理学分为基础理论和应用技术两大部分。基础理论大致有基本粒子物理学、凝聚态物理学和天体物理学三个方面。应用技术学科非常之多， 大致有工程学科、离子体物理等尖端学科。

基本粒子物理学，通常称为高能物理学，这门学科目前已成为物理学中最基本也是最重要的领域。人们预测，用数学模式把所有基本粒子和相互作用联系在一起的宇宙“大统一体”的研究，不久有可能取得成果。

凝聚态物理学，是研究原子、分子、固体、液体直到生物大分子的各种特性以及这些特性与一切辐射形式相互作用的一门学科，它正向物质更复杂、更高级的运动形态研究方向推进。

天体物理学的主要任务是研究天体起源和演化。今天的天体物理学从理论上对宇宙的总体和每个局部都在进行研究，这将使天体演化规律的研究有所突破。

激光是发展极快、应用面广的一门新技术。预计到本世纪末，将出现一个新兴的激光工业部门，由于激光的促进，光学、光谱学将获得迅速发展。电子学是一门内容丰富、应用广泛、发展迅速的学科。虽然发展迅速，

但仍有光电子技术、声电子学、分子电子学等重大领域有待进一步开辟。 研究等离子体物理，是实现受控热核反应的基础。受控热核聚变有可能

在 21 世纪初形成新的、无污染的能源。

此外，固体力学、流体力学、电磁流体力学、爆炸力学等许多物理学在技术领域中的分支学科也都将获得进展。

附 录：