征服北极的人类飞行

人类对北极的探索一直没有停止过，热气球“飞鹰号”载着三个探险队员一去就再没有回来，然而人们并没有就此罢休，相反地更加努力地工作。当飞艇日益完善后，又有一批征服者踏上了征服北极的征途。

1926 年，一艘意大利飞艇“挪威”号，从罗马出发，长途跋涉 7600 公里，到达了北极圈内的斯匹次卑尔根群岛。5 月 11 日，飞艇向地球最北边飞行，飞艇的驾驶舱内只有三个人，他们是：挪威驾驶员阿蒙德孙，他是当时最著名的北极探险家，另外两位是美国人拉尔孙和意大利设计师诺别列。

在雾气迷蒙的北极飞行，每前进一米都充满了危险，越向北，飞船变得越重，螺旋桨击碎着冰块，飞艇上下颠簸着，每位船员都是高度紧张，用他们惊人的毅力和熟练的技术与天公抗争着。

地面上，冰原纵横地布满一条条冰裂缝，雾气笼罩着他们的视线，飞艇艰难地向北移动着。5 月 12 日深夜，阳光突然穿透了云雾，照射在结满冰层的飞艇上，阿蒙德孙放下手中的航程计算器，庄严发布命令：“准备旗子，北极就在我们下面！”

拉尔孙手中捧着六分仪，激动地半跪着，对准太阳测量，经过仔细计算后，同意地说：“不错，我们是在北极上空！”

在距地面 100 米高度，飞艇发动机关闭了，舱门打开了，一面挪威国旗，一面意大利国旗和一面美国国旗竖立在白雪皑皑的北极冰原上，迎着北极夜空的阳光，胜利地飘动着。三个人难以压抑兴奋的心情，多年来的幻想这时被他们实现了。

在北极他们看到的是一堆堆荒凉的碎冰块和冰裂隙，冰裂隙中海水很洁净，泛起层层波浪，他们欣赏着人类地球上这块待开发的处女块，为胜利陶醉了。

5 月 13 日，三个勇敢者穿过北极向北美洲飞去，经过 70 多小时与严寒、积冰、浓雾、狂风的斗争，他们到达了美国阿拉斯加州一个小城泰勒并顺利着陆，这与预定着陆点相差不到 90 公里。

在飞行中他们不仅获得了许多天文、气象资料，还打开了从大西洋到太平洋的最短空中通道，行程 3200 公里，在飞行中他们出色地使用了无线电报、天文罗盘和磁罗盘等航行仪器，在航空史上写下了光辉的一页。

机械物终于上天了

1903 年 12 月 17 日，有一架类似“风筝”的东西，在马达的“隆隆”声

中从地面升起来了，飞行只持续了 12 秒钟，飞了 36 米远。但这却揭开了人类飞行史上的另一个重大的史话，它标志着飞机产生了。

19 世纪末和 20 世纪初，随着蒸汽机的发明，出现了研制飞机的高潮。尽管蒸汽机的功率远远超过人力，但当时却十分笨重，许多蒸汽机被装上飞机后只能在地面跑，并不能飞离地面。另外，由于缺乏实践，人们常常单纯模仿鸟的外形，想象如鸟一样飞，所以螺旋桨也是做成羽毛形，所以这些飞机的空气动力性很差，根本飞不起来。

另外一些人设计的飞机比上一种稍有改进，如俄国莫扎依斯基在 1882 年设计的飞机外形和现代飞机多少有点类似，有机翼、尾翼、螺旋桨和起落架等，不过这不能算真正的飞机，充其量是个雏形，试验结果也只能在地面摆动几下就动不了了。

以后还有人制造了飞机，他们只是单纯地认为机翼越大越好，只重视实验，却看不起航空理论研究，所以，所做的实践都很盲目。

与此同时，莱特兄弟也在研究飞行。

1903 年，莱特兄弟已经改进和试验了第三架滑翔机，并且亲自动手制成

了世界上第一架用活塞式发动机作动力的飞机。1903 年 12 月 17 日的第一次试飞中，飞机只持续飞行了 12 秒，36 米远。尽管成绩不理想，但总算离开地面飞起来了，后来的第四次试飞中，飞机在 59 秒钟内飞行了 260 米，这就是后来得到公认的飞机第一次自由飞行纪录。

要想了解飞机的飞行原理，就必须要知道一些空气动力学。

物体要想飘起来，必须是同一体积的物体比同一体积的气体要轻，这便产生了空气的浮力，我们称之为空气静力。空气动力则是相对空气静力的。飞机是重于空气的飞行器，只有当飞机向前运动时，才能被空气的浮力托起来，这种空气浮力是由飞机对空气运动而产生的，所以称为空气动力。

飞机起飞时，靠发动机来获得前进的速度，然后通过机翼获得升力，这就是飞机飞行的原理。在日常生活中我们也会遇到这种现象。

如人迎着风跑步就会感觉很吃力，空气对物体有明显的阻力；在我们放风筝时，没有风时，风筝是不会上天的，只有奔跑一阵，风筝才能飞起来；而在有风的天气中，只要站在那里，放开风筝，风自然会把风筝托起来，这是因为风筝在两种情况下所受的升力是相同的。

飞机在飞行过程中，各部分都受到了一定的作用力，如果飞机不动，把它放在一个特殊的大管子中（风洞）内，用同样速度对着它吹风，让气流从它表面流过，飞机各部所到的力也是相同的，这个道理叫可逆性原理。

通过各种实验人们发现飞机在制造时应为流线型，如水泡形舱盖，起落架外罩等。同时，人们还发现机翼的翼型与飞机获得的升力有关，机翼翼型并非一样厚而是前缘厚，较圆滑；后缘薄，较尖锐，这样从前缘到后缘，上表面气流路程长，下表面气流路程短，空气流过时由于压力差而产生了升力。

飞机起飞时先转动螺旋桨，喷气发动机向后喷气，获得前进推力，使飞机在跑道上滑跑一段距离，迎面气流吹在机翼上，气流通过上表面与下表面的压力差，结果是上翼面被气流向上吸，下翼面往上抬，合起来产生一种自下向上的升力，升力超过飞机重量后，飞机就离开地面飞行。

今天飞机种类很多，从早期的飞机到现代多功能飞机，虽经历了一系列的演变，但它始终保持五个基本组成部分：即机翼、机身、起落架、操纵面和动力装置。有了这些主要部件，飞机才可以在天空自由飞行。

机翼是飞机的翅膀，作用是产生升力，还能使飞机得到平衡与稳定。机翼有一定的翼型，机翼里还要安油箱、机枪、收放起落架等。有的机翼前边和下面还要装发动机，后缘外侧有副翼，内侧下面有襟翼。

老式机翼用木布结构作成，现代机翼改用铝合金制造。形状有长方形、梯形、椭圆形、三角形等。

早期飞机大多为双翼机，近代飞机几乎全是单翼机。两翼之间的距离叫“翼展”，用它来衡量机翼的最大跨度。

飞机还有尾翼，结构与机翼差不多，它分为水平尾翼和垂直尾翼，用作升降和掌握方向。

机身是飞机的身体。早期飞机只有骨架，没有外皮。现代通常用铝合金制成圆形或椭圆形长筒机身。机身用来载人和装舱，还要安装有关设备和油

箱。轰炸机的炸弹舱设在机身下部，喷气式战斗机的发动机大多安装在机身尾部。

起落架是飞机在地上的腿，带有减震装置。由于在起飞和着陆时起落架要受很大的冲击，所以要用高强度铝合金钢制造。

飞机的动力装置分为活塞式和喷气式两大类。

活塞式发动机有 V 型和星型两种，要同螺旋桨一起使用。

喷气式发动机可分为涡轮喷气发动机、涡轮螺旋发动机、涡轮轴发动机、涡轮风扇发动机等。近年来喷气式发动机已代替了活塞式发动机。

从莱特兄弟把飞机送上天之后，飞机的发展十分迅猛，飞机的各种性能不断得到改进，而且，各种用途的飞机也相继产生了。

1910 年，水上飞机出现了。

1939～1942，德国和英国相继制造了第一代喷气式飞机。

步入太空的云梯

那么究竟是什么东西妨碍我们飞向宇宙呢？主要是地球引力。地球上所有的物质都被引力吸向地心，不仅地球有引力，任何物质，从微小的尘埃到巨大的星体都具有引力，只是我们周围物质的引力太小，我们无法察觉出来罢了。而地球的引力，却是我们时刻都会感觉到的，假如地球没有吸引力，一切物质自会飞向太空，我们人类也将在地球上无法立足。

既然地球吸引力把我们地球的一切物质牢牢地束缚在地球上，那么，人类又如何摆脱这种引力呢！这就需要速度，只要达到一定速度就会冲出地球步入太空。

让我们假定，有人站在一个平台上，平台周围是地面，当他使一个小球从 4.9 米的高处自由落下，这个球就在地球引力作用下，以 9.8 米/秒 2 的重

力加速度下落，小球用一秒钟的时间就降到地面；如果他以每秒 14.7 米的速

度沿水平方向抛出小球，小球就沿着一条抛物线，在距离平台 14.7 米落至地

面；如果他再用点力，使小球以每秒 29.4 米的速度抛出，小球就沿着更长一

点的抛物线在 29.4 米处落至地面（以上不考虑空气阻力为假想值）。

我们再假设一下，有一个火箭发射场，设在很高的山顶上，而山顶上的空气阻力忽略不计。火箭以一定的速度，水平发射出，那么火箭就划出一道弯曲的弧线，落到离山顶一定距离的地方。如火箭发射的速度再增加一倍，它飞行的距离也会差不多增加一倍，飞行的轨迹弯曲得更小一些。如增 10

倍，飞行的距离也会增加 10 倍，弯曲轨道也就更小了。当火箭达到某一速度时，它的飞行轨迹的曲面正好等于地表的曲面，这时火箭就会绕地球飞行，而不再落回地面，如月球一样成为地球的卫星。物体能够绕地球运行，而不再落回地面所需的速度，叫做“第一宇宙速度”或“环绕速度”。

为什么物体达到了环绕速度而不会落回地面呢？

当物体沿着圆周运动的时候，就会产生离心力。运动速度越大，离心力也就越大。离心力跟速度的平方成正比，与旋转半径成反比，当物体以环绕速度，即 7.9 公里/秒的速度飞行时，离心力就等于地球的引力，物体就将环绕地球而运行了。

从以上我们可以知道，人造天体如想冲出地球的关键是速度，如要完全摆脱地球的引力飞向宇宙太空，就需要达到第二宇宙速度，也叫脱离速度或逃逸速度，这个速度在地球表面上等于 11.2 公里/秒。此外，既要摆脱地球

引力，又要摆脱太阳的引力，就要有 16.7 公里/秒的速度，这就是第三宇宙速度。

目前，人类克服地球引力的工具是多级运载火箭。

多级运载火箭的鼻祖是中国的火箭。现代火箭的设想是由俄国人齐奥尔科夫斯基在 20 世纪初才提出来的。

火箭的雏形是德国人在第二次世界大战生产的。即为 V—2 火箭，希特勒制造它的目的，是为突袭盟国，挽回败局，但他没有成功。当德国被盟国攻占以后，苏联人俘虏了德国技术人员，美国则取走了技术资料。这些技术人员和资料为两国后来的导弹武器和空间技术发展奠定了基础。

1957 年 10 月 4 日，寂静的太空中传来了苏联第一颗人造卫星的声音。苏联第一颗人造卫星的上天，开创了人类征服宇宙的新纪元。

苏联发射的第一颗人造卫星重 83.6 公斤，直径 58 厘米，铝合金的球状

外壳上，还附着四根弹簧鞭状的天线，其中一对长 240 厘米，另一对长 290

厘米，卫星内部没有什么特别仪器，只有两部频率分别为 20.005 兆赫和

40.002 兆赫的无线电发射机，它采用一般电报的形式发射信号，有两个化学电池作为发报机能源。

此外，卫星内还装有一台磁强计，一台辐射计数器和一些测量卫星内部温度和压力的感应元件。这颗卫星后来把一些关于气象、宇宙线及陨石尘的资料送回到地面，重要的是它开创了人类航天的历史。

发射“旅行家一号”的火箭是一种多级火箭，这种火箭由七枚小火箭组成，最后一级可以加速到第一宇宙速度，这样才能保证卫星弹射出来，进入环绕地球的轨道飞行。卫星运行轨道远地点约 950 公里，近地点约为 230 公里，时速 28160 公里，96.2 分钟绕地球一周，以电报形式向全球拍发信号。第一颗人造卫星升空至今已有数千颗人造天体进入了宇宙空间，这些天

体都是借助多级运载火箭飞向宇宙的。火箭不像一般飞机发动机那样需要大气中的氧气来燃烧，而是自己带有燃料和氧化剂，能在真空条件下工作。发射人造天体的运载工具都是 2—3 级火箭。因为单级火箭的技术水平无法达到宇宙速度，多级火箭可在飞行过程中不断把工作完毕而无用的火箭壳体以及发动机抛掉，来达到提高速度的目的，因而世界上普遍采用多级火箭作为运载人造天体的工具。

运载火箭通常由 2—3 个单级火箭组成，这些火箭用串联连接起来，各级头尾相联，也有下面级为并联，上面级为串联的组合形式，整个运载火箭可分为结构、动力装置、控制系统三大部分。

结构部分有仪器舱、推进剂箱、尾段，推进剂箱占了整个火箭的大部分，一般它既是装推进剂的容器，也是运载火箭的外部壳体，承受飞行期间的载荷。氧化剂和燃料箱分别为两个独立的箱体，为缩短运载火箭的长度，也可作成一个整箱，用一个中间共底把储箱分成两个部分。对于低温推进储箱，因推进剂蒸发耗量大，需要设置绝热层来减少推进剂蒸发。发动机直接安装在后储箱的壳体上。仪器舱的位置多位于前端，舱内放置控制系统中的主要仪器设备。

常用动力装置有固体和液体两类。固体比液体的发动机性能低，构造简单，可靠性高，多用做卫星上的远地点发动机，也用作运载火箭末级。液体火箭发动机一直是运载火箭的动力系统，主要由喷管、燃烧室、泵压输送系统等部分组成。一般把高能液体火箭发动机用于上面级，常规液体发动机用

于下面级。

控制系统包括制导、姿态控制、地面测试、发射系统以及电源、配电设备等。通常用于运载火箭的制导系统有惯性制导和无线电制导。控制系统的执行机构一般采用摆动发动机和游动发动机，产生控制力和力矩，以便运载火箭在飞行中按程序转弯和保持姿态的稳定。

运载火箭还有各种分离机构系统。其中包括各级之间的分离、人造天体与运载火箭末级的分离、卫星整流罩的分离、级间分离系统。当下面级火箭燃烧完毕后，要可靠地把它分离掉，同时使上面级的发动机启动，控制系统也同时工作。

火箭发射是件惊心动魄的事情，如有一点小问题都会引出意外事故。发射过程为：人造天体和运载火箭经总装合格后，送上发射架，进行人造天体和火箭的连接，推进剂的加注，各种控制指令装定与测试，最后检测合格后，才命令点火起飞。从地面到把天体送入预定轨道，一般要经历加速飞行段、滑行段和再加速段等三个过程。一枚三级运载火箭，加速飞行段点火后，火箭在第一级发动机强大作用力下，冲出发射台，垂直向上缓缓上升；穿过稠密大气层后，按程序控制指令在预定时间第一级发动机熄火，并自动分离脱落；紧接着第二级发动机点火开始工作，推动 2、3 级继续加速前进。此时火箭的运动轨道，逐渐变得向地面弯曲，第二级发动机在预定时间内熄火并自行与第三级和人造天体分离脱落。运载火箭熄火后，推力为零。此时，火箭第三级与人造天体依靠本身获得的能量，在地球引力作用下滑行，经惯性飞行达到预定轨道相切位置，按指令第三级点火，继续加速使其达到所需的环绕速度，在预定点把人造天体弹出、进入预定轨道。

就这样运载火箭便完成了任务。

还有一点要说明，运载火箭的大小，主要由人造天体的有效载荷和运动轨道来决定。人造天体越重，轨道越高，所需运载工具的推力和能量也就越大越多，而发射地点和轨道倾角也影响所需能量。因为地球自西向东自转，地面上一切东西也随之转动，这个转动速度在赤道最大，随着纬度的增加也逐渐变小，在南北极为零。所以如顺着地球自转方向发射一颗重量与轨道高速相同的人造天体，轨道倾角越大，发射点纬度越高，运载火箭所需能量也就越多。

1958 年 10 月，前苏联成立了国家航空航天局，统管全国的航天活动，

在第一颗人造卫星上天后一个月又发射了第二颗人造卫星，重 508.3 公斤，并载有小狗“莱依卡”。这次发射为人类步入太空做好了准备。

1960 年 8 月，前苏联将载有两条狗和一些老鼠苍蝇的太空舱二号，送入了地球轨道。太空舱二号安全返回地面后，标志着人类探测太空进入了一个新的阶段，载人宇宙飞船已经进入了实用阶段。

前苏联当时最大的火箭尽管有 4 台发动机，但最大推力只有 102 吨，用来发射载人飞船还远远不够。如果等到研制出具有更大推力的火箭，并赶在美国前面发射载人卫星是不现实的，于是有个叫科罗列夫的总设计师想出了一个办法，叫“集束的集束”，即把五个 RD—107 型火箭组合起来，那么就有 500 吨的推力，尽管这样使火箭自重太大，会使效率受到影响，有效负荷

只有 5 吨，但这样可争取时间。

1961 年 4 月 21 日清晨，前苏联“东方一号”，在拜克努尔飞船发射架上乘着集束火箭出发了，飞船里坐着宇航员尤里·加加林少校，他感到荣幸，

因为他不仅代表着国家，同时代表着地球上几十亿人到太空走一回，实现千百年来人们的幻想。

这艘飞船是第一代宇宙飞船，只能容纳一名宇航员。它由两部分组成，一部分是生活舱，呈球状，里面有 3 个舱口，分别用于放下降落伞，通向机械舱和供宇航员进出，3 个观测窗可以观测外面；另一部分是机械舱，控制飞船在轨道上飞行、返航，是飞船脱离火箭后的动力装置。生活舱内气温适宜，只有 20℃左右，气压和地面上一样，氧气是靠化学物质反应获取的，然后再和一定的氮气、水蒸汽按比例混合送进生活舱内。

当飞船进入太空脱离地球引力后，人便处于失重的环境中，科学家们怕在失重的条件下加加林的生活受影响，专门设计了一种流体状食品，放在导管里，简单加热即可食用。因为固体食品在太空舱中到处飘舞，水和饮料不是朝下流而是到处飞，不进入口中是到不了肚子的。

加加林乘坐的“东方一号”进入宇宙太空轨道后，绕地球飞行一周，他在飞船上向地面报告说：“飞行正常，经受失重状况的情况良好。”上午， 10 时 25 分，飞船返航了。加加林启动了装在机械舱的制动火箭，飞船减速后，控制火箭喷射气体使飞船脱离轨道，进入北非上空稠密的大气层。球型生活舱与机械舱脱离，机械舱被留在了太空，生活舱高速下降，与大气发生剧烈摩擦，由于舱外涂有一层厚厚的材料可抗 5500℃以上的高温，这样加加林不致于担心生活舱被大气“吃”掉，舱内仍保持 20℃的温度不变。当生活舱离地 7700 米时，加加林和他的座椅一起弹射出来，三顶彩色的降落伞张开

了，到了 4000 米时，座椅与他也分离了，慢慢地他又踏上了地球。

当加加林返回地面后，美国肯尼迪总统说道：“看到苏联在太空方面比我们领先一步，再也没有人比我更泄气了⋯⋯，不管你们的看法如何，加加林的飞行终止了人能否在太空中生存的争论。”为了扭转空间竞赛中的落后局面，1961 年，美国批准了规模庞大的“阿波罗”计划，决心在载人登月飞行中，与苏联一决高低。“阿波罗”计划的最终目标是：在 60 年代末把人送到月球并安全返回。由于起步晚，第一步已落后了，但第二步“双子星座” 计划时，情况就大为改观了。