第十章 尖端空間技術的重大成就
第二次世界大戰結束後，科學和技術都有新的發展，技術的進步尤為突出。40年代中期開始陸續產生的一批主要來源於科學的新技術，進入70年代已經形成一次新的技術革命的浪潮。自動控製與電子計算機、原子能、航天飛行器、火箭等，形成科學技術總體化發展的趨勢。
現代空間技術是研究人類如何進入、利用和開發外層空間的工程技術。它包括動力推進、空間飛行器和運行製導三大技術係統。1957年，前蘇聯發射成功第一顆人造地球衛星，標誌著空間時代的到來。為了這一時代的到來，人類已進行了長時間的理論和技術準備。
曆史上最早出現的升空動力推進器，是中國古代發明的火箭。最遲在南宋，我國已把火箭當作武器。到了明代，已有把多個火箭綁在一起和使用二級火箭的記載，前者稱為"神火飛鴉"，後者稱為"火龍出水"。
到了元代，中國火箭先後傳入日本、印度、阿拉伯和歐洲。19世紀初，英國人康格雷夫曾對火箭武器作了較大改進。這些火箭雖不能與現代火箭相提並論，但就其基本原理和基本結構來說卻大致相同。
火箭技術是現代空間技術的基礎。為現代火箭技術奠定理論基礎和開辟實驗道路的代表人物，是俄國的齊奧爾科夫斯基、美國人戈達德和羅馬尼亞人奧伯特。
齊奧爾科夫斯基從1903年起發表了《利用噴氣儀器研究宇宙空間》等一係列論文，通過嚴密的數學計算，提出利用火箭作為探索宇宙空間的工具的設想，建立了著名的齊奧爾科夫斯基公式。
按照他的公式，火箭排氣速度的大小是決定火箭末速度的關鍵因素。在火箭排氣速度一定時，火箭總重量與結構總重量之比則是影響火箭推力的主要條件。
根據這個原理，他提出了使用液氧作氧化劑、液氫作燃燒劑、采用多級火箭以提高質量比的構思，並計算出了第一、第二和第三宇宙速度。
齊奧爾科夫斯基公式至今仍然是火箭設計的重要理論基礎。戈達德獨立地研究了火箭推進原理，1919年出版了有關著作，並親手製造了世界上第一枚液體火箭。
火箭用液氧和汽油作推進劑，於1926年3月16日發射，在2.5秒的時間內，上升到12.5米的高度，水平飛行了56米。奧伯特也對宇宙進行了獨立的研究，並於1923年出版了《深入星際太空的火箭》一書。
第一次世界大戰結束後，許多國家都大力進行了火箭的研究，其中尤以希特勒當政後的德國最為積極。
德國在極端保密的情況下，集中一批科技力量，由布勞恩主持，從1933年起開始設計研製火箭。通過對A型火箭係列的研製和試驗，在燃料冷卻技術、發動機性能、彈道設計、製導與控製方麵都積累了大量經驗。
1942年10月3日，他們成功地發射了第一枚液體軍用飛彈"V-2"。這種飛彈全長14米，結構重量3.99噸，攜帶8.96噸推進劑和1噸彈頭，總推力為27.2噸，最大射程為30O公裏，最大速度1.5公裏/秒。
它以75％的酒精作燃料，液氧為氧化劑，用自動控製裝置從地麵垂直起飛，由燃氣舵和陀螺儀進行製導，用然氣渦輪泵將推進劑注入燃燒室。這些技術創新成了第二次世界大戰後火箭繼續發展的基礎。
1944年6月，德國將V-1飛彈（噴氣機推進裝置）發射到英國本土，英國用噴氣式戰鬥機還擊獲得成功。
1944年9月，德國使用了新武器V-2火箭。這已不是噴氣機作推進動力，而是很好的火箭，前麵已作了介紹。
對科學一竅不通的希特勒，對火箭技術不信任。1939年9月，他說"V-2火箭在這次大戰中用不上"。於是大量削減火箭的研究經費。
在完成V-2火箭的1942年，由於已經不能實現用V-2火箭攻擊英國本土的任務，隻好停止製造V-2火箭。因此，V-2火箭的實用推遲了。
可以想象，如果德國V-2火箭的研究與製造一直進展下去，能在1943年用於戰爭，那麼，英美等國軍隊將遭受巨大損失。
當時，V-2火箭是從荷蘭的瓦薩納森林向倫敦發射的，速度超過了音速，因此防備V-1飛彈的方法對V-2火箭無效，德國一共向英國發射了1120枚V-2火箭，有1050枚命中倫敦，很多建築物被破壞，大量市民死亡。
後來德國受東西兩個方麵軍的包圍，到1945年，德國生產V-2火箭的工廠和發射基地被占領後，才解除V-2火箭的威脅。
在第二次世界大戰中，德國的火箭技術占絕對優勢。戰後，蘇美的火箭技術都是從繼承德國遺產開始的。
1945年4月，德國無條件投降的時候，以布勞恩為首的150名德國火箭技術科學家都向美國投降，並把100枚V-2火箭的零部件從德國搶運到美國。
在美國掠奪德國火箭技術的時候，蘇聯也搶占了位於民主德國地區的德國火箭研究所，俘虜了遺留下來的德國全部科學家和技術人員。總之，美蘇的火箭技術正是從此開始的。
戰後很長一段時間，美國並不重視火箭技術的研究，其重要原因是美國政府對火箭技術的意義缺乏認識，資本家則認為這是不賺錢的研究，也不積極。
戰後的最初10年，用於軍事目的的探空火箭和導彈的研製和發射，使火箭發動機技術、飛機控製、跟蹤、遙測和遙感技術、基本元件製造技術等都得到了提高。
美國從1946年起開始執行一係列探空火箭計劃。1947年，美國將裝有科學儀器的V-2火箭發射到73至130公裏的高空，並用降落傘完好收回。1949年，美國第一次給V-2加上第二級，發射到393公裏的高空，真正進入了外層空間。
前蘇聯於1947年10月第一次發射V-2，不久，在科洛廖夫主持下設計出RD-101火箭發動機，用它推動V-1-A地球物理探空火箭，並於1949年試射，將2.2噸重的載荷帶到2121公裏的高空。
1957年7月-1958年12月，國際地球物理年的活動把探空火箭的發射推向一個新高潮。
在此期間，美國發射210枚，前蘇聯發射125枚探空火箭，最大高度達4760公裏，獲得了有關大氣層物理化學性質、地磁場、宇宙射線和太陽輻射、X射線和紫外輻射以及隕石等大量資料。
蘇美兩國頻繁發射探空火箭的目的，是為發射導彈武器作準備。它們同時都積極進行著導彈的研究。
為了製造大型火箭，需要動員極為廣泛的科學技術力量，突破重重難關。
眾所周知，液體燃料比固體燃料能量大，調節使用容易，所以液體燃料受到重視。但是液體燃料的火箭在裝載液體燃料與液氧時困難，液氧的沸點為負183攝氏度，處理時需要特別慎重。
燃料箱壁越厚越安全，但是燃料箱壁厚就要增加整個火箭的重量，從火箭射程角度考慮，要求燃料箱越輕越好。可是，燃料箱壁太薄就不能承受高壓和低溫。其次，火箭燃燒室要承受100個大氣壓強以上的高壓和4000攝氏度的高溫，所以，發動機要用長時間能承受高溫的耐熱金屬製成，並且需要冷卻係統，這又使結構變得複雜。
大型火箭的內部構造也是非常複雜的，在內部實際上有幾十萬個部件。它一方麵承受極高的高溫，另一方麵又得經受極低的低溫的考驗。所以一切要求都很高，隻要有一點差錯就不能運轉。
前蘇聯在1950年開始研究射程為3000公裏的火箭，1954年6月完成了這個工程。這種火箭己屬於2000至6000公裏射程的"中程彈道導彈"，它能從莫斯科飛到倫敦。當時赫魯曉夫就曾用這種火箭威脅過英國和法國。
美國於1950年在布勞恩主持下開始實施"紅石計劃"，1953年8月試飛成功。紅石中程導彈在技術上有許多新進展：它有極好的製導係統，由帶有空氣軸承陀螺儀的穩定製導平台、空氣軸承加速表和空氣軸承校平擺組成。它還首次在自動控製裝置中利用了晶體管，使導彈的命中精度提高。
以後，美國又批準了第一代遠程導彈MX-774和MX-1593研究計劃，但初期進展緩慢。1953年8月12日蘇聯在空中爆炸了一顆氫彈後，才刺激了美國，使它在1954年決定給"宇宙神"計劃以最高的優先權盡快研製。
且說第二次世界大戰後，前蘇聯的導彈研製優於美國。
蘇聯在中程導彈取得成功以後，立即開始洲際導彈的研究，並製訂了研製洲際導彈的計劃。
為了造成更大推力，前蘇聯采取了新的"集束式"技術路線，設計出全燃燒室發動機，使幾個燃燒室共同使用推進劑貯箱，各有自己的噴管，聯合起一個大發動機的作用。為避免一級火箭脫落後二級火箭不能及時點火的危險，在主動機上又附加四個助推器，各有獨立的發動機係統，發射時一起點火以加大推力，上升到一定高度後再拋掉助推器以減輕重量。
按照上述思想設計的RD-107和108火箭發動機於1954年製造成功。然後以108為主發動機，107做助推器，製成了SS-6洲際導彈，總推力達504噸，並於1957年3月3日首次試射。
事實表明，發射射程為8000公裏的導彈所需要的動力和發射人造衛星所需要的動力是相等的，這兩方麵都需要每秒8公裏的初速度，從而可知，發射與洲際導彈彈頭重量相等的人造地球衛星是可能的。
隻要能解決火箭或導彈的自動控製技術的問題，人造地球衛星就可以發射了。
1957年10月4日，第一顆人造衛星"伴侶一號"由蘇聯發射成功，這顆衛星就是用這種火箭送入軌道的。
這顆球形衛星直徑為58厘米，重量為83.6公斤，球上有4根長度為2米多的天線。衛星飛行的最高高度為900公裏，繞地球一周為1小時35分鍾。
人造天體的誕生，空間科學時代的到來，對世界是一次衝擊，特別是對美國、西歐各國的刺激、震動最大。
人造衛星發射成功，表明科學技術已經進入一個新的發展階段。特別是電子學、金屬學、熱工學、化學燃料的研究已達到一個相當高的水平。同時，它還會對物理、天文、化學、地球科學和生物學等的發展產生巨大影響。
現在，對人類來說，地球顯得小了，人造地球衛星繞地球一圈隻需1.5小時，這對今後和平利用宇宙空間、開展國際間交往和合作提供了美好前景。
前蘇聯在發射第一顆人造衛星以後一個月，1957年11月3日發射了帶狗上天的人造衛星"伴侶二號"，其重量為508.3公斤，最高飛行高度為1500公裏。
第二顆人造衛星發射的目的是觀測狗在宇宙空間的生活狀況。在衛星內部有空氣再生裝置、定期給狗提供食物的裝置和保持一定溫度的裝置。
這些裝置順利地工作，對狗的呼吸、脈搏、血壓能夠很快測定出來，一切正常，這說明載人飛船指日可待了。
在這顆人造衛星上，還裝有很多重要的觀測設備，其中包括測量宇宙射線、大氣層以外的電子密度和太陽紫外線等重要數據的設備，它對空間科學的發展是一大推動。
到1965年時，前蘇聯已使用了能把5500公斤的有效載荷送到月球軌道、可載4650公斤進行火星飛行、可將3000公斤送入地球同步軌道的多級火箭，並用它將幾個18.6噸的"禮炮號"航天站送入太空。
前蘇聯火箭-導彈的巨大成就震驚了美國，促使它從1955年起同時加快了洲際導彈"宇宙神"和中程導彈"丘辟特-C"、"雷神"計劃的執行。同年9月，美國又開始了"大力神"洲際導彈計劃。
"宇宙神"火箭係統的技術特點是：利用彈殼本身作為推進劑箱的外殼以減輕結構重量；用萬向架噴嘴代替燃氣舵；依靠與製導係統聯在一起的可旋轉噴嘴保持預定方向；采用助推發動機和微調發動機設備，以加強推力、精確調整位置和速度。
1957年12月7日，"宇宙神"首次試飛成功。1959年1月6日，使用液氧煤油二級火箭結構的"大力神"也試飛成功。
60年代至70年代，美國的航天器主要都是由這些火箭係列再加上"上麵級"構成的多級火箭發射的。
60年代初，美國開始實施"阿波羅登月計劃"，從而使火箭技術發展到了新高峰。
運載阿波羅航天器的"土星"係列火箭是實現這一計劃的關鍵。
"土星-V"是三級火箭，第一級由5個用液氧、煤油為推進劑的"F-1"火箭組成，總推力為3400噸；第二級由5個"J-2"發動機組成，總推力為520噸；第三級隻有1個"J-2"發動機，推力為92噸。
整個"土星-V"可將1150噸負載推入低地球軌道，將450噸負載推上月球，到目前為止它仍是推力最大、有效載荷量最大的先進火箭。
"土星-V"火箭的"J-2"發動機使用的是液氧-液氫推進劑，比衝高達424秒，並有第二次點火的能力。它裝有最先進的電子製導係統，可保證火箭穩定飛行。
1967年11月，"土星-V"首次試飛成功，1969年，它把阿波羅航空飛船送上月球。
火箭是現代空間技術的動力裝備，沒有它，所有的航天飛行都不能實現。通過上麵的介紹，可以看出，火箭已具備這個能力。但是，可以在空中運行並執行任務的，則是由火箭送入軌道的各種航天飛行器。
前麵已說明，第一顆人造地球衛星是由前蘇聯發射的，它標誌著"空間時代"的開始。從此，各種人造衛星陸續升天，現已達3000多顆，其中蘇、美占90％以上。
我國從1971年開始到如今，也發射了19顆衛星，成為5個能獨立發射衛星的國家之一。
人造地球衛星按用途大體上可分為偵察衛星、通訊衛星、氣象衛星、資源衛星和科學衛星五大類。為了軍事和政治目的，其中以軍事偵察衛星的數量最多。
美國從1959年開始試驗發射照相偵察衛星，1962年投入使用，屬於第一代偵察衛星，其分辨力低，工作效率短。