发射人造卫星的技术问题 [复制链接]

第7版()
专栏：

发射人造卫星的技术问题
中国科学院力学研究所研究员　郭永怀
10月4日苏联发射人造卫星的成功，在人类交通史上具有划时代的意义。这是人类进入原子时代以后的第一件大事。它证明人类征服空间、实现星际旅行，已不再是一个理想而是可以预见的事实了。在人类向大自然探索秘密的路上，有了人造卫星就像在黑暗中得到一盏明灯。今后在各个科学领域，如高空、气象、地球、天文、物理等等，人类知识范围的扩大是必然的。另一方面，有了人造卫星，世界和平的事业就更有了保障。这对全人类文化的发展将有难以估计的贡献。这里我想谈谈关于发射这颗卫星的技术问题。
人类向高空迈步的最大的障碍是地心的引力。譬如说，人们把一个球往天上抛，当达到一定的高度，它便又回到地面；抛的速度大些，它上升的就高些。发射速度和高度的关系是一个基本的自然定律。在决定上升物体是否可以一去不返，我们就要看发射速度是否可以使物体飞到地心引力的范围以外。这个速度叫做“脱离”速度。在简单情形下，这个数字每秒大约是十一点二公里。要突破地心引力的束缚，实现星际旅行，这个速度便是推进机须要达到的目标。
苏联这次发射的人造卫星，重约八十三公斤，在地球九百公里以外的上空按椭圆轨道以每秒八公里的速度运行。从发射到最后进入轨道的过程中，技术问题很多，现在简单地提出以下两点。
第一，火箭技术。在近代各种推进机中，火箭具有两个特点。它有在很短时间内供给大量的能量的性能，同时它又可以不要外界的氧气就能进行燃烧，越出空气层进到真空里飞行。由于这两个特点，火箭便成为人们实现星际旅行的唯一的希望。火箭能量的大小同它的排气速度有直接关系，排气速度大，所给的推力或火箭达到的飞速也就大。但是排气速度决定于燃料，所以改善燃料，加大火箭的能量是主要的。就目前已知的化学燃料，一个很简单的计算便可以证明，一级火箭不可能达到每秒十一公里的高速。
为了这个缘故，有人主张采用多级火箭。多级火箭是把火箭分作几节，各节都安装推进设备。这样做的优点是很明显的，在一节燃烧完毕，失去性能之后即行脱落，剩下的火箭就轻便，容易推进。苏联这次所用的是三级火箭。为了具体了解这项工作的艰巨，我们可以考虑一个例子。假设人造卫星重一百公斤，在地球八百公里外绕地球环行，并且所用的燃料是氧和肼的混合。在这个条件下的三级火箭，一个可能的重量分布是：第一级九十一吨，第二级十五点六吨，第三级一点七吨。火箭的起始总重量结果是一百零九吨。这就是说，最后达到轨道上去的重量占总重的六十四分之一，而卫星的重量又仅仅是最后一节火箭的十七分之一。
发射这个火箭，起始所需的推力是一百八十一吨，装设五台发动机，每台的推力就要达到三十六吨。待第一级脱落后，第二级所需的推力也要三十一吨。因此，这里所要的发动机，就要比著名的“V—2”火箭的发动机强大得多，如果燃料类似，苏联这次所用的发动机的性能，应当也在这个范围，当然也可能比这个还要好。苏联近年来在燃料的研究方面有很大的进步，利用到新的更有力的燃烧剂，同样大的推力，最后送到轨道上的重量，还可以大大增加。
第二，人造卫星发射的问题。火箭的发出到进入轨道，共分为三个阶段。第一级在达到一定的高度，燃烧终止而后自动脱落。这一段火箭是在大气密度最浓的一层里飞行，为了避免外体的温度过高，速度不能太大，在设计上所选择的数字，要取决于火箭表面抗热的能力。第二级是在空气较淡的一层里飞行，飞行速度因之就可以加高。为了达到预定轨道，飞行就要遵循一定的轨迹，燃烧的时间和火箭的脱体都是要控制的。第三级由于速度高的关系，开始时就像炮弹一样地在一定的轨道上飞，待进入卫星的轨道后，最后的发动机才开动，把火箭加速到所要达到的速度，同时卫星便从火箭射出来。
完成这样的飞行，显然是有各种可能性的。根据火箭的性能和选定的轨道，最适宜的条件是可以找到的。有了这个条件，便可以设计一个准确的自动控制系统，指导火箭在每个阶段的运动。
从以上两点看来，苏联发射人造卫星的成功，不仅证明了苏联在航空和自动控制的技术上已经成为世界上工业最发达的国家，而且也证明了苏联在许多重要的技术部门已经达到国际最高的水平。
人造卫星的成功还证明了另外一件事，就是星际旅行的时代已经来临。星际旅行的第一道关口，便是建立一个环绕地球运行的空间航行的出发站。有了发射卫星的技术，就可以把建立这个站所需的器材分批运送到预定的轨道上去，然后再安装起来。这个站一旦建成，地球到月球的航路首先就可以开辟。那时候，它对人类的活动和文化所起的作用，将是不可想像的。
我们不禁要问：为什么这件惊天动地的创举，不先发生在资本主义国家而发生在社会主义国家？这岂不是又一个有力的证明，只有在社会主义的优越制度下的科学，正如其他各种事业一样，才能迅速发展。苏联科学家近几年来一系列的巨大成就，是和社会主义制度、苏联共产党的领导分不开的。我们中国人民，尤其是科学工作者，在庆祝苏联兄弟科学家们的成功的同时，应当深刻地认识到这一点。