宇宙航行的基本问题 [复制链接]

第3版()
专栏：

宇宙航行的基本问题
Г·В·彼得罗维奇
现在，当人们已进入火箭问题发展的重要阶段的时候，当造成了洲内火箭、洲际火箭，以及人造地球卫星的时候，便发生了这样一个问题：火箭技术发展的以后几个阶段是怎样的，要经过什么样的途径来进一步发展宇宙航行？
三个临界宇宙速度
达到三个临界宇宙速度是发展宇宙航行中基本的界限。第一宇宙速度是圆周的（约每秒8公里）、为人造地球卫星所必需的起码速度；第二宇宙速度是抛物线的（约每秒11公里）、为离开地球成为太阳的卫星（独立的行星）并能够飞向我们太阳系的其他天体所必需的起码速度；第三宇宙速度是双曲线的（约每秒16.7公里）、为永远离开我们太阳系并飞向其他恒星所必需的起码速度。
宇宙飞船获得约每秒8—11公里的速度的时候，就将成为地球的卫星，它获得的速度越大，则它的椭圆形轨道越伸长。利用这种获得的能量，可以使宇宙飞船在地球周围沿着接近圆形的、而离地球距离不同的轨道运行。
当宇宙飞船获得约每秒11.5—16.3公里的速度的时候，就可以飞向我们太阳系的各个行星了；宇宙飞船获得的速度越大，它就可以达到更远的行星。
不论达到第一宇宙速度，或达到第二、第三临界宇宙速度，都是人类发展史上的一个阶段。因此，进一步发展宇宙航行的途径就是为使尽可能大的有效荷重具有尽可能大的速度的斗争。
火箭发动机及其动力
进一步发展到达宇宙空间的工具，亦即制造最完善的火箭飞船是一个主要的任务。
制造宇宙飞船时，特别是选择合理的火箭运行弹道时所必需的一些计算工作的范围是这样的广泛，因此只有应用快速电子计算机才能实际解决这一任务。
火箭发动机的发展水平是实现宇宙空间飞行中起决定作用的因素。火箭所获得的速度首先取决于火箭发动机的动力特性。在现代火箭发动机中，化学能可以用作为能源。进一步改善这些发动机就有可能几乎完全利用化学能源，并达到接近每秒四千公尺的燃烧产物排出速度。带有这样发动机的多级火箭，甚至在从地球起飞时也能达到整个第三宇宙速度，而不用在人造卫星上补充添加燃料。
利用人造地球卫星作为中间转运站或燃料站，人类就易于到达我们太阳系的所有地方，并能保证有效荷重量很大的宇宙飞行船得以飞行。
假使估计到有可能在各个行星，例如金星、火星附近建立人造卫星作为供给燃料储备及其他材料的中间站，那末，十分明显，带有利用化学能源的发动机的火箭已可解决星际交通的问题。
但是要到离地球很远的行星，特别是外围的行星上旅行需要极长的时间，假使以接近最低限度所必需的速度飞行的话。例如飞往月球将需要几天，而飞往水星、金星及火星需要几个月，飞往木星及土星需要几年，而飞往更远的星球就需要几十年。
用第三宇宙速度（每秒16.7公里）飞往这些天体可以缩短飞行期限，而旅行毕竟还是很长的，也就是飞往火星需要2.3月，木星要1.1年，土星要2.5年，天王星要6.8年，海王星约需13年，冥王星需19.2年。
同时，飞行只有在行星处在对飞往该星极有利的位置的少有的瞬息间才能开始。假使考虑到，应该保持极有利的飞回地球的条件，那末在时间上许可的飞往行星的时间表和飞行期限对实际应用来说是没有多大用处的。
因此，制造在星际飞行条件下利用比化学能更为有效的能源的火箭发动机就成为十分必要的了。这种发动机是否将是原子能的、离子的或其他别的，现在尚难断定。这种发动机在靠近太阳的内围行星范围内，在飞行时利用太阳能是很可能的。
可以认为，在火箭飞船装备燃料箱的条件下，在达到第一宇宙速度和从这个轨道起飞后的飞行中，将来的起飞重量在几百吨的三级化学火箭也能在以吨计算的有效荷重下获得每秒二十七公里的飞行速度。考虑到在地球附近，在比与第一宇宙速度相适应的更高的轨道上，有建立燃料站的可能，火箭速度还可提高3公里／每秒。最后，在指定地点建立燃料站（以人造卫星的方式），组织适当长的时间的远程飞行还是容易做到的。
人造地球卫星
宇宙航行发展的最近几个阶段就是这样。在进一步改善火箭、火箭发动机装置和操纵系统的基础上，将会创造出重量和体积更大的人造地球卫星；安置在卫星上的科学仪器的种类也将增加。我们记得，第一颗卫星的重量是83.6公斤，第二颗卫星的科学仪器和电源与实验动物的重量是508.3公斤，而第三颗卫星的重量就达到了1，327公斤。这样的进步，使我们可以预测到进一步提高卫星重量的趋势。
人造地球卫星存在的时间，将随着卫星轨道离大气边界距离的增高，以及卫星重量和截面密度的增大，而越来越长，因为卫星的生存时间只是由于大气的制动作用才缩短的。轨道距地面达一千公里以上的卫星，可以认为是永远不落的。第一批卫星没有作到永久不落，是合适的，因为为了研究大气结构和在大气中发生的现象，必须当它在大气外层飞行时进行观测。
在不久的将来，人造卫星轨道的近地点距地面的高度，将达到一千公里以上，因此，最后一级运载火箭和卫星将不再回到地球上来，并将有可能用它来建设地球范围之外的宇宙站。
由于火箭科学和技术进一步的发展，将出现一些定向卫星，它们与第一批卫星不同，第一批是不定向的。定向卫星将在沿轨道飞行时任意地围绕自己的轴旋转。在卫星上将广泛利用太阳能电源或者长期有效的原子电源。需要刻不容缓地注意这些卫星电源的发展。
旅客火箭和住人的卫星
将继续研究宇宙飞行条件对实验动物生命活动的影响。许多年来，苏联系统地进行着带有狗和科学仪器的火箭达一百——二百公里和更高高度的飞行，在每一个火箭上一般都有两只狗，所带科学仪器的重量一般从几百公斤到几吨。小狗安置在装设仪器的密闭室里，回到地面是利用降落伞。当火箭降低到不同高度时开始弹射，装在密闭潜水服里的小狗就利用降落伞降落下来。
莱依卡在第二颗人造地球卫星上飞行，是研究在火箭上长时间的飞行条件对实验动物生命活动影响的研究计划的一个组成部分。
建造旅客火箭和住人的卫星已经是最近几年的事情。为了实现这个理想，不仅应当解决建造足够强大和有效的火箭（它应当使有很大有效载重量的火箭具有很高的速度）的问题，还必须解决同保证人类在火箭上飞行时的安全有关的一些特殊问题。火箭材料部分的作用可靠程度应该大大提高。
要成功地解决火箭安全飞行的问题，就需要毫无例外地对火箭零件和组件以及整个火箭预先进行精密仔细的、多方面的理论和实验研究，以及实验室和火箭台的研究。随后按照广泛的计划进行的飞行实验，也应该是在人飞行以前完成的工作。
飞行中保证人体机能的所有机件应该一点也不间断地工作。应该特别注意进行无可非难的人从火箭上安全降落方法的训练。必须合理地利用大气阻力以使人回到地球。看来，以上的降落方法不仅是宇宙航行家降落到地球上的基本方法，而且也是降落到其他具有足够稠密的大气的行星上的基本方法。
为了乘员登上行星表面用的重量极小的滑翔机将是许多宇宙飞船和地球范围外的宇宙站的基本形式。
解决了在火箭上安全飞行的问题和人降落到地球上的问题，就可能开始建造具有空气调节设备、食物和氧气储备的住人的卫星，但不能替换人员。为了运送设备、材料和替换考察人员，将要实现住人的卫星同地球的正常联系。从地球起飞到卫星需要利用火箭来实现，而降落到地球，就需要利用设计的依靠空气阻力的工具，这样几乎完全不需要消耗燃料。
这种定向的住人的地球卫星带有自己的电源和燃料仓库，它可以用作供飞向月球和其他行星用的旅客火箭的中间站，这样将要出现飞行实验室、观象台和星际站。
应该提出，在地球范围之外建立燃料储藏，可以利用发射载货火箭飞船到围绕地球的轨道上去的方法。载货火箭具有精确的弹道要素数值，这样，旅客火箭可以发现和接近载货火箭，以便添加燃料。在这种情况下，没有必要在地球范围之外再建立宇宙站，做为一种可以住人的定向添加燃料基地。
“月球”火箭
在创造很重的地球卫星的同时，将要建造供达到月球和围绕月球飞行的自动控制火箭。这种装有科学仪器的火箭的飞行，将比准备建造的住人的地球卫星具有远为特殊的意义。
最近苏联所进行的研究工作，使得在飞向月球的火箭飞行动力学问题方面，有了清楚的了解。研究了降落到月球和围绕月球飞行的各种弹道形式，确定了为此所必需的最小飞行速度。分析了围绕月球飞行并且倾斜地进入大气回到地球的可能性问题，周期性的围绕月球和地球飞行的问题，在从地球飞向更远的天体时为使火箭不消耗燃料也能急速飞行而使用月球摄动的问题，以及月球如何捕获火箭并把它变成为月球的永久卫星的问题。也确定了为实现飞向月球的弹道所必需的初步资料的准确性。
第一个飞向月球的火箭将在人类历史上打开新的光荣的一页，因为它标志着掌握了第二临界宇宙运动速度。
像按照广泛的计划发射人造地球卫星完成着许多研究一样，应该希望发射一系列带有各种科学设备的“月球”火箭来解决许多特别重要的具体问题。
火箭回到靠近地球而环绕月球的飞行，将具有特殊的意义，这样可以得到从地球上看不到的月球的另一半的情况，并进行许多非常有价值的研究，例如离地球这样远而越过地球飞行时，对实验动物生命活动的影响。
行星间的飞行
“月球”火箭的飞行是火箭技术成熟程度的证据，它也将为飞向最近的行星——金星和火星作好准备。其实，为了使火箭从地球飞向这些行星，必要的最低飞行速度仅仅比飞向月球所需的速度大几百公尺。
自然，飞向金星和火星应该沿着保证充分接近这些行星并可能环绕它们飞行的弹道进行，应该使火箭回到地球，同时应该用无线电把火箭旁边的记录仪器在所有时间内积累起来的情报传到地球上来。要使火箭能回到地球上来，需要使火箭得到比上面所说的要大的速度。
第一次飞向行星，也像飞向月球一样，将由自动控制的无人宇宙侦察火箭来实现。只有在此之后，才可以收集到足够的关于世界空间性质、宇宙线和短波辐射对动物体的影响、有机体生命活动在长期失重条件下的允许程度的资料，才可能拟定出保护人体不受陨石危害和宇宙飞行条件下的有害影响的可靠方法——乘客呆在自动控制宇宙火箭的舷旁。
看来，人类将两次记载深入宇宙的最好途径的航路标志。第一次，用自动控制火箭达到很高的高度，归根到底，将达到超过所有临界宇宙速度的值。第二次，将利用在舷旁有人的自动火箭达到同样的高度和同样的速度。
掌握宇宙的途径的主要阶段就是这样。我们将在最近一些年内就走完这些阶段。
〔周　航　吴世真　译自“苏联科学院通报”1958年第6期〕
（原载科学通报1958年第十五期，本报作了删节）