千百年來,人類一直向往能插上翅膀,飛出地球,探索宇宙的奧秘。在古代,嫦娥奔月的神話表達了人們飛向月球的愿望。李白曾在詩中寫道:“俱懷逸興壯思飛,欲上青天覽日月”。但是,當時科學技術落后,脫離地球的引力束縛去太空旅行只是一個難圓的夢。
斗轉星移,歲月如梭。人類經(jīng)過不斷開拓進取和不懈努力,科技發(fā)展日新月異。1923年H. 奧伯特論述火箭飛行原理的經(jīng)典著作《飛往星際空間的火箭》出版,齊奧爾科夫斯基在1924年論述多級火箭的專著出版?;鸺孔陨淼娜剂先紵龂姵鰵怏w的反作用力飛行。人類要進行星際探索,就必須借助于火箭。如果物體達到7.9千米/秒的速度,就可以圍繞地球運行而不落下來,這時,它的離心力等于地球的引力。這個速度就是第一宇宙速度。如果速度達到11.2千米/秒,我們就稱它為第二宇宙速度,可以擺脫地球引力束縛在太陽系內(nèi)飛行,但不能擺脫太陽的引力控制。當速度大于16.7千米/秒的速度,就可以飛出太陽系了,這就是第三宇宙速度。
1957年10月4日,前蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星上天,拉開了人類航天時代的序幕。第一位進入太空的人,就是大名鼎鼎的前蘇聯(lián)宇航員加加林。1961年4月12日,他乘坐“東方號”宇宙飛船環(huán)繞地球飛行一圈,歷時108分鐘,寫下了人類航天飛行的新篇章。
月球是距離地球最近的天體(約38萬公里),是人類進行太空探險的第一站。前蘇聯(lián)1959年發(fā)射的月球2號探測器在月球著陸,這是人類的航天器第一次到達地球以外的天體。同年10月,月球3號飛越月球,發(fā)回第一批月球背面的照片。1970年發(fā)射的月球16號著陸于豐富海,送回地球100克月球土壤。
美國人也不甘落后,在20世紀60年代開始了雄心勃勃的征服月球的“阿波羅”計劃。它的目的就是登上月球進行實地考察。在此之前的1961年到1967年間,9個“徘徊者”探測器,7個“勘探者”探測器以及5個月球軌道器先后對月球進行考察。它們拍攝了照片并分析了月球的土壤,為登上月球做準備。緊接著,“土星”5號運載火箭先后向月球發(fā)射了17艘“阿波羅”飛船。其中,“阿波羅”1-3號是試驗用的飛船,4-6號是無人飛船,7號飛船載人繞地球飛行,8-10號載人繞月飛行,11號至17號是載人登月飛行。讓我們來重溫當時激動人心的場面吧!
1969年7月16日,美國“阿波羅11號”飛船,載著阿姆斯特朗,奧爾德林和柯林斯三人在美國肯尼迪航天中心升空,飛向月球。到達了月球軌道后,由柯林斯駕駛飛船繞月飛行,而阿姆斯特朗和奧爾德林駕駛登月艙于7月20日在月面靜海降落。阿姆斯特朗第一個登上月球。他說出了下面這段意味深長的話:“對于一個人來說,這只是一小步;但對人類來說,這是巨大的一步?!彼麄冊谠旅嫔线M行實地科學考察,并把一塊金屬紀念牌插上月球,上面鐫刻著“公元1969年7月,來自行星地球上的人首次登上月球。我們是全人類的代表,我們?yōu)楹推蕉鴣??!彼麄冊谠虑蛏习惭b了測量月震的月震儀,采集了月球巖石和土壤。在完成月面考察任務以后,進入登月艙,離開月球回到月球軌道上的指令艙中,與柯林斯匯合后開始返回地球,完成了這一史無前例的航天飛行。在此之后,又有5次成功的登月飛行,宇航員們總共在月球上停留了約300小時,使人們對月球的認識大大加深了。
1994年,美國發(fā)射了“克萊門汀”號無人駕駛飛船,對月球進行了新的地貌測繪,為在不久的將來建立月球基地和月基天文臺作準備。
1998年1月6日發(fā)射升空的“月球勘探者”,攜帶中子光譜儀探測氫原子。最終發(fā)現(xiàn)在月球兩極的盆地底部存在水。
人類對于未知世界的探索是永無止境的。人們并不滿足于對月球的了解,目標又轉向 了太陽系中的大行星。我們先來介紹空間探測器對金星的考察。
金星的半徑、質(zhì)量、密度等與地球接近,是地球的姐妹行星。人們對它的興趣很大,然而,地面觀測所得的資料比較貧乏,對金星的研究充滿了未知數(shù)。航天器可以使人們了解它更多的信息。在經(jīng)歷了最初的幾次探測器發(fā)射失敗后,終于逐步揭開金星神秘的面紗。1962年美國發(fā)射的水手2號從距金星35000千米處飛過,實現(xiàn)了航天器首次飛越行星,同時發(fā)現(xiàn)了金星有400度的高溫。1969年至1981年,前蘇聯(lián)的金星5號至14號探測器先后在金星表面著陸成功,執(zhí)行了多項科學考察任務,包括拍攝金星表面照片、了解大氣的成分、溫度、壓力等。美國1978年5月20日發(fā)射的先驅者-金星1號經(jīng)過長途跋涉,于同年12月4日到達金星并圍繞它飛行,用雷達探測金星地形。先驅者-金星2號到達金星后放出4個探測器,在落向金星的過程中,了解大氣、云層、磁場等數(shù)據(jù)。1989年美國發(fā)射的“麥哲倫號”探測器又運用綜合孔徑雷達對金星表面進行探測。這些探測使我們了解到金星的磁場很弱,表面氣壓是地球海面氣壓的90倍等情況。另外,一個有趣的現(xiàn)象是金星12號在距離金星表面10公里時探測到閃電,著陸后又多次記錄到閃電。
距離太陽最近的就是水星了。美國發(fā)射的“水手10號”飛船在考察了金星之后,3次飛臨水星。它發(fā)現(xiàn)了水星的磁場和磁層,探測了水星大氣的主要成分是氦。飛船上的兩個攝像機拍攝了多幅圖象,揭示了水星地形,有大量的隕石坑和盆地。
火星的名字“Mars”是戰(zhàn)神的意思。它在天空中呈現(xiàn)紅色,使人們聯(lián)想到血和戰(zhàn)爭?;鹦呛芟竦厍?,有堅硬的表面和四季的交替。當初人們用望遠鏡觀測它時,發(fā)現(xiàn)了火星上的許多條紋,這些條紋曾經(jīng)被人們認為是火星人挖掘的運河,同時它還擁有隨四季變化的極冠。因此,人類對探測火星一直抱有濃厚的興趣,希望在上面發(fā)現(xiàn)火星人。在人類進入航天時代以來,已經(jīng)有20多艘飛船執(zhí)行探測火星的任務了。星際探測是充滿曲折的。1962年前蘇聯(lián)發(fā)射的“火星1號”、“宇宙21號”和美國的“水手3號”均遭到了失敗。然而失敗是不能阻止人類探索大自然的腳步的。1964年1月28日發(fā)射的“水手4號”經(jīng)過長途跋涉,于1965年7月14日在距離火星的一萬公里高空掠過,獲得了第一批火星照片。1974年,前蘇聯(lián)發(fā)射的“火星5號”宇宙飛船首次拍攝了火星的彩色照片。美蘇又發(fā)射了繞火星運動的軌道器,更加詳細地了解這顆行星的情況。
“欲窮千里目,更上一層樓”。1976年,美國的海盜1號和海盜2號登陸器更進一步,分別在火星上降落,并在降落的過程中,測量了大氣溫度的分布情況,火星大氣壓的情況?;鹦巧嫌懈珊缘暮哟?,有流水沖擊的特征,這表明在過去有過大量的水。那么,火星上有沒有生命呢?海盜號飛船作了幾種實驗,結果表明沒有光合作用產(chǎn)生的物質(zhì)交換,火星大氣和表層物質(zhì)中沒有有機分子。攝像機監(jiān)視了火星上有無生命活動的跡象,結果令人失望??梢赃@么說,火星表面現(xiàn)在沒有生命,或者更嚴格的說,沒有與地球上類似的生命。
人們不僅對火星感興趣,也對火星的兩個衛(wèi)星感興趣。在1988年,7月7日和7月12日,前蘇聯(lián)發(fā)射了火衛(wèi)飛船1號和2號繞火衛(wèi)一飛 行并著陸。
到最近幾年,隨著科技的飛速發(fā)展,人們可望在21世紀直接登上火星進行實地考察,徹底弄清火星生命問題。因為它是太陽系中最有可能存在生命的星球。在人類踏上火星之前,將進行一系列的準備。
1993年美國“火星觀察者”探測器在進入環(huán)繞火星的軌道之后,與地球失去聯(lián)系,導致計劃失敗。
1996年12月,美國又發(fā)射了“火星探路者”探測器,經(jīng)過7個月的星際飛行,在火星的阿瑞斯平原著陸?;鹦翘铰氛邤y帶了一個六輪小車,可以在火星的表面漫游,因而叫做火星漫游者,價值2500萬美元。它分析了火星巖石和土壤。照片證實了海盜號的結論,火星上曾發(fā)生過大洪水。
1996年11月美國發(fā)射了“火星全球勘測者”,在繞火星的軌道上研究火星表面、大氣和磁場的情況。它還向地球發(fā)射無線電波,經(jīng)過火星大氣后到達地球,由此了解火星大氣的溫度、引力和化學組成。
1999年1月3日,火星極地著陸器發(fā)射成功。然而,在飛行了11個月并登陸到火星上以后,就與地面失去了聯(lián)系,宣告了這次航天活動的失敗。
2001年,美國發(fā)射奧德賽火星探測器。奧德賽于同年10月到達火星,其主要任務是在火星上尋找水或冰,并對環(huán)境進行研究。
2003年,歐洲航天局發(fā)射火星快車探測器,探測器于2003年到達火星。
2003年美國發(fā)射勇氣號和機遇號兩枚探測器,2004年1月3日勇氣號登陸火星。2004年1月24日機遇號在不同區(qū)域登陸火星,探測計劃取得圓滿成功。
歐洲空間局計劃于2003年發(fā)射"火星快車"探測器考察火星,這標志著歐洲空間局在行星探測方面跨入了新紀元。它將由軌道器和著陸器組成。軌道器上有一個著陸器通信包用于支持國際上在2003年至2007年間開展的火星探測活動。
從火星再向外,就是行星之中的龐然大物-木星了。美國的“先驅者10號”1973年12月4日在木星附近飛過,傳來了木星和木衛(wèi)的照片。它最后在1983年越過海王星軌道后成為飛出太陽系的第一個人造天體。接著,“先驅者11號”、“旅行者1號”、“旅行者2號”也相繼飛越木星和木衛(wèi)。在旅行者飛船拍攝的木星黑夜半球的圖象上可以看到極光。有趣的是,在木衛(wèi)一上發(fā)現(xiàn)了正在噴發(fā)的火山,噴發(fā)的高度達到30公里, 速度是每秒幾百米到1公里。伽利略號飛船觀測的結果顯示木衛(wèi)二和木衛(wèi)四表面之下存在液態(tài)水海洋,有可能有生命存在,這無疑是一個令人興奮的消息。
“旅行者”飛船還發(fā)現(xiàn)了土星有射電輻射,頻率在3千赫到1.2兆赫之間。1986年1月,“旅行者2號”飛船又測出天王星的自轉軸和磁軸有很大的交角,達60度。飛船還拍攝了天王星衛(wèi)星的照片,然后又拜訪了海王星,發(fā)回了照片。
值得一提的是,“先驅者”10號、11號攜帶了相同的地球名片-鍍金鋁板,上面有一男一女的裸像,以及太陽與九大行星位置的圖象,同時表明它是從太陽系中第三顆行星上飛出去的?!奥眯姓摺?號和2號探測器,各自帶有一套“地球之聲”的唱片,唱片上有照片、60種語言的問候語、35種各類聲音和音樂。其中包括中國長城和中國人家宴的照片,粵語、廈門話和客家話,音樂中有中國的“流水”。人類希望有朝一日它們能被“外星人”收到。
宇宙飛船不僅僅用于對太陽系內(nèi)的大行星及衛(wèi)星進行近距離觀察。1985-1986年哈雷彗星回歸過程當中,有5艘飛船對它進行了近距離觀測,有許多令人驚奇的發(fā)現(xiàn)。例如,哈雷彗星的核并非人們想象的球狀,而是橢球狀,氣體和塵埃從核的表面幾個活動區(qū)域噴出。
歐洲空間局計劃對7個短周期彗星進行空間探測。它們是“深空1號”(DS1)計劃、“星塵”計劃、“等高線”計劃“羅塞塔”計劃、“深空4號”(DS4)計劃。其中DS1和DS4計劃是與美國國家宇航局合作的。
于1998年10月發(fā)射的“深空1號”飛船,飛越小行星3352號McAuliffe、火星、以及威爾遜-哈林頓彗星。飛船與彗星于2000年6月相遇。DS1將以約15公里/秒的速度距彗核約500公里處飛過,對彗發(fā)、彗核進行觀測。它首次采用了離子發(fā)動機。
“星塵”在1999年2月發(fā)射,飛向懷爾德-2彗星,并將首次帶回珍貴的彗星樣品。
“羅塞塔”將于2003年發(fā)射,對Wirtanen彗星及其環(huán)境進行長達近兩年的仔細研究。9年之后,飛船與彗星相遇,總重20公斤的儀器將降落在彗星表面。這些儀器將采掘彗星表面和近表面樣品進行研究,并用 聲波法探測彗星內(nèi)部結構,研究周圍等離子體與太陽風相互作用等。
“深空4號”飛船于2003年4月發(fā)射,于2005年12月進入環(huán)繞Tempel 1彗星的軌道,并于2006年4月將著陸器送上彗星表面作實驗。最后,將彗星表面下不同深度的物質(zhì)分裝在3個不受外界影響的密封金屬罐內(nèi),由著陸器的上半部將樣品送回飛船。飛船于2010年5月將樣品送回地球。
宇宙飛船不僅頻頻遠征,在近距離的地球軌道上也有許多衛(wèi)星在為人類執(zhí)行不同的任務。例如,通訊衛(wèi)星及時傳播世界上的訊息,資源衛(wèi)星為人們尋找礦藏,氣象衛(wèi)星使天氣預報更準確,軍事衛(wèi)星卻使現(xiàn)代戰(zhàn)爭延伸到了太空。在1981年發(fā)射了世界上第一顆紅外天文衛(wèi)星。對于天文學上有重要意義的事件是1990年4月25日由美國“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機送入太空的哈勃空間望遠鏡(HST)。它的目的是探測宇宙深空,了解宇宙起源和各種天體的性質(zhì)和演化。盡管HST耗資21億美元,但對天文學特別是天體物理學的推動是巨大的。在空間放置望遠鏡可以擺脫大氣的干擾,沒有大氣消光的問題,同時因為沒有大氣,設計的望遠鏡可以達到衍射極限。它的鏡面不受重力的影響,不會變形,望遠鏡有極高的分辨率。它是人類的千里眼,探索宇宙奧秘的利器。
以上提及的主要是美國和俄羅斯在航天領域取得的成就,那么,我國的情況是怎樣的呢?
我國在航天領域也有舉世矚目的成就。中國老一代航天科技工作者發(fā)揚中華民族勤勞智慧的傳統(tǒng)美德,堅持獨立自主、艱苦奮斗的方針,研制出了“長征一號”火箭,于1970年4月24日在酒泉發(fā)射了我國第一顆人造地球衛(wèi)星-東方紅1號,從此進入了航天大國的行列。
建國50年來,我國航天工業(yè)取得了長足的進步。讓我們來簡要回顧我國的航天歷史吧。1964年7月19日,成功發(fā)射了一枚生物火箭。1966年10月27日,導彈核武器發(fā)射試驗成功。1975年11月26日,發(fā)射了一顆返回式人造衛(wèi)星,3天后衛(wèi)星按預定計劃返回地面。這使得我國成為世界上第三個掌握衛(wèi)星返回技術的國家。1980年遠程運載火箭發(fā)射成功。2年以后,潛艇水下發(fā)射運載火箭獲得成功。1984年4月8日,我國第一顆地球靜止軌道試驗通信衛(wèi)星發(fā)射成功。1986年2月1日,我國發(fā)射了一顆實用通信廣播衛(wèi)星。20日,衛(wèi)星定點成功。這標志著衛(wèi)星通信進入實用階段。1988年9月7日,中國發(fā)射了一顆試驗氣象衛(wèi)星“風云1號”。這是我國自行研制和發(fā)射的第一顆極地氣象衛(wèi)星。1990年4月7日,我國的“長征3號”火箭把美國制造的“亞洲一號”通信衛(wèi)星送入預定軌道,取得了為國外發(fā)射衛(wèi)星的成功。中國載人航天工程1992年啟動。1999年11月20日,在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用運載火箭發(fā)射了“神舟號”試驗飛船,21日在內(nèi)蒙古安然著陸,為我國的載人航天事業(yè)邁出了重要一步。中國首位航天員楊利偉乘坐的“神舟”五號載人飛船,于北京時間2003年10月15日9時,在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功升空。按照預定計劃,飛船繞地球飛行14圈后,于16日清晨返回。這標志著中國載人航天技術有了新的重大突破。2005年10月17日凌晨4時33分,在經(jīng)過115小時32分鐘的太空飛行,完成我國真正意義上有人參與的空間科學實驗后,神舟六號載人飛船返回艙順利著陸,航天員費俊龍、聶海勝安全返回。神舟六號載人飛船是10月12日9時許在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空的,這是我國第二次進行載人航天飛行,也是第一次將我國兩名航天員同時送上太空。載人航天技術是航天領域中技術難度最大的,在此之前,只有美國和俄羅斯章握該項技術。在2010年以前,我們的宇宙飛船將有可能訪問月球。2020年左右,我們將建立自己的空間站。然而,在取得累累碩果的同時,我們應該清醒地看到與美、俄兩國存在差距,特別在星際探索領域有較大差距。我們期待我國航天工業(yè)再接再厲,創(chuàng)造新的輝煌!
到目前為止,人類只登上了月球,這不能不說是一個小小的遺憾。展望21世紀,人類將插上科技的翅膀,在更加廣闊的宇宙太空縱橫馳騁!