高中地球科学/早期太空探索
人类长期以来一直梦想着飞向太空。希腊神话讲述了代达罗斯和伊卡洛斯的故事，这对父子利用羽毛和蜡制成的翅膀飞翔。代达罗斯警告他的儿子不要飞得太靠近太阳，但伊卡洛斯却对飞行的感觉兴奋不已，越飞越高。当他飞得太靠近太阳时，蜡融化了，伊卡洛斯掉进了海里。这个神话通常被解释为关于愚蠢或过度骄傲的，但我们也可以理解伊卡洛斯当时会感受到的兴奋。很久以后，科幻作家，如儒勒·凡尔纳（1828-1905）和赫伯特·乔治·威尔斯（1866-1946），写了一些关于可能使飞出地球进入太空的梦想成为可能的科技的文章。
- 解释火箭的工作原理。
- 描述不同类型的卫星。
- 概述早期太空探索中的重大事件，包括太空竞赛。
直到20世纪下半叶，人类才进入太空。然而，使太空探索成为可能的关键技术——火箭，已经存在很长时间了。火箭是一种由高速喷出的粒子推进的装置。我们不知道是谁制造了第一枚火箭，也不知道是什么时候，但有记录表明，早在13世纪，中国就曾使用火箭在战争中对抗蒙古人。而蒙古人又在他们对东欧的进攻中传播了火箭技术。早期的火箭也被用来发射烟花和其他仪式用途。
几个世纪以来，火箭一直被使用，但没有人能确切解释它们是如何工作的。直到1687年，艾萨克·牛顿（1643-1727）描述了三个基本运动定律，现在称为牛顿运动定律，才有了解释这一现象的理论。
- 运动中的物体将保持运动状态，除非受到净力的作用。
- 力等于质量乘以加速度。
- 对于每一个作用，都有一个大小相等、方向相反的反作用。
牛顿第三运动定律在解释火箭的工作原理方面特别有用。为了更好地理解这条定律，请考虑图23.16中的滑板运动员。当滑板运动员推墙时，滑板运动员的作用力——“作用”——与墙对滑板运动员施加的相反方向的相等作用力相匹配——“反作用”。
然而，一旦滑板运动员开始运动，他就没有任何东西可以推了。现在想象一下，滑板运动员拿着一个灭火器。当他按下灭火器的扳机时，液体或粉末从灭火器中喷出，他向后移动。在这种情况下，作用力是将物质从灭火器中推出的压力。物质对灭火器的反作用力将滑板运动员向后推。
长期以来，许多人认为火箭在太空中无法工作，因为火箭没有任何东西可以推。然而，太空中的火箭就像拿着灭火器的滑板运动员一样。燃料在燃烧室中被点燃，导致气体爆炸。爆炸产生的压力迫使气体从火箭中喷出。当这些气体从末端喷出时，火箭会向相反的方向移动，正如牛顿第三运动定律所预测的那样。气体对火箭的反作用力将火箭向前推进，如图23.17所示。推动火箭的力也称为推力。
几个世纪以来，火箭一直由火药或其他固体燃料提供动力。这些火箭只能飞行相当短的距离。在19世纪末和20世纪初，火箭技术取得了几项突破，导致了能够携带火箭——以及人类——飞出地球的强大火箭。在此期间，有三个人独立地提出了类似的改进火箭设计的思路。
第一个确立现代火箭技术许多主要思想的人是一位名叫康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（1857-1935）的俄罗斯教师。他的大部分工作甚至是在1903年进行的第一次飞机飞行之前完成的。齐奥尔科夫斯基意识到，为了让火箭拥有足够的动力摆脱地球引力，它们需要使用液体燃料而不是固体燃料。他还意识到，在火箭的燃料使用量和火箭重量之间找到合适的平衡非常重要。他提出了在发射火箭时使用多级火箭的想法，这样空燃料箱就会脱落以减少质量。齐奥尔科夫斯基有很多伟大的想法，也设计了很多火箭，但他从未制造过任何一枚。
第二个伟大的火箭先驱是美国人罗伯特·戈达德（1882-1945）。他独立地提出了与齐奥尔科夫斯基的一些相同的想法，例如使用液体燃料和使用多级火箭。他还设计了一种冷却从火箭中喷出的气体的系统，这使得火箭效率大大提高。戈达德比齐奥尔科夫斯基更务实，他建造了火箭来检验自己的想法。图23.18展示了戈达德和他第一枚使用液体燃料的火箭。这枚火箭于1926年3月16日在马萨诸塞州发射。在毕生的研究中，戈达德提出了许多至今仍在火箭中使用的创新技术。
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| 图23.18：（左）罗伯特·戈达德于1926年3月16日发射了第一枚液体燃料火箭；（右）该示意图显示了戈达德火箭的细节。 | |
第三位伟大的火箭科学先驱是一位罗马尼亚裔德国人，名叫赫尔曼·奥伯特（1894-1989）。在20世纪20年代初，奥伯特提出了许多与齐奥尔科夫斯基和戈达德相同的想法。他早期的工作没有得到大多数科学家的重视。尽管如此，奥伯特还是制造了一枚液体燃料火箭，并于1929年发射了它。后来，他加入了一个科学家团队，为德国军队设计了图23.19所示的火箭。这枚火箭最初被称为A-4，后来被称为V-2，在第二次世界大战中发挥了重要作用。德国人使用V-2作为导弹轰炸比利时、英国和法国的众多目标。1942年，V-2被发射到176公里（109英里）的高度，使其成为第一个进入太空的人造物体。一般认为100公里（62英里）的高度是地球大气层和太空的分界线。
研制V-2火箭的团队领导者是一位名叫沃纳·冯·布劳恩的德国科学家。冯·布劳恩后来逃离德国来到美国，在那里帮助美国研制导弹武器，然后加入美国国家航空航天局（NASA）设计用于太空旅行的火箭。在NASA，冯·布劳恩设计了土星5号火箭（图23.17），该火箭最终被用于将首批人类送上月球。
火箭在太空中的首批应用之一是发射卫星。卫星是指围绕较大天体运行的天体。轨道的意思是指围绕某个天体以圆形或椭圆形路径运行。这条路径也称为轨道。当您想到卫星时，您可能会想到某种围绕地球运行的金属航天器，但月球也是一颗卫星。人工送入轨道的物体称为人造卫星。自然存在的轨道物体，例如月球，称为天然卫星。
艾萨克·牛顿的第三运动定律解释了火箭的工作原理，他还提出了解释卫星为何能保持轨道运行的理论。牛顿的万有引力定律描述了宇宙中每个物体都受到其他每个物体的吸引。使苹果落到地面的相同重力，以及使您不会飘到空中的重力，也使月球绕地球运行，以及地球绕太阳运行。
牛顿用以下例子解释了重力如何使轨道成为可能。考虑从高山上发射的炮弹，如图23.20所示。如果炮弹以较慢的速度发射，它将落回地球，如图中的路径A和B所示。但是，如果它以足够快的速度发射，下方地球的曲率将与炮弹下落的速度相同，炮弹将进入圆形轨道，如图中的路径C所示。如果炮弹发射得更快，它可以进入椭圆轨道（D）或完全离开地球的重力（E）。
请注意，牛顿的想法在现实生活中实际上行不通；从地球最高峰珠穆朗玛峰发射的炮弹，如果以使其进入轨道的速度发射，将在大气层中燃烧殆尽。然而，火箭可以垂直向上发射，然后转向进入轨道。火箭还可以将卫星运送到大气层之上，然后将卫星释放到轨道上。
50多年前发射第一颗卫星以来，已有数千颗人造卫星被送入地球轨道。我们甚至将卫星送入了月球、太阳、金星、火星、木星和土星的轨道。成像卫星专为拍摄地球表面照片而设计。这些图像可由军方使用（由间谍卫星拍摄）或用于科学目的，例如气象学（由气象卫星拍摄）。天文学家使用成像卫星来研究和绘制月球和其他行星的地图。通信卫星，例如图23.21中的卫星，旨在接收和发送电话、电视或其他类型的通信信号。导航卫星用于导航系统，例如全球定位系统（GPS）。最大的人造卫星是国际空间站，旨在让人类在太空中生活并进行科学研究。
卫星的速度取决于它在地球或任何它所绕行的物体上方的高度。相对靠近地球的卫星被称为处于近地轨道（LEO）。近地轨道的卫星通常也处于极地轨道，这意味着它们垂直于地球自转方向绕地球南北两极运行。由于地球在绕轨道运行的卫星下方旋转，因此极地轨道上的卫星每次环绕地球时都在地球表面的不同位置上方。成像卫星和气象卫星通常被送入近地极地轨道。
一颗放置在地球上方特定距离——35,786公里（22,240英里）——的卫星，其运行速度与地球自转速度相同。因此，卫星始终位于地球表面上方的同一位置。这种类型的轨道称为地球同步轨道（GEO）。许多通信卫星被送入地球同步轨道。
从1945年第二次世界大战结束到1991年苏联解体，苏联和美国一直处于军事、社会和政治冲突之中。这段时期被称为冷战。虽然几乎没有发生过实际的军事冲突，但这两个国家却在进行军备竞赛——不断开发新的、更强大的武器，每个国家都试图拥有比另一个国家更强大的武器。虽然这场竞争产生了诸多社会和政治后果，但它也推动了技术发展。为战争研制导弹大大加快了火箭技术的开发。
1957年10月4日，苏联发射了第一颗人造卫星——斯普特尼克1号。斯普特尼克1号（如图23.22所示）直径58厘米，重84公斤（184磅）。拖在卫星后面的天线发出无线电信号，这些信号被世界各地的科学家和业余无线电操作员检测到。斯普特尼克1号以每96分钟一次的椭圆形路径绕地球运行，处于近地轨道。它在轨道上运行了大约3个月，直到速度减慢到足以进入地球大气层，然后由于与地球大气层的摩擦而燃烧殆尽。
斯普特尼克1号的发射开启了苏联和美国之间的太空竞赛。许多美国人震惊于苏联拥有将卫星送入轨道的技术，他们担心苏联也可能在军备竞赛中获胜。1957年11月3日，苏联发射了斯普特尼克2号，该卫星搭载了第一只进入轨道的动物——一条名叫莱卡的狗。
为了应对斯普特尼克计划，美国于1958年1月31日发射了自己的卫星探险者1号。此后不久——1958年3月17日——美国发射了另一颗卫星先锋1号。同年晚些时候，美国国会和艾森豪威尔总统成立了美国国家航空航天局（NASA）。
苏联仍然设法在许多著名的“首次”中保持领先于美国。1961年4月12日，苏联宇航员尤里·加加林成为第一个进入太空和第一个进入地球轨道的人。不到一个月后——1961年5月5日——美国将他们的第一位宇航员送入太空：艾伦·谢泼德。第一个绕地球运行的美国人是约翰·格伦，时间是1962年2月。第一个进入太空的女性是苏联人：瓦莲京娜·捷列什科娃，时间是1963年6月。表23.1中的时间轴显示了太空竞赛中的许多其他“首次”。
| 日期 | 成就 | 国家 | 任务名称 |
|---|---|---|---|
| 1957年10月4日 | 第一颗人造卫星，来自太空的第一个信号 | 苏联 | 斯普特尼克1号 |
| 1957年11月3日 | 第一个进入轨道的动物（莱卡犬） | 苏联 | 斯普特尼克2号 |
| 1958年1月31日 | 美国的第一颗人造卫星 | 美国 | 探险者1号 |
| 1959年1月4日 | 第一个绕太阳运行的人造物体 | 苏联 | 月球1号 |
| 1959年9月13日 | 第一个撞击其他行星或卫星（月球） | 苏联 | 月球2号 |
| 1961年4月12日 | 第一次载人航天飞行和第一次载人轨道飞行（尤里·加加林） | 苏联 | 东方1号 |
| 1961年5月5日 | 美国第一次载人航天飞行（艾伦·谢泼德） | 美国 | 水星-红石3号（自由7号） |
| 1962年2月20日 | 美国第一次载人轨道飞行（约翰·格伦） | 美国 | 水星-阿特拉斯6号（友谊7号） |
| 1962年12月14日 | 第一次行星飞掠（金星） | 美国 | 水手2号 |
| 1963年6月16日 | 第一个进入太空的女性，第一个进入轨道的女性（瓦莲京娜·捷列什科娃） | 苏联 | 东方6号 |
| 1965年3月18日 | 第一次舱外活动（“太空行走”）（阿列克谢·列昂诺夫） | 苏联 | 上升2号 |
| 1966年2月3日 | 第一次在其他行星或卫星（月球）上软着陆，第一次拍摄来自其他世界的照片 | 苏联 | 月球9号 |
| 1966年3月1 | 第一次撞击其他行星（金星） | 苏联 | 金星3号 |
| 1966年4月3日 | 第一个绕其他世界（月球）运行的人造卫星 | 苏联 | 月球10号 |
| 1966年6月2日 | 美国第一次在月球上软着陆，美国第一次拍摄来自月球的照片 | 美国 | 勘测者1号 |
| 1968年12月21日 | 第一个绕其他世界（月球）运行的人类（詹姆斯·洛弗尔，弗兰克·博曼，比尔·安德斯） | 美国 | 阿波罗8号 |
| 1969年7月21日 | 首批登上月球的人类（尼尔·阿姆斯特朗，巴兹·奥尔德林） | 美国 | 阿波罗11号 |
美国和苏联之间的太空竞赛在1969年达到顶峰，当时美国将首批人类送上了月球。然而，这两个国家太空计划之间的竞争持续了许多年。
1961年5月25日，在第一个美国人进入太空后不久，约翰·F·肯尼迪总统向美国国会提出了以下挑战
| “ | 我相信，这个国家应该致力于在本十年结束之前实现的目标，即让一个人登上月球并安全地返回地球。在这一时期，没有一个单一的太空项目会给人类留下更深刻的印象，或者对空间的长期探索更重要；也没有一个项目会如此困难或昂贵。 | ” |
八年后，美国国家航空航天局的阿波罗11号任务实现了肯尼迪的雄心壮志。1969年7月20日，宇航员尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林成为首批踏上月球的人类，如图23.23所示。
在阿波罗11号任务之后，另外四次美国任务成功地将宇航员送上了月球。最后一次载人登月任务是阿波罗17号，它于1972年12月11日着陆。迄今为止，还没有其他国家将人送上月球。
1975年7月，苏联和美国进行了一次名为阿波罗-联盟测试计划的联合任务。在此期间，一艘美国阿波罗飞船与一艘苏联联盟号飞船对接，如图23.24所示。许多人认为这是太空竞赛的象征性结束。
在太空竞赛期间，美国和苏联也向其他行星发射了探测器。太空探测器是一种无人驾驶的航天器，通过飞近或着陆在太空中的物体（如行星、卫星、小行星或彗星）上收集数据。在金星号任务中，苏联向金星发射了几个探测器，包括一些着陆在金星表面的探测器。美国在水手号任务中向水星、金星和火星发射了探测器，并在维京号任务中将两个探测器送上了火星。
在先驱者号和旅行者号任务中，美国还向太阳系外层发射了探测器，包括飞越木星、土星、天王星和海王星。先驱者号和旅行者号探测器仍在飞行，现在已经超出了我们太阳系边缘。我们已经失去了与两个先驱者号探测器的联系，但预计至少到2020年仍能与两个旅行者号探测器保持联系。
- 几个世纪以来，火箭一直被用于战争和仪式。
- 牛顿第三定律解释了火箭的工作原理。发动机作用于气体的作用力伴随着气体对火箭的反作用力。
- 康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基、罗伯特·戈达德和赫尔曼·奥伯特提出了改进火箭设计的类似想法。这些想法包括使用液体燃料和使用多级火箭。
- 卫星是指绕较大天体运行的天体。月球是天然卫星。人造卫星是由人类制造的。
- 牛顿万有引力定律解释了万有引力的作用方式，无论是在地球上还是在太空中。引力使卫星保持在轨道上。
- 人造卫星用于拍摄地球和其他行星的图像，用于导航和通信。
- 第一颗人造卫星斯普特尼克1号的发射引发了美国和苏联之间的太空竞赛。
- 美国阿波罗11号任务将首批人类送上了月球。
- 在太空竞赛期间，美国和苏联还向其他行星发射了几个探测器。
- 利用牛顿第三定律解释火箭如何运动。
- 列出火箭科学的三位伟大先驱。
- 火箭和卫星有什么区别？它们之间有什么关系？
- 地球的天然卫星叫什么名字？
- 解释为什么随着时间的推移，处于极地轨道上的卫星能够拍摄到地球所有部分的照片。
- 描述三种不同类型的轨道。
- 什么事件引发了太空竞赛？
- 约翰·F·肯尼迪在太空竞赛中为美国设定了什么目标？
- 与单级火箭相比，多级火箭有哪些优势？
- 地球同步轨道
- 一颗放置在地球上方适当距离的卫星，使其以与地球自转相同的速度运行。
- 近地轨道
- 绕地球运行的相对较近的卫星。
- 轨道
- 围绕另一个物体以圆形或椭圆形路径运行。
- 极地轨道
- 卫星的路径，经过南北极，垂直于地球自转。
- 火箭
- 一种由高速喷射出的粒子推动的装置。
- 卫星
- 绕较大物体运行的天体，可以是天然的，也可以是人造的。
- 太空探测器
- 一种无人驾驶的航天器，通过飞近或着陆在太空中的物体上收集数据。
- 太空竞赛
- 美国和苏联之间为了拥有最佳太空技术的竞争。
- 推力
- 火箭发动机排出的气体产生的向前力。
- 太空竞赛和美国渴望登上月球带来了许多科学技术的进步。
- 你能想到我们今天面临的任何挑战，这些挑战是、可能是或应该成为科学技术的重点吗？
- 如果你负责美国国家航空航天局，你会为太空探索设定哪些新的目标？