航天火箭的“十万个为什么”

解晓峰 童话

在之前两期我们介绍了航天相关的知识，但热爱天文、喜好科幻和憧憬太空探索的小伙伴似乎还有些意犹未尽。那么这一期就来整一篇关于航天火箭更为详细的知识问答，可不要嫌篇幅太长哦，因为你将不仅能知道火箭是怎么做“体检”，为什么火箭要“站着”发射，为什么火箭发射的时间那么飘忽不定，还可以见识到动物“航天员”们带来了哪些贡献，等等。

Q：我希望以后长大成为一名航天员，那从现在开始，我需要自学哪些知识来为我的梦想打基础呢？

A：我国对于航天员最早的选拔标准，除要求具有思想作风好、政治素质高、心里稳定和临危不乱等“软性”条件外，还要求具有强健的体魄、高超的飞行技术、丰富的飞行经验等。不过现在随着我国航天事业的不断发展，对于航天员的选拔范围也已经不再局限于飞行员，譬如航空航天相关的工程技术人员，未来还会有物理学家、生物学家、地质学家和医生等。

又比如2015年美国NASA公布的招募火星宇航员的要求，其中就包括拥有工程学、生物学、物理学或数学领域的学士学位。因此，工程师、理工科科学家和医生等专业其实是较受欢迎的，因为知道如何做实验非常重要，在国际空间站上，宇航员需要进行各种微重力实验，比如纳米粒子的液体中的表现，被斩首后扁平虫能否再生等。同时，NASA也会招募地质学家或生物学家。

我国航天员的训练大体分为三个阶段：第一阶段是基础理论培训，在这一阶段，航天员要学习火箭和飞船的设计原理、飞行动力学、气象学、天文学、通信、设备检测、航天医学知识等等;第二阶段是专业技能训练，航天员要熟悉飞船的结构、组成，飞船各系统的工作原理和模式，甚至要掌握重要部组件和单机的情况;第三阶段是飞行程序和任务训练，航天员们要在与真实飞船相同的训练模拟器上，通过实景仿真，掌握和知道应该注意观察什么，什么时候和地面联系，在这一阶段，航天员们还要学会发现和排除紧急情况，以考察和锻炼他们的判断能力和对事物的迅速反应能力。

这三个阶段的训练通常需要3～5年的时间。在训练中，他们还要奔赴沙漠、寒区、雨林和海上，配合搜救部队进行野外生存和搜救演习。而体能训练、特殊生理功能训练等一直伴随在三个学习阶段。如果是需要参与太空行走的航天员，出舱时要像攀岩一样主要靠手来实施在太空进行的上千项操作，所以对航天员的体能、上肢力量和应对突发情况的处置能力提出了更高要求。

此外还有心理层面，良好的心理状态在孤寂的太空作业中起着至关重要的作用，它包括以下三点要求：熟练掌握复杂的操作技能，在发生意外情况时从容不迫、沉着应对;有献身精神，以适应航天探险活动;坦然面对外界各种压力，不骄不馁。

Q：听科普节目说“火箭直径是由马屁股决定的”，这是真的吗？

A：火箭的直径最主要是由它的研制目的决定的。也就是说，如果火箭需要运输更大的重量，就要直径更大、箭体更长。这样的想法在理论上没错，但在现实中是受到了诸多限制的。一般来说，火箭研制地与发射地有一定距离，大多是用火车或者汽车运输。路上难免会通过一些隧道，隧道的宽度都是参照铁轨的宽度确定的。火箭要通过这些隧道，直徑就不能超出隧道的宽度。再考虑到火车晃动、会车等因素，火箭的直径就更受限制了。所以，在2016年以前，我国运载火箭直径最大的为3.35米。

这样看的话，火箭直径是由铁路轨道的宽度决定的。那铁路轨道的宽度又是由什么决定的呢？其中有很多说法，不过，最为人所熟知的就是“马屁股决定说”。这个说法认为：英国人发明了火车，而火车轨道的宽度在设计之初就沿用了马车的轮宽标准。马车的轮宽是怎么确定的呢？是根据英国老路上的辙迹确定的。当时路上辙迹的宽度是4.85英尺（约合1.48米），而辙迹的尺寸标注是古罗马人定的。因为当时欧洲的长途老路都是由罗马人为他们的军队铺设的，罗马战车是他们的主要装备，4.85英尺正是罗马战车的宽度。

那古罗马人又为什么以4.85英尺作为战车的轮距宽度呢？原因其实很简单，因为这是拉动战车的两匹马的屁股宽度。这样一来，关系就清楚啦：马屁股的宽度决定了铁轨间的距离，铁轨间的距离决定了隧道的宽度，隧道的宽度则影响了火箭的直径。

当然，世界上很多国家的铁轨间的距离都不太一样。1937年，国际铁路协会做出规定：1435毫米为国际上通用的标准轨距，1520毫米以上的轨距为宽轨，1067毫米以下的轨距为窄轨。我国采用的是标准轨距，受此影响，我国在长征五号运载火箭研制出来前，火箭的直径最大为3.35米。如今，随着运输工具的发展，火箭不仅可以选择公路、铁路运输，还可以海运，这让火箭的直径不再受限于铁轨间的距离。

Q：都是在天上飞，为什么飞机要防冻，火箭要防热？

A：火箭和飞机在天上飞时，到底需要防冻还是防热，与它们飞行的马赫数紧密相关。马赫数就是指物体运动速度与周围空气中的音速之比，相同条件下，马赫数越小，物体表面温度越低;马赫数越大，物体表面温度越高。

火箭在大气层飞行的过程中，为了挣脱地球引力，飞去更高更远的太空，会一直加速飞行，速度从亚音速、超音速到高超音速，在距离地面10公里左右的高度时，马赫数甚至超过5，此时火箭表面的温度有1000多摄氏度。随着火箭飞行速度的增加，这个温度还会继续升高，直至脱离大气层。而这个阶段，如果没有足够的防隔热措施，火箭外表的金属外壳将会变形甚至融化，火箭内部的电路板、元器件、精密仪器等将会烧穿、变形，导致整个飞行任务失败。

普通的民航飞机一般以亚音速飞行，同样在距离地面10公里左右的高度时，马赫数仅为0.7～0.8，外部大气的温度低至零下55摄氏度左右，接近北极圈以内的温度，飞机的温度和外界温度差不多，这个温度下飞机必须开空调为机舱内调节温度，否则客机的乘客会被冻伤。实际上，如果飞机的速度也提高到超高音速，也就是马赫数也达到10左右，它也同样需要防热。航天飞机的速度与火箭差不多，表面温度可高达2000摄氏度，因此航天飞机的表面也安装了一层厚厚的防热瓦来抵御高温。

Q：那载人飞船的返回舱是不是也是一样要防热呢？

A：载人飞船返回舱在返回地球时，要以每秒数公里的速度与大气摩擦，会产生1500℃以上的高温，别说人体，就是普通的金属材料也会瞬间融化。为了保证航天员的安全，科研人员会为载人飞船返回舱穿一件“防热衣”。我国“神舟”载人飞船返回舱“防热衣”采用了蜂窝增强低密度烧蚀材料，在返回舱返回地球时，“防热衣”在高温中会通过自身的烧蚀带走大量的热。正如人们在炎炎夏日向地面泼水，水在蒸发时会消耗热量，让屋子更凉爽，载人飞船的“防热衣”在高温中也会出现熔化、蒸发、升华等物理变化以及分解等化学变化，带走飞船表面的热量。

此外，由于“防热衣”采用的蜂窝增强低密度烧蚀材料里有很多气孔，就像蓬松的羽绒服一样，会阻挡热量进一步向内传递。外层烧蚀带走热，内部蓬松阻挡热。当汹涌的热流闯过“防热衣”时，热量已所剩无几，不会对航天员造成威胁。

Q：火箭为什么是“站”着发射的？

A：大家都知道，飞机是水平起飞的，火箭是站着发射的。火箭与飞机的目的地不同，决定起飞方式不同。火箭发射是为了摆脱地球引力，实现宇宙航行，将卫星等航天器送到预定轨道。因此，火箭在飞行过程中，除了要克服自身的重力外，还要受到空气阻力等因素的影响。而飞机是从地球上的一个地点飞到另一个地点，不需要摆脱地球引力，借助航空发动机的推力和机翼上下的空气动力，在大气层中穿行。

垂直起飞是火箭冲出大气层的一条最短路径。除此之外，垂直发射推力只要稍微超过起飞重量，火箭就可以腾空而起。如果是倾斜发射或是水平发射，需要更大的起飞推力，消耗的燃料更多。根据美国火箭理论家哥达德研究，火箭发射主要克服从地面到100千米以内的空气阻力，因此，火箭在垂直起飞十几秒后，一般会进行程序拐弯，逐渐转为水平方向。目前，国际上正在研究磁悬浮发射、空中发射、真空管道发射等多种新型发射方式。未来火箭可能不走寻常“路”，可以呈各种角度发射。

Q：为什么火箭发射，都会进行倒数计时，而且都是从10开始倒数？

A：观看火箭发射时，我们都会听到这样的倒计时口令，“10……3、2、1，点火”，紧接着一声巨响，火箭腾空而起。据中国运载火箭技术研究院火箭设计师钱航介绍，这种火箭发射倒计时方式是科学家跟导演学来的。

1926年3月16日，世界上第一枚液体火箭在美国马萨诸塞州发射成功，激起人们对航天技术的兴趣。翌年，航天科技的爱好者们会聚德国，成立了“太空航行协会”。34年后，世界上第一艘宇宙飞船“东方一号”由苏联发射成功。为满足人们当时对航天飞行的强烈向往，德国的乌发电影公司拍摄了描写太空旅行的科幻片—《月球少女》。该片导演弗里兹·朗格在火箭发射的镜头中设了“10……3、2、1，发射！”的倒数发射方式。这一方式引起火箭专家们的兴趣，他们认为该程序十分科学。它简单明了，清楚准确，突出地表现了火箭发射的准备时间逐渐减少，使人们思想集中，产生准备时间即将完毕、发射就要开始的紧迫感。此后，这种倒数计时发射方式被国际上普遍采用了，一直沿用至今。

其实，火箭发射除了最后的10秒倒计时外，还有发射前2小时、1小时、30分钟、20分钟等射前准备口令。它们在火箭发射前的准备阶段发挥十分重要的作用，提醒、协调火箭各个系统，最后确认所有准备工作是否无误，各个系统的工作是否正常。在这期间，一旦发现问题，可以及时排除隐患，甚至可能终止发射。

据钱航介绍，1970年4月24日18点30分左右，距离长征一号火箭发射只有2个多小时，科研人员突然发现一个弹簧垫圈从火箭上掉下来。经过再三耐心细致地检查后，发现弹簧垫圈只是一个多余物，不会对火箭发射造成影响，为火箭成功发射排除了隐患。在火箭射前准备期间，发现问题的事例，国外也屡见不鲜。据日本共同社和《朝日新闻》2013年8月27日报道，日本新型固体燃料火箭Epsilon原定于27日下午1时45分发射升空。但是在发射进入倒计时后，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）突然宣布终止发射。2015年1月6日，SpaceX原定晚间发射的猎鹰9号火箭由于技术原因取消。火箭发射倒计时原本已经开始，发射塔架也被打开，但是最终在倒计时1分钟左右被叫停。

Q：看火箭发射录像，倒计时后有时候火箭起飞往往延迟了一小会儿，这是怎么回事呢？

A：好细心的观察！国内的火箭发射是点火倒计时，比如新一代运载火箭点火后，会有一个几秒的间隙，在这期间火箭要经历排氢、预冷等过程。而国外的火箭发射是起飞倒计时，火箭可能在倒计时数到“3”时，就已经点火了，所以你会看到，发射倒计时口令刚落，火箭已经飞出去了。

Q：火箭发射点火时，为何有的冒“红烟”，有的冒“白烟”？

A：发射时，有的火箭尾部喷吐着红色火焰升空，有的是白色火焰，还有的会冒橙褐色的火焰，火箭发射點火时尾部颜色竟然如此不同。其实，除了长征五号、长征七号、长征十一号火箭外，其他的火箭点火发射时，尾部都是冒“红烟”。产生红色火焰是因为火箭的燃料是四氧化二氮、偏二甲肼。发射时，低温的四氧化二氮在常温下具有强氧化性，分解成红棕色的二氧化氮气体。伴随着火箭起飞，这就是大家看到的红烟。

而我国发射的新一代运载火箭长征五号、长征七号点火起飞时，会看到大量的白色气体，尾部喷吐的就是白色火焰。这里的“白烟”主要由两部分构成，大部分是水蒸气，还有一小部分是燃料燃烧后产生的。新一代运载火箭是采用无毒无污染的液氢、液氧、煤油作为燃料，液体和气体状态的氧都是无色的，燃料的燃烧会带来少量“白烟”，所以火箭发射升空时，会看到“白烟”。

那么，火箭发射哪里来的水蒸气呢？=新一代运载火箭的发射塔上，设有一个能容纳600吨水的水箱，在火箭发射时，水箱中的水通过“大流量喷水降温降噪系统”技术，在火箭飞到5米高以后向箭体尾部火焰中心喷水，喷水量达400吨，这些水会在瞬间被气化。不仅如此，新一代运载火箭在塔架上等待起飞和飞行时，火箭侧壁也会冒出“白烟”。这是因为火箭使用的是冷藏的液氢液氧低温燃料，液氢温度为零下253摄氏度，液氧为零下183摄氏度。这些燃料使得火箭内部是远远低于冰点的超低温，在与外界空气接触时，就好像夏天在屋里放了一块冰。虽然火箭外壳有真空隔绝层进行保温，但还是会看到少量“白烟”。

火箭点火发射时，除了会冒“红烟”和冒“白烟”外，还会冒“橙褐色的烟”。具有操作简单、发射速度快等优点的固体运载火箭长征十一号，使用的是固体推进剂，其中含有碳或碳氢化合物，所以在点火发射时，火箭尾部喷涂着“橙褐色的火焰”。

Q：火箭升空过程中产生的热量足以融化金属，那它的外壳一般是什么材料，又有多厚呢？

A：我们如今看到的火箭一般身高数十米，体重有几十到几百吨，许多人会觉得，它额度外壳一定特别厚重，才能支撑起这样的庞然大物。其实，火箭的外壳是很薄的，最薄处甚至和鸡蛋壳差不多。

火箭的重量每减轻1公斤，就可能使它的有效载荷增加1公斤。对于卫星、飞船来说，能多1公斤，就可能增加一项重要的功能，就可能为卫星或航天员提供多一份保障。航天科技人员通常形容火箭是“薄皮大馅”，主要的重量都在火箭肚子里的燃料上。可燃料都是“死重量”，不能随意增减，所以，火箭设计师们就把心思放在了火箭的外壳上，把火箭的外壳变薄，目的就是为了给火箭减重。

要想把火箭外壳做得薄，材料是非常重要的。目前，常用火箭外壳的主要材料为铝合金，这种材料强度高、耐腐蚀、重量轻、成本低、综合性能最好，是做外壳的最佳选择。火箭的外壳由多个部分组成，包括蒙皮、桁条和框环。框环和桁条组成一个圆柱形的框架，通过铆接与蒙皮组合到一起。蒙皮主要是起到维持形状、安装仪器电缆等作用;而桁条则是起到纵向主支撑力的作用。桁条、框环和蒙皮之间的关系就像是灯笼里的竹条和外面的纱罩。我们通常所见到的火箭“外壳”，其实只是它的“蒙皮”。

火箭蒙皮很薄、很软，但根据受力分析进行科学计算、结构优化后，用铆钉把蒙皮和框架进行固定，每一壳段有上千个铆钉，这就保证了整体结构的强度和刚度。在发射过程中，无论受到哪个方向的外力，都不会影响火箭的飞行。当然，如果蒙皮过薄，靠不断加密内部框架来保证坚固性的话，反而会使壳体重量加重，达不到预想的效果。因此，设计师要计算出蒙皮和框环、桁条的最佳配比，既保证用最少的材料，又能保证箭体坚固、可靠。

随着技术的不断进步，设计人员计算得也越来越精确，火箭结构也越来越优化，蒙皮的厚度也随之变得越来越薄。以长征二号丙运载火箭为例，火箭卫星支架的蒙皮面板厚度只有0.8毫米;长征五号运载火箭的蒙皮最薄处厚度仅仅只有0.3毫米。

Q：太空探险中，是否也有和电视上那样的动物参加呢？

A：自1961年苏联航天员加加林进行太空行走以来，全世界有超过500名人类航天员曾经“上过天”。不过，还有一类“航天员”，它们的数量要更加庞大。例如1998年美國“哥伦比亚”号航天飞机第25次飞行，除了7名人类航天员，还有超过2000名特殊的宇航员同行—1500多只蟋蟀、223条箭鱼、170只实验鼠和135只蜗牛。细数航天技术发展的历史，可以发现人类能走出地球，与动物航天员们的铺垫和牺牲是分不开的。几十年来，一批批动物被送上太空，要么代替人类进行危险的旅程，要么被当成实验对象。

美国是最早开始太空动物试验的国家。1946年至1947年，美国在白沙试验场先后发射了8枚火箭带着植物种子、细菌芽孢和果蝇等生物上天，借以研究辐射对它们的影响，这应该是最初的太空宇航员实验。不过这里需要提一句，早期火箭发射的高度还都比较低，大部分的动物都还算不上“动物航天员”。外太空的起点通常被认为是距离地面100千米高的空中，被称为“卡门线”。只有飞到卡门线高度以上，才认为是真正进入外太空。

1947年美国用V-2火箭送一只果蝇到109千米高空。1948年美国将一只编号为阿尔伯特一号的猴子送到62千米高空，但不幸的是，它在降落时摔死了。而且，它所乘坐的火箭没有飞到卡门线高度。真正意义上的第一只太空猴是它之后的阿尔伯特二号，1949年它乘坐的火箭飞到了134千米高。阿尔伯特二号同样因为降落失败死去。1951年，美国送到天上的11只小鼠生还，但同行的猴子降落后2小时依然死亡;直到1952年，才实现2只猴子上天之后的成功回收。

美国人执着于猴子，是因为猴子的生理结构与人类相似，它们往往是接受麻醉后上天的。而苏联的航天计划从一开始就钟情于狗，因为他们认为狗能更长时间忍耐恶劣的发射环境。1949年到1958年，苏联曾把42只狗发射升空。1957年11月3日，第一个到达地球轨道、真正的动物宇航员诞生了—苏联发射了人造地球卫星2号围绕地球飞行，卫星近地点约211千米高，远地点约1659千米高。卫星上搭乘了一只名叫莱伊卡的小狗。它是第一只到达地球轨道高度的动物，可惜由于缺乏空气和水仅存活了2天。

第一只进入外太空的黑猩猩则叫作哈姆。1961年1月，哈姆作为宇宙飞船“水星号”的唯一乘客进入253千米高的外太空，成为第一个到达外太空的类人动物。它的任务相当重大—当看到仪表盘闪现蓝光时，扳动拉杆引导降落。在地面上是通过香蕉和电击来训练哈姆学习这项操作的。哈姆成功完成了任务，太空舱坠入大西洋，营救人员打捞起太空舱，给出舱的哈姆一个苹果和半个橘子作为奖励。哈姆在这次太空之旅中毫发未损，后被送到美国华盛顿国家动物园生活了17年，最终在北卡罗来纳州动物园去世，享年25岁。

进入太空的喵星人则来自法国。1963年法国发射Veronique AG1火箭将一只来自巴黎的、名为Félicette的黑白色母猫送到了156千米的太空中。这是一次非轨道飞行，持续约15分钟。它是世界上第一只也是唯一一只进入过太空的猫。最终它成功生还。

最近几十年，人类的太空工程中进行了越来越多的动物实验，比如摘除实验鼠大脑观察大脑在失重下的变化、解剖怀孕母鼠观察胎儿发育、观察幼鼠学会在失重条件下爬行等。其中也让我们惊讶发现了水熊虫竟然可以在太空环境和太阳辐射暴露下存活（实验样本被放回水中只有10%存活了下来，并且所有的幼虫都没有孵化出来）。前边说到的“哥伦比亚”号航天飞机，其货舱中放置了一个神经实验室用于生物实验。如较著名的第25次飞行，7名航天员进行26项（11项以人类航天员为实验对象，15项以动物为研究对象）以研究大脑和神经系统为主的生物学实验，旨在发现地球上特有的疾病，如失眠、血压异常及晕车船症等常见病的新疗法。哥伦比亚号航天飞机在2003年最后一次飞行时，还携带了蚕、蜘蛛、蜜蜂、蚂蚁和鱼等动物，最后遗憾失事，其残骸中依然发现了活着的线虫。

我国第一批动物航天员是8只白鼠（4只小白鼠，4只大白鼠），它们在1964年7月19日搭乘中国第一枚生物探空火箭“T-7A/S1”在安徽广德发射升空。除了这8只白鼠外，火箭上还载有12支生物试管，里面装着果蝇等生物。送这第一批动物宇航员送入太空，主要是为了研究超重失重、高空弹射、宇宙辐射对生物的影响，为以后载人航天提供重要依据。我国第二批动物宇航员是两只可爱的小狗“小豹”和“珊珊”，1966年7月搭乘探空火箭“T-7A/S2”升空。小豹和珊珊都是雌性小狗，前者当时只有两岁。这次实验被认为是最有意义的一次太空生物实验，小豹和珊珊的贡献拍制成纪录片《向宇宙进军：中国航天梦想之小狗飞天》。而且，小豹和珊珊最终安全返回地面了。

最近几年中国有名的动物宇航员，则是搭乘“神州十一号”上天的蚕宝宝们。“太空养蚕”这个科学设想是由香港一群中学生提出来的，为了试验顺利进行，科学家用尖端科技保证蚕宝宝在太空的“衣食住行”。这些蚕宝宝们回到地球后，已经化蛹为蛾，顺利“结婚生子”，产下蚕卵。

动物航天员们曾在航天史上有着光辉的过去，将来也会长期服务于人类航天事业。上天大概不是它们的本愿也不是它们的幸福，但让我们尊重和缅怀它们。

Q：为啥国外叫“宇航员”，中国叫“航天员”？

A：其实，不论是“航天员”还是“宇航员”，都指经过训练能驾驶航天器或在航天飞行中从事科学研究的人。那为什么会出现不同的叫法呢？这就要从冷战期间说起，美国和苏联针锋相对，在航天领域更是如此，以至于对宇航员的称呼都是不同的。加加林成功进入太空后，苏联率先将宇航员的英文名称定为“Cosmonaut”（Cosmic意为宇宙的）直到今天这个词依然特指俄国宇航员。1962年8月24日发行的《时代》杂志，封面人物为俄国宇航员尼克诺耶夫和波波维奇，当时的报道中就使用了“Cosmonaut ”一词。

美国官方却拒绝使用这个称谓，反而新造了个名词“Astronaut”（Astro在希腊语中意为“宇宙、天梯”），与cosmonaut并无本质区别。但两国都固守自己的名词体系，对别国航天员使用音译的译法来指代，以示区别。

而中国“航天员”的称呼来自钱学森对航空航天的范围定义，“航空”定义为大气层内，“航天”为大气层外到太阳系内，“宇航”则是指太阳系外。据说，“航天”一词是由钱学森首创，是从航海、航空“推理”而成的。因此，我國为了更精准地描述航天活动，所以称驾驶航天器或在航天飞行中从事科学研究的人员为“航天员”。

Q：从小我们就知道钱学森爷爷是中国的航天火箭之父，那世界的航天火箭之父是谁呢？

A：康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（KonstantinTsiolkovsk，i 1857年9月17日～1935年9月19日），现代宇宙航行学的奠基人，被称为航天之父。他最先论证了利用火箭进行星际交通、制造人造地球卫星和近地轨道站的可能性，指出发展宇航和制造火箭的合理途径，找到了火箭和液体发动机结构的一系列重要工程技术解决方案。他有一句名言：“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。”

童年时罹患猩红热，使齐奥尔科夫斯基几乎完全失聪并因此失去了上大学的机会，但智慧超群、具有创新思维的他通过自学，提出了在当时甚至超乎科幻小说的想法。他撰写了超过400件作品，包括大约90篇关于太空旅行和相关科目的出版物。 他的作品涉及火箭的设计、转向推进器、多级增压器、空间站、用于将太空船引入空间真空的气闸，以及为空间殖民地提供食物和氧气的闭合循环生物系统。出版于1903年的齐奥尔科夫斯基的航天器设计的外观，是现代宇宙飞船设计的基础。 设计有一个船体，分为3个主要部分。飞行员和副驾驶在第一部分，第二部分和第三部分拥有燃料航天器所需的液氧和液氢。

这里简单列举一下这位科学家预言太空时代来临的五个最有意思的想法，其中部分如今已成为现实，其他设想则仍有待实现。希望他的一些想法，也能对我们年轻的下一代有所触动，以科学为翅膀，放飞关于未来的幻想。

1.折叠式飞行器和鸟状飞机

齐奥尔科夫斯基最早的发明设计之一是特殊结构的飞艇，该发明的独特之处在于飞行器外壳的制造材料，即用金属材料取代涂胶的布质材料，可以避免危险的化学反应，还能根据其构造改变飞行器的形状。通过计算和试验，齐奥尔科夫斯基得出结论：只有金属材料制造的飞行器才能不仅满足舒适性和安全性的要求，而且更节省成本。齐奥尔科夫斯基不断在此方向进行探索并发明出了早于飞机出现几十年的设计——带有厚厚的弧形机翼的全金属单翼飞机，他称之为“鸟状（航空）飞行器”。

2.反作用飞行

在1883年以日记形式创作的作品《自由空间》中，齐奥尔科夫斯基化身为一名置身于不受阻力和吸引力限制的空间讲解员。正是这部作品中首次提出了宇宙空间中反作用力是移动的唯一方法的理论。其随后的作品《利用反作用仪器进行太空探索》用最简单的力学定律对上述结论进行了论证。也是在这篇作品中，齐奥尔科夫斯基证实了火箭具有完成太空飞行的能力。

3“. 火箭列车”

齐奥尔科夫斯基将“火箭列车”这一术语赋予了多级火箭的原型，即在地面启动后飞入空中并进入宇宙太空的火箭组合。每级火箭燃料用完后将自动脱落并坠入地球。根据其计算，每级火箭的长度应为30米，直径则为3米。按照齐奥尔科夫斯基的设想，建立此类“列车”不仅可以更快地实现人类进入太空的梦想，而且还能打开星际间交通的时代。

4.太空“电梯”

对齐奥尔科夫斯基而言火箭并非离开地球的唯一方式。这位科学家首次提出使用法，提出人造重力旋转装置的规划。根据该设想，装置中将能容纳工业和农业生产，甚至能开发出整座移民城市。目前，该设想在“环形太空移民计划”（俗称“环形城市”）中得以体现，斯坦福大学的科学家正在开发该计划。

Q：科技馆里看到我国长征系列火箭的模型全家福，发现多数火箭都是圆头的，而少数火箭的顶部却是见见的，像是一根“避雷针”，这是为什么呢？

A：那个“独树一帜”的尖头火箭应该是执行载人发射任务的长征二号F火箭，大家看到的像“避雷针”一样的装置其实是逃逸塔，这是载人火箭的独有設计。逃逸塔在长二F火箭顶部，高约8米。它的作用是在火箭冲出大气层时，一旦出现意外，帮助宇航员脱离险境，保证他们的生命安全。逃逸塔也不是越长越好，逃逸塔的尺寸是通过理论计算和试验反复调整确定的。在设计逃逸塔时，主要考虑结构重量问题，在满足逃逸功能所需足够强度和气动外形的基础上，逃逸塔整体重量会尽可能地进行控制。

大家看到的火箭“圆头”，其实是火箭的整流罩，但并不是所有火箭的整流罩形状都完全相同。比如长二丙、长三甲系列火箭是圆锥结构整流罩，新一代运载火箭和执行非载人任务的长二F/T系列火箭则是冯·卡门曲线整流罩。冯·卡门曲线是一个流体动力学概念，由美国著名工程力学大师、航天技术理论的开拓者冯·卡门发现并创立，具有减小空气阻力和载荷影响的作用。我国航天之父钱学森就是冯·卡门的得意门生。

冯·卡门曲线整流罩外表如水滴状，流线型好，能够减少空气阻力和发射过程中的脉动压力，同时减轻了对箭体结构的压力影响，更好地保护整流罩的有效载荷。圆锥结构整流罩虽没有冯·卡门曲线整流罩的保护效果好，但是它简单可靠。经过多年的实践证明，圆锥结构整流罩完全能够胜任发射任务的要求。因此，在多型现役火箭中，圆锥结构整流罩仍然延续使用。

Q：为什么火箭有的白天发射，有的晚上发射？

A：火箭作为运载工具，选择白天还是晚上发射，没有特殊要求。除非遇到台风、雷电等恶劣天气，长征系列火箭都可以做到全天候发射。火箭发射时间其实不是一个确定的时间点，而是一个时间范围，被形象地称为“发射窗口”。真正对发射时间有要求的是火箭的“乘客”—有效载荷的类型，比如卫星、飞船等，以及航天发射的其他系统，比如测控系统、发射场系统等。

有效载荷的任务一般可以分为三类。一是执行近地轨道任务的卫星，比如飞船、空间站等，对发射窗口要求不严格，但是发射载人飞船一般要在白天，发射中一旦出现故障便于搜救。二是执行地球同步转移轨道任务的卫星，比如通讯、对地观测卫星等，这类卫星一般对发射窗口要求也不严格。但是有些高轨卫星在进入工作轨道前，还需要完成一段很长时间的滑行。这就可能发生地面发射卫星时是白天，但卫星入轨的位置却处在地球阴影区里的情况。这样的话，卫星太阳帆板就可能不能及时充电。所以，很多卫星的发射时间是根据入轨时的位置和时间倒推出来的，只好在夜间发射。

三是执行探空测试任务的卫星，比如“嫦娥一号”等探月卫星，对发射窗口要求较严。这类卫星的发射窗口可能每月就几天。而有行星、小行星和彗星等地外天体交会需求的探测器则为年窗口，那就是一年甚至几年才能遇到一次了。如美国“旅行者”号探测器发射窗口数十年，甚至百年一遇。这样就对发射时间要求很严格，很多都要求 “零窗口”发射，即火箭点火起飞的实际时间与预计时间偏差不超过1秒，否则就要等到下一次发射窗口。

最关键的是，航天活动一直讲究“斤斤计较”，力争用最少的消耗发射最大的质量。无论是火箭还是卫星，它们在飞行过程中消耗的燃料都是极其珍贵的。由于地球不停地自转和公转，要想让卫星准时到达特定的位置，从火箭发射到卫星入轨、变轨等每一个环节必须掐准时间，这样才能让这个过程中的消耗最少。这样一来，可供选择的时间就并没有那么多了。除此之外，火箭发射是一个复杂的过程，发射窗口的确定还要考虑其他因素，比如何时发射更加方便地面观测，发射场的气象条件，地球自转和公转的影响等。综合平衡后，科研人员选择一个最合适的发射窗口。

Q：能不能举例详细讲讲不同卫星的发射时间是怎么计算的吗？

A：如果再详细一点展开来讲，火箭发射窗口设计是一个复杂的科学问题，一般来说，有效载荷的轨道总可以用半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角、真近点角和星箭分离时刻来确定或描述，其中发射窗口对于升交点赤经、星箭分离时刻两个因素影响最大，是设计师调整轨道面空间指向的重要手段。无论选择什么样的窗口，让卫星等有效载荷准确入轨，完成它承担的任务一直是火箭最大的目标。因此，有效载荷的不同，决定了火箭发射时间。

比如对于一些卫星来说，它会要求入轨点的位置有太阳光照，可是，由于地球自转和火箭发射角度等因素，从火箭起飞到卫星入轨的这段时间，火箭飞行并不是直上直下的，发射场所在的位置和卫星最终入轨的相对位置是有很大偏差的。有些高轨道卫星还需要完成一段很长时间的滑行才能最终入轨。这就造成地面发射卫星时是白天，但是卫星入轨的位置却处在地球的阴影区里。所以，很多卫星的发射时间是根据入轨时的位置和时间倒推回来的，只好在夜间发射。

而资源卫星、海洋卫星等，由于它们的任务主要是对地观测，因此要求地面上的目标区域在它“路过”上空时有较好的光照条件和共视条件，这样它们才能“看到”。所以，这些卫星的发射窗口也是根据卫星“路过”目标区域的时间倒推出来的，这样能保证卫星对目标区域实施有效覆盖。

而在向月球、行星和其他星体发射探测器时，必须在地球与被探测的目标天体处在一个有利的相对位置时来发射，这样才能让探测器进入一条“捷径”。可是，这样的窗口随着被探测天体的距离的增加而不断减少。因此，发射时间也就被限制了。以火星探测为例，最有利于探测的地球-火星相对位置大约26个月才会出现一次。若错过这个窗口，探测所耗费的能量会大大增加，如果所需的能量超出火箭的能力，那么就无法实施探测活动了，只能等待下个窗口到来。

某些特殊的卫星，如地球同步轨道卫星和探月卫星对测控和太阳高度角有特殊要求，还必须在发射方案本身可行性的基础上充分予以考虑。比如，地球同步轨道卫星定点过程中通常希望地面站能有效跟踪，显然不希望卫星飞抵远地点附近时，我国的地面站恰好位于地球背面，无法对卫星实施有效的测控跟踪。而像探月飞行器则需要在星箭分离后进行2～3次中途修正，并在近月点附近实施变轨，假如相应时刻刚好地面站“看不到”飞行器，那就无法及时发出指令，势必出现“差之毫厘，失之千里”的情况。

除此之外，火箭发射窗口设计的思考因素其实还有很多，比如何时发射更加方便地面观测、地面测控乃至飞船的着陆回收，等等。有的时候，这些条件甚至会相互矛盾，设计人员需要按优劣次序排出几个发射窗口，考虑各方面的要求并经综合平衡后，选择一个最合适的发射窗口。现在，火箭发射窗口会由专业设计人员考慮一系列因素最终来确定，遵循一整套科学、规范的流程，完全有实现亿万公里之外“百步穿杨”的充分自信，这就是科学的魅力。

Q：为什么我们要在不同的地方建好几个发射场？

A：航天发射场被称为“进入太空的大门”。它们要么坐落在沙漠、大山深处，要么毗邻广阔海域……地理位置不同，决定每座发射场适合发射的火箭也不相同，因为从不同 “大门”出发，通往不同的目的地。目前我国有四大航天发射场：酒泉卫星发射中心、太原卫星发射中心、西昌卫星发射中心和海南文昌卫星发射场，这些航天发射场各有优势，形成了沿海和内陆相结合、高低纬度相结合、射向范围相结合的格局。火箭发射的轨道要求是选择发射场的重要因素，不同的发射轨道对应不同的发射场，这种适应性是“因地制宜”。

酒泉卫星发射中心位于约北纬40°，纬度较高，适宜发射倾角较大的中、低轨道卫星。我国东方红一号卫星、天宫系列空间实验室都是从这里成功发射的。酒泉卫星发射中心地处戈壁滩，人烟稀少，地势开阔，安全性好，是天地往返运输系统理想的回收着陆场所，因此，适宜发射返回式卫星。目前，该发射场承担着我国载人航天工程和航天员应急救生等任务。我国已发射的神舟系列飞船都是从这里成功发射的，我国11名航天员也是从这里启程进入太空的。

太原卫星发射中心位于约北纬38°，地处高原地区，群山环抱、地势高峻、安全性高，具备发射太阳同步卫星等中、低轨道卫星的条件。该发射场通常发射气象、资源等太阳同步轨道卫星和部分国外商业卫星等，以便人们能从太空对地球及大气层进行气象观测，还可用于勘测和研究地球自然资源。其中，“风云一号”“风云三号”系列卫星、“资源”系列卫星等都是从这里成功发射的。

酒泉、太原发射场因为海拔比较高，可以为火箭节省不少燃料，同样的飞行海拔高度下，在这里发射的火箭起飞高度就相当于在低海拔发射的火箭飞行了约20秒的高度。而西昌卫星发射中心位于约北纬28.5°，纬度相对较低，距离赤道较近，通常发射地球同步轨道卫星等，如各类广播通信卫星、北斗导航卫星。火箭从该发射场起飞，能让卫星入轨距离较近，并可充分利用地球自转，消耗较少的燃料就能到达预定轨道。

海南文昌发射场位于约北纬19°，纬度低，距离赤道近，通常发射地球同步轨道卫星、大质量极轨卫星，承担空间核心舱段、深空探测卫星等任务，将极大提高我国航天发射的综合能力。文昌发射场临近大海，便利的海运，可以解决铁路运输所满足不了的大直径火箭运输难题;毗邻广阔海域，方便火箭航区和残骸落区的选择。从西昌、文昌发射场发射的火箭，因为发射点纬度低，轨道倾角低，与从高纬度发射低纬度倾角卫星的火箭相比，可以节省很多燃料，提高火箭运载效率。

Q：火箭发射前的检查工作是怎么样的呀？能举例讲讲吗？

A：这里讲一个大家可能不太知道的小秘密吧。胃不舒服的人，到医院看病，医生可能会让他做这样一项检查—胃镜。通过长长的内窥镜，医生能够看到病人胃里面的真实情况，这是最直接、最快捷的检查方式。有意思的是，每一发火箭发动机在总装过程中，也需要做“胃镜”。

发动机被称为火箭的“心脏”，承担着给火箭提供动力的职责，它要是出了毛病，将直接影响火箭发射的成败。20世纪90年代，一台发动机在试车中突然出现了故障，因动力不足，不得不停机处理。科研人员经过仔细排查后发现，原来是发动机中的微小多余物在“捣鬼”。可是，这些多余物都躲在发动机复杂管路里，总不能每次检查都把发动机拆开吧？于是，负责检验的人员想到了用内窥镜检查发动机内部关键地方。

内窥镜的检查与人做胃镜检查十分类似，长长的软管一端连接着摄像头，另一端连接着目镜或是显示屏，操作人员可以清楚看到里面的情况，即使是复杂、拐弯等地方也不在话下。发动机总装时，需要进行导管挫修、打孔，难免会产生毛刺。为了找到这些毛刺，员工们就会用内窥镜插进导管里查看，即使是呈S形的导管内部，也能看得很清楚。给发动机做“胃镜”，有效避免了多余物的产生，给火箭发射的成功又增加一份保障。

Q：为什么火箭发射时也要量“体温”？

A：对于人来说，体温是健康的重要指标，而对于火箭来说，“体温”也十分重要，每次发射之前火箭也要量“体温”。火箭从发射场“站起来”开始加注燃料起，箭体通电，“体温”监测就开始了。

火箭上有近百台仪器，对环境温度有一定的适应范围，从燃料加注起，箭体温度就开始变化。火箭加注时温度很低，尤其是新一代运载火箭，使用的是低温氢氧燃料，在发射场加注以后，火箭就像装满了一肚子冰水，“体温”极低，直接考验仪器设备在低温下的工作状态。火箭点火起飞后，因为速度快，大气的冲刷使得箭体表面升温，火箭壳体成了个烫手的“大壳子”，内部设备仪器也跟着升温。飞行过程中，火箭各级发动机喷出的火焰，也会影响火箭“体温”，尤其是火箭进入太空后，在地面看到的火箭喷出的“火柱”，在这里变成了“火球”，多个喷管喷出的“火球”不断变大，然后相互“打架”，让火箭底部更热。

如此冰火两重天，对火箭里面各种仪器电缆是严酷考验。据统计，受到隔温、防热等保护的各种仪器电缆，可承受的温度范围在零下40摄氏度到零上50摄氏度之间。如果火箭“体温”超出了这个范围，就要采取“舱段吹除”措施，就像吹空调一样，给火箭吹风，保证仪器设备工作正常。

对于火箭这样的庞然大物来说，量“体温”可不是小事。长三甲系列火箭全身有几十个测点，新一代运载火箭全身有近百个测点，“体温”要逐点测量，每一点的温度，都能够说明火箭相应部位的仪器工作状况。火箭的“体温计”也比较高大上，它们是各种结构复杂的传感器。有测量壁面温度的，也有测量空气温度的。传感器的外形也不一样，其中测量空气温度的传感器看上去像个鼠笼，也被叫鼠笼传感器，而测量壁面温度的传感器则要小巧很多。

火箭飞行过程中，实时传到地面监测设备上的温度数据，就是研制人员的“定心丸”。火箭发射后，研制人员要经过数据分析，才报告火箭发射成功，这个分析就包括火箭“体温”的分析，研制人员可以从火箭“体温”变化、温度范围等，掌握发动机工作、弹道飞行、分离等动作是否规范、正常。此外，温度数据累积得越多，研制人员对火箭承受环境的判断越准确，这能为后续设计提供借鉴，让火箭飞得更好。

Q：我们的航天员出征前都有欢送仪式，那国外呢？

A：中国航天人经过长期不懈的艰苦努力，终于在2003年10月15日用神舟五号飞船将中国第一名航天员杨利伟送入太空。大家眼中的出征仪式往往是航天员在每次载人航天任务之前，在酒泉卫星发射中心问天阁圆夢广场给航天员举行的欢送仪式。殊不知，航天员们在出征仪式前还会不约而同地做一个非常有意思的“小动作”。

在我国执行神舟五号飞行任务前，一共有3名航天员入选并同时做准备工作，他们分别是杨利伟、翟志刚和聂海胜。但是直到发射任务前一天，这3位航天员都不知道谁能成为首位飞向太空的中国人。直到2003年10月15日凌晨3点，杨利伟才被通知，确定中国飞天第一人。于是另两位战友拿出酒杯在开水里加了一滴干红，和杨利伟一起喝了壮行酒，祝他旗开得胜。临出发前，杨利伟在自己住的宿舍门上签名留念。这一举动从此为中国航天员执行任务前的文化传统。从那以后，每位中国航天员出征前都会在宿舍门上签名。

类似充满“仪式感”的操作，在国外也是有的。俄罗斯航天员在进入太空前，会在送他们到发射场的巴士轮胎上撒尿，而女航天员会事先用瓶子装好自己的尿液，然后洒在巴士轮胎上。这个出征仪式乍看上去不伦不类，实际上与第一位上天的航天员加加林有关。早前，苏联的航天服没有设计尿液排放系统。因此航天员在穿上航天服后就无法排尿，必须在进入飞船之前排尿。当时的拜科努尔发射场还非常荒凉，连遮蔽物都没有。无奈之下，加加林只好对着将他运送到发射台的巴士汽车轮胎上进行“人工降雨”。

从此以后，这个无奈的举动变成了苏联/俄罗斯航天员进入太空前必须履行的仪式。女性航天员由于不方便，会将自己的尿液装入小瓶中泼在轮胎上。有意思的是，就连搭乘俄罗斯飞船去国际空间站的其他国家航天员都会毫不例外地完成这个非常奇怪的出征仪式。

美国是世界上唯一实现载人登月的国家。美国航天员在出征前的仪式比较简单，就是吃爆米花。这个仪式的由来据说和1966年执行的双子座八号飞船的飞行任务有关。众所周知，美苏从20世纪50年代开始进行太空竞赛后，美国在各个领域都能感受到来自苏联的巨大压力。直到“双子座八号”实现了人类历史上第一次太空交会对接，才在这场竞争中第一次战胜苏联。而在执行此次任务的过程中，一位地面人员由于太过紧张，就打开了一个装满爆米花的巨大罐子并吃了起来。任务完成后，美国宇航局的不少人都开玩笑地认为是爆米花给他们带来了好运，也就是这个玩笑，让他们在以后的每次发射任务时都会吃上几颗爆米花。

由于其他国家不具备独立进入太空的能力，一般都是搭乘美俄两国的航天器进入太空，因此在发射前一般都遵循这两个国家的出征仪式，最多再加上一点非常个人的仪式。比如，阿富汗航天员莫德曼在发射前要诵读一下《古兰经》，以色列航天员伊兰·拉蒙出发前会默念《圣经》;比较有意思的是英国航天员海伦·夏尔曼在出发前提醒家人，即便他不在地球也别忘了替他交税……不过这些航天员所做的“仪式”都是个人行为，没有形成固定的文化形式。