第7版()
专栏：
谈宇宙火箭和星际飞行
中国科学院力学研究所所长 钱学森
编者按：1月8日，中国科学院力学研究所所长钱学森在北京作了一次关于苏联宇宙火箭问题的报告。这个报告对苏联宇宙火箭的运行情况、宇宙火箭担任的科学研究任务、太阳系各个行星的概况、如何利用宇宙火箭到达太阳系其它行星，以及苏联发射宇宙火箭在科学上的伟大成就，作了比较系统的通俗的解释。为了帮助读者了解这些问题，特将报告整理发表。
苏联宇宙火箭的运行
我们都知道，苏联在人造卫星、星际航行这方面是付出了巨大的劳动的，他们在这方面技术上已达到最先进水平的。
苏联在一年多以前，也就是1957年10月4日放出了全世界第一个人造卫星，它的重量是83.6公斤；一个月之后，1957年11月3日，又放出一个更大更重的人造卫星，重508.3公斤；而去年5月又放出了第三个人造卫星，这的确可以说是巨大的人造卫星，因为它的重量已超过了一吨，是1327公斤。这一系列的成就，说明了苏联在星际航行的技术上，已经走出第一步；也就是已经能够把超出一吨重的物体，用强力的火箭发动机推送出去，达到第一宇宙速度，即每秒钟8公里左右的这样一个速度。
苏联在这个基础上，继续工作，继续提高火箭发动机的威力，继续把火箭的自动控制系统搞得更精密。又隔了几个月，距离发射第一个人造卫星一年多一点，在今年的1月2日，莫斯科时间大约晚上八点钟左右，也就是莫斯科城市居民刚刚吃过晚饭，西伯利亚地区差不多午夜的时候，在发射场上，升起了巨大的火箭，宇宙火箭开始起飞了！
这一发射时间，是完全经过仔细安排好了的。1月2日，正是“下弦”，正当月球走到地球绕太阳公转的轨道前面，宇宙火箭的发射，就是要选择这样的时候，让它从月球区域的左面穿过，跑到地球绕太阳公转的轨道前面去。
所以，当它克服了地球和月球的引力之后，它在宇宙空间的速度，也就是对太阳来说的速度，应该是它克服了地球和月球的引力之后的余速，加上地球绕太阳公转的速度。我们知道，地球绕太阳公转的速度，差不多是每秒30公里，那么，这时候，人造行星的速度就是每秒钟30公里多。而由于它的速度比地球绕太阳公转的速度多一点，因此，它的运行的轨道也就比地球绕太阳公转的轨道大一些，而介乎地球轨道和火星绕太阳公转的轨道之间。
人造行星的轨道是椭圆的，最大的直径是3亿4千3百6十万公里，它的公转的周期差不多是15个月，更具体地说是450个地球日，它的椭圆轨道的偏心率，也就是椭圆的程度是0.148。既然轨道是椭圆的，就有一个长轴、一个短轴。地球的轨道也是这样，是椭圆的、有长轴、短轴。人造行星轨道的长轴和地球轨道的长轴，有一个角度，是15度，但是两个轨道是在同一平面上的。
宇宙火箭——人造行星完全脱离地球和月球引力而进入自己围绕太阳公转轨道的时刻，大约是1月7日至8日。它将在1月14日走到轨道上的近日点，距离太阳据估计大约为一亿四千六百四十万公里，那时它的速度将是每秒32公里；今年9月初，它将走到轨道上的远日点，距离太阳据估计为一亿九千七百万公里，那时它的速度将是每秒27.75公里。
从这个轨道的特性，我们可以知道，人造行星轨道和火星轨道之间最小的距离是一千五百万公里。这个距离听起来好像很大，实际上只占地球离火星最近时距离的四分之一。
据计算，这个宇宙火箭变成的人造行星，将要在大约五年后重新接近地球。大家不要害怕，它不会跑到地球的空气层里来，因为那时它离地球虽说是比较接近，而距离还要几千万公里哩！
苏联宇宙火箭的科学研究任务
当然，苏联发射宇宙火箭，不仅是使它成为人造行星；还有许多要进行的研究工作。
首先，是研究怎样具体达到第二宇宙速度，即脱离地球引力场需要每秒钟十一点二公里速度所关系的一系列动力上的和控制上的问题。
此外，宇宙火箭上还装载了许多精密的科学测量仪器，这些仪器和无线电发报机以及电源设备，一共重三百六十一点三公斤，这可以说是宇宙火箭的有效负载，它的最后真正执行任务的部分。
发射宇宙火箭，用的当然是多级火箭。其最后一级包括装载的仪器等，计重一千四百七十二公斤，比第三个人造卫星还要多一百四十五公斤。这还是燃料用完了之后的重量，如包括原来携带的燃料，则重量还要大。所以说苏联发射这样一个宇宙火箭的工具，乃是一个威力非常大的工具。
担任进行测量的仪器一共有九种：
一种是探测月球磁场的仪器。为什么要测量月球磁场呢？因为我们对天体磁场知道得还很少。当然，我们住在地球上，对地球的磁场是知道了，对太阳的也知道，但是其他天体是否有磁场，这在以前我们是不知道的，现在由宇宙火箭经过月球区域，探测月球的磁场，这样就可使原来仅有的两个测量数据上又加上一个数据，这是很重要的事情。假如我们有更多的数据，就可以帮助我们进一步了解地球、太阳和其他天体为什么会有磁场的问题。
第二种是在地球磁场以外考察宇宙线的强度和强度变化的仪器。这也是了解宇宙线方面的一个很重要的工作。宇宙线是从远离地球的宇宙空间产生，然后射到地球附近来的粒子，由于这些粒子是带电的，因此在运行过程中也就是在接近地球时，就受到地球磁场的作用。苏联发射的三个人造卫星，就曾找出了关于宇宙线的新资料，如发现了在地表上空相当高的地方宇宙线的密度很高，这是以前未曾想到的。因此，在地球磁场以外考察宇宙线的强度和强度变化，对于了解宇宙线到底是怎么来的，将会有重要的贡献。
第三种是纪录宇宙线中的光子的仪器。即观测或纪录宇宙线中除粒子以外的光子，这也是进一步了解宇宙线的作用和起源的重要工作。
第四种是探查月球的放射性的仪器，即是要了解月球到底是否有和我们相似之处？我们地球上有放射性，月球是否有放射性。这在以前因未能接近月球，在地球上无法测量，现在，正好利用宇宙火箭的穿过月球区域来做工作，知道了月球是否有放射性，可帮助我们进一步了解月球的构造。
第五种是研究在宇宙空间也就是在地球磁场影响之外的宇宙线中重原子核的分布的仪器。也是为了解决宇宙线的产生的问题。因为我们已经对星际空间各种物质的原子核的分布有了一些数据，如果测量出宇宙线中的重原子核的分布与前者相合的话，那么我们就更可以说，宇宙线的产生是由于星际空间的物质受了空间磁场的作用，好像一个大加速器一样，从而得到接近于光的速度。所以，这也是一件重要的工作。
第六种是研究行星际物质的气体成分，也就是要了解星际空间的物质到底是什么？我们通常粗浅地说，星际空间是空的，但认真地说来，并不是绝对空的，除了光之外，多少总有些东西，但这些东西是何成分，以前没有直接测量的可能，现在有了宇宙火箭就可直接测量了。
第七种是研究太阳微粒辐射的仪器。我们知道，太阳的温度很高，差不多有6千度，太阳的表面不断地放出很多微粒子，这些微粒子到底是什么、它的分布如何？这在以前没有什么直接测量的办法，因为地表面为大气层包围，只能从它对大气层作用的各种结果来间接推论。现在有了宇宙火箭就可以直接研究它了。
第八种是研究流星粒子的仪器。在宇宙空间中不断地有流星，一般流星是很小的，肉眼看不见，但是运动的速度很大，研究它对于将来宇宙航行是有一定的重要性的，也就是要研究它如果撞到宇宙火箭或飞船上将会起什么样的作用以及它的强度如何。
第九种是用于制造钠云——人造彗星的仪器。钠是金属钠，钠云即钠的蒸气。在宇宙火箭接近月球区域以前还在高空时，就放出预先安排好了的一定量的钠的蒸气，钠云在空间受到日光的刺激，可以变得很亮，很容易观测到。钠云可至少起两种作用：一种是研究钠的蒸气在空间的移动，扩散和变形，由此推论其附近空间物质的浓度有多大，从而了解星际空间物质的分布情况。还有一种，苏联科学家曾提到了，即如果我们能使钠云有足够的高度，并且24小时绕地球转一圈，这样在地球上看起来，钠云就是不动的，那么在全球弄上几块钠云，就可以利用它做电视反射站，在全世界范围内播送电视节目了。不过，当前主要还是为了研究星际空间物质的分布。
利用宇宙火箭可达太阳系其他行星
苏联能够把装有这些仪器的重达1472公斤的宇宙火箭，以超过第二宇宙速度的11.2公里的速度，送出地球和月球的引力之外，这说明了苏联已经有了非常强大的火箭发动机、非常准确的控制系统。根据这一伟大成就，我们可以说，到太阳系其他行星上去，已经不是很遥远的将来的事情了。
有史以来，我们人类被局限在地球这个圈子里，现在，我们一旦创造了第二宇宙速度，打破地球的引力的束缚，就如同出了大门，眼睛所看到的是广阔的世界。
地球和月球，这只不过是个小家庭，它们的平均距离只是38万4千公里。
走出这个小家庭，在太阳系的大家庭里，首先要认识一下地球和太阳的距离。地球和太阳的平均距离是1亿4千9百5十万公里，这个距离就是地球和月球的距离的400倍了！
太阳系这个大家庭到底有多大呢？离太阳最近的行星是水星，靠外边是金星，再外边是地球，再外边是火星，再外边是木星、土星、天王星、海王星、以至冥王星，离太阳最远的是冥王星，而冥王星和太阳的平均距离则又是地球和太阳平均距离的40倍。
我们刚刚能以第二宇宙速度走出家门，就把这个火箭叫做宇宙火箭，是否恰当呢？是恰当的。因为我们最困难的问题就是怎样摆脱地球的引力场，现在克服了这个困难，到其他星球上去是不难的。
这话怎讲？
前面说过，宇宙火箭也就是人造行星的轨道，接近火星的轨道。我们摆脱了地球的引力场之后，进一步的问题，就是如何战胜太阳的引力场。太阳虽然大，但是距离远，引力的作用不是太强的，战胜它不太难。举个例子，譬如我们真正要到火星上去，怎么办呢？我们可以采取许多办法，有的办法快，有的办法慢。先说一种慢而省力的办法，就是使人造行星的轨道再大一些，使它既和地球的轨道相切，又和火星的轨道相切，这样就可沿着椭圆轨道，用237天的时间到火星上去。要造成这样一个轨道，就要使人造行星在摆脱地球引力场之后开始进入自己轨道的速度，比地球公转的速度更大一些，不然甩不出去，但也不要太大，只要快个每秒2.3公里就行了。
大家也许会这样说，第二宇宙速度是11.2公里，现在速度还要更大一些，每秒快2.3公里，那不就是需要13.5公里了吗？不是的，假如我们让宇宙火箭以每秒钟11.2公里的速度，摆脱地球的引力场，再给它加上每秒2.3公里的速度，加的总速度诚然是每秒13.5公里，但这不是聪明的办法，因为这样就得要连加速用的燃料也费很大的力气送到地球引力场之外去。我们可以采取更巧妙的方法，即在宇宙火箭发射时，由低处给它多加把劲儿，让它一口气冲出地球的引力场，还能多剩余些力量，再加上地球公转时的速度，就足可以把宇宙火箭甩出去，飞往火星，这样把加速用的燃料所占的重量，早些减掉，比较经济，而速度也就不需要13.5公里，只要每秒11.4公里就够了，也就是只要比第二宇宙速度的11.2公里再多200公尺就行了。苏联现在发射的宇宙火箭的速度，已经在11.2公里与11.4公里之间，只要再加上一点点，就可以到火星上去了。
火星，对我们来说，是比较感兴趣的。因为，这个行星上的条件还不算坏，人大概还可以受得了，温度是满舒服的；它那里的夏天最高温度有摄氏30度，比较热一些。火星上也有大气，只是比地球上稀薄，它表面的大气压力为地球上的十分之一。空气的成分和我们地球上不一样，基本上是氮气，占90％以上，里边含有一点水分和氧气，所以火星的表面是比较干燥的。它离太阳较远，比地球要远52％。火星的一年较长，为六百八十七个地球日；不过火星上的一天还和我们差不多，是24.6小时。火星的直径只有地球的一半多一点，比较小，质量也大约只有地球的十分之一。在这种情况下，有一个特点，就是如果在火星上搞人造卫星比较容易，火星上的第一宇宙速度只是每秒3.6公里，第二宇宙速度只是每秒5.1公里。
这是到地球外圈的火星上去，我们能不能到地球里圈的水星、金星上去呢？也可以，只要使宇宙火箭在摆脱地球的引力场之后所具有的速度，比地球公转的速度再减少一些就行了。怎样减少呢？就是在发射宇宙火箭时，速度要比11.2公里略大些，使它在摆脱地球引力场之后，还有一点余速，这点速度的方向要和地球绕太阳的速度相反，使得最后相对于太阳的速度等于地球绕太阳的速度减去这点速度。这就是说如果也要向月球方向发射，就不能在下弦的时候，而要在上弦的时候发射，这时月球正走在地球绕太阳公转的轨道后边。这样，当宇宙火箭摆脱地球引力场之后，就会比地球绕太阳公转的速度慢些，于是，宇宙火箭就会掉在地球的里圈里。这样做，所需要的宇宙火箭的发射速度也是可以计算得出来的。到金星上去，需要每秒11.5公里。到水星上去，因为它比金星还靠里，掉得还要深，减速还要多，也就是要求它在摆脱地球引力场之后朝着相反方向的速度还要大些，所以它的发射速度也要更快些，需要每秒12.7公里。
水星对我们来说，兴趣也许不太大，因为它离太阳太近了，烫得不得了，由于多年以来，受着太阳的很强的潮汐作用，自转的速度越来越慢，和公转的周期逐渐相同，像月亮似的，永远以一面向着太阳，离太阳本来就近，只有地球和太阳的距离的39％，再这样一烤，它赤道上边的温度就高得厉害，能熔化铅。所以到水星上去，只好在两极附近呆着，它的体积又较小，质量只有地球质量的40％，这样一来，在它表面上的空气就跑得差不多了，据现在仔细的研究，也还有一点点空气，但少得可怜，它地表面的大气压力仅有地球上的千分之一。
水星的外圈是金星，金星对我们来说可能很有兴趣。因为，它看起来和地球相似，质量是地球的81％，直径是地球的93％，它上边有浓厚的大气，最高温度是摄氏60度，不过大气的大部分都是二氧化碳，还测不到有多少氧气，这种情况跟地球在太古洪荒时差不多，研究金星，可能像是温习一番地球的几千万年前的历史。
我们再看一看地球的外圈，火星之外，就是木星、土星、天王星、海王星、冥王星。木、土、天王、海王这四个行星，有其类似的地方，都是平均密度比地球小得多，譬如，地球的平均比重是5.52，木星则是1.34，天王星是1.27，海王星是1.58，土星就更怪了，是0.71，比水还轻。它们的体积则很大，木星是行星中的大王，直径是地球的11倍，土星是8倍，天王星是4倍，海王星也差不多是4倍。这些星不像地球似的基本上是石头，而基本上都是氢气。这些行星上的条件，简直令人不可想像，木星上的温度是—138℃，土星是—153℃，天王星是—184℃，海王星就更冷了，是—201℃。在这些行星上，氢气都液化了，压在大气层底下，它的海是液体氢，地是固体氢，越往中心，压力越大，有人说，压力加大到80万个大气压，固体氢竟变成了金属氢，这真有点难以想像。只有冥王星和地球的结构差不多，温度现已量出来是—211℃，看起来密度比较大，此外还知道得不多，因为它很小而距离非常远。
到这些行星上去，也有可以利用的地方，就是它们有较多的卫星，可以先到那些卫星上去，如木星有11个卫星，土星有9个，天王星有4个，海王星有1个（也许还有，还未找到，因为太远了），冥王星是否有卫星，也还未找到。假如能够去，站在这些卫星上，看看这些行星，都是那么大，几乎遮了半边天，真是奇观。而且这些行星都非常亮，比月球还亮，月球能反射7％的日光，这些行星能反射50％。
到这些行星上去，也不太难，所需要的速度也是可以计算出来的，因为它们一个比一个远，所以我们去时的速度也一个比一个大，去木星要每秒14.3公里，去土星要15.1公里，去天王星要15.9公里，去海王星要16.5公里，去冥王星也要16.5公里，因冥王星的轨道是椭圆的，有一部分几乎和海王星相重。
虽然，我们知道，在去冥王星的速度上，再加上一点点，在每秒16.5公里，加上200公尺，就等于16.7公里，也就是第三宇宙速度，就可以跑出太阳系。不过，这中间还有个小问题，就是火星和木星之间有一大群小行星，有人估计约四万多个，宇宙火箭要穿过这些小星，难免有些波折。
从上面所讲的一些来看，苏联宇宙火箭已可以解决到离地球较近的行星上去的问题。因为到火星、金星上去，只需要比现在宇宙火箭的速度再增加一点点，是苏联火箭技术可以做到的。
苏联宇宙火箭的科学成就
现在我们讲到第一、第二、第三宇宙速度，我们也许不大体会达到这样一些速度的困难。要想得到深刻的体会，必须从这个速度所代表的动能来看。首先，我们看由第一宇宙速度每秒8公里到第二宇宙速度11.2公里，这中间的动能实际增加的并不是很小的部分，而是要以8公里的平方和11.2公里的平方来比，这样，第二宇宙速度所代表的动能就恰恰是第一宇宙速度所代表的动能的两倍，而第三宇宙速度所代表的动能则又是第一宇宙速度所代表的动能的4.5倍，也就是差不多又正是第二宇宙速度所代表的动能的两倍。从第一宇宙速度到第二宇宙速度，从第二宇宙速度到第三宇宙速度，中间是节段性的变化，都要增加一番。
由此可以知道，为什么我们说苏联在实现了第一宇宙速度之后，仅一年多一点，又实现了第二宇宙速度，这是非常不容易的，原因就是它的艰巨性是要以动能的大小来衡量的。
要进一步了解达到宇宙速度的困难，可以举我们常见的事物做对比，如火车每小时的速度是70公里，要跟第一宇宙速度每秒8公里来比，后者所代表的动能就要为前者的17万倍，而第二宇宙速度11.2公里所代表的动能还要翻一番，是34万倍。所以，要把火车开到最大的速度并不难，而要达到第一、第二宇宙速度，在科学上就是极大成就。
由此，可以理解，为什么推动宇宙火箭的动力机械是那样的非常庞大，一个火车头不过是列车重量的五十分之一罢！可是我们要谈的不是火车头的问题，而是比火车头所能加的动能要大十几万、几十万倍的发射人造卫星、宇宙火箭的问题，推动的机构总是要比被推动的机构大得多，因此，发射人造卫星、宇宙火箭的多级火箭，它在起飞时的重量，那真是大得惊人的。
根据现有的资料，我们可以大约的说，每一级火箭它能够产生的速度，是等于火箭的喷气速度；也就是说每多一级火箭，速度就加一个喷气速度。此外，每级火箭与它上一级的重量比是十比一。
现在，让我们看一看火箭发动机的喷气速度。要用一般的燃料，如液氧、酒精，每秒的喷气速度为2.6—2.8；如用好的能量更大的燃料，如液氢、液氟，有人计算过，说可达到每秒4公里；用液氧、液氢，也有人计算过，也差不多可以达到每秒4公里。
这样，如果用一般燃料要达到第一宇宙速度，就不能是一、二级火箭，而得二、三级。每一级对上一级的重量比是十比一，也就是说，如最后被推送的有效重量为1公斤，那么第三级就是10，第二级就是100，而第一级就是1000公斤，也就是一吨。如果要达到第二宇宙速度，恐怕就不是三级火箭能解决的了，起码也得四级。如果要达到第三宇宙速度，那就不是四级，而要六级。六级的话，那比例还了得，就是一比一百万，也就是要把一公斤的物体送出太阳系，需要一千吨重的火箭。
当然，要用高能燃料，喷气速度达到每秒四公里的话，这比例就可减少一些。则放卫星就不是一比一千，而是一比一百，放宇宙火箭就不是一比一万，而是一比一千。
由此看来苏联现在所放的宇宙火箭，就是用高能燃料，起飞时的多级火箭一定不是几十吨重，而是几百吨重，可能是四百吨罢！而四百吨的多级火箭被推上去，其推力还要比这个大得多，可能要有六百吨的推力。所以，发射宇宙火箭这件事，不能只看到它送上去的是多重，而是还要看到它起飞的重量。
问题还不止于此，我们还得研究如何控制火箭的轨道，必须有精密的控制。二次大战时，希特勒纳粹政府曾放过V2火箭，它只有十二吨重，推力只有二十七吨，射程不到三百公里，而且就在这三百公里的射程中还瞄不准，落弹点的误差可达到四公里。那是1942—1943年的事了。
从那时代起，苏联科学家、工程师、工人，用了不到十几年的功夫，就能够把火箭的技术和控制的技术提高到今天这样的高度，发射火箭的估计重量不是几十吨，而是成百吨，如用普通燃料，可能几千吨。而且放这样的火箭不是随便放上去，像美国搞的，上去又掉下来；而是控制得非常精确，在长到几千公里的发射轨道上，每一点都有精密控制；哪级何时点火、熄火，轨道偏了如何校正，这都是需要用很快、很敏感，很准确的自动控制系统。
这一工作无论从其困难的程度和所需要工作量来说，我们不易想像到底有多大。比如，举这样一个参考数字，美国在苏联发射成功第一个人造卫星之后，在一年内，他在对于发射人造卫星这上面，就花了六十亿美元。当然，这是不足为训的了，资本主义国家花钱，大部分跑到资本家口袋里去了，但由此我们也可看到一些情况，可以想见，像苏联这样发射这么大的人造卫星、宇宙火箭，的确不简单。从事这样一个事业，那绝非是少数人所能承担得了的，必须动员全国科学技术人员，搞全国大协作；如果不是每10个人中有一个，那也比每100个人中有一个要多得多；不但要有一个大队伍，而且要有计划、有步骤地，经过艰苦的劳动，才能达成这个目标。
发射宇宙火箭这一伟大的成就，的确是苏联劳动人民花了多少辛勤劳动，做了多少坚苦卓绝的工作，才取得的。这也是全体苏联人民，在苏联党的领导下，在马克思列宁思想做为指导下，为了全人类的幸福而立下的丰功伟绩。
我们中国的全体科学工作者同志们，也要好好地学习苏联，他们是我们光辉的榜样。