力学与现代航天技术

力学不仅仅是物理学的基础，而且有着广泛的应用价值，尤其在现代航天技术的发展中做出了重大贡献，显示了物理学在改变世界中的重要地位，展现了科学的力量。本节将对航天技术的发展作简要介绍，包括我国航天事业的发展。更详细的内容可参见参考资料［6］中§2．4。

一、航天器飞行的理论基础和三个宇宙速度

牛顿的力学三定律和万有引力定律为航天器飞行奠定了理论基础。首先火箭升天的基本原理就是牛顿第三运动定律的结果，两物体相互作用时，作用力与反作用力相等。当原来静止在发射塔的运载火箭（载有航天器），在燃料燃烧后向后喷出高速燃料气体时（燃料气体受到喷力作用），火箭就受到一个反作用力（即推力）向上飞行。

中国从1956年开始火箭的研制，1970年4月24日，“长征”一号运载火箭为我国发射了第一颗人造卫星——“东方红”一号。目前，我国“长征”系列运载火箭根据不同用途和特点已有5个系列、20多个型号，成为中国航天的主力运载工具，为我国航天事业的发展做出了重要贡献。

根据万有引力定律和机械能守恒定律，可以方便地计算出航天器飞行的三个宇宙速度。

在地面上发射一航天器，使之能沿绕地球的圆轨道运行而不下落所需的最小发射速度，称为第一宇宙速度（v1）。v1＝7．9千米／秒。

为了使航天器能脱离地球的引力场束缚所需的最小发射速度，称为第二宇宙速度（v2）。显然v2要比v1大，v2＝11．2千米／秒。当发射速度大于v2时，航天器将飞离地球。

为了要使航天器不仅要脱离地球引力场，还要脱离太阳引力场的束缚飞离太阳系所需要的最小发射速度，称为第三宇宙速度（v3）。v3肯定要比v2大，v3＝16．7千米／秒。当发射速度大于v3时，航天器将飞离太阳系。发射速度越大，对火箭要求越高，通常采用多级火箭。

二、失重现象

随航天器在一定轨道上绕地球飞行的航天员，在飞行时所受到的地球引力（提供了飞行所需的向心力）与航天员受到的离心力相等，所以有失重现象。航天员可以在航天器里随意飘浮。在失重环境下日常起居与地面很不一样。例如：吃饭时，要有绅士风度，先要把身体固定在座椅上，动作要慢，用力不能猛，以免饭、菜飞走；睡觉时，站着或躺着没什么大区别，为了防止飘动，航天员钻进固定在舱壁上的睡袋里睡觉，没有床的睡觉会使他们总会觉得身体下面没支撑，常有坠落的感觉而难以入睡，这需要训练养成习惯；为了防止水和牙膏泡沫到处乱飞，太空中洗脸只能用湿毛巾擦一擦，刷牙是用手指蘸上牙膏来回在牙齿上磨几下，再用湿毛巾擦干净。

三、航天技术简介

自1957年10月4日前苏联成功发射第一颗人造卫星，航天技术已在卫星应用、深空探测和载人航天3大领域得到迅速发展。下面将着重介绍我国航天事业的发展。（要详细了解航天技术及其发展，可参阅参考资料［6］。）

1．卫星应用

常用的卫星有通信卫星、气象卫星、地球资源卫星、海洋卫星、科学探测卫星、导航卫星等。我国都有相关的卫星，并初步形成了自己的卫星系列：“东方红”通信卫星系列，“风云”气象卫星系列、地球资源卫星系列、海洋卫星系列、“实践”科学探测卫星系列、“北斗”导航卫星系列。卫星应用对我国国民经济的发展、科学技术的发展，以及在军事上都发挥着重大作用。

就以导航卫星为例，2007年我国开始建设新一代应用更广的北斗导航系统，至2010年底已先后发射了7颗组网卫星，计划到2020年左右建成由30颗卫星组成的能覆盖全球的导航系统。导航系统可用于航空－航海、铁路、交通，以及气象、海洋、环境、测绘、水利等各个领域。

2．深空探测

深空探测主要指对地球以外的外层空间进行探测，包括月球、火星和太阳系其他行星，甚至太阳系之外的星系。主要研究太阳系和地球的起源与演变、探索太空资源和地外生命等。

例如：目前美国、俄罗斯、欧洲航天局，以及中国、印度等国都有月球探测计划，其目的不仅可以开发月球上的资源，如矿产、能源材料（月球上有丰富的氦－3，它是核聚变的主要燃料），长远目标还有扩大人类生存空间、在地球外建立人类活动基地等。1969年7月16日美国“阿波罗11号”飞船升空，于7月21日将载有3名航天员的登月舱送上月球。11时56分指令长阿姆斯特朗踏上了人们翘首仰望的月球，实现了人类奔月的梦想。阿姆斯特朗深情地说：“这是个人迈出的一小步，但却是人类迈出的一大步。”

我国的月球探测计划分“绕、落、回”3个阶段。2007年10月和2010年10月我国先后发射了“嫦娥一号”和“嫦娥二号”两颗绕月卫星，获得了世界上最清晰的全月图。2013年12月14日，身披五星红旗的“嫦娥三号”带着“玉兔号”月球车成功落月，成为继美国和前苏联之后第三个实现月面软着落的国家。接着“玉兔”开展了月面巡视勘察任务，实施第二阶段的计划，为我国航天事业的发展树立了又一个新的里程碑。最后一阶段是采集月球土壤样品返“回”地球。在上述基础上，还将考虑载人登月计划。

3．载人航天

载人航天是航天领域中最重大的研究领域。载人航天的航天器有宇宙飞船和空间站。宇宙飞船又叫载人飞船，它能运送航天员、货物等到达太空实验室，并能保障航天员在太空执行航天任务后安全返回地面。航天员可在其中作太空短期生活，并进行一定的工作。空间站是可在近地轨道上作长时间运行的航天器，可供多名航天员在太空生活，航天员可利用空间站特殊的微重力、高真空和超洁净环境，可进行各种太空实验，如新材料的研制、空间生命科学研究以及太空育种研究等。

目前太空实验已取得很大发展。自1971年前苏联发射第一座“礼炮号”空间站以来，在2001年3月以前全世界已先后发射了10个空间站（其中前苏联8座、美国1座、西欧1座）。2001年3月在太空工作了15年的前苏联“和平号”空间站，最终完成了使命，被爆破后坠毁于南太平洋。自1998年1月由美国、俄罗斯、日本、加拿大和欧洲航天局等11个成员国合作的国际空间站建设正式启动，2001年11月首批3名宇航员进驻空间站。国际空间站长108米、宽88米，密封舱总容积为1　200立方米，重438吨，可供6—7人在轨工作，这是载人航天发展的一个重大的里程碑项目。

1992年9月，我国“神舟号”载人航天工程正式启动。1999年11月21日我国自行设计的“神舟一号”飞船在完成空间飞行试验后，它的返回舱顺利返回地球。2003年10月16日6时23分，乘坐“神舟五号”飞船在太空遨游21小时（绕地球14圈）的中国首飞航天员杨利伟安全返回地球，实现了中华民族的飞天梦，这是我国航天史上又一重要的里程碑。2005年10月12日“神舟六号”升空，实现了两人（费俊龙、聂海胜）5天飞行，且实现了宇航员在返回舱和轨道舱之间的来回，模拟将来要在轨道舱进行太空科学实验和生活多天。2008年9月25日“神舟七号”发射成功，实现了多人（翟志刚、刘伯明、景海鹏3人）飞行以及航天员（翟志刚）出舱活动的重大突破。

2011年11月3日我国发射的一个试验性小型空间站“天宫一号”与“神舟八号”首次交会对接成功。2012年6月16日载有3名航天员［景海鹏、刘旺和刘洋（女）］的“神舟九号”发射升空，与“天宫一号”在轨成功进行了一次自动交会对接，以及一次航天员手控交会对接，并开展了一系列空间科学实验。飞行13天后，成功返航。中国是继美国、俄罗斯之后，第三个独立掌握交会对接技术的国家，这再次向世人表明中国人有志气、有能力发展自己的载人航天工程高尖端技术。这一切都是为了建立中国自己的空间站作充分准备。

图2－9　我国“神舟七号”航天员翟志刚出舱活动

图2－10　我国“神舟九号”与“天宫一号”交会对接成功

参考资料

［1］［美］詹姆斯·格雷克著，吴铮译．牛顿传．北京：高等教育出版社，2004年．

［2］丛书编写组编．大科学家的真实故事（牛顿，伽利略）．西安：未来出版社，2001年．

［3］路甬祥．创新辉煌：科学大师的青年时代（上册）．北京：科学出版社，2001年．

［4］［美］埃米里奥·赛格雷著，陈以鸿等译．从落体到无线电波——经典物理学家和他们的发现．上海：科学技术文献出版社，1990年．

［5］［美］威廉·H·克劳普尔著，中国科大物理系翻译组译．伟大的物理学家——从伽利略到霍金物理学泰斗们的生平和时代（上）．北京：当代世界出版社，2007年．

［6］倪光炯等．改变世界的物理学（第三版）．上海：复旦大学出版社，2007年．

［7］［美］爱因斯坦著，许良英，王瑞智编．走近爱因斯坦．沈阳：辽宁教育出版社，2005年．

［8］顾迈南．华罗庚传．上海：复旦大学出版社，1997年．

［9］马胜云，马兰．李四光．北京：金城出版社，2008年．

［10］［美］A．爱因斯坦，［波兰］L．英费尔德著，周肇威译．物理学的进化．上海：上海科学技术出版社，1979年．

［11］程帆．名人名言（学生版）．长沙：湖南教育出版社，2011年．

【注释】

[1]对牛顿的自然哲学思想有兴趣的读者，可参考塞耶编、王福山等译的《牛顿自然哲学著作选》（上海译文出版社2001年出版）。

[2]晚年韩愈在京都最高学府国子监任教授官，此治学名言取自《进学解》。

[3]这是牛顿针对胡克与他争夺“平方反比定律”的发现权时写给哈雷的信。