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1、武際可:科技史選講之七(1)1 航空、航天技術(shù)的發(fā)展（） 今 天 不 可 能 的 事 明 天 將 變 為 可 能 。 康 埃 齊 奧 爾 可 夫 斯 基 武際可:科技史選講之七(1)2 1. 早 期 人 類 對 于 飛 行 的 探 索2. 早 期 的 飛 機3. 航 天 技 術(shù) 的 發(fā) 展4. 航 空 與 航 天 力 學(xué) 的 發(fā) 展 武際可:科技史選講之七(1)3 n力學(xué)學(xué)科從它誕生起就是與社會生活緊密相連的，在精神生活的領(lǐng)域方面它為破除迷信沖破精神枷鎖開路，在改變?nèi)祟惖奈镔|(zhì)生活方面，它是社會生產(chǎn)力最活躍的因素。n和人類文明進程密切相關(guān)的工程技術(shù)領(lǐng)域很多，如土木、機械、化工、電機、交通、造船、

2、紡織、材料、能源等等，在每一個領(lǐng)域力學(xué)都發(fā)揮了舉足輕重的作用，我們不可能面面俱到地講清楚這所有的領(lǐng)域同力學(xué)的相互作用，只能在本章選擇這些領(lǐng)域中最具有代表性的航空與航天兩個領(lǐng)域來介紹，必要的時候，也順帶談到相關(guān)的領(lǐng)域。 武際可:科技史選講之七(1)4 n 20世紀(jì)是人類開始的航空與航天的世紀(jì)。在人類開創(chuàng)的種類繁多的技術(shù)領(lǐng)域中，這兩個領(lǐng)域是與力學(xué)學(xué)科關(guān)系最為密切、也最具有代表性的領(lǐng)域。由于力學(xué)的發(fā)展，才使航空和航天成為可能；也由于航空和航天的技術(shù)需要，刺激和推動了新的力學(xué)問題的研究，特別是應(yīng)用力學(xué)與工程力學(xué)的研究。 武際可:科技史選講之七(1)5 1 早 期 人 類 對 于 飛 行 的 探 索 n

3、流體力學(xué)的理論發(fā)展，為航空工業(yè)的誕生準(zhǔn)備了理論基礎(chǔ)。在19世紀(jì)末，不少人進行了飛行的探索。這些探索為20世紀(jì)初的實際飛行準(zhǔn)備了條件。最后終于迎來了一個新興的工業(yè)部門的誕生，這就是航空工業(yè)的產(chǎn)生與發(fā)展。 武際可:科技史選講之七(1)6 我 國 晉 代 有 關(guān) 于 竹 蜻 蜓 的 記 載 ， 是 一 種 借 旋 轉(zhuǎn) 慣 性 以升 空 的 玩 具 。 武際可:科技史選講之七(1)7 11達(dá) 芬 奇 的 論 鳥 的 飛 行 n我國在戰(zhàn)國時代有了風(fēng)箏、三國時代有了孔明燈、晉代有了竹蜻蜓、宋代有了火箭的發(fā)明。它們是人類早期對重物升空的嘗試。n在歐洲的文藝復(fù)興時代，在達(dá)芬奇的扎記中記載了他對滑翔升空的構(gòu)想。

4、據(jù)說他曾經(jīng)花了20多年觀察與研究鳥、蝙蝠、昆蟲的飛行，并且計劃將他的發(fā)現(xiàn)寫成一本著作。1505年，達(dá)芬奇寫成了研究手稿論鳥的飛行。達(dá)芬奇是大畫家，在這篇論文中，圖文并茂。他指出“由于大氣本身是具有可壓縮的性質(zhì)的物質(zhì)，當(dāng)有某種物體以比它的流動更快的速度拍擊大氣時，它就要受到壓縮?！边€指出“除非翅膀拍擊空氣的運動比空氣壓縮時自身的運動速度快，否則翅膀下的空氣不會變得很密，因此鳥就不會在空中支承自己的重量?！边_(dá)芬奇在這里已經(jīng)有了作用與反作用的思想，即鳥的翅膀拍擊空氣，空氣給鳥的翅膀以升力。達(dá)芬奇還研究了鳥的羽毛的結(jié)構(gòu)，他的結(jié)論是：羽毛的排列特點是當(dāng)它向下扇動時，結(jié)構(gòu)是密的壓縮空氣的效果顯著；而當(dāng)翅膀

5、上揚時，羽毛變的疏散以減少空氣阻力。 武際可:科技史選講之七(1)8 達(dá) 芬 奇Leonardo da Venci 1452-1519的 自 畫 像 和 飛 機 的 草 圖 武際可:科技史選講之七(1)9 武際可:科技史選講之七(1)10 武際可:科技史選講之七(1)11 n達(dá)芬奇還觀察到在山谷或一定條件下會產(chǎn)生向上的氣流，鳥經(jīng)常利用這種上升的氣流，高飛而又節(jié)省力氣。他進一步注意到鳥一般都是逆風(fēng)而很少順風(fēng)飛行。他說：“鳥逆風(fēng)飛行可以不必扇撲翅膀，這得益于下降時下面的氣流。利用放松運動使之處于氣流之上?！彼谶@里已經(jīng)有了空氣動力產(chǎn)生升力的萌芽，這是極可寶貴的體驗。n此外達(dá)芬奇還對鳥的起飛、降落、

6、轉(zhuǎn)彎、滑翔等動作，并且給了許多合理的解釋。 武際可:科技史選講之七(1)12 n根據(jù)鳥的飛行原理，達(dá)芬奇設(shè)計了飛機、降落傘、直升機。他考慮最多的是撲翼機，他說：“鳥是一架按數(shù)學(xué)定律工作的機器，人具有復(fù)制這架機器全部運動的能力。它的強度可能不會符合，因為缺少維持平衡的動力。我們可以說，人們建造這種機器不缺少任何東西，只有鳥的生命除外?！?后來的歷史發(fā)展證明，達(dá)芬奇的這個論斷是十分正確的。 1 艾瑪阿里斯特著，鄭福潔譯，萊奧納多達(dá)芬奇筆記，三聯(lián)書店，1998年，第102頁 武際可:科技史選講之七(1)13 1 2利 用 氣 球 飛 行 n 1783年10月21日來自法國里昂附近蒙格菲兄弟在巴黎成功

7、地進行了載人的熱氣球試驗。由于蒙格菲的成功，巴黎科學(xué)院撥出經(jīng)費進行氣球的研究，在同年12月1日，在巴黎研究以氫氣作氣球的查禮成功地進行了一次載人的氫氣球試驗。 武際可:科技史選講之七(1)14 蒙 格 菲 兄 弟成 功 地載 人 熱 氣 球試 驗 武際可:科技史選講之七(1)15 n 1851年法國的吉法爾決定在長40米的氣球上安裝上50馬力的蒸汽機，蒸汽機帶動螺旋槳推進，這是最早的飛艇。時速可以達(dá)到每小時10公里。n 1900年7月德國的齊伯林以鋁為構(gòu)件的硬式飛艇試驗成功。時速達(dá)每小時30公里。齊伯林的飛艇幾經(jīng)改進，到1911年的齊伯林七號，裝有420馬力的發(fā)動機，時速大約每小時58公里，并

8、且被用于第一次世界大戰(zhàn)，去對法國作戰(zhàn)。 武際可:科技史選講之七(1)16 齊 伯 林 Ferdinand von Zeppelin18381917 武際可:科技史選講之七(1)17 齊 伯 林 的 氣 球n 武際可:科技史選講之七(1)18 n利用氫氣比重比空氣小的性質(zhì)進行飛行，是基于流體靜力學(xué)原理，即在古希臘由阿基米德所發(fā)現(xiàn)的浮力原理。雖然后來歷經(jīng)改進，采用氦氣，采用金屬外殼，還安裝了發(fā)動機進行飛行，但是由于它既笨重又不安全，所以后來慢慢被飛機淘汰了。 武際可:科技史選講之七(1)19 13凱 利 的 飛 行 研 究 n在達(dá)芬奇系統(tǒng)地研究鳥的飛行之后的數(shù)百年間，人們似乎忘掉了航空。特別是，在

9、18世紀(jì)末，當(dāng)法國人乘氣球升空得到成功，并熱衷于研究靠氣球飛行、又逐步并取得進展的時候，在法國沒有人再關(guān)心飛機飛行了。n到了19世紀(jì)初，英國人喬治凱利（George Cayley,17731858）才又提出這個問題，而且比達(dá)芬奇更前進了一步. 武際可:科技史選講之七(1)20 n 18091810年凱利分三次在英國的自然哲學(xué)、化學(xué)和技藝雜志上發(fā)表了題目為論空中航行的論文。這是世界上最早的航空論文，也是世界上現(xiàn)代航空的標(biāo)志。所以凱利后來被人們稱為“航空之父”。在論文中，他明確說：“全部問題是給一塊平板提供動力，使之在空氣中產(chǎn)生并支持一定的重量。”文中他經(jīng)過精心計算，給出了一架飛機的設(shè)計參數(shù)，換為

10、現(xiàn)在的單位：當(dāng)平板的面積為60平方米、迎風(fēng)角為6度、速度為每秒10米時，升力可以支承90千克的人機總重。他并且說：“如果這塊平板能在動力作用下高效率運動，空中航行就會實現(xiàn)?！?武際可:科技史選講之七(1)21 凱 利 像George Cayley1773-1858 武際可:科技史選講之七(1)22 n后來凱利還研究了飛機的飛行穩(wěn)定性、操縱性和安全性，為了保證這些性能，他建議在飛機上在機翼上設(shè)置反角、在飛機身后加尾翼、在尾翼上裝置可轉(zhuǎn)動的垂直尾翼等。這些建議都為后來的飛行證實是有效的。n受時代的限制，凱利當(dāng)時還沒有合用的發(fā)動機，甚至連瓦特的蒸汽機也還沒有。所以他沒有辦法實現(xiàn)他的設(shè)想。不過在184

11、91853年間，他設(shè)計并且試制了供載人用的滑翔機。 武際可:科技史選講之七(1)23 n后來，在凱利逝世后的半個世紀(jì)，美國的萊脫兄弟實現(xiàn)了飛機飛行，大萊脫曾說過：“我們設(shè)計的飛機，完全按照凱利爵士的非常精確的計算方法?！彼院髞砦鞣降暮娇諏＜叶挤Q凱利為航空之父。 武際可:科技史選講之七(1)24 凱 利 設(shè) 計 的 飛 機 武際可:科技史選講之七(1)25 1 4世 界 各 國 的 早 期 飛 行 探 索n在19世紀(jì)的后期，在英國、俄國、德國、法國都有一些動力飛行的探索者。n 1842年英國的漢森申請了他的飛機設(shè)計專利，這是世界上第一個有關(guān)飛機的專利。他的飛機上裝置的動力是蒸汽機，他將這種飛行

12、器定名為“空中蒸汽車”。后來他自己進行了模型試驗，在頭幾次試驗失敗后，他的財力已經(jīng)耗盡，無力繼續(xù)而停止了。n 1857年，法國的布里斯制造了一架大型滑翔機，他的起飛方式是將滑翔機固定在馬車上，然后驅(qū)車沿大路奔跑，當(dāng)馬車達(dá)到一定速度時，把滑翔機放出去。在第二從試飛時，不幸遇到了下降的氣流，滑翔機摔壞，他本人也摔斷了大腿。過了10年，他又東山再起，繼續(xù)繼續(xù)滑翔機試驗，試驗又遭失敗，從此他退出了航空。 武際可:科技史選講之七(1)26 n德國的利林塔爾，1889年發(fā)表了一本鳥類飛行的藝術(shù)，這本書對后來的飛行影響很大。他還制造了具有蝙蝠形狀機翼的滑翔機，為了改進他制造的滑翔機，他進行了2000次以上的

13、飛行試驗。他對滑翔機不斷改進，最長的一次飛行是從15米高的山頭上起飛，滑翔了300米遠(yuǎn)。他在滑翔機上增加了舵，并且準(zhǔn)備裝上動力，可惜在1896年8月的一天，在試飛時，因為機翼折斷而犧牲。他離開人世時最后的遺言是：“如果沒有犧牲，任何事都不會成功?！?武際可:科技史選講之七(1)27 n這些只是動力飛行的早期探索者中的少數(shù)例子。是這些勇敢的冒險家的前仆后繼的探求，人們又不斷從中總結(jié)經(jīng)驗，才有后來的飛行世紀(jì)。誠然，像后來最早飛行成功的萊特兄弟，那樣的勝利者的業(yè)績值得慶賀，而像利林塔爾，這樣的失敗者的業(yè)績也是可歌可泣的。 武際可:科技史選講之七(1)28 利 林 塔 爾O tto Lilientha

14、l1848 1896 武際可:科技史選講之七(1)29 利 林 塔 爾飛 行 圖 武際可:科技史選講之七(1)30 2 早 期 的 飛 機 武際可:科技史選講之七(1)31 2 1 蘭 利 的 飛 機 研 究 與 實 驗n蘭利（Samuel Pierpont Langley,18341906）是美國的職業(yè)科學(xué)家，起先曾從事土木工程工作，后來靠自學(xué)成為著名的天文學(xué)家。他發(fā)展了測輻射熱儀，對太陽光譜測量作出了重要貢獻，1867年，任美國匹茲堡大學(xué)的物理與天文學(xué)教授。他從幼年便對鳥的飛翔產(chǎn)生了極大的興趣。經(jīng)常連續(xù)數(shù)小時觀看鳥的飛行。 武際可:科技史選講之七(1)32 n 1887年蘭利移居華盛頓，出

15、任當(dāng)時美國學(xué)術(shù)權(quán)威機構(gòu)斯密森學(xué)會的秘書。他建造了一座60英尺的懸臂機，該機靠煤氣發(fā)動機驅(qū)動，外周速度可達(dá)每小時70海里。利用這座懸臂機，他進行了大量的空氣動力實驗，研究平板與鳥翼在空氣中運動時的阻力與升力的規(guī)律，由此得到了許多定量的結(jié)果，并且糾正了前人的不少錯誤。他得出了有一攻角的平板升力為 其中A為平板面積、V為飛行速度、 為空氣的密度、 為平板的攻角。蘭利將他的研究結(jié)果寫成一本書空氣動力學(xué)實驗，于1891年由華盛頓的斯密森學(xué)會出版。這本書是最早的比較系統(tǒng)的實驗空氣動力學(xué)著作，對后來的飛機研究者，包括萊特兄弟影響很大。sin2kAVF 武際可:科技史選講之七(1)33 n除了實驗室研究外，蘭

16、利還動手做飛行試驗。他先后從1891年開始試制了橡筋動力模型飛機、設(shè)計并制造了輕型蒸汽機、并且設(shè)計了空中旅行者06共7個型號的飛機模型、對其中的第5、6兩號在1896年進行了成功的飛行、后來又在1903年進行了兩次不成功的載人的飛行試驗。后來因為財政拮據(jù)和新聞界的冷嘲熱諷，以及蘭利本人年事已高（接近70歲）的諸多原因，放棄了試驗，蘭利也于1906年逝世。后人總結(jié)他載人飛行的失敗主要是由于結(jié)構(gòu)上的不合理，當(dāng)時他的發(fā)射架如果采用輪式起落架，試飛很可能是另一種結(jié)果。 武際可:科技史選講之七(1)34 蘭 利 像Samuel Pierpont Langley 1834-1906 武際可:科技史選講之七

17、(1)35 蘭 利 的 飛 機 （ 1901） 武際可:科技史選講之七(1)36 2 2 萊 特 兄 弟 的 飛 機 n飛機的發(fā)明與發(fā)展是力學(xué)漸漸滲入技術(shù)的結(jié)果，是從盲目走向自覺的過程。19世紀(jì)末不少人都想制造飛機，當(dāng)時滑翔機已有相當(dāng)?shù)倪M步，凡是致力于改進滑翔機的人，很自然的想法是在滑翔機上安裝上動力。但是那時只有蒸汽機這種過重的發(fā)動機。n 于是有一些人從事研究內(nèi)燃機，如德國的利林塔爾與皮爾徹在1896年與1899年，先后在滑翔機上安裝上內(nèi)燃機進行試驗。不幸他們二人先后都因為事故而犧牲。同時美國也有人進行類似的試驗，結(jié)果也以失敗而告終。 武際可:科技史選講之七(1)37 n美國在俄亥俄州開自行

18、車修理店的萊特兄弟為德國的利林塔爾的犧牲精神所鼓舞，決心試制飛機。他們首先從制造滑翔機開始，從1899年開始，逐漸改進。1899年，他們寫信給斯密森研究院索取有關(guān)航空資料，他們研究前人的經(jīng)驗，其中包括達(dá)芬奇、喬治凱利、蘭利教授、馬克辛（機槍的發(fā)明者）、查紐特、帕森斯、托馬斯愛迪生、利林塔爾、阿代爾、等等的事跡與經(jīng)驗。1901年萊特兄弟（哥哥 Wilbur Wright，18671912,弟弟Orville Wright，18711948）為了實驗和改進翅膀，建造了風(fēng)洞，他們研究與比較了200種以上的機翼形狀。到1902年秋，已經(jīng)積累了上千次滑翔經(jīng)驗，掌握了飛行的理論與技術(shù)。 武際可:科技史選講

19、之七(1)38 萊 脫 兄 弟哥 哥 (左 ) Wilbur Wright1867 1912弟 弟Orville Wright1871 1948 武際可:科技史選講之七(1)39 n 最后，他們決心制造裝有發(fā)動機與螺旋槳的飛機。經(jīng)過艱苦的研究，終于制成了4缸8馬力的內(nèi)燃發(fā)動機，并且用樅木制造了螺旋槳。1903年12月17日在北卡羅來納州的刺鬼山海岸（Kill Devil Hills beach），對他們制成的“飛行者”1號進行了試飛。經(jīng)過4次試飛，最好的成績是在空中飛行59秒，飛行距離259.7米的記錄。那次試飛，他們發(fā)了50封邀請信，結(jié)果只來了5個人，報界對此反映冷淡。到1905年，美國著名

20、的科學(xué)普及雜志科學(xué)的美國人說這次試驗只不過是一個騙局。可是，就在這一年，萊特兄弟的第三個改型飛機在10月5日那天，一次飛行了38.6千米，在空中持續(xù)飛行38分又3秒鐘。 武際可:科技史選講之七(1)40 萊特兄弟的飛機試飛圖 武際可:科技史選講之七(1)41 n之后萊特兄弟以及世界上不少國家與個人進行了改進試驗。1904年進行了“飛行者”2號試飛，總共飛行了105次，最長飛行記錄是飛行了5分鐘，距離為4.4公理。后來他們對飛機的操縱性能做了改進，1905年6月，制成了“飛行者”3號。經(jīng)過50次試飛，在10月5日達(dá)到了持續(xù)飛行38分3秒、飛行距離38.6公理的記錄。經(jīng)過各種姿態(tài)的飛行試驗，說明這

21、架飛機已經(jīng)具備實用性。 武際可:科技史選講之七(1)42 n萊特發(fā)明的飛機雖然已經(jīng)達(dá)到了實用階段，但是要得到社會的承認(rèn)與支持還經(jīng)過了一段艱苦的努力。n萊特兄弟首先向美國陸軍談判，希望獲得支持，但是陸軍反應(yīng)冷淡，說是要等到他們造出除駕駛員外能攜帶一名人員的條件下能夠平飛時，才會考慮定購。后來他們又同英國人談判也未有任何進展。在1906、1907這兩年中，他們沒有試驗，而是轉(zhuǎn)而改進發(fā)動機與螺旋槳。到1907年春，他們又制造了一架新飛機，由萊特兄長帶到歐洲，商談申報專利與生產(chǎn)問題，也沒有得到什么結(jié)果。整個世界對他們數(shù)年的成功試飛沒有什么反應(yīng)。 武際可:科技史選講之七(1)43 n 1907年12月2

22、3日，美國政府愿意提供25000美元的資金，招標(biāo)制造一架能載兩人、飛行速度每小時64.4公里、飛行距離125公里的飛機。為了說服美國官方，1908年2月萊特兄弟進行了一次飛行表演，美國戰(zhàn)爭部同意到場觀看。同年3月萊特與戰(zhàn)爭部簽訂制造飛機的協(xié)議。n 1908年8月萊特弟弟在法國、1908年9月萊特兄長在美國進行了飛行表演。都相繼取得了成功，這些成功的表演新聞界廣為報導(dǎo)，這才使他們成為全世界注目的英雄。 武際可:科技史選講之七(1)44 2 3 航 空 事 業(yè) 的 發(fā) 展 n法國的桑托斯杜門一直致力于飛行，在1905年以前，他從事于飛艇的研制。從1906年開始研制飛機，他先造了一架直升機，可惜因為

23、旋翼太小沒有成功。在同年他又造了兩架飛機，結(jié)果都不理想。但是不管如何，它畢竟是歐洲的最早的飛機。幾經(jīng)改進，到1909年杜門制造的“蜻蜓”飛機，是單翼機、輪式起落架、結(jié)構(gòu)緊湊，他自己駕駛，速度競達(dá)到每小時97公里。 武際可:科技史選講之七(1)45 n 1908年英國的每日郵報設(shè)1000英鎊的獎金，以獎勵第一個飛越法英兩國之間的英吉利海峽的人。1909年7月25日凌晨法國的布雷里奧用了大約36分鐘完成了飛越英吉利海峽，飛行41.9公里。一時成為轟動歐洲的大事。n后來歐洲人經(jīng)過不斷改進，并且舉行各種航空表演與航空展覽，以推動航空事業(yè)。到第一次世界大戰(zhàn)之前，歐洲的航空達(dá)到世界領(lǐng)先的地位。 武際可:科

24、技史選講之七(1)46 n 馮如（18831912）廣東恩平人，12歲赴美當(dāng)童工，后在一家工廠當(dāng)工人。經(jīng)過數(shù)年的自學(xué)研究，積累了不少機械制造方面的知識。1906年，馮如在舊金山與當(dāng)?shù)厝A僑和親友集資創(chuàng)辦飛機制造公司。1907年，廣東機器制造廠在美國奧克蘭市成立，從事研制飛機。經(jīng)歷了6次失敗后，在1911年初，于奧克蘭市成功地進行了多次航空表演，而且創(chuàng)造了時速105公里的新記錄。當(dāng)時孫中山先生也在美國，觀看了他的飛行表演，在觀看后發(fā)表講話時對馮如的成功大加稱贊，鼓勵他回國為祖國服務(wù)。1911年3月馮如回國，不幸在1912年8月25日的一次飛行表演中因飛機失事而犧牲。 武際可:科技史選講之七(1)4

25、7 馮 如1883 1912 武際可:科技史選講之七(1)48 n由于空氣動力學(xué)方面的研究成果，飛機的空氣動力性能不斷改善，也由于航空發(fā)動機的不斷改進，飛行的新記錄不斷產(chǎn)生。n 1913年，英國的每日郵報懸賞10000英鎊，給第一個飛越北大西洋的人。1919年6月14日，英國的阿爾科克和布朗二人完成了這項飛行而獲獎，航程3032公里。n 1920年美國的企業(yè)家奧太格懸賞25000美金，給第一個從紐約到巴黎的飛行者。1927年5月21日，美國人林白（Charles Augustus Lindbergh,19021974）領(lǐng)走了這筆獎金，航程5810公里，歷時33.5小時。林白后來多年任泛美航空公

26、司的高級技術(shù)顧問，他也是第一批改進機械心臟泵的發(fā)明者之一。 武際可:科技史選講之七(1)49 林 白 Charles Augustus Lindbergh,19021974 武際可:科技史選講之七(1)50 1927， 5， 21的 一 幅 漫 畫 武際可:科技史選講之七(1)51 n人們終于迎來了20世紀(jì)這個航空的新世紀(jì)。從1916年開始，在英國、荷蘭、比利時、德國、法國、蘇聯(lián)、美國等國先后成立了國內(nèi)與國際的航空公司，辦理客貨運。到19501970年間，在歐美各國的長途客運幾乎都讓位給航空了，而鐵路長途客運倒閉。在二次世界大戰(zhàn)之后，又出現(xiàn)了噴氣式超音速飛機。所有這些都得益于力學(xué)的發(fā)展。 武際

27、可:科技史選講之七(1)52 3 航 天 技 術(shù) 的 發(fā) 展 武際可:科技史選講之七(1)53 n 在 力 學(xué) 發(fā) 展 的 早 期 ， 是 和 天 文 學(xué) 緊 密相 連 的 ， 人 類 的 力 學(xué) 知 識 可 以 說 最 早是 從 研 究 天 上 的 星 宿 得 到 的 。 在 20世紀(jì) ， 當(dāng) 從 牛 頓 時 代 精 確 化 的 力 學(xué) 知 識發(fā) 展 了 200多 年 后 ， 可 以 說 力 學(xué) 又 回 到了 天 上 。 人 造 衛(wèi) 星 、 人 造 天 體 的 出 現(xiàn)就 是 這 一 回 復(fù) 的 明 證 。 武際可:科技史選講之七(1)54 3 1 早 期 星際 航 行的 研 究 武際可:科技

28、史選講之七(1)55 n齊奧爾可夫斯基（ ，18571935）出生于俄羅斯離莫斯科不遠(yuǎn)的梁贊省的伊熱夫斯基村。大約在他十歲的時候因為疾病使他的耳朵幾乎完全失去聽力。由于生病，他經(jīng)常缺課，在家由他母親幫他補課。他14歲時才開始正式上學(xué)，16歲時，父親送他到莫斯科求學(xué)。后來他靠頑強的自學(xué)精神，而于1878年秋成為一名中學(xué)教師，并且撰寫了若干篇有關(guān)化學(xué)和物理的學(xué)術(shù)論文。 武際可:科技史選講之七(1)56 n齊奧爾可夫斯基對星際航行的興趣是由凡爾納的科學(xué)幻想小說引起的，他在1911年回憶說：“對我來說，第一顆太空飛行思想的種子是由著名的儒勒凡爾納的幻想小說播下的，它們使我在頭腦里形成了確定的方向。我開

29、始把它作為一種嚴(yán)肅的活動?！眓齊奧爾可夫斯基在1898年完成了論文利用噴氣工具研究宇宙空間，但是論文直到1903年才在莫斯科的科學(xué)評論雜志上發(fā)表。論文涉及航天飛行的各方面的問題。 武際可:科技史選講之七(1)57 n他首先指出，利用氣球、大炮炮彈、都不可能飛出地球，因之“我建議利用反作用機械研究高空大氣。我所指的反作用機械就是火箭。”n論文開創(chuàng)了變質(zhì)量力學(xué)，并且由此推導(dǎo)出火箭運動的基本公式，后人稱之為齊奧爾可夫斯基公式，即在不考慮空氣阻力與地心引力的條件下，火箭在在耗盡燃料時的速度為 ，其中 分別為火箭總重與火箭結(jié)構(gòu)重，為常數(shù)。 21ln MMcv 21,MMc 武際可:科技史選講之七(1)5

30、8 n論文導(dǎo)出了火箭要克服地球引力所要具有的最小速度，即第一宇宙速度為每秒8公里。并且給出了液體燃料是最理想的推進劑。n 1919年齊奧爾可夫斯基發(fā)表了論文太空火箭列車。這是關(guān)于多極火箭的最早的研究。n齊奧爾可夫斯基還寫作過不少通俗介紹火箭與太空飛行的讀物。他一生寫了580篇科學(xué)論文與科學(xué)幻想作品。不過，他的研究工作，首先是在美國與德國受到重視，外國的研究火箭熱，反過來推動了蘇聯(lián)。到1924年，蘇聯(lián)重新出版了齊奧爾可夫斯基發(fā)表過的論文。 武際可:科技史選講之七(1)59齊奧爾可夫斯基像 武際可:科技史選講之七(1)60 n法國人埃斯諾貝爾特利（Robert Esnault-Peltrie,18

31、811957）早期從事飛機的設(shè)計與研究，后來轉(zhuǎn)入火箭與星際航行的研究。他獨立于齊奧爾可夫斯基的工作，在1912年發(fā)表了論文關(guān)于無限減輕發(fā)動機重量的可能性的結(jié)果的思考。論文得到了和齊奧爾可夫斯基相同的結(jié)論。他計算得到火箭逃出地球的速度為每秒11.28公里，即現(xiàn)今說的第二宇宙速度。他并且設(shè)計了到達(dá)月球、金星與火星的火箭以及飛行策略。n齊奧爾可夫斯基與埃斯諾貝爾特利的研究工作奠定了航天技術(shù)的理論基礎(chǔ)。 武際可:科技史選講之七(1)61 3 2 火 箭 的 改 進 與 V 2火 箭 n最早在實際上研究設(shè)計與制造液體火箭的是美國的戈達(dá)德（H.Geddard, 18821945）與羅馬尼亞人奧伯特（H.J

32、.Oberth,1894？）n戈達(dá)德獨立自費研究火箭推進，并且在1919年出版了研究的論著。在1926年3月16日，有四位助手配合，妻子擔(dān)任記錄，成功地發(fā)射了液體試驗火箭?；鸺?.5秒時間內(nèi)，升高12.5m，水平飛行56m。1923年他又出版了深入星際太空的火箭一書，這本書對后來德國的火箭研究起了很大作用。 武際可:科技史選講之七(1)62 戈 達(dá) 德H.Geddard 1882 1945 武際可:科技史選講之七(1)63 戈 達(dá) 德 的 液 體 火 箭 武際可:科技史選講之七(1)64 n奧伯特1922年得知美國的戈達(dá)德發(fā)表了到達(dá)極大高度的方法，寫信索要并仔細(xì)研讀。之后寫了論文飛往星際空間

33、的火箭。文中他設(shè)想了載人火箭的設(shè)計方案。之后他將論文擴展成為書，于1929年出版，書名為通向宇宙之路。在1928年奧伯特應(yīng)聘為科學(xué)幻想電影月球女郎做載人飛船，隨之進行了火箭試驗。1939年第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，奧伯特，被德國當(dāng)局應(yīng)征去研究軍用火箭。 武際可:科技史選講之七(1)65 奧 伯 特 作 液 體 火 箭 試 驗 （ 右 立 者 ） 武際可:科技史選講之七(1)66 n在 世 界 上 德 國 的 星 際 航 行 發(fā) 展 得 最早 ， 在 奧 伯 特 的 著 作 影 響 下 ， 1927年 6月 5日 在 德 國 布 萊 斯 勞 成 立 了 德國 星 際 航 行 協(xié) 會 ， 并 決 定

34、出 版 刊 物 火 箭 。 協(xié) 會 在 一 年 間 ， 人 數(shù) 增加 到 500人 。 武際可:科技史選講之七(1)67 n布勞恩（W. von Braun, 19121977）1932年畢業(yè)于柏林工學(xué)院，1934年獲柏林大學(xué)物理系博士學(xué)位。1932年在德國陸軍軍械部從事火箭研究。作為第一次大戰(zhàn)的戰(zhàn)敗國，德國不允許發(fā)展常規(guī)武器，于是便在火箭上打主意。從20年代末德國軍方就組織人員研究火箭。30年代希特勒上臺后，更加緊了火箭的研究。從1933年開始設(shè)計火箭。1937年希特勒撥款3億馬克建立導(dǎo)彈研究基地。在馮布勞恩的主持下，通過對A1（一枚，失?。?、A2（兩枚，均成功）、A3（三枚，均失?。?、A5

35、（25枚左右，均成功）型號火箭的研究和試驗，取得了大量空氣動力學(xué)方面的成果，并且在制導(dǎo)、控制、發(fā)動機設(shè)計、彈道設(shè)計等方面積累了大量經(jīng)驗。在此基礎(chǔ)上，1942年10月3日，成功地發(fā)射了第一枚液體燃料的軍用導(dǎo)彈V2。 武際可:科技史選講之七(1)68 n后來V2又經(jīng)過不斷改進，最后它的狀況為：n V2火箭長14m，結(jié)構(gòu)重量3.99t，彈頭1t，燃料8.96t，射程300公里，最大速度每秒1.5公里。它的主要特點有：（1）垂直起飛，沒有起飛滑軌，以免結(jié)構(gòu)與軌道撞擊；（2）采用處于燃?xì)鈿饬髦醒b在尾翼上的四個葉片的燃?xì)舛婵刂疲細(xì)舛嬗质苎b在導(dǎo)彈前部的兩個陀螺儀控制；（3）使用渦輪泵將推進劑注入燃燒室。n

36、從1944年起，直到1945年德國法西斯覆滅，德國共向盟國各地區(qū)、特別是英國發(fā)射了V2火箭3745枚。 武際可:科技史選講之七(1)69 布 勞 恩W. von Braun19121977 武際可:科技史選講之七(1)70 V 2火 箭 武際可:科技史選講之七(1)71 n德國法西斯覆滅后，美國俘獲了包括布勞恩在內(nèi)的100多名火箭專家、全部V2火箭的設(shè)計資料和少量的V2火箭及其零件，蘇聯(lián)則俘獲了一批二流專家和一批V2火箭及其零件。這樣V2火箭就成為后來蘇、美兩國進行軍用火箭與空間飛行研究的基礎(chǔ)。n布勞恩投降美軍后，到美國陸軍裝備設(shè)計研究局工作，后任陸軍彈道導(dǎo)彈發(fā)展處處長。1955年入美藉。先后

37、領(lǐng)導(dǎo)研制成功紅石、丘辟特、潘興等火箭，并用火箭發(fā)射美國第一顆人造衛(wèi)星成功。19601970任馬歇爾航天中心主任，1961年任肯尼迪總統(tǒng)的空間事務(wù)科學(xué)顧問，分管阿波羅工程。美國將人送上月球，就是用的他主持設(shè)計的土星火箭。1970年任美國國家航空航天局主管計劃的副局長，1972年辭職?？梢哉f布勞恩的一生，是研制火箭成功的一生。 武際可:科技史選講之七(1)72 Wernher von Brauns teams with the Army and NASA developed many of the rockets that launched America into the space race.

38、 Clockwise from upper left: the Redstone (first U.S. Army ballistic missle), Juno-1 (carried Explorer 1, the first U.S. satellite), Mercury-Redstone (launched Allan Shepard, the first American in space), and the Saturn-1 (booster rocket for the Apollo missions). (Photographs courtesy MSFC Image Exch

39、ange) 武際可:科技史選講之七(1)73 美 國 阿 波 羅 11的 發(fā) 射 指 揮 隊 伍 武際可:科技史選講之七(1)74 3 3 人 造 衛(wèi) 星 、 星 際 航 行 的 發(fā) 展及 其 技 術(shù) 應(yīng) 用 n 1947年，蘇聯(lián)發(fā)射成功了類似V2的導(dǎo)彈火箭。1952、1953年間，蘇聯(lián)的導(dǎo)彈射程已經(jīng)可以達(dá)到1800公里。1955年蘇聯(lián)成立了人造地球衛(wèi)星委員會，開始研制人造衛(wèi)星與運載火箭。n美國在戰(zhàn)后首先進行了探空火箭的研制，改進了V2火箭，在1947年達(dá)到了393公里的高空。但是由于當(dāng)時美國著意于核武器的研制，放松了對導(dǎo)彈的投資。美國的火箭研究在50年代初明顯落后于蘇聯(lián)。直到50年代中期才重

40、視起來。 武際可:科技史選講之七(1)75 n 1957年10月4日，蘇聯(lián)在拜科努爾航天發(fā)射場發(fā)射成功第一顆重83.6公斤的人造衛(wèi)星。它的軌道近地點215公里、遠(yuǎn)地點947公里、軌道傾角為、周期是96.2分。它在天上運行了92天。這顆衛(wèi)星進行了高空空氣阻力的測量，完成了地面大氣密度的測量等多方面的研究。n 1958年1月31日美國將探險者1號衛(wèi)星送入6002537公里的軌道。n在蘇美兩國相繼發(fā)射衛(wèi)星成功后，各國又發(fā)射各種不同應(yīng)用的衛(wèi)星，如通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、地球資源衛(wèi)星、軍用情報衛(wèi)星等。共發(fā)射不同用處的衛(wèi)星數(shù)千枚。 武際可:科技史選講之七(1)76 蘇 聯(lián) 第 一 顆 人 造 衛(wèi) 星

41、 武際可:科技史選講之七(1)77 n 1970年4月24日，中國發(fā)射成功了“東方紅1號”衛(wèi)星，重173公斤。n 1961年4月12日，蘇聯(lián)把宇航員加加林（Yuri Alexeyevich Gagarin,19341968）送入地球軌道，運行了108分鐘，開辟了人類進入太空的紀(jì)元。n 1969年7月16日美國的“阿波羅11”將三位宇航員送上了月球軌道，其中兩人送上了月球，于7月25日安全濺落在太平洋上。它不僅在組織管理的水平要求是空前的，在技術(shù)方面，還要解決諸如控制問題、通訊問題、材料問題、發(fā)動機技術(shù)問題、以及大量的力學(xué)問題（空氣動力學(xué)、固體力學(xué)、飛行力學(xué)）。 武際可:科技史選講之七(1)78

42、 第 一 個宇 航 員伽 伽 林Y.A.Gagalin1934-1968 武際可:科技史選講之七(1)79 1980年中國的火箭在發(fā)射 武際可:科技史選講之七(1)80 n就以再入大氣所遇到的力學(xué)問題來說，就要求解決：再入大氣時的入角大小要合適，過大過小都不行；再入大氣后的數(shù)分鐘內(nèi)，由于大氣的電離層隔斷無線電通訊，要解決飛行器精確自動控制的能力問題；再入大氣后飛行器與空氣摩擦產(chǎn)生的高溫（1000以上）問題等。而在所有飛行的各個環(huán)節(jié)中，火箭的條件，包括加速度、溫度都要控制得適合人的生存。 武際可:科技史選講之七(1)81 n 1964年8月19日，美國發(fā)射了第一枚地球同步靜止軌道通信衛(wèi)星。這種衛(wèi)

43、星的特點是：它的繞地球的周期與地球的自轉(zhuǎn)一樣都是24小時；它的軌道嚴(yán)格處于地球的赤道平面內(nèi)，且為圓形。通過計算知道，這種衛(wèi)星的軌道高度是35800公里。為此火箭在地面的初始速度必須達(dá)到每秒10.43公里。在發(fā)射時，要有十分精確的控制系統(tǒng)。此外，當(dāng)衛(wèi)星達(dá)到赤道平面內(nèi)的橢圓軌道后，還要通過二次點火使軌道調(diào)整到預(yù)定的精確位置上。所以同步靜止軌道通訊衛(wèi)星是火箭與衛(wèi)星技術(shù)的新水平。1984年4月8日，我國成功地發(fā)射了一顆地球同步靜止通訊衛(wèi)星，并于4月16日定點成功。 武際可:科技史選講之七(1)82 n之后美國與蘇聯(lián)都發(fā)射成功了各種空間實驗站、科學(xué)衛(wèi)星和空間探測器。先后有探測水星、土星、木星、火星的探測

44、器。取得了大量的研究資料。n 1981年4月12日美國又成功地進行了載有兩名宇航員的航天飛機“哥倫比亞”號的飛行。至今航天飛機已進行過多次成功飛行，可以進行摘取衛(wèi)星、修復(fù)航天望遠(yuǎn)鏡、修理空間實驗室等任務(wù)。n航天飛行還在發(fā)展，前程無量。 武際可:科技史選講之七(1)83 武際可:科技史選講之七(1)84 n之后美國與蘇聯(lián)都發(fā)射成功了各種空間實驗站、科學(xué)衛(wèi)星和空間探測器。先后有探測水星、土星、木星、火星的探測器。取得了大量的研究資料。n 1981年4月12日美國又成功地進行了載有兩名宇航員的航天飛機“哥倫比亞”號的飛行。至今航天飛機已進行過多次成功飛行，可以進行摘取衛(wèi)星、修復(fù)航天望遠(yuǎn)鏡、修理空間實驗室等任務(wù)。n航天飛行還在發(fā)展，前程無量。 武際可:科技史選講之七(1)85 武際可:科技史選講之七(1)86 武際可:科技史選講之七(1)87