載人航天科幻小說接龍大賽
Ⅰ 中國航天小短文
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火箭: 宇航時代的開拓者
信息發布時間：2007-01-08
一. 引言
這個 「星際旅行漫談」 系列原本是為了討論未來的星際旅行技術而寫的。 不過今天卻要來討論一種比較 「土」 的技術： 火箭。 之所以討論火箭， 主要的原因有兩個： 一個是因為我國的第一艘載人飛船 「神舟五號」 即將發射， 在這個中國宇航員即將叩開星際旅行之門的時刻， 我們這個系列不應該缺席， 更不應該讓火箭這位宇航時代的開拓者在這個系列中缺席。 另一個是因為火箭雖然是一種不那麼 「未來」 的技術， 但我覺得， 在我和讀者們能夠看得到的將來， 承載人類星際旅行之夢的技術很有可能仍然是火箭這匹識途的老馬。
二. 宇宙速度
火箭理論的先驅者、 俄國科學家齊奧爾科夫斯基 (K. E. Tsiolkovsky 1857-1935) 有一句名言： 「地球是人類的搖籃。 但人類不會永遠躺在搖籃里， 他們會不斷探索新的天體和空間。 人類首先將小心翼翼地穿過大氣層， 然後再去征服太陽周圍的整個空間」。
星際旅行是一條漫長的征途， 人類迄今在這條征途上走過的路程幾乎恰好就是 「征服太陽周圍的整個空間」， 而在這征途上的第一站也正是 「穿過大氣層」[注一]。
在人類發射的航天器中數量最多的就是那些剛剛 「穿過大氣層」 的航天器 - 人造地球衛星， 迄今已經發射了五千多顆。 其中第一顆是 46 年前 (1957 年 10 月 4 日) 在前蘇聯的拜克努爾發射場發射升空的。
從運動學上講， 這些人造地球衛星的飛行軌跡與我們隨手拋擲的一塊石頭的飛行軌跡是屬於同一類型的。 我們拋擲石頭時， 拋擲得越快， 石頭飛得就越遠， 石頭飛行軌跡的彎曲程度也就越小。 倘若石頭拋擲得如此之快， 以致於飛行軌跡的彎曲程度與地球表面的彎曲程度相同， 石頭就永遠也不會落到地面了[注二]。 這樣的石頭就變成了一顆環繞地球運轉的小衛星。 一般來說， 石頭也好， 衛星也罷， 它們的飛行軌跡都是橢圓[注三]。 對於石頭來說， 如果它飛得不夠快， 那它很快就會落到地面， 從而我們只能看到橢圓軌道的一個極小的部分， 那樣的一個部分近似於一段拋物線。
那麼一塊石頭要拋擲得多快才能不落回地面呢？ 或者說一枚火箭要能達到什麼樣的速度才能發射人造地球衛星呢？ 這個問題的答案很簡單， 尤其是對於圓軌道的情形。 在圓軌道情形下， 假如軌道的半徑為 r， 衛星的飛行速度為 v[注四]， 則維持衛星飛行所需的向心力為 F=mv2/r (m 為衛星質量)， 這一向心力來源於地球對衛星的引力， 其大小為 F=GMm/r2 (M 為地球質量)。 由此可以得到 v=(GM/r)1/2。 假如衛星軌道很低， 則 r 約等於地球半徑 R， 由此可得 v≈7.9 公里/秒。 這個速度被稱為 「第一宇宙速度」， 它是人類邁向星空所要達到的最低速度。
但是細心的讀者可能會從上面的計算結果中提出一個問題， 那就是 v=(GM/r)1/2 隨著軌道半徑的增加反而減小， 也就是說軌道越高的衛星， 飛行的速度就越小。 但是直覺上， 把東西扔得越高難道不應該越困難嗎？ 再說， 倘若把衛星發射得越高所需的速度就越小， 那麼 v≈7.9 公里/秒 這個 「第一宇宙速度」 豈不就不再是發射人造地球衛星所要達到的最低速度了？ 這些問題的出現表明對於發射衛星來說， 衛星的飛行速度並不是所需考慮的唯一因素。 那麼， 還有什麼因素需要考慮呢？ 答案是很多， 其中最重要的一個是引力勢能。 事實上描述發射衛星困難程度的更有價值的物理量是發射所需的能量， 也就是把衛星從地面上的靜止狀態送到軌道上的運動狀態所需提供的能量。 因此我們改從這個角度來分析。 在地面上， 衛星的動能為零[注五]， 勢能為 -GMm/R (R 為地球半徑)， 總能量為 -GMm/R； 在軌道上， 衛星的動能為 mv2/2=GMm/2r (這里運用了 v=(GM/r)1/2)， 勢能為 -GMm/r， 總能量為 -GMm/2r。 因此發射衛星所需的能量為 GMm/R - GMm/2r。 這一能量相當於把衛星加速到 v=[GM(2/R - 1/r)]1/2 所需的能量。 由於 r>R， 這一速度顯然大於 v=(GM/R)1/2≈7.9 公里/秒 (而且也符合軌道越高發射所需能量越多這一 「直覺」)。 這表明 「第一宇宙速度」 的確是發射人造地球衛星所需的最低速度， 只不過它表示的並不是飛行速度， 而是火箭提供給衛星的能量所對應的等價速度。 在發射衛星的全過程中， 火箭本身的飛行速度完全可以在任何時刻都低於這一速度。
上面的分析是針對圓軌道的， 那麼橢圓軌道的情況如何呢？ 在橢圓軌道上， 衛星的飛行速度不是恆定的， 分析起來要困難一些， 但結果卻同樣很簡單， 衛星在橢圓軌道上的總能量仍然為 -GMm/2r， 只不過這里 r 表示所謂的 「半長徑」， 即橢圓軌道長軸長度的一半。 因此上面關於 「第一宇宙速度」 是發射人造地球衛星所需的最小 (等價) 速度的結論對於橢圓軌道也成立， 是一個普遍的結論。
在人造地球衛星之後， 下一步當然就是要把航天器發射到更遠的地方 - 比方說月球 - 上去。 那麼為了實現這一步火箭需要達到的速度又是多少呢？ 這個問題的答案也很簡單， 不過在回答之前先要對 「更遠的地方」 做一個界定。 所謂 「更遠的地方」， 指的是離地心的距離遠比地球半徑 (約為 6.4×103 公里) 大， 但又遠比地球與太陽之間的距離 (約為 1.5×108 公里) 小。 之所以要有後面這一限制， 是因為在討論中我們要忽略太陽的引力場[注六]。 由於航天器離地心的距離遠比地球半徑大， 因此與發射前在地面上的引力勢能相比， 它在發射後的引力勢能可以被忽略； 另一方面， 由於航天器不再做環繞地球的運動， 其動能也就不再受到限制， 最小可能的動能為零。 因此發射後航天器的最小總能量近似為零。 由於發射前航天器的總能量為 -GMm/R， 因此需要由火箭提供給航天器的能量為 GMm/R， 相當於把航天器加速到 v=(2GM/R)1/2≈11.2 公里/秒 的速度。 這個速度被稱為 「第二宇宙速度」， 有時也被稱為擺脫地球引力束縛所需的速度， 它也是一個等價速度。
倘若我們想把航天器發射得更遠些， 比方說發射到太陽系之外 - 就象本系列的 序言 中提到的 「先驅者號」 探測器一樣 - 火箭需要達到的速度又是多少呢？ 這個問題比前兩個問題要復雜些， 因為其中涉及的有地球與太陽兩個星球的引力場， 以及地球本身的運動。 從太陽引力場的角度看， 這個問題所問的是在地球軌道所在處、 相對於太陽的 「第二宇宙速度」， 即： v=(2GMS/RS-E)1/2 (其中 MS 為太陽質量， RS-E 為太陽與地球之間的距離)。 這一速度大約為 42.1 公里/秒。 相對與第一、 第二宇宙速度來說， 這是一個很大的速度。 但是幸運的是， 我們的地球本身就是一艘巨大的 「宇宙飛船」， 它環繞太陽飛行的速度大約是 29.8 公里/秒。 因此如果航天器是沿著地球軌道運動的方向發射的， 那麼在遠離地球時它相對於地球只要有 v』 = 12.3 公里/秒 的速度就行了。 在地心參照系中， 發射這樣的一個航天器所需要的能量為 mv』2/2 + GMm/R (其中後一項為克服地球引力場所需要的能量， 即把航天器加速到第二宇宙速度所需要的能量)， 相當於把航天器加速到 v≈16.7 公里/秒 的速度。 這一速度被稱為 「第三宇宙速度」， 有時也被稱為擺脫太陽引力束縛所需要的速度， 它同樣也是一個等價速度， 而且還是針對在地球上沿地球軌道運動方向發射航天器這一特殊情形的。
以上三個 「宇宙速度」 就是迄今為止火箭技術所跨越的三個階梯。 在關於 「第三宇宙速度」 的討論中我們看到， 行星本身的軌道運動速度對於把航天器發射到遙遠的行星際及恆星際空間是很有幫助的。 這種幫助不僅在發射時可以大大減少發射所需的能量， 而且對於飛行中的航天器來說， 倘若巧妙地安排航線， 也可以起到 「借力飛行」 的作用， 比如 「旅行者號」 就曾利用木星的引力場及軌道運動速度來加速。
三. 齊奧爾科夫斯基公式
在上節中我們討論了為發射不同類型的航天器， 火箭所要達到的速度。 與火箭之前的各種技術相比， 這種速度是很高的。 在早期的科幻小說中， 人們曾設想過用所謂的 「超級大炮」 來發射載人航天器。 其中最著名的是法國科幻小說家凡爾納 (J. G. Verne 1828-1905) 的作品。 凡爾納在他的小說 ?從地球到月球? (?From the Earth to the Moon? 1866) 中曾經讓三位宇航員擠在一枚與 「神舟號」 的軌道艙差不多大的特製的炮彈中， 用一門炮管長達 900 英尺 (約 300 米) 的超級大炮發射到月球上去 (最終沒能擊中月球， 而成為了環繞月球運動的衛星)。 但是凡爾納雖然有非凡的想像力， 卻缺乏必要的物理學及生理學知識。 他所設想的超級大炮若真的在 300 米的炮管內把 「炮彈」 加速到 11.2 公里/秒 (第二宇宙速度)， 則 「炮彈」 的平均加速度必須達到 200000 米/秒2 以上， 也就是 20000g (g≈9.8米/秒2 為地球表面的引力加速度) 以上。 但是脆弱的人類肌體所能承受的最大加速度只有不到 10g。 這兩者的差距無疑是災難性的， 因此凡爾納的炮彈雖然製作精緻， 乘坐起來卻一點也不會舒適。 不僅不會舒適， 且有性命之虞， 事實上英勇的宇航員們在 「炮彈」 出膛時早就變成了肉餅， 炮彈最後有沒有擊中月球對他們都已經不再重要了。 倘若炮彈真的擊中月球的話， 其著陸方式屬於所謂的 「硬著陸」， 就象隕石撞擊地球一樣， 著陸時的速度差不多就是月球上的第二宇宙速度 (2.4 公里/秒)， 相當於在地球上從比珠穆朗瑪峰還高 30 倍的山峰上摔到地面， 這無異是要把肉餅進一步摔成肉漿。
因此對於發射航天器 (尤其是載人航天器) 來說， 很重要的一點就是航天器的加速過程必須發生在一個較長的時間里 (減速過程也一樣)。 但是加速過程持續的時間越長， 在加速過程中航天器所飛行的距離也就越大。 以凡爾納的超級大炮為例， 倘若炮彈的加速度小於 10g， 則加速過程必須持續 100 秒以上， 在這段時間內炮彈飛行的距離在 500 公里 以上。 炮彈的加速度越小， 這段距離就越大。 由於炮彈本身沒有動力， 因此這段距離必須都在炮管內。 這就是說， 凡爾納超級大炮的炮管起碼要有 500 公里長！ 建造這樣規模的大炮顯然是很困難的， 別說凡爾納時代的技術無法辦到， 即使在今天也是申請不到經費的。 因此航天器的發射必須另闢奚徑[注七]。 火箭便是一種與凡爾納大炮完全不同但卻非常有效的技術手段。
火箭是一種利用反沖現象推進的飛行器， 即通過向與飛行相反的方向噴射物質而前進的飛行器。 從物理學上講這種飛行器所利用的是動量守恆定律。 下面我們就來簡單地分析一下火箭的飛行動力學。
假設火箭單位時間內噴射的物質質量為 -dm/dt (m 為火箭質量， dm/dt<0)， 噴射物相對於火箭的速度大小為 u (方向與火箭飛行方向相反)， 則在時間間隔 dt 內， 火箭的速度會因為噴射而得到一個增量 dv。 依據動量守恆定律， 在火箭參照系中我們得到：
mdv = -udm
對上式積分並注意到火箭的初速度為零便可得：
v = u ln(mi/mf)
其中 mi 與 mf 分別為火箭的初始質量及推進過程完成後的質量 (顯然 mi>mf)。 這一公式被稱為齊奧爾科夫斯基公式， 它是由上文提到的俄國科學家齊奧爾科夫斯基發現的， 那是在 1897 年， 那時候的天空還是一片寧靜， 連飛機都還沒有上天。 齊奧爾科夫斯基因為在航天領域中的一系列卓越的開創性工作而被許多人尊稱為 「航天之父」。
從齊奧爾科夫斯基公式中我們可以看到， 火箭所能達到的速度可以遠遠地高於噴射物的噴射速度。 這一點是很重要的， 因為這意味著我們可以通過一種較低的噴射速度來達到航天器所需要的高速度， 這在技術上遠比直接達到高速度容易得多。 從某種意義上講， 凡爾納的超級大炮之所以沒能成為一種成功的載人航天器的發射裝置， 正是因為它試圖直接達到航天器所需要的高速度。
但是火箭雖然能夠達到遠比噴射物噴射速度更高的速度， 為此所付出的代價卻也不小， 火箭所要達到的速度越高， 它的有效載荷就越小。 這一點從齊奧爾科夫斯基公式中可以很容易地看到。 我們可以把公式改寫為： mf = mi exp(-v/u)， 由此可見， 火箭的飛行速度 v 越高， 它的有效載荷 (mf 中的一部分) 也就越小。 假如我們想用 v=1 公里/秒 的噴射速度來達到第一宇宙速度 (即將有效載荷送入近地軌道)， 則 mf/mi≈0.00037， 也就是說一枚發射質量為一千噸的火箭只能讓幾百公斤的有效載荷達到第一宇宙速度， 這樣的效率顯然是太低下了。
為了克服這一困難， 齊奧爾科夫斯基提出了多級火箭的設想。 多級火箭的好處是在每一級的燃料用盡後可以把該級的外殼拋棄， 從而減輕下一級所負載的質量。 在理論上， 火箭的級數越多， 運載效率就越高， 不過在實際上， 超過三級的火箭其技術復雜性的增加超過了運載效率方面的優勢， 運用起來得不償失。 因此目前我們使用的火箭大都是三級火箭。 即便使用多級火箭， 航天飛行的消耗仍是驚人的， 通常一枚發射質量為幾百噸的火箭只能將幾噸的有效載荷送入近地軌道 (比如發射 「神舟號」 飛船的長征二號 F 型火箭發射質量約為 480 噸， 近地軌道的有效載荷約為 8 噸)。
四. 接近光速
前面說過， 這個星際旅行系列主要是為了討論未來的星際旅行技術而寫的， 因此在這里我們也要把目光放遠些， 看看上節討論的火箭動力學在火箭速度持續提高， 乃至接近光速時會如何。 到目前為止人類發射的航天器中飛得最遠的已經飛到了冥王星軌道之外。 冥王星自 1930 年被發現以來， 就一直是太陽系中已知的離太陽最遠的行星。 在那之外是一片冰冷廣袤的空間。 人類要想走得更遠， 必須要有更快的航天器。 在齊奧爾科夫斯基公式中火箭的速度是沒有上限的， 通過提高噴射物的噴射速度， 通過增加火箭質量中噴射物所佔的比例， 火箭在原則上可以達到任意高的速度。 這一點顯然是錯誤的， 因為物體的運動速度不可能超過光速， 這是相對論的要求[注八]。因此當火箭運動速度接近光速時， 齊奧爾科夫斯基公式不再成立。 那麼有沒有一個比齊奧爾科夫斯基公式更普遍的公式， 在火箭運動速度接近光速時仍成立呢？ 這就是本節所要討論的問題。
首先， 簡單的答案是： 這樣的公式是存在的。 事實上， 這樣的公式不僅存在， 而且並不復雜， 因此我們乾脆在這里把它推導出來， 以滿足大家的好奇心。 這一推導所依據的基本原理仍然是動量守恆定律， 我們也仍然在火箭參照系中計算火箭速度的增量。 這里要說明的是， 所謂火箭參照系， 指的是所考慮的瞬間與火箭具有同樣運動速度的慣性參照系 (因此在不同的時刻， 火箭參照系是不同的)。 我們用帶撇的符號表示火箭參照系中的物理量 (這是討論相對論問題的慣例)。 與上一節的討論相仿， 假設火箭單位時間內噴射的物質質量為 -dm』/dt』 (m』 為火箭質量， dm』/dt』<0)， 噴射物相對於火箭的速度大小為 u (方向與火箭飛行方向相反)， 則在一個時間間隔 dt』 內， 火箭的速度會因為噴射而得到一個增量 dv』。 依據動量守恆定律， 在火箭參照系中我們得到：
m』dv』 = -udm』
這里 dm』 為噴射物的相對論質量 (運動質量)， 這一公式對於 u 接近甚至等於光速的情形也成立[注九]。在非相對論的情形下， 上面所有帶撇的物理量都等於靜止參照系 (地心參照系) 中的物理量， 因此對上述公式可以直接積分， 這種積分的含義是對上式中的速度增量進行累加。 但在相對論中， 速度合成的規律是非線性的， 把這些在不同時刻 - 因而在不同參照系中 - 計算出的速度增量直接相加是沒有意義的， 因此上述速度增量必須先換算到靜止參照系中才能積分。
運用相對論的速度合成公式， dv』 所對應的靜止系中的速度增量為：
dv = (dv』 + v)/(1 + vdv』/c2) - v = (1 - v2/c2)dv』
將這一結果與在火箭參照系中所得的關於 dv』 的公式聯立可得：
dv / (1 - v2/c2) = -u dm』/m』
對這一公式積分， 並進行簡單處理， 便得：
v = c tanh[(u/c) ln(mi/mf)]
其中 mi 與 mf 是在火箭參照系中測量的。這就是齊奧爾科夫斯基公式在相對論條件下的推廣。 對於低速運動的火箭， (u/c) ln(mi/mf) << 1， 因而 tanh[(u/c) ln(mi/mf)]≈(u/c) ln(mi/mf)， 上述公式退化為齊奧爾科夫斯基公式。 由於對於任意 x， tanh(x) < 1， 因此由上述公式給出的速度在任何情況下都不會超過光速。
上述公式的一個特例是 u=c 的情形， 即噴射物為光子 (或其它無質量粒子) 的情形。 這種火箭常常出現在科幻小說中， 通常是以物質與反物質的湮滅作為動力來源。 對於這種情形， 上述公式簡化為： v = c(mi2 - mf2)/(mi2 + mf2)。 如果將火箭 90% 的物質轉化為能量作為動力， 火箭的飛行速度可以達到光速的 99%。
五. 飛向深空
宇宙的浩瀚是星際旅行家們面臨的最基本的事實。 即使能夠達到接近光速的速度， 飛越恆星際空間所需的時間仍然是極其漫長的。 從太陽系出發， 到銀河系中心大約要飛 3 萬年， 到仙女座星雲 (M31 - 河外星系) 大約要飛 220 萬年， 到室女座星系團 (Virgo - 河外星系團) 大約要飛 6000 萬年 ... ... 相對於人類彈指一瞬的短暫生命來說這些時間顯然是太漫長了。 但是且慢悲觀， 因為我們還有一個因素可以依賴， 那就是相對論的時鍾延緩效應。 在相對論中運動參照系中的時間流逝由所謂的 「本徵時間」 來表示， 它與靜止參照系中的時間之間的關系為：
τ = ∫ (1 - v2/c2)1/2 dt
把這個公式用到火箭參照系中， τ 就是宇航員所感受到的時間流逝。 很顯然， 火箭的速度越接近光速， 宇航員所感受到的時間流逝也就越緩慢。 考慮到這個因素， 宇航員是不是有可能在自己的有生之年到銀河系中心、 仙女座星雲、 甚至室女座星系團去旅行呢？ 下面我們就來計算一下。
我們考慮一個非常簡單的情形， 即火箭始終處於勻加速過程中。 當然這個勻加速度是在火箭參照系中測量的。 為了讓宇航員有賓至如歸的感覺， 我們把加速度選為與地球表面的重力加速度一樣， 即 g。 用數學語言表示：
d2x』/dt』2 = g
把這一加速度變換到靜止參照系 (地心參照系) 中可得：
d2x/dt2 = (1 - v2/c2)3/2g
由此積分可得：
x = (c2/g) [(1 + g2t2/c2)1/2 - 1]
只要加速的時間足夠長 (gt>>c)， 上式可以近似為 x≈ct。 這表明在地心參照系中， 經過長時間加速後飛船基本上是以光速飛行的。 但是我們感興趣的是宇航員所經歷的時間， 即 「本徵時間」 τ， 這是很容易利用上式 - 即 τ 的定義 - 計算出的， 結果為：
τ = (c/g) sinh-1(gt/c)
我們可以從 τ 和 x 的表達式中消去 t， 由此得到：
τ = (c/g) sinh-1{[(1 + gx/c2)2 - 1]1/2}
如果 x<<c2/g≈1 光年， 即飛行距離遠小於一光年， 上式可以近似為： τ≈(2x/g)1/2， 這正是我們熟悉的非相對論勻加速運動的公式。 如果 x>>c2/g≈1 光年， 即飛行距離遠大於一光年， 上式可以近似為： τ≈(c/g) ln(2gx/c2)， 下面我們只考慮這種情形。 考慮到到達一個目的地通常還需要考察研究、 拍照留念， 因此火箭不能一味加速， 而必須在航程的後半段進行減速， 從而旅行所需的時間應當修正為：
τ ≈ (2c/g) ln(gx/c2) ~ (2 年) ln(x/光年)
倘若旅行的目的地是銀河系的中心， x=30000 光年， 由上式可得 τ~ 20 年。 這就是說， 在宇航員看來， 僅僅 20 年的時間， 他就可以到達銀河系的中心， 即使考慮到返航的時間， 前後也只要 40 年的時間， 他就可以衣錦還鄉了。 這就是相對論的奇妙結論！ 只不過， 當他回到地球時， 地球上的日歷已經翻過了整整 6 萬年， 他的孫子的孫子的孫子 ... ... (如果有的話) 都早已長眠於地下、 墓草久宿了。
運用同樣的公式， 我們可以計算出到達仙女座星雲所需的時間約為 29 年； 到達室女座星系團所需的時間約為 36 年； ... ... (在這里讀者們對於對數函數增長之緩慢大概會有一個深刻的印象吧)。 倘若一個宇航員 20 歲時坐上火箭出發， 如果他可以活到 80 歲， 那麼在他的有生之年 (不考慮返航 - 壯士一去兮不復返)， 他可以到達 10000000000000 (十萬億) 光年遠的地方。 這個距離已經遠遠遠遠地超過了可觀測宇宙的線度， 因此這樣的一位宇航員在有生之年可以到達宇宙中任意遠的地方！
這樣看來， 星際旅行似乎並不象人們渲染的那樣困難。 如果是那樣， 我們也就不必費心討論什麼 Wormhole 和 Transporter 了， 直接坐上火箭遨遊太空就是了。 事情當然不會如此簡單， 別忘了在我們的計算中火箭是一直在加速的 (否則的話， 那個幫了我們大忙的對數函數就會消失)， 這樣的火箭耗費的能量是驚人的 (究竟要耗費多少能量呢？ 運用本文給出的結果， 讀者可以自己試著計算一下)。 不過這種能量耗費所帶來的工程學上的困難比起建造 Wormhole 所面臨的困難來終究還是要小得多。 因此運用這樣的火箭探索深空也許真的會成為未來星際旅行家們的選擇。唯一的遺憾是， 他們只要走得稍遠一點， 我們就沒法分享他們的旅行見聞了。
因為相對論只保佑他們， 不保佑我們。
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注釋
[注一] 大氣層與行星際空間是連續銜接的， 所謂 「穿過大氣層」 指的是穿過厚度在百餘公里以內的稠密大氣層。
[注二] 當然， 這里我們要忽略空氣阻力， 並且還要忽略地球表面的地形起伏。
[注三] 這里我們： 1. 用衛星一詞指那些環繞地球運動的物體， 這些物體的軌跡是局限在有限區域中的 (否則的話可能的軌跡還包括拋物線與雙曲線)。 2. 假定地球的引力場是一個嚴格的平方反比中心力場。 3. 忽略任何其它星體的引力場。
[注四] 確切地講是指速度的大小， 下文提到的 「向心力」、 「引力」 等也往往指的是大小， 請讀者自行判斷其含義。
[注五] 這里參照系取在地心， 我們忽略由地球自轉所導致的衛星動能 (忽略所造成的誤差小於 1%)。
[注六] 確切地講是忽略太陽引力場中引力勢能的變化。 在這一限制之下其它行星的引力場也同樣可以忽略。
[注七] 類似於凡爾納大炮那樣的裝置在表面引力較弱的星球 - 比如月球 - 上建造起來就會容易許多， 因此有人設想它可以成為未來月球基地的航天器發射裝置。
[注八] 在理論與實驗上都有跡象表明， 在特定的條件及特定的含義下， 運動速度超過光速不是絕對不可能的， 但是這種超光速並不象許多科普愛好者所認為的那樣， 是推翻了相對論。 關於這一點， 以後有時間再作專門的介紹。
[注九] 假如 u 等於光速， 則 dm』 理解為 dE』/c2 (E』 為噴射物的能量)。
作者：盧昌海 二零零三年十月十四日寫於紐約
責任編輯：中國航天工程咨詢中心_侯丹
Ⅱ 宇宙飛船和太空梭有什麼區別
從已有的宇航科技來說
宇宙飛船是指航行起點處於太空無重力環境下的運載工具；
-----一般情況下，宇宙飛船需要使用運載火箭將之發射到太空之後，才能夠開始航程。即，宇宙飛船本身無法擺脫地球引力。
太空梭是指航行起點處於地球發射場，終點也降落於地球的宇航運載工具。
-----太空梭不需要運載火箭發射，而是依靠本身動力（算是吧，因為太空梭帶一個一次性的運載火箭，該火箭提供太空梭脫離地球引力所需的動力和燃料）擺脫地球引力，然後在太空飛行工作，然後再整體回到地球。
然後說太空梭。
太空梭在80年代出現時，其理念是節約，通過可多次使用的太空梭，來降低宇航發射的成本。
但是在實際操作中，太空梭的成本遠遠超過那些一次性使用的運載火箭，所以，美國在21世紀停止了太空梭-------這是又一個錯誤的設想。
最後，說一說在科幻小說中，宇宙飛船和太空梭的區別。
在所有嚴謹的硬科幻小說中，宇宙飛船都不是從地面起飛的，而是必須在太空港起飛。因為適合於無重力、無空氣的太空中航行的宇宙飛船，未必適合在有重力有空氣的行星環境飛行。而為宇宙飛船增加功能，讓其適合於在行星大氣層飛行雖然可行，但是從成本角度上來說非常浪費。
很明顯，更合適、更經濟的方法是，宇宙飛船隻在太空港靠港，將人員及貨物卸下，然後由穿梭飛機再將人員和貨物從外太空的太空港送到行星表面。
即，在科幻小說中，宇宙飛船從事星球之間的運輸，起點與重點基本上都是行星外的太空港；而太空梭則是穿梭飛機，專門用於行星表面到太空港之間的運輸。
Ⅲ 材料： 隨著二十世紀人類科技的迅猛發展，許多在科幻小說中出現的情節已經成為了現實。
人類發明飛機的原因是因為人類想飛。
人類發明航天器的原因比較復雜。在這之前，人類已經知道我們生活在一個行星上面，圍繞太陽這顆恆星旋轉，同時在自轉。通過天文望遠鏡看見了很多人類以前不知道的東西。那麼，當科技水平達到可以直走啊航天器的條件時，航天器的製造就自然而然的出現了。根本目的，為了探索地球以外的地方或者空間。
Ⅳ 中國科幻小說的發展歷程(急)
我認為我們是從90年代以後中國科幻小說的發展進入到非常新的時期，1956年到1957年政府當時講「向科學技術進軍」，繁榮科普、繁榮兒童文學，科幻也跟著走向高潮。通過一些兒童讀物，當時的科幻非常家喻戶曉。
我覺得在這個時代，最紅的明星還是上一代的劉慈欣。他在粉碎「四人幫」後最早的那個10年就已經開始寫了。從《三體》開始，科幻作為類型文學這種特殊的文學形式開始出現。以前科幻小說不是類型文學，沒有類型文學的一系列特點，特別是粉絲文化，過去是沒有的，今天粉絲文化已經非常強烈了。
今天其實應該全方位發展科幻，不能放棄少兒科幻這一塊。劉慈欣的書為什麼賣的不好？就是因為現在的社會還不知道科幻這個東西。
Ⅳ 生活中有哪些科技在以前的科幻小說中預言過
《小靈通漫遊未來》是通過眼明手快的小記者小靈通漫遊未來市的所見所聞，對未來作全景式的「掃描」。 有一些科學幻想已經實現，或者即將實現：
小靈通前往「未來世界」，乘的是「原子能氣墊船」。如今，氣墊船已經很普通，從上海至寧波，從深圳到珠海，每天都有「飛翔船」往返。所謂「飛翔船」，也就是氣墊船。
在《小靈通漫遊未來》中，寫及「未來市農廠」，在巨大的玻璃溫室里，工廠化生產農產品。這樣的「農廠」，如今已經有了。
當然，書中所寫的「一個月可以收一次蘋果，半個月可以收一次甘蔗，10天可以收一次白菜、菠菜，而韭菜在一個星期內就可以割一次」，還有那「紅紅的蘋果，比臉盆還大，黃澄澄的橘子像一隻只南瓜」，「切面圓圓的像張圓桌面」的西瓜……則尚需努力，才能變為現實。
Ⅵ 求一部13-15年看過的科幻小說，內容梗概和作者信息在描述里，跪求！
謝邀。借這個問題，我把我看過的覺得值得推薦的科幻小說列一個簡單的書單吧入選的標准有兩個，一是經典，二是我看過。第一類：賽博朋克題材《神經浪遊者》（威廉·吉布森）《雪崩》（尼爾·斯蒂芬森）《真名實姓》（弗諾·文奇）《艾比斯之夢》（山本弘）重點推薦（7.14日更新）從名氣上講，主推作品應該在《神經浪遊者》和《真名實姓》中產生，但前者可讀性略差，後者好看是好看，但缺乏科幻深度。最後還是選擇了我個人比較鍾愛的《艾比斯之夢》，除了出於日系科幻作品比較適合中國人的口味之外，更主要的是，小說以七個中篇故事寓言了AI發展的七個階段——《宇宙盡在我指尖》和《令人雀躍的虛空間》代表AI的產生，前者是文字形式的虛擬角色（其實是個網路接龍小說），後者是將大腦植入數字空間，這兩篇算是前AI時代，主角都是真實的人類。《鏡子女孩》、《詩音翩然到來之日》和《黑洞隱者》這三篇，代表了AI學習和獲得自我意識的三種途徑，前者講述AI如何在學習人類的行為後獲得自我意識，《詩音翩然到來之日》是植入自我意識的機器人如何學習人類的技能、與人類溝通，後者講述AI試圖理解人類的理想、藝術、哲學等形而上的理念。《正義不打折的世界》講述擁有自我意識的AI如何與人類相處，在這一篇中，AI從人類的寵物發展為追求平等地位的物種時，與人類發生了正面沖突。最後一篇《艾比斯之夢》將AI與人類的命運推到了一個悲劇的背景，結局我就不劇透了。《艾比斯之夢》有點像加長版的《軟體體的生命周期》（特德姜），而故事性更強。全書最大的看點是AI視角，傳統的賽博朋克作品都是人類以AI的形式進入數字空間，其思考模式也是人類視角。本書告訴我們，什麼是（可能的）AI視角，腦洞來了：對於我們T A I 而言，驚人的是許多人類無法理解模糊這個概念。當我們說「愛（5+7i）」時，誤以為是「只愛百分之五十」或「滿分一百分，五十分的愛」的人類何其多。人類無法理解「5」是模糊測度。愛的強度明明不可能以普通集合表達。我們能夠想像以縱軸為實數、橫軸為虛數的復素平面，但是人類必須轉換成實體平面才能想像。我們能夠想像自乘為負的量，但是人類無法想像。這八成是因為人類的大腦從一開始就欠缺認識的能力。重點推薦其中第六個故事《詩音來的日子》，就算你不喜歡這本書，至少裡面有一句你不會忘記。「所有人類都患有阿茲海默症」關於《神經浪遊者》，這是一本不太好讀的書，但又是一本值得一讀的書，之前在豆瓣上看過一篇用古龍人物改寫的小說簡介，強烈推薦，看了之後再讀此書，就容易讀進去了古龍版Neuromancer故事簡介 (評論: Neuromancer)第二類，末日危機題材《三體》劉慈欣《時間迴旋》《流浪地球》劉慈欣《日本沉沒》小松左京重點推薦（7.16日更新）重點推薦《流浪地球》，因為此篇在大劉的寫作生涯中極其重要，開創了他的「末日情結」、「宏細節」、「歸鄉情懷」這三個特色，使其往後的作品呈現出一以貫之的宏大的主題、悲壯的調懷、滄桑的變遷、堅定的信念……。末日情節《流浪地球》原先是大劉的「末日系列」的第一篇，此系列以太陽災變為題材，原計劃有六部：除了《流浪地球》外，《補天》描寫人類進入太陽內部對其進行修補以延緩其災變；《微紀元》（已完成）講人類通過基因改造，把自己變小去適應新的太陽系；《星船紀元》描寫人類乘飛船逃離太陽系，最後把飛船當成了永久的家園；《遊魂》描寫太陽災變前人類用電波把自己的思維和記憶發向宇宙；最後一部《在冥王星上我們坐下來哭泣》，描寫人類逃生無望，在冥王星上建立人類文明紀念碑（這個情節後來在《三體》里用了，不過我猜是受到了克拉克的短篇《星》的影響）。「末日情節」幾乎貫穿了大劉的大部分小說，大劉是這樣看待末日的當你被診斷為癌症時，世界在你的眼中會突然變成另一個樣子：天空是紅的太陽藍的；而當你最後得知這是誤診時，當天空又變成藍的太陽又變成紅的後，這也不是以前的天空和太陽了，世界和生活在你的眼中美了許多，也增加了許多內涵，這種感覺遠不是讀十年書能得到的。一個人的末日體驗是一種很珍貴的體驗，那麼全人類的末日體驗呢？如果世界經歷了這樣一次「誤診」，那全人類同樣會以一種全新的眼光看待我們的天空和太陽，更珍惜他們以前視為很平常的一切，人類世界將沿著一條更合理的軌跡運行。而能夠帶來這種末日體驗的，只有科幻小說，這也是我構思這個末日系列科幻小說的的初衷。宏細節大劉有一個創作理念——「宏細節」，他認為這是科幻小說獨有的敘事模式，在《流浪地球》中，第一次把宏觀的大歷史作為細節來描寫。在宇宙的背景下，傳統意義上的歷史事件變成一個個細節，歷史的大框架敘述成為小說的主體，而人物成為微生物，完全超越了我們的日常閱讀體驗，使作品不僅疆域極其遼闊，而且內部也極其豐富。歸鄉情懷在《流浪地球》的前言里，大劉寫道：「自己的科幻之路也就是一條尋找家園的路，回鄉情結之所以隱藏在連自己都看不到的深處，是因為我不知道家園在哪裡，所以要到很遠的地方去找。」歸鄉情懷不是懷舊，而是尋找自我在宇宙中的定位。小說描繪了這樣一幅場景：人類和地球人影相吊，相互依存，遠離已面目全非的故鄉，踏上又一條前途未卜的漫漫歸鄉之路。人類和地球來自宇宙，又走向宇宙，彷彿水滴重歸海洋，星星回歸星群，這才是《流浪地球》真正打動我們的地方。就像小說里的那個謎語：「你在平原上走著走著，突然迎面遇到一堵牆，這牆向上無限高，向下無限深，向左無限遠，向右無限遠，這牆是什麼？」第三類，太空題材(太陽系外)《沙丘》弗蘭克赫伯特《宇宙過河卒》《天淵》弗諾文奇《基地》系列阿西莫夫第四類，太空題材(太陽系內)《2001太空奧德賽》阿瑟克拉克《與拉瑪相會》阿瑟克拉克《群星，我的歸宿》第五類，生化危機題材《寄生前夜》瀨名秀明《鯢魚之亂》《紅色海洋》韓松第六類，外星生命題材《計算中的上帝》《索拉利斯星》《死者代言人》第七類，機器人題材《機器人》系列(阿西莫夫)《趁生命氣息逗留》 羅傑澤拉茲尼第八類，科技驚險題材《侏羅紀公園》邁克爾克萊頓《球狀閃電》劉慈欣第九類，星際戰爭題材《星船傘兵》羅伯特海因萊因《安德的游戲》奧森斯科特第十類，時間旅行題材《醉步男》小林泰三《你一生的故事》特德姜《永恆的終結》阿西莫夫《時間機器》威爾斯《一日囚》柳文揚第十一類，歷史題材《天意》錢莉芳第十二類，幽默諷刺題材星新一的微型小說《銀行系漫遊指南》道格拉斯羅伯特克里謝的短篇第十三類，哲學宗教及其他思想實驗題材《光明王》羅傑澤拉茲尼《海伯利安》丹西蒙斯《超新星紀元》(劉慈欣)《星》阿瑟克拉克《最後的問題》阿西莫夫《巴別塔》特德姜手機上匆匆寫的，感覺肯定有遺漏，以後慢慢補充。以後有空會在每一類重點推薦一部，以及推薦理由。
Ⅶ 以「探夢天宮，放飛理想"為主題的科幻小說，具有科學性，字數在1000字以上，2500字以下。
根據中國載人航天工程網的消息，中國未來的空間站的名稱叫「天宮」。這是一個具有濃郁中國特色、寄託了華人無限憧憬的名字。
天宮一號又叫做空間實驗室，是設立在太空中的實驗室。在人們的歡呼下，龐大的「天宮一號」發射了。發射過程是先發射無人空間實驗室，而後再用運載火箭將載人空間實驗室飛船送入太空，與停留在軌道上的實驗室交會對接，航天員從飛船的附加段進入空間實驗室，就能開展工作了，所以，「天宮一號」建築、設計的十分周到。這樣，航天員們才能夠為我們取得大量實驗數據和珍貴的科學資料。
不光是在建築上十分完美，在這「天宮一號」的名字上都含有特殊的由來。
「天宮一號」的名字讓人聯想起中國古代四大名著之一《西遊記》中的孫悟空大鬧天宮。「天宮」是中華民族對未知太空的通俗叫法。因此，起以「天宮一號」為目標飛行器命名。在此之前，從「神七」到「神十」，是為了檢驗航天員太空實驗的能力和對接空間實驗站的技術成熟度。此後就是載人航天工程的第三步——實現建立太空實驗站並進行料理。屆時將會交替發射載人飛船和貨運飛船。
根據規劃，中國將在2010年發射「天宮」一號目標飛行器。「天宮」一號實際上是空間實驗室的實驗版，採用兩艙構型，分別為實驗艙和資源艙。之後，再發射「神舟八號」。「神八」是一艘無人的神舟飛船，與「天宮」一號進行無人自動對接試驗。2015年前，再陸續發射「天宮」二號、「天宮」三號兩個空間實驗室。 「天宮」二號將主要開展地球觀測和空間地球系統科學、空間應用新技術、空間技術和航天醫學等領域的應用和試驗。「天宮」三號將主要完成驗證再生生保關鍵技術試驗、航天員中期在軌駐留、貨運飛船在軌試驗等，還將開展部分空間科學和航天醫學試驗。
我國目前在研的空間實驗室採用兩艙結構，分別為實驗艙和資源艙。實驗艙可保證艙壓、溫濕度、氣體成分等航天員生存條件，可用於航天員駐留期間在軌工作和生活，密封的後錐段安裝再生生保等設備。實驗艙前端安裝一個對接機構，以及交會對接測量和通信設備，用於支持與飛船實現交會對接。資源艙為軌道機動提供動力，為飛行提供能源。
建設實現空間站的關鍵技術是「空間交會對接」。兩個或兩個以上的航天器通過軌道參數的協調，在同一時間到達太空同一位置的過程稱為交會。對接是在交會的基礎上，通過專門的對接機構將兩個航天器連接成一個整體。實現兩個航天器在太空交會對接的系統，稱為交會對接系統。