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火箭: 宇航时代的开拓者

信息发布时间：2007-01-08

一. 引言

这个 “星际旅行漫谈” 系列原本是为了讨论未来的星际旅行技术而写的。 不过今天却要来讨论一种比较 “土” 的技术： 火箭。 之所以讨论火箭， 主要的原因有两个： 一个是因为我国的第一艘载人飞船 “神舟五号” 即将发射， 在这个中国宇航员即将叩开星际旅行之门的时刻， 我们这个系列不应该缺席， 更不应该让火箭这位宇航时代的开拓者在这个系列中缺席。 另一个是因为火箭虽然是一种不那么 “未来” 的技术， 但我觉得， 在我和读者们能够看得到的将来， 承载人类星际旅行之梦的技术很有可能仍然是火箭这匹识途的老马。

二. 宇宙速度

火箭理论的先驱者、 俄国科学家齐奥尔科夫斯基 (K. E. Tsiolkovsky 1857-1935) 有一句名言： “地球是人类的摇篮。 但人类不会永远躺在摇篮里， 他们会不断探索新的天体和空间。 人类首先将小心翼翼地穿过大气层， 然后再去征服太阳周围的整个空间”。

星际旅行是一条漫长的征途， 人类迄今在这条征途上走过的路程几乎恰好就是 “征服太阳周围的整个空间”， 而在这征途上的第一站也正是 “穿过大气层”[注一]。

在人类发射的航天器中数量最多的就是那些刚刚 “穿过大气层” 的航天器 - 人造地球卫星， 迄今已经发射了五千多颗。 其中第一颗是 46 年前 (1957 年 10 月 4 日) 在前苏联的拜克努尔发射场发射升空的。

从运动学上讲， 这些人造地球卫星的飞行轨迹与我们随手抛掷的一块石头的飞行轨迹是属于同一类型的。 我们抛掷石头时， 抛掷得越快， 石头飞得就越远， 石头飞行轨迹的弯曲程度也就越小。 倘若石头抛掷得如此之快， 以致于飞行轨迹的弯曲程度与地球表面的弯曲程度相同， 石头就永远也不会落到地面了[注二]。 这样的石头就变成了一颗环绕地球运转的小卫星。 一般来说， 石头也好， 卫星也罢， 它们的飞行轨迹都是椭圆[注三]。 对于石头来说， 如果它飞得不够快， 那它很快就会落到地面， 从而我们只能看到椭圆轨道的一个极小的部分， 那样的一个部分近似于一段抛物线。

那么一块石头要抛掷得多快才能不落回地面呢？ 或者说一枚火箭要能达到什么样的速度才能发射人造地球卫星呢？ 这个问题的答案很简单， 尤其是对于圆轨道的情形。 在圆轨道情形下， 假如轨道的半径为 r， 卫星的飞行速度为 v[注四]， 则维持卫星飞行所需的向心力为 F=mv2/r (m 为卫星质量)， 这一向心力来源于地球对卫星的引力， 其大小为 F=GMm/r2 (M 为地球质量)。 由此可以得到 v=(GM/r)1/2。 假如卫星轨道很低， 则 r 约等于地球半径 R， 由此可得 v≈7.9 公里/秒。 这个速度被称为 “第一宇宙速度”， 它是人类迈向星空所要达到的最低速度。

但是细心的读者可能会从上面的计算结果中提出一个问题， 那就是 v=(GM/r)1/2 随着轨道半径的增加反而减小， 也就是说轨道越高的卫星， 飞行的速度就越小。 但是直觉上， 把东西扔得越高难道不应该越困难吗？ 再说， 倘若把卫星发射得越高所需的速度就越小， 那么 v≈7.9 公里/秒 这个 “第一宇宙速度” 岂不就不再是发射人造地球卫星所要达到的最低速度了？ 这些问题的出现表明对于发射卫星来说， 卫星的飞行速度并不是所需考虑的唯一因素。 那么， 还有什么因素需要考虑呢？ 答案是很多， 其中最重要的一个是引力势能。 事实上描述发射卫星困难程度的更有价值的物理量是发射所需的能量， 也就是把卫星从地面上的静止状态送到轨道上的运动状态所需提供的能量。 因此我们改从这个角度来分析。 在地面上， 卫星的动能为零[注五]， 势能为 -GMm/R (R 为地球半径)， 总能量为 -GMm/R； 在轨道上， 卫星的动能为 mv2/2=GMm/2r (这里运用了 v=(GM/r)1/2)， 势能为 -GMm/r， 总能量为 -GMm/2r。 因此发射卫星所需的能量为 GMm/R - GMm/2r。 这一能量相当于把卫星加速到 v=[GM(2/R - 1/r)]1/2 所需的能量。 由于 r>R， 这一速度显然大于 v=(GM/R)1/2≈7.9 公里/秒 (而且也符合轨道越高发射所需能量越多这一 “直觉”)。 这表明 “第一宇宙速度” 的确是发射人造地球卫星所需的最低速度， 只不过它表示的并不是飞行速度， 而是火箭提供给卫星的能量所对应的等价速度。 在发射卫星的全过程中， 火箭本身的飞行速度完全可以在任何时刻都低于这一速度。

上面的分析是针对圆轨道的， 那么椭圆轨道的情况如何呢？ 在椭圆轨道上， 卫星的飞行速度不是恒定的， 分析起来要困难一些， 但结果却同样很简单， 卫星在椭圆轨道上的总能量仍然为 -GMm/2r， 只不过这里 r 表示所谓的 “半长径”， 即椭圆轨道长轴长度的一半。 因此上面关于 “第一宇宙速度” 是发射人造地球卫星所需的最小 (等价) 速度的结论对于椭圆轨道也成立， 是一个普遍的结论。

在人造地球卫星之后， 下一步当然就是要把航天器发射到更远的地方 - 比方说月球 - 上去。 那么为了实现这一步火箭需要达到的速度又是多少呢？ 这个问题的答案也很简单， 不过在回答之前先要对 “更远的地方” 做一个界定。 所谓 “更远的地方”， 指的是离地心的距离远比地球半径 (约为 6.4×103 公里) 大， 但又远比地球与太阳之间的距离 (约为 1.5×108 公里) 小。 之所以要有后面这一限制， 是因为在讨论中我们要忽略太阳的引力场[注六]。 由于航天器离地心的距离远比地球半径大， 因此与发射前在地面上的引力势能相比， 它在发射后的引力势能可以被忽略； 另一方面， 由于航天器不再做环绕地球的运动， 其动能也就不再受到限制， 最小可能的动能为零。 因此发射后航天器的最小总能量近似为零。 由于发射前航天器的总能量为 -GMm/R， 因此需要由火箭提供给航天器的能量为 GMm/R， 相当于把航天器加速到 v=(2GM/R)1/2≈11.2 公里/秒 的速度。 这个速度被称为 “第二宇宙速度”， 有时也被称为摆脱地球引力束缚所需的速度， 它也是一个等价速度。

倘若我们想把航天器发射得更远些， 比方说发射到太阳系之外 - 就象本系列的 序言 中提到的 “先驱者号” 探测器一样 - 火箭需要达到的速度又是多少呢？ 这个问题比前两个问题要复杂些， 因为其中涉及的有地球与太阳两个星球的引力场， 以及地球本身的运动。 从太阳引力场的角度看， 这个问题所问的是在地球轨道所在处、 相对于太阳的 “第二宇宙速度”， 即： v=(2GMS/RS-E)1/2 (其中 MS 为太阳质量， RS-E 为太阳与地球之间的距离)。 这一速度大约为 42.1 公里/秒。 相对与第一、 第二宇宙速度来说， 这是一个很大的速度。 但是幸运的是， 我们的地球本身就是一艘巨大的 “宇宙飞船”， 它环绕太阳飞行的速度大约是 29.8 公里/秒。 因此如果航天器是沿着地球轨道运动的方向发射的， 那么在远离地球时它相对于地球只要有 v’ = 12.3 公里/秒 的速度就行了。 在地心参照系中， 发射这样的一个航天器所需要的能量为 mv’2/2 + GMm/R (其中后一项为克服地球引力场所需要的能量， 即把航天器加速到第二宇宙速度所需要的能量)， 相当于把航天器加速到 v≈16.7 公里/秒 的速度。 这一速度被称为 “第三宇宙速度”， 有时也被称为摆脱太阳引力束缚所需要的速度， 它同样也是一个等价速度， 而且还是针对在地球上沿地球轨道运动方向发射航天器这一特殊情形的。

以上三个 “宇宙速度” 就是迄今为止火箭技术所跨越的三个阶梯。 在关于 “第三宇宙速度” 的讨论中我们看到， 行星本身的轨道运动速度对于把航天器发射到遥远的行星际及恒星际空间是很有帮助的。 这种帮助不仅在发射时可以大大减少发射所需的能量， 而且对于飞行中的航天器来说， 倘若巧妙地安排航线， 也可以起到 “借力飞行” 的作用， 比如 “旅行者号” 就曾利用木星的引力场及轨道运动速度来加速。

三. 齐奥尔科夫斯基公式

在上节中我们讨论了为发射不同类型的航天器， 火箭所要达到的速度。 与火箭之前的各种技术相比， 这种速度是很高的。 在早期的科幻小说中， 人们曾设想过用所谓的 “超级大炮” 来发射载人航天器。 其中最著名的是法国科幻小说家凡尔纳 (J. G. Verne 1828-1905) 的作品。 凡尔纳在他的小说 ?从地球到月球? (?From the Earth to the Moon? 1866) 中曾经让三位宇航员挤在一枚与 “神舟号” 的轨道舱差不多大的特制的炮弹中， 用一门炮管长达 900 英尺 (约 300 米) 的超级大炮发射到月球上去 (最终没能击中月球， 而成为了环绕月球运动的卫星)。 但是凡尔纳虽然有非凡的想象力， 却缺乏必要的物理学及生理学知识。 他所设想的超级大炮若真的在 300 米的炮管内把 “炮弹” 加速到 11.2 公里/秒 (第二宇宙速度)， 则 “炮弹” 的平均加速度必须达到 200000 米/秒2 以上， 也就是 20000g (g≈9.8米/秒2 为地球表面的引力加速度) 以上。 但是脆弱的人类肌体所能承受的最大加速度只有不到 10g。 这两者的差距无疑是灾难性的， 因此凡尔纳的炮弹虽然制作精致， 乘坐起来却一点也不会舒适。 不仅不会舒适， 且有性命之虞， 事实上英勇的宇航员们在 “炮弹” 出膛时早就变成了肉饼， 炮弹最后有没有击中月球对他们都已经不再重要了。 倘若炮弹真的击中月球的话， 其着陆方式属于所谓的 “硬着陆”， 就象陨石撞击地球一样， 着陆时的速度差不多就是月球上的第二宇宙速度 (2.4 公里/秒)， 相当于在地球上从比珠穆朗玛峰还高 30 倍的山峰上摔到地面， 这无异是要把肉饼进一步摔成肉浆。

因此对于发射航天器 (尤其是载人航天器) 来说， 很重要的一点就是航天器的加速过程必须发生在一个较长的时间里 (减速过程也一样)。 但是加速过程持续的时间越长， 在加速过程中航天器所飞行的距离也就越大。 以凡尔纳的超级大炮为例， 倘若炮弹的加速度小于 10g， 则加速过程必须持续 100 秒以上， 在这段时间内炮弹飞行的距离在 500 公里 以上。 炮弹的加速度越小， 这段距离就越大。 由于炮弹本身没有动力， 因此这段距离必须都在炮管内。 这就是说， 凡尔纳超级大炮的炮管起码要有 500 公里长！ 建造这样规模的大炮显然是很困难的， 别说凡尔纳时代的技术无法办到， 即使在今天也是申请不到经费的。 因此航天器的发射必须另辟奚径[注七]。 火箭便是一种与凡尔纳大炮完全不同但却非常有效的技术手段。

火箭是一种利用反冲现象推进的飞行器， 即通过向与飞行相反的方向喷射物质而前进的飞行器。 从物理学上讲这种飞行器所利用的是动量守恒定律。 下面我们就来简单地分析一下火箭的飞行动力学。

假设火箭单位时间内喷射的物质质量为 -dm/dt (m 为火箭质量， dm/dt<0)， 喷射物相对于火箭的速度大小为 u (方向与火箭飞行方向相反)， 则在时间间隔 dt 内， 火箭的速度会因为喷射而得到一个增量 dv。 依据动量守恒定律， 在火箭参照系中我们得到：

mdv = -udm

对上式积分并注意到火箭的初速度为零便可得：

v = u ln(mi/mf)

其中 mi 与 mf 分别为火箭的初始质量及推进过程完成后的质量 (显然 mi>mf)。 这一公式被称为齐奥尔科夫斯基公式， 它是由上文提到的俄国科学家齐奥尔科夫斯基发现的， 那是在 1897 年， 那时候的天空还是一片宁静， 连飞机都还没有上天。 齐奥尔科夫斯基因为在航天领域中的一系列卓越的开创性工作而被许多人尊称为 “航天之父”。

从齐奥尔科夫斯基公式中我们可以看到， 火箭所能达到的速度可以远远地高于喷射物的喷射速度。 这一点是很重要的， 因为这意味着我们可以通过一种较低的喷射速度来达到航天器所需要的高速度， 这在技术上远比直接达到高速度容易得多。 从某种意义上讲， 凡尔纳的超级大炮之所以没能成为一种成功的载人航天器的发射装置， 正是因为它试图直接达到航天器所需要的高速度。

但是火箭虽然能够达到远比喷射物喷射速度更高的速度， 为此所付出的代价却也不小， 火箭所要达到的速度越高， 它的有效载荷就越小。 这一点从齐奥尔科夫斯基公式中可以很容易地看到。 我们可以把公式改写为： mf = mi exp(-v/u)， 由此可见， 火箭的飞行速度 v 越高， 它的有效载荷 (mf 中的一部分) 也就越小。 假如我们想用 v=1 公里/秒 的喷射速度来达到第一宇宙速度 (即将有效载荷送入近地轨道)， 则 mf/mi≈0.00037， 也就是说一枚发射质量为一千吨的火箭只能让几百公斤的有效载荷达到第一宇宙速度， 这样的效率显然是太低下了。

为了克服这一困难， 齐奥尔科夫斯基提出了多级火箭的设想。 多级火箭的好处是在每一级的燃料用尽后可以把该级的外壳抛弃， 从而减轻下一级所负载的质量。 在理论上， 火箭的级数越多， 运载效率就越高， 不过在实际上， 超过三级的火箭其技术复杂性的增加超过了运载效率方面的优势， 运用起来得不偿失。 因此目前我们使用的火箭大都是三级火箭。 即便使用多级火箭， 航天飞行的消耗仍是惊人的， 通常一枚发射质量为几百吨的火箭只能将几吨的有效载荷送入近地轨道 (比如发射 “神舟号” 飞船的长征二号 F 型火箭发射质量约为 480 吨， 近地轨道的有效载荷约为 8 吨)。

四. 接近光速

前面说过， 这个星际旅行系列主要是为了讨论未来的星际旅行技术而写的， 因此在这里我们也要把目光放远些， 看看上节讨论的火箭动力学在火箭速度持续提高， 乃至接近光速时会如何。 到目前为止人类发射的航天器中飞得最远的已经飞到了冥王星轨道之外。 冥王星自 1930 年被发现以来， 就一直是太阳系中已知的离太阳最远的行星。 在那之外是一片冰冷广袤的空间。 人类要想走得更远， 必须要有更快的航天器。 在齐奥尔科夫斯基公式中火箭的速度是没有上限的， 通过提高喷射物的喷射速度， 通过增加火箭质量中喷射物所占的比例， 火箭在原则上可以达到任意高的速度。 这一点显然是错误的， 因为物体的运动速度不可能超过光速， 这是相对论的要求[注八]。因此当火箭运动速度接近光速时， 齐奥尔科夫斯基公式不再成立。 那么有没有一个比齐奥尔科夫斯基公式更普遍的公式， 在火箭运动速度接近光速时仍成立呢？ 这就是本节所要讨论的问题。

首先， 简单的答案是： 这样的公式是存在的。 事实上， 这样的公式不仅存在， 而且并不复杂， 因此我们干脆在这里把它推导出来， 以满足大家的好奇心。 这一推导所依据的基本原理仍然是动量守恒定律， 我们也仍然在火箭参照系中计算火箭速度的增量。 这里要说明的是， 所谓火箭参照系， 指的是所考虑的瞬间与火箭具有同样运动速度的惯性参照系 (因此在不同的时刻， 火箭参照系是不同的)。 我们用带撇的符号表示火箭参照系中的物理量 (这是讨论相对论问题的惯例)。 与上一节的讨论相仿， 假设火箭单位时间内喷射的物质质量为 -dm’/dt’ (m’ 为火箭质量， dm’/dt’<0)， 喷射物相对于火箭的速度大小为 u (方向与火箭飞行方向相反)， 则在一个时间间隔 dt’ 内， 火箭的速度会因为喷射而得到一个增量 dv’。 依据动量守恒定律， 在火箭参照系中我们得到：

m’dv’ = -udm’

这里 dm’ 为喷射物的相对论质量 (运动质量)， 这一公式对于 u 接近甚至等于光速的情形也成立[注九]。在非相对论的情形下， 上面所有带撇的物理量都等于静止参照系 (地心参照系) 中的物理量， 因此对上述公式可以直接积分， 这种积分的含义是对上式中的速度增量进行累加。 但在相对论中， 速度合成的规律是非线性的， 把这些在不同时刻 - 因而在不同参照系中 - 计算出的速度增量直接相加是没有意义的， 因此上述速度增量必须先换算到静止参照系中才能积分。

运用相对论的速度合成公式， dv’ 所对应的静止系中的速度增量为：

dv = (dv’ + v)/(1 + vdv’/c2) - v = (1 - v2/c2)dv’

将这一结果与在火箭参照系中所得的关于 dv’ 的公式联立可得：

dv / (1 - v2/c2) = -u dm’/m’

对这一公式积分， 并进行简单处理， 便得：

v = c tanh[(u/c) ln(mi/mf)]

其中 mi 与 mf 是在火箭参照系中测量的。这就是齐奥尔科夫斯基公式在相对论条件下的推广。 对于低速运动的火箭， (u/c) ln(mi/mf) << 1， 因而 tanh[(u/c) ln(mi/mf)]≈(u/c) ln(mi/mf)， 上述公式退化为齐奥尔科夫斯基公式。 由于对于任意 x， tanh(x) < 1， 因此由上述公式给出的速度在任何情况下都不会超过光速。

上述公式的一个特例是 u=c 的情形， 即喷射物为光子 (或其它无质量粒子) 的情形。 这种火箭常常出现在科幻小说中， 通常是以物质与反物质的湮灭作为动力来源。 对于这种情形， 上述公式简化为： v = c(mi2 - mf2)/(mi2 + mf2)。 如果将火箭 90% 的物质转化为能量作为动力， 火箭的飞行速度可以达到光速的 99%。

五. 飞向深空

宇宙的浩瀚是星际旅行家们面临的最基本的事实。 即使能够达到接近光速的速度， 飞越恒星际空间所需的时间仍然是极其漫长的。 从太阳系出发， 到银河系中心大约要飞 3 万年， 到仙女座星云 (M31 - 河外星系) 大约要飞 220 万年， 到室女座星系团 (Virgo - 河外星系团) 大约要飞 6000 万年 ... ... 相对于人类弹指一瞬的短暂生命来说这些时间显然是太漫长了。 但是且慢悲观， 因为我们还有一个因素可以依赖， 那就是相对论的时钟延缓效应。 在相对论中运动参照系中的时间流逝由所谓的 “本征时间” 来表示， 它与静止参照系中的时间之间的关系为：

τ = ∫ (1 - v2/c2)1/2 dt

把这个公式用到火箭参照系中， τ 就是宇航员所感受到的时间流逝。 很显然， 火箭的速度越接近光速， 宇航员所感受到的时间流逝也就越缓慢。 考虑到这个因素， 宇航员是不是有可能在自己的有生之年到银河系中心、 仙女座星云、 甚至室女座星系团去旅行呢？ 下面我们就来计算一下。

我们考虑一个非常简单的情形， 即火箭始终处于匀加速过程中。 当然这个匀加速度是在火箭参照系中测量的。 为了让宇航员有宾至如归的感觉， 我们把加速度选为与地球表面的重力加速度一样， 即 g。 用数学语言表示：

d2x’/dt’2 = g

把这一加速度变换到静止参照系 (地心参照系) 中可得：

d2x/dt2 = (1 - v2/c2)3/2g

由此积分可得：

x = (c2/g) [(1 + g2t2/c2)1/2 - 1]

只要加速的时间足够长 (gt>>c)， 上式可以近似为 x≈ct。 这表明在地心参照系中， 经过长时间加速后飞船基本上是以光速飞行的。 但是我们感兴趣的是宇航员所经历的时间， 即 “本征时间” τ， 这是很容易利用上式 - 即 τ 的定义 - 计算出的， 结果为：

τ = (c/g) sinh-1(gt/c)

我们可以从 τ 和 x 的表达式中消去 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， 即飞行距离远小于一光年， 上式可以近似为： τ≈(2x/g)1/2， 这正是我们熟悉的非相对论匀加速运动的公式。 如果 x>>c2/g≈1 光年， 即飞行距离远大于一光年， 上式可以近似为： τ≈(c/g) ln(2gx/c2)， 下面我们只考虑这种情形。 考虑到到达一个目的地通常还需要考察研究、 拍照留念， 因此火箭不能一味加速， 而必须在航程的后半段进行减速， 从而旅行所需的时间应当修正为：

τ ≈ (2c/g) ln(gx/c2) ~ (2 年) ln(x/光年)

倘若旅行的目的地是银河系的中心， x=30000 光年， 由上式可得 τ~ 20 年。 这就是说， 在宇航员看来， 仅仅 20 年的时间， 他就可以到达银河系的中心， 即使考虑到返航的时间， 前后也只要 40 年的时间， 他就可以衣锦还乡了。 这就是相对论的奇妙结论！ 只不过， 当他回到地球时， 地球上的日历已经翻过了整整 6 万年， 他的孙子的孙子的孙子 ... ... (如果有的话) 都早已长眠于地下、 墓草久宿了。

运用同样的公式， 我们可以计算出到达仙女座星云所需的时间约为 29 年； 到达室女座星系团所需的时间约为 36 年； ... ... (在这里读者们对于对数函数增长之缓慢大概会有一个深刻的印象吧)。 倘若一个宇航员 20 岁时坐上火箭出发， 如果他可以活到 80 岁， 那么在他的有生之年 (不考虑返航 - 壮士一去兮不复返)， 他可以到达 10000000000000 (十万亿) 光年远的地方。 这个距离已经远远远远地超过了可观测宇宙的线度， 因此这样的一位宇航员在有生之年可以到达宇宙中任意远的地方！

这样看来， 星际旅行似乎并不象人们渲染的那样困难。 如果是那样， 我们也就不必费心讨论什么 Wormhole 和 Transporter 了， 直接坐上火箭遨游太空就是了。 事情当然不会如此简单， 别忘了在我们的计算中火箭是一直在加速的 (否则的话， 那个帮了我们大忙的对数函数就会消失)， 这样的火箭耗费的能量是惊人的 (究竟要耗费多少能量呢？ 运用本文给出的结果， 读者可以自己试着计算一下)。 不过这种能量耗费所带来的工程学上的困难比起建造 Wormhole 所面临的困难来终究还是要小得多。 因此运用这样的火箭探索深空也许真的会成为未来星际旅行家们的选择。唯一的遗憾是， 他们只要走得稍远一点， 我们就没法分享他们的旅行见闻了。

因为相对论只保佑他们， 不保佑我们。

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注释

[注一] 大气层与行星际空间是连续衔接的， 所谓 “穿过大气层” 指的是穿过厚度在百余公里以内的稠密大气层。

[注二] 当然， 这里我们要忽略空气阻力， 并且还要忽略地球表面的地形起伏。

[注三] 这里我们： 1. 用卫星一词指那些环绕地球运动的物体， 这些物体的轨迹是局限在有限区域中的 (否则的话可能的轨迹还包括抛物线与双曲线)。 2. 假定地球的引力场是一个严格的平方反比中心力场。 3. 忽略任何其它星体的引力场。

[注四] 确切地讲是指速度的大小， 下文提到的 “向心力”、 “引力” 等也往往指的是大小， 请读者自行判断其含义。

[注五] 这里参照系取在地心， 我们忽略由地球自转所导致的卫星动能 (忽略所造成的误差小于 1%)。

[注六] 确切地讲是忽略太阳引力场中引力势能的变化。 在这一限制之下其它行星的引力场也同样可以忽略。

[注七] 类似于凡尔纳大炮那样的装置在表面引力较弱的星球 - 比如月球 - 上建造起来就会容易许多， 因此有人设想它可以成为未来月球基地的航天器发射装置。

[注八] 在理论与实验上都有迹象表明， 在特定的条件及特定的含义下， 运动速度超过光速不是绝对不可能的， 但是这种超光速并不象许多科普爱好者所认为的那样， 是推翻了相对论。 关于这一点， 以后有时间再作专门的介绍。

[注九] 假如 u 等于光速， 则 dm’ 理解为 dE’/c2 (E’ 为喷射物的能量)。

作者：卢昌海 二零零三年十月十四日写于纽约

责任编辑：中国航天工程咨询中心_侯丹

Ⅱ 宇宙飞船和航天飞机有什么区别

从已有的宇航科技来说

宇宙飞船是指航行起点处于太空无重力环境下的运载工具；

-----一般情况下，宇宙飞船需要使用运载火箭将之发射到太空之后，才能够开始航程。即，宇宙飞船本身无法摆脱地球引力。

航天飞机是指航行起点处于地球发射场，终点也降落于地球的宇航运载工具。

-----航天飞机不需要运载火箭发射，而是依靠本身动力（算是吧，因为航天飞机带一个一次性的运载火箭，该火箭提供航天飞机脱离地球引力所需的动力和燃料）摆脱地球引力，然后在太空飞行工作，然后再整体回到地球。

然后说航天飞机。

航天飞机在80年代出现时，其理念是节约，通过可多次使用的航天飞机，来降低宇航发射的成本。

但是在实际操作中，航天飞机的成本远远超过那些一次性使用的运载火箭，所以，美国在21世纪停止了航天飞机-------这是又一个错误的设想。

最后，说一说在科幻小说中，宇宙飞船和航天飞机的区别。

在所有严谨的硬科幻小说中，宇宙飞船都不是从地面起飞的，而是必须在太空港起飞。因为适合于无重力、无空气的太空中航行的宇宙飞船，未必适合在有重力有空气的行星环境飞行。而为宇宙飞船增加功能，让其适合于在行星大气层飞行虽然可行，但是从成本角度上来说非常浪费。

很明显，更合适、更经济的方法是，宇宙飞船只在太空港靠港，将人员及货物卸下，然后由穿梭飞机再将人员和货物从外太空的太空港送到行星表面。

即，在科幻小说中，宇宙飞船从事星球之间的运输，起点与重点基本上都是行星外的太空港；而航天飞机则是穿梭飞机，专门用于行星表面到太空港之间的运输。

Ⅲ 材料： 随着二十世纪人类科技的迅猛发展，许多在科幻小说中出现的情节已经成为了现实。

人类发明飞机的原因是因为人类想飞。
人类发明航天器的原因比较复杂。在这之前，人类已经知道我们生活在一个行星上面，围绕太阳这颗恒星旋转，同时在自转。通过天文望远镜看见了很多人类以前不知道的东西。那么，当科技水平达到可以直走啊航天器的条件时，航天器的制造就自然而然的出现了。根本目的，为了探索地球以外的地方或者空间。

Ⅳ 中国科幻小说的发展历程(急)

我认为我们是从90年代以后中国科幻小说的发展进入到非常新的时期，1956年到1957年政府当时讲“向科学技术进军”，繁荣科普、繁荣儿童文学，科幻也跟着走向高潮。通过一些儿童读物，当时的科幻非常家喻户晓。

我觉得在这个时代，最红的明星还是上一代的刘慈欣。他在粉碎“四人帮”后最早的那个10年就已经开始写了。从《三体》开始，科幻作为类型文学这种特殊的文学形式开始出现。以前科幻小说不是类型文学，没有类型文学的一系列特点，特别是粉丝文化，过去是没有的，今天粉丝文化已经非常强烈了。

今天其实应该全方位发展科幻，不能放弃少儿科幻这一块。刘慈欣的书为什么卖的不好？就是因为现在的社会还不知道科幻这个东西。

Ⅳ 生活中有哪些科技在以前的科幻小说中预言过

《小灵通漫游未来》是通过眼明手快的小记者小灵通漫游未来市的所见所闻，对未来作全景式的“扫描”。 有一些科学幻想已经实现，或者即将实现：
小灵通前往“未来世界”，乘的是“原子能气垫船”。如今，气垫船已经很普通，从上海至宁波，从深圳到珠海，每天都有“飞翔船”往返。所谓“飞翔船”，也就是气垫船。

在《小灵通漫游未来》中，写及“未来市农厂”，在巨大的玻璃温室里，工厂化生产农产品。这样的“农厂”，如今已经有了。

当然，书中所写的“一个月可以收一次苹果，半个月可以收一次甘蔗，10天可以收一次白菜、菠菜，而韭菜在一个星期内就可以割一次”，还有那“红红的苹果，比脸盆还大，黄澄澄的橘子像一只只南瓜”，“切面圆圆的像张圆桌面”的西瓜……则尚需努力，才能变为现实。

Ⅵ 求一部13-15年看过的科幻小说，内容梗概和作者信息在描述里，跪求！

谢邀。借这个问题，我把我看过的觉得值得推荐的科幻小说列一个简单的书单吧入选的标准有两个，一是经典，二是我看过。第一类：赛博朋克题材《神经浪游者》（威廉·吉布森）《雪崩》（尼尔·斯蒂芬森）《真名实姓》（弗诺·文奇）《艾比斯之梦》（山本弘）重点推荐（7.14日更新）从名气上讲，主推作品应该在《神经浪游者》和《真名实姓》中产生，但前者可读性略差，后者好看是好看，但缺乏科幻深度。最后还是选择了我个人比较钟爱的《艾比斯之梦》，除了出于日系科幻作品比较适合中国人的口味之外，更主要的是，小说以七个中篇故事寓言了AI发展的七个阶段——《宇宙尽在我指尖》和《令人雀跃的虚空间》代表AI的产生，前者是文字形式的虚拟角色（其实是个网络接龙小说），后者是将大脑植入数字空间，这两篇算是前AI时代，主角都是真实的人类。《镜子女孩》、《诗音翩然到来之日》和《黑洞隐者》这三篇，代表了AI学习和获得自我意识的三种途径，前者讲述AI如何在学习人类的行为后获得自我意识，《诗音翩然到来之日》是植入自我意识的机器人如何学习人类的技能、与人类沟通，后者讲述AI试图理解人类的理想、艺术、哲学等形而上的理念。《正义不打折的世界》讲述拥有自我意识的AI如何与人类相处，在这一篇中，AI从人类的宠物发展为追求平等地位的物种时，与人类发生了正面冲突。最后一篇《艾比斯之梦》将AI与人类的命运推到了一个悲剧的背景，结局我就不剧透了。《艾比斯之梦》有点像加长版的《软件体的生命周期》（特德姜），而故事性更强。全书最大的看点是AI视角，传统的赛博朋克作品都是人类以AI的形式进入数字空间，其思考模式也是人类视角。本书告诉我们，什么是（可能的）AI视角，脑洞来了：对于我们T A I 而言，惊人的是许多人类无法理解模糊这个概念。当我们说“爱（5+7i）”时，误以为是“只爱百分之五十”或“满分一百分，五十分的爱”的人类何其多。人类无法理解“5”是模糊测度。爱的强度明明不可能以普通集合表达。我们能够想象以纵轴为实数、横轴为虚数的复素平面，但是人类必须转换成实体平面才能想象。我们能够想象自乘为负的量，但是人类无法想象。这八成是因为人类的大脑从一开始就欠缺认识的能力。重点推荐其中第六个故事《诗音来的日子》，就算你不喜欢这本书，至少里面有一句你不会忘记。“所有人类都患有阿兹海默症”关于《神经浪游者》，这是一本不太好读的书，但又是一本值得一读的书，之前在豆瓣上看过一篇用古龙人物改写的小说简介，强烈推荐，看了之后再读此书，就容易读进去了古龙版Neuromancer故事简介 (评论: Neuromancer)第二类，末日危机题材《三体》刘慈欣《时间回旋》《流浪地球》刘慈欣《日本沉没》小松左京重点推荐（7.16日更新）重点推荐《流浪地球》，因为此篇在大刘的写作生涯中极其重要，开创了他的“末日情结”、“宏细节”、“归乡情怀”这三个特色，使其往后的作品呈现出一以贯之的宏大的主题、悲壮的调怀、沧桑的变迁、坚定的信念……。末日情节《流浪地球》原先是大刘的“末日系列”的第一篇，此系列以太阳灾变为题材，原计划有六部：除了《流浪地球》外，《补天》描写人类进入太阳内部对其进行修补以延缓其灾变；《微纪元》（已完成）讲人类通过基因改造，把自己变小去适应新的太阳系；《星船纪元》描写人类乘飞船逃离太阳系，最后把飞船当成了永久的家园；《游魂》描写太阳灾变前人类用电波把自己的思维和记忆发向宇宙；最后一部《在冥王星上我们坐下来哭泣》，描写人类逃生无望，在冥王星上建立人类文明纪念碑（这个情节后来在《三体》里用了，不过我猜是受到了克拉克的短篇《星》的影响）。“末日情节”几乎贯穿了大刘的大部分小说，大刘是这样看待末日的当你被诊断为癌症时，世界在你的眼中会突然变成另一个样子：天空是红的太阳蓝的；而当你最后得知这是误诊时，当天空又变成蓝的太阳又变成红的后，这也不是以前的天空和太阳了，世界和生活在你的眼中美了许多，也增加了许多内涵，这种感觉远不是读十年书能得到的。一个人的末日体验是一种很珍贵的体验，那么全人类的末日体验呢？如果世界经历了这样一次“误诊”，那全人类同样会以一种全新的眼光看待我们的天空和太阳，更珍惜他们以前视为很平常的一切，人类世界将沿着一条更合理的轨迹运行。而能够带来这种末日体验的，只有科幻小说，这也是我构思这个末日系列科幻小说的的初衷。宏细节大刘有一个创作理念——“宏细节”，他认为这是科幻小说独有的叙事模式，在《流浪地球》中，第一次把宏观的大历史作为细节来描写。在宇宙的背景下，传统意义上的历史事件变成一个个细节，历史的大框架叙述成为小说的主体，而人物成为微生物，完全超越了我们的日常阅读体验，使作品不仅疆域极其辽阔，而且内部也极其丰富。归乡情怀在《流浪地球》的前言里，大刘写道：“自己的科幻之路也就是一条寻找家园的路，回乡情结之所以隐藏在连自己都看不到的深处，是因为我不知道家园在哪里，所以要到很远的地方去找。”归乡情怀不是怀旧，而是寻找自我在宇宙中的定位。小说描绘了这样一幅场景：人类和地球人影相吊，相互依存，远离已面目全非的故乡，踏上又一条前途未卜的漫漫归乡之路。人类和地球来自宇宙，又走向宇宙，仿佛水滴重归海洋，星星回归星群，这才是《流浪地球》真正打动我们的地方。就像小说里的那个谜语：“你在平原上走着走着，突然迎面遇到一堵墙，这墙向上无限高，向下无限深，向左无限远，向右无限远，这墙是什么？”第三类，太空题材(太阳系外)《沙丘》弗兰克赫伯特《宇宙过河卒》《天渊》弗诺文奇《基地》系列阿西莫夫第四类，太空题材(太阳系内)《2001太空奥德赛》阿瑟克拉克《与拉玛相会》阿瑟克拉克《群星，我的归宿》第五类，生化危机题材《寄生前夜》濑名秀明《鲵鱼之乱》《红色海洋》韩松第六类，外星生命题材《计算中的上帝》《索拉利斯星》《死者代言人》第七类，机器人题材《机器人》系列(阿西莫夫)《趁生命气息逗留》 罗杰泽拉兹尼第八类，科技惊险题材《侏罗纪公园》迈克尔克莱顿《球状闪电》刘慈欣第九类，星际战争题材《星船伞兵》罗伯特海因莱因《安德的游戏》奥森斯科特第十类，时间旅行题材《醉步男》小林泰三《你一生的故事》特德姜《永恒的终结》阿西莫夫《时间机器》威尔斯《一日囚》柳文扬第十一类，历史题材《天意》钱莉芳第十二类，幽默讽刺题材星新一的微型小说《银行系漫游指南》道格拉斯罗伯特克里谢的短篇第十三类，哲学宗教及其他思想实验题材《光明王》罗杰泽拉兹尼《海伯利安》丹西蒙斯《超新星纪元》(刘慈欣)《星》阿瑟克拉克《最后的问题》阿西莫夫《巴别塔》特德姜手机上匆匆写的，感觉肯定有遗漏，以后慢慢补充。以后有空会在每一类重点推荐一部，以及推荐理由。

Ⅶ 以“探梦天宫，放飞理想"为主题的科幻小说，具有科学性，字数在1000字以上，2500字以下。

根据中国载人航天工程网的消息，中国未来的空间站的名称叫“天宫”。这是一个具有浓郁中国特色、寄托了华人无限憧憬的名字。
天宫一号又叫做空间实验室，是设立在太空中的实验室。在人们的欢呼下，庞大的“天宫一号”发射了。发射过程是先发射无人空间实验室，而后再用运载火箭将载人空间实验室飞船送入太空，与停留在轨道上的实验室交会对接，航天员从飞船的附加段进入空间实验室，就能开展工作了，所以，“天宫一号”建筑、设计的十分周到。这样，航天员们才能够为我们取得大量实验数据和珍贵的科学资料。
不光是在建筑上十分完美，在这“天宫一号”的名字上都含有特殊的由来。
“天宫一号”的名字让人联想起中国古代四大名著之一《西游记》中的孙悟空大闹天宫。“天宫”是中华民族对未知太空的通俗叫法。因此，起以“天宫一号”为目标飞行器命名。在此之前，从“神七”到“神十”，是为了检验航天员太空实验的能力和对接空间实验站的技术成熟度。此后就是载人航天工程的第三步——实现建立太空实验站并进行料理。届时将会交替发射载人飞船和货运飞船。
根据规划，中国将在2010年发射“天宫”一号目标飞行器。“天宫”一号实际上是空间实验室的实验版，采用两舱构型，分别为实验舱和资源舱。之后，再发射“神舟八号”。“神八”是一艘无人的神舟飞船，与“天宫”一号进行无人自动对接试验。2015年前，再陆续发射“天宫”二号、“天宫”三号两个空间实验室。 “天宫”二号将主要开展地球观测和空间地球系统科学、空间应用新技术、空间技术和航天医学等领域的应用和试验。“天宫”三号将主要完成验证再生生保关键技术试验、航天员中期在轨驻留、货运飞船在轨试验等，还将开展部分空间科学和航天医学试验。
我国目前在研的空间实验室采用两舱结构，分别为实验舱和资源舱。实验舱可保证舱压、温湿度、气体成分等航天员生存条件，可用于航天员驻留期间在轨工作和生活，密封的后锥段安装再生生保等设备。实验舱前端安装一个对接机构，以及交会对接测量和通信设备，用于支持与飞船实现交会对接。资源舱为轨道机动提供动力，为飞行提供能源。
建设实现空间站的关键技术是“空间交会对接”。两个或两个以上的航天器通过轨道参数的协调，在同一时间到达太空同一位置的过程称为交会。对接是在交会的基础上，通过专门的对接机构将两个航天器连接成一个整体。实现两个航天器在太空交会对接的系统，称为交会对接系统。