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航天科学 |
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一心想飞的人 很久以来，人类就在这个古老的地球上，默默地生，默默地死，没有离开过地球半步，他们把这个小小的星球，作为自己的家乡，在上面经历了一番喜怒哀乐的情感历程之后，又把它作为自己最后的归宿地。 然而，人类不是没有飞天的梦想。 当他们看到飞虫们成群结队地在天空飞来飞去的时候，多么渴望，自己有那么一天，也能够飞上天空，去俯视他们所生存的土地啊！ 当他们看到鸟类扇动有力的翅膀，唱着自己的歌谣，从这一块天空飞向另一块天空的时候，他们是多么羡慕又是多么忌妒呵，他们依旧做着飞天的梦。 这是一个古老而又永远年轻的梦，这个梦激励了一代又一代人，也鼓舞了一代又一代人，当无数岁月飘过远山的时候，当无数努力化为美丽的泡影的时候，这个梦依旧没有成为灿烂的现实。 到了公元1857年9月17日，这个梦落到了一个新出生的婴儿的灵魂深处，这个婴儿名字就叫康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基，命中注定，他的一生都与人类的飞天梦想结下了不解之缘。 与所有的孩子一样，他健康茁壮地成长着。父亲是一位守林人，他稍大一点以后，就随父亲到森林中去玩耍，然而，他对飞翔在林中的鸟类是那样地感兴趣。 有一次，父亲径自在前面走，他跟地后面，忽然，他看到一只美丽的鸫鸟从面前飞过，一边飞着一边还唱着歌儿，他禁不住看呆了，他多么想也能飞上天，像鸫鸟那样呵！ 走了很远一段路以后，父亲回头一看，儿了不见了，这可把他吓坏了，他赶紧沿着来路往回找，儿子竟然还站在那地方发呆，而且，两只手还像鸟的翅膀那样上下扇动着。 齐奥尔科夫斯基进入了梦幻状态，尽管那只鸫鸟已经飞得不知去向，他却怎么也忘不了鸟儿飞翔的样子，他好想飞。一直飞到九大之上去。 他把自己的梦跟父亲讲了，父亲嘿嘿一笑，觉得这孩于有点傻呵呵的，但傻得可爱。父亲没有能够理解孩子的这一梦想。 后来，父亲又带着他到出间、地头去捉蚂蚱、逮蜻蜒。但齐奥尔科夫斯基最感兴趣的还是放风筝。 他喜欢看风筝在天空迎风飘曳，好像自己的身体也像风筝一样，在天空中飞，但他讨厌那根牵制着风筝的细丝，所以，每次放着放着，他都把细线给丢了，让风筝在大空中自由自在地飞。 然而，命运跟他开了一个非常恶毒的玩笑，把他推向了一个苦难的深渊，使他艰难地挣扎着，努力地确定自己在生活中的坐标。 在他9岁的那一年，他不幸患了猩红热，两只耳朵彻底变聋了，他再也听不到大自然和人类所发出的种种声响了，他很痛苦却又没有办法。 他只有更深地走入自己的内心世界，一任自己的心灵成天如大海浪涌，或者静静地坐在家门口，看着天上的鸟儿从远方飞来，又向远方飞去。 看着别的小伙伴背着书包，又蹦又跳地上学，他就跟爸爸妈妈吵，爸爸妈妈不理睬他，或者说些什么他根本就听不到，他就独自一人，到一边默默地流泪哭泣去了。 母亲看他实在可怜，就经常给他买各种玩具回来玩。有一天，她给儿子买了一只氢气球玩具，小齐奥尔科夫斯基好开心呵，他找到一块开阔地来放这个氢气球。 氢气球在天空越飞越快，越飞越高，齐奥尔科夫斯基的心也随之飞到了天上。这个氢气球在他的心灵深处播下了飞向天空和宇宙深处的科学幻想的种子，激起了他飞向天空的强烈的愿望。 好长一段时间里，他只要一上床睡觉，便迅速进入了梦乡，梦见自己乘着那只氢气球，一直飞到了空中，飞出了地球，飞到了广漠的宇宙深处。 妈妈为了尽量减轻耳聋给孩子所带来的巨大的痛苦，就把自己所有的空闲时间，都用来教孩子认字、读书、画画。 齐奥尔科夫斯基是个颇有天赋的孩子，在母亲的精心辅导下，他很快就能读一些浅显易懂的文章，同时，也能画一些蜻蜒、风筝之类能飞的东西。 这时候，他想多读一些书，但是，把家里所有的角落都找遍了，才找到四本书，而且这四本书都是关于自然和科学方面的书籍，没有办法，他只好硬着头皮认真地啃读了。 未曾想到，他对这些高深莫测的东西，居然产生了浓厚的兴趣，虽然没有人来指导他，但是，他对所有的学问都能很快地弄懂弄明白，他逐步适应了耳聋的生活，并把自己的全部身心都投注到以思维为主的精神世界里去了。 在他14岁的时候，肺结核病夺去了他敬爱的母亲的生命，这个不幸再次给他带来了沉重的打击，他简直有些支持不住了，母亲跟他永远地告别了。 这一切，都使齐奥尔科夫斯基的性格变得更加内向，脸上的微笑也变得更加稀少了，从此以后他变得更加孤独了，没有人跟他谈心，没有人跟他说笑。 别无选择，他只有更加集中自己的精力去找书读，找到什么书就读什么书，从不挑剔，几何、代数、地理、天文、物理、化学等等，这给他日后从事航天方面的研究工作打下了坚实的基础，也进一步拓宽了他的视野，丰富了他的知识层面。 齐奥尔科夫斯基不光自己喜欢去看书，而且还喜欢自己去做一些小实验，以培养自己的动手能力，因为只有当他这样做的时候，他才能忘却人世间的种种烦恼。 一天，他读到了一本几何方面的书，便仿照书中的一幅简单的插图，自己制成了一个小小的测量仪，使他万分高兴的是，这个测量仪不光能准确测出自己的身高，还能测出从他家到前面一排房子的距离。 到了 15岁的时候，他已经成了村子里制作各种各样玩具的头号种子选手。他制作的风筝不仅造型美丽，款式新颖，而且还飞得很高，使得村子里原来不愿跟他在一起玩儿的小伙伴，也纷纷聚拢在他的周围，向他索要各种玩具玩，他也因此成为孩子们心目中的偶像。 到 16岁的时候，他耳聋的症状已有明显减轻，左耳已能听到一些话语了，这使他的父亲很高兴，但是一想到日后的生活，父亲便有些不寒而栗，一个半聋的孩子又能做些什么呢？ 他想跟儿子好好地谈论一下这件事，便去找儿于，找了半天也没有找到，后来，终于在厕所里找到了儿子。 只见儿子手里捧着一本书，一边上着厕所一边津津有味地看着，父亲真是又好气又好笑，走上去轻轻拍了一下儿子的头，把书拿过来翻了翻。 这是一本介绍莫斯科的图书，里面详细系统地介绍了莫斯科的政治、经济、文化等情况，而且重点介绍了莫斯科大学的筹备情况。 父亲跟儿子一起回到了家中。 父亲问他，孩子，你已经长大了，你打算今后怎么办呢？总不能长期这样在家里呆着呀。 齐奥尔科夫斯基恳切地说，爸爸，我想去读莫斯科大学，那里的人都有学问，有知识，他们肯定会给我许多帮助的。 父亲说，孩子，你别犯傻了，你到那里去，人生地不熟的，怎么生活下去呢？ 齐奥尔科夫斯基说，爸爸，你就放心地让我去吧，我到了那里以后，随便找个什么事做，保证不会饿死的。然后我再到莫斯科大学去听课，我不会成为一个废物的。 父亲知道儿子去意已定，也就没有再劝阻他，便给在莫斯科工作的一位同乡写了一封信，托他帮着照管一下自己的儿子，然后便把儿子送上了前往莫斯科的漫漫旅途。 到了莫斯科以后，找到那个同乡，但同乡过得也不是太好。齐奥尔科夫斯基便决定自己去租一间房子住。 费了好大劲儿，才租到了一间小阁楼，房东是个贫穷的洗衣妇。 在阴暗潮湿，四面没有窗户的小阁楼里，他主要靠凉水和黑面包来充饥，但是，他还是从书里找到了巨大的乐趣，他比在家乡的时候更加刻苦更加勤奋了。 齐奥尔科夫斯基靠着刻苦钻研和顽强自学的精神，自学完了中学和大学的全部物理课程。在他23岁的时候，他通过招聘考试，成了伯洛夫公立中学的一名物理教师和几何教师。 大胆的空想家 当教师的时候，一个极其偶然的机会，他忽然迷上星际飞行的研究。 一天黄昏时分，齐奥尔科夫斯基看到天空中有四五只麻雀在雷雨来临之前，快速地飞着，无数的幻想在他的脑中沸腾起来，他在想，人类一定要比麻雀飞得更快。 忽然，他的脑海里出现了一幅奇怪的图画，画面上是像带鱼形状的飞艇。他已经至少超出了正常的人类思维好几十年了。 在此后的长达40年的教学生涯中，他除了努力做好一个教师的本职工作以外，还尽量挤出时间自学天文学、生物学等，特别是航空学。 他每天都起得很早，跑完步以后，便在家抓紧时间工作两三个小时，然后又风风火火地走很远的路，到学校去上课； 下班以后，一分钟也不愿在学校里多呆，急急忙忙又赶回家，进行研究或潜心写作。大家都称他为“大胆的幻想家”。 人类所居住的地球外部包裹了一层厚厚的大气层，因此，星际飞行器要想飞向宇宙太空，必须先得克服这个大气层的阻碍。 那么，什么样形状的飞行器才更适合于在大气中飞行？飞行器的形状究竟跟阻力有什么关系呢？大气流动同飞行器的速度又有什么关系？齐奥尔科夫斯基头脑里整天所想的都是这样一些关于星际飞行的问题。 他曾经考虑到利用离心力就有可能飞出地球。当他猛然意识到这个重大的发现可能产生的伟大结果的时候，他激动得心都快要跳出胸膛了。 那时候，没有办法利用风洞进行科学实验，他只好充分利用自然风，用风筝、竹蜻蜒等进行实验，不久，经过苦心经营，他终于写成了一篇关于空气动力学的论文，后来，又写成了一篇全金属飞船的论文。 他带着这两篇论文，直接找到了当时俄国著名的物理学家托切诺夫。托切诺夫读完这两篇文章后拍案叫绝，对他在没有任何专家指导和完备仪器条件下，能够写成如此高水平的论文，而大为赞叹。 他又把齐奥尔科夫斯基极力推荐给当时俄国航空界的泰斗茹科夫斯基，茹科夫斯基对此也给予了高度的评价。齐奥尔科夫斯基经这两位科学家的推荐，成为物理化学协会的会员。 正当齐奥尔科夫斯基带着愉快的心情，准备在科学道路上全速前进的时候，一场大火把他的家烧了个精光，过去所留存的大量书籍、笔记、论文初稿全都付之一炬。这个打击太大了，他因此而病倒了。 但是，他没有一病不起，他仍然牵挂着他的航空航天事业。稍微能吃点饭的时候，他便找来大量关于在星际空间开辟一条空中大道的书籍，认真地阅读，并进行实验。 执着的信念，使他迅速战胜了天灾人祸，他很快就完成了全金属的飞艇和星际火箭等的设计工作，提出了开辟宇宙通道的独特见解。 当时，他周围好多人都不理解他，说他是个疯子，是个彻头彻尾的空想家。 齐奥尔科夫斯基对这些议论却毫不理会，他认准了自己所制定好的目标，一如既往地朝前走着。 成为“星际航行之父” 1895年，经过多年研究，齐奥尔科夫斯基，这个来自俄国梁赞省的穷人的孩子，终于提出了征服宇宙空间的具体主张，还发表了人造卫星的图样，提出以人造卫星作为星际航行的“驿站”，再从这个“驿站”向月球和其他星球发射火箭的主张。 这个大胆而又执着的幻想家，为了进行空气动力学的试验，又东挪西借，凑了一些钱，自行设计安装制造了一个风洞。 风洞的发明，奠定了实验空气动力学的基础。其后，风洞便成为现代制造各种飞行器，如火箭、卫星等不可缺少的实验装置，它使从事飞行器研究的科学工作者有可能用实验米检查理论计算的可靠性和准确性。 所谓的风洞，其实就是一个大动力的送风机，把飞行器的模型送入风洞，再通入压强很大的气流，测定飞行器受力等综合因素。它是以气流流动，飞行器模型静止来模拟飞行器飞行的实际情况，从而获得各种飞行情况的各种数据。 齐奥尔科夫斯基利用他自行发明的风洞装置共研究了一百多个宇航飞行器的模型，取得了不少关于空气动力学实验的第一手珍贵资料。 通过大量的实验，他深深地认识到，人类要想飞向天空，成为宇宙的主人，就必须首先征服万有引力这个拦路虎。 经过几年的潜心研究，他出版了一本《可驾驶的金属飞船》，在人类历史上第一次提出了火箭飞行理论。 在这本书里，他指出，火箭是克服地球引力，飞出地球的最理想可靠的工具。他还精心构想出了火箭的外观及内在构造情况。 根据他的构想，未来火箭的外壳应该是用钢构成的，里面有着蛋形的椭圆舱室，头部可以容纳乘客、仪表、给养储备等。同时，舱内大部分空间分为两个部分，分装液体燃料和氧化剂，燃料和氧化剂经由唧筒排入火箭中央的燃烧室，燃烧生成高温高压的气体，由尾部喷口喷出，产生一股又一股强大的推动能力，并推动火箭高速飞行。而尾部则装在喷口边，用以控制飞行的方向。 齐奥尔科夫斯基的这一大胆的构想和设计，为现代火箭的产生，奠定了坚实的理论基础。他把自己命名为“宇宙的公民”，他坚信，经过几代人的共同努力，“星际和星球之间的旅行是可能实现的”。 然而，一个严酷的事实是，当时，他所设计的火箭，速度不超过每秒2.5公里，这个速度根本不能摆脱地球的引力，也就是说他所设计的火箭，根本不可能飞到宇宙空间去。 又经过无数次的废寝忘食，送走无数个日出日落，经过严格细致的计算，齐奥尔科夫斯基得出结论，要想摆脱地球引力，必须具有每秒11.2公里的速度。这就是所谓的“逃逸速度”。 而火箭只有具备了“逃逸速度”，才能够沿着抛物线轨道飞离地球，飞向茫茫的星际空间。 齐奥尔科夫斯基经过长期的观察，终于认识到，火箭的速度决定于排气速度，而排气速度又跟所选用的燃料和氧化剂有关，以液态氧作氧化剂，用液态氢作燃料的比用汽油所得排气速度大。 同时，他由研究火箭动力学的基本定律得出结论：要使火箭达到较高的速度，必须提高火箭满载燃料时的质量和火箭躯壳的质量之比。 然而，用1吨的外壳要装下30吨左右的燃料是绝对不可能的，更何况外壳的质量还要包括火箭发动机和其他设备的质量，同时还得考虑外壳的坚固性。 齐奥尔科夫斯基又陷入了深深的迷惘之中，但是，他没有走入思想的死胡同，而是试图通过各种方法来解决这个问题。 1929年，已达72岁高龄的齐奥尔科夫斯基发表了《宇宙火箭列车》一文，在这篇迅速引起了广泛轰动效应的论文中，他提出了多级火箭的伟大设想。 齐奥尔科夫斯基把这种火箭叫做“火箭列车”，因为它是一节连一节接起来的，就像一列火车一样。 这种多级火箭之所以能够取得逃逸速度，使火箭飞离地球，是由于每一级火箭在完成自己的使命后便自动脱落，减轻了负荷，上面各级火箭在下面各级火箭已经取得的速度的基础上增加速度，所以一级比一级飞得快，客舱和科学仪器设在最顶上的一级火箭内。 “火箭列车”这一设想的实施最终解决了宇宙飞船脱离地球吸引力所需速度的问题。 老骥伏枥，志在千里。这时的齐奥尔科夫斯基，对于星际航行的研究越来越深入，关于飞出地球的思想也越来越成熟。 他又提出了人造卫星的设计图，在这份设计图中，人造卫星呈圆柱形，以 8公里/秒的速度绕地球运行，他称为“星际航行的驿站，设置在地球外的火箭码头”。 按照齐奥尔科夫斯基的设计，星际航船可以停泊在码头上，而且在这里添加燃料和食物，再飞向更为遥远的星际空间。 人造卫星上有街道，有综合科学研究站，有住宅，有温室，还有燃料库和工厂。同时，考虑到人在人造卫星上失重的情况下难以生活，他提出必须使人造卫星绕轴自转，以离心力来代替重力。 齐奥尔科夫斯基还指出，在卫星上，应该充分利用取之不竭用之不尽的太阳能，或者通过光电装置作为卫星上的动力来源。 1932年9月，齐奥尔科夫斯基还接受了政府的任命，担任了建造同温层高空气球的总指挥。经过他和同事们近一年时间的紧张工作，圆满地完成了任务。 同温层高空气球一次试飞成功，高度达到19000米，为研究同温层大气、宇宙辐射、气温等，提供了强有力的工具。 齐奥尔科夫斯基被后世誉为“星际航行之父”，从30年代始，他又致力于研究火箭和飞船如何返回地球的重大课题，这项研究最终导致了返回式卫星和航天飞机的诞生。 1935年9月19日，齐奥尔科夫斯基怀着对星际航行的无限向往，永远地离开了这个星球，他的一缕亡魂，晃晃悠悠，一直飘向了宇宙深处。 此后，一代又一代的科学家们继承了他航行星际的遗志，制造出了飞向太空的喷气式飞机、洲际导弹、人造卫星、宇宙飞船等等，人类已经超越大气层的包围，而且正在逐步征服整个太阳系。 因为，人们永远不会忘记他的那一句话： “地球是人类的摇篮，人类永远不会停留在地球上！” “飞行者号”的冲击 当俄国的康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基仍在做着飞天梦的时候，美国的莱特兄弟已经为人类插上了翅膀，他们终于发明了飞机，使人类梦想成真，飞向了湛蓝而又广大的天空。 1903年12月17日，池塘里结了一层厚厚的冰，刺骨的寒风直往人肉里面钻。 这天，来自俄亥俄州的莱特兄弟，共做了四次成功的飞行。 第一次在空中只飞行了12秒，飞行距离大约是37米。最后一次飞了59秒，飞行距离大约是260米。这四次成功的飞行，在人类航空史上，写下了辉煌的一笔。 因为它是人类第一次成功地实行了动力飞行，打破了比空气重的机器不能在空中飞行的断言，从而开辟了人类航空科学技术的崭新的通途。 莱特兄弟是修理和制造自行车的技师，他们具有丰富的机械知识。从少年时代起，他们就对飞螺旋玩具发生了浓厚的兴趣，并且自己亲自动手进行制作。 他们还非常喜爱放风筝，他们自己制作的风筝，在天空飞得又高又稳。 由于家里非常贫穷，常常是入不敷出，没有钱供他们去上大学，只能靠帮人家修理自行车来维持生计。但是，他们毫无怨言。在修自行车的时候，总是琢磨自行车的制造原理及制造方法。 他们非常喜爱读书，几乎读遍了当时所能找到的所有有关飞行方面的书籍，学到了许多有关飞行的知识。 这时，他们读到了报纸上发表的一则消息，大飞行家奥图·李连达尔在连续进行了2000多次滑翔飞行后，所进行的又一次滑翔飞行时，突然遭遇到一股来自侧后方吹来的狂风，从而机坠人亡，英年早逝。 这则消息深深打动了莱特兄弟，他们决定去继续完成李连达尔没有完成的事业。兄弟俩节衣缩食，用帮人家修理自行车所挣来的微薄的钱，去买书或买制造滑翔机的材料。 正当他们把全部身心投入到飞行研究中去的时候，飞行失事的不幸消息一个接一个地传来：英国的皮尔查因试飞失事送了命；马克沁姆试飞摔成重伤，差一点送了命；法国阿德尔设计的飞机在空中解体粉碎… 这一连串的噩耗并没有吓倒莱特兄弟，他们特别认真地研究了李连达尔的经验和教训，刻苦钻研了俄国康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基提出来的空气动力学理论，不断完善机械加工手段，终于在1900年制成了当时最先进的滑翔机。 莱特兄弟的飞机，现在看起来，结构相当简单。它前后各有两层互相平行的翼面，还有一片竖着的小翼面伸在前面。各机翼之间由许多支柱、张线之类的东西连着，看上去很像一个笨重的“书架”。 特别值得一提的是，莱特兄弟已经学会给飞机装上翼面，飞机正是靠了翼面才升到空气中去的。 古时候，我们的祖先们就开始对鸟的飞行方法进行观察和研究，曾经有披上羽毛学鸟儿那样扑翼飞行，而且，也有人试造过木鸟，但最终都没有能够获得成功。 因为人体的结构同鸟类是截然不同的，人的胳膊所能产生的支持身体的力量，和鸟的翅膀比起来，相对来说要小得多，所以，人没有那么大的力气扇动“翅膀”使自己飞起来。 看样子，扑翼这一条路是走不通了，莱特兄弟在经过无数次的探索、试验之后，最后决定，给飞机安上固定的翅膀，即机翼。 从此，机翼就成了飞机的重要组成部分，它的形状比较特别：下面几乎是平直的，上面是弯曲的。飞机飞行的时候，在它上面流过的空气比在它下面流过的快，形成了压力 差，下边的气压比上边的气压大。 于是，翅膀下面的空气就产生了垂直向上的升力，把飞机托上空中，气流的速度越大，对翅膀产生的升力越大。 兄弟俩进行了连续多次的试飞试验，从1900年到1902年，共进行了1000多次滑翔试验，终于初步掌握了操纵滑翔机的方法，并在空中成功地实现了倾斜滑行、空中转弯等高难度的滑翔动作。莱特兄弟还于1902年装制成配有活动方向舵的滑翔机，这在当时的世界上，毫无疑问是处于领先地位的。 但是，莱特兄弟还觉得有一个难题没有解决，这就是，仅仅依靠无动力滑翔是不能够实现飞天梦想的，必须依靠动力才能完成真正意义上的飞行。 当时，蒸汽机在人们的生活中，已经得到了广泛的运用，但是，在飞机上利用蒸汽机作为动力源，是根本不可能的，因为蒸汽机的体积太大。 而内燃机则有可能帮助他们，实现这个古老的梦想。 内燃机的基本特点是让燃料在机器的气缸内燃烧，生成高温高压的燃气，利用这个燃气作为工作物质去推动活塞做功。 属于内燃机的汽油机是在1876年发明的，柴油机是在1892年发明的。内燃机体积小，使用起来比蒸汽机方便多了。 19世纪末，汽油机的转速约为每分钟500～800转，20世纪初，提高到每分钟1000～1500转，它已经具有安装在飞机上的可能性。 1903年初，莱特兄弟为了使飞机实行动力滑翔，从而实现真正意义上的飞行，决定在滑翔机上安装汽油活塞发动机。 汽油机是用汽油作燃料的内燃机，气缸里的活塞用连杆跟曲轴相连，气缸上面有进气门和排气门，气缸顶部有火花塞。 汽油活塞发动机在工作的时候，活塞在气缸里往复运动。活塞从气缸一端到另一端叫做一个冲程。四冲程汽油机的工作过程是由吸气、压缩、做功、排气四个冲程组成的。 但是，莱特兄弟对于汽油机的工作原理及使用可以说是一无所知，只好从头学起。 他们买来了一台废旧的汽油机，拆下来再装上去，装好了再拆下来，总算弄清了汽油机的结构。又经过无数次的试验，这才学会使用汽油机。 为了搞清楚滑翔机上究竟能装多大的重量才比较合适，他们又一次次地装沙袋进行试验，这才搞清了他们的滑翔机最大载重不能超过90千克，但当时最轻的汽油机也有140千克重，怎么办呢？ 他们又去请教有关专家。 精诚所至，金石为开。在一位技师的帮助下，他们终于制造出了一部四个气缸、12马力、重70余千克的汽油发动机。 接下来，他们又在滑翔机上安装了螺旋桨。当一切都准备就绪，他们便决定试飞。 这是一个金风送爽、丹桂飘香的秋日，大地沉缅在丰收的喜悦之中。兄弟俩转动螺旋桨、启动汽油机、点火、给油、松开离合器，随即汽油机便突突突地运转起来，看样子，这次试飞有希望获得成功。 莱特兄弟缓慢地加大油门，放开了飞机制动器。飞机开始起动，由慢变快，缓缓地向前驶去。他们想操纵飞机从滑行进入爬升状态，便把操纵杆拉到了尽头，然而，这只不听话的飞机仍在地上滑行；最后，撞到了一个不大的小山上，停住了， 这次试飞失败了。 好在人没有出事。 兄弟俩没有因为这次失败而自暴自弃，而是认真地去寻找失败的教训。经过苦苦地思索，他们终于找到了失败的原因。 以前，他们只是考虑到如何减轻发动机的重量，而没有设法减轻飞机的自重。 于是，他们又采用轻质木料作为飞机的骨架，用帆布作为飞机的基本材料，于1903年11月底，又研制成功一架双翼飞机，莱特兄弟给这架飞机命名为“飞行者号”。 “飞行者号”飞机以双层机翼提供升力，活动方向舵可以操纵升降和左右盘旋，汽油发动机推动螺旋桨，驾驶员俯卧在下层主翼正中操纵飞机。 这架飞机结构非常简单，没有带外壳的机身，也没有起落架。飞机靠带轮子的小车在滑轨上起飞。加上驾驶员，飞机总重量才只有340多千克。 在美国北卡罗纳州基蒂霍克的一片荒凉的土地上，随着一阵震耳欲聋的轰鸣声，“飞行者号”慢慢离开了地面。 l米，2米，……莱特兄弟俩的心都快蹦出嗓子了。在12秒钟内，他们呕心沥血研制而成的这架飞机，跌跌撞撞，像一个喝醉了酒的醉汉似地，在空中大约飞行了35米的距离，飞机飞离地面1米多。 试飞终于成功了，兄弟俩激动得热烈拥抱，连呼万岁，这次成功，终于实现了人类几千年来依靠机器动力飞上天空的梦想。 莱特兄弟的飞机，起先没有被美国政府重视。有一次，应法国政府的邀请，莱特兄弟携带飞机去法国进行飞行表演，创造了连续飞行2小时20分23秒的新记录。 这次表演成功，在法国引起了很大的轰动，法国人奔走相告，这真是“墙内开花墙外香”，它促使法国加紧研制真正意义上的飞机，法国也因此一跃而成为世界飞机制造的中心。 莱特兄弟飞机飞行的成功，使定翼飞机得到了迅速的发展，在各类飞行器中始终处于领先地位。 第一次世界大战期间，应空中作战、侦察和运输的需要，世界上许多国家都争先恐后地研制飞机，战争期间各国共生产出各种各样的飞机近20万架。 1911年，硬铝研制成功了。由于铝合金质地轻、强度大，人们很快就它作为制造飞机的原材料。1915年，出现了铝合金的单翼机。 飞机原来是木制结构，后来逐渐过渡到全金属结构。飞机的发动机和操纵系统也作了许多的改进。这样，飞机飞行的速度就越来越高，到1939年，达到了时速755.138公里，比莱特兄弟的飞机提高了几十倍。 1941年，英国人制成了涡轮喷气式飞机。 1959年，美国人制造成功波音707—321型喷气式客机，全部航程达5000公里。 如今，人类的航空事业已得到高速度的发展，但是，人们永远不会忘记莱特兄弟为人类实现飞天梦想所作出的巨大的贡献，他们的“飞行者号”将永载史册。 第一枚“国家科学勋章” 公元1963年2月18日上午，美国白宫玫瑰园里宾客云集，热闹异常。由美国总统肯尼迪颁发的美国第一枚“国家科学勋章”的颁发仪式即将在这里举行。 有幸获得这枚勋章的就是现代航空大师西奥多·冯·卡门。 八十高龄的冯·卡门显得有点疲惫，由于患有严重的关节炎，所以下台阶时差点摔倒了，肯尼迪总统忙上前去搀住他。 冯·卡门微微一笑，轻轻地摆脱了肯尼迪伸过来的手，意味深长地说： “总统阁下，下坡而行的人不需要搀助，只有那些举足登高的人，才渴望得到一臂之力。” 当肯尼迪总统把金光灿灿的“国家科学勋章”挂上老人的脖子时，人们爆发出了长时间的热烈的掌声。 白宫授勋仪式结束后，冯·卡门便乘飞机前往巴黎疗养。不久，老人因突发心肌梗塞在82岁生日前五天，心脏停止了跳动。 冯·卡门这位现代航空大师，虽然永远地离开了我们，但是，我们从空中乃至宇宙空间越来越多飞行着的飞行器上，却无时不看到冯·卡门为现代航空学所建树的闪光的业绩。 现代航空大师 西奥多·冯·卡门于1881年5月11日出生于匈牙利。父亲莫里斯·卡门是布达佩斯大学的教育学教授，为匈牙利的教育事业作出了不朽的贡献，因此，受到皇帝的爵封，为他增添了封姓“冯”。 父亲把自己长期实践所形成的一套教育理论，应用到对儿子的教育中。当儿子还在母腹中的时候，就给他讲故事、听音乐，实行胎教。后来，又对儿子进行了一系列的超前教育。 良好的教育，极大地开发了小卡门的智力，六岁的时候，他就能够进行五位与六位数字乘法的心算，他还完全掌握了百分比的运算。 小卡门的数学天赋使父亲惊叹不已，同时，为了对孩子进行全面教育，父亲又让他多接触一些人文科学方面的知识，以陶冶他的情操，升华他的灵魂。 冯·卡门9岁的时候，就进入了当时匈牙利的国家级重点中学——明达中学，这里人才辈出，群星灿烂。 冯·卡门的父亲又开始有意识地对他进行挫折教育，带领他到艰苦的环境中去生活一段时间，在物质上，也不是有求必应，故意给他制造一些挫折，以磨 他的意志，培养他具有百折不挠，屡挫屡奋的性格特征。 而这种性格，使冯·卡门在今后的追求和探索中，能够一而再、再而三地跌倒了又爬起来，终于成为一代科学巨匠。 冯·卡门在17岁的那一年，以优异的学习成绩从中学毕业，进入了约瑟夫皇家工艺大学，在这里他如鱼得水，如饥似渴地吮吸着知识的琼浆玉液。 有一天，冯·卡门在工厂见习的时候，忽然发现一种引擎，在高速运转到一定的速度时，便不要命地颤动起来，并发出刺耳的噪音。 冯·卡门便静下心来，认真地对这一现象进行了观察和研究，终于找到了原因。原来是阀门的开关与引擎的转速之间产生了共振。 卡门便立即把这一现象提炼成一个数学表达公式，并根据这个公式推导出解决的办法。卡门的这一工作，受到了他的老师的高度评价，这位老师把他破格提拔为自己的助教。 25岁那一年，冯·卡门以自己刻苦的学习和辛勤的努力，争取到了匈牙利科学院的奖学金，前往当时科学圣地——哥廷根。 哥廷根是当时无数学者都向往已久的神圣的殿堂，是当时世界理论科学的研究中心，这里曾经培养了无数的学界名流，如数学大师希尔伯特、量于论的奠基人普朗克等。 被誉为“空气动力学之父”的路德维希·普朗特也在这里执掌教鞭，冯·卡门来到哥廷根后，就投师于他的门下。 普朗特不愧为大师级的教授，他主张从复杂的扑朔迷离的问题中，寻找出最基本的物理过程，然后再运用简化了的数学方法加以分析，从而把理论与设计结合起来。 在普朗特的精心指导下，卡门利用学校里良好的实验条件，对一系列机械工程问题，特别是非弹性杆弯曲现象进行了系统的研究。 1908年，冯·卡门顺利通过了博士论文答辩，并获得了博士学位，然后，他就赴巴黎学习考察。 一个星期天，冯·卡门和几个朋友一起，到巴黎郊外去秋游，正好遇上了来自美国的莱特兄弟，正在进行飞机滑翔表演，尽管飞机的飞行距离不足两公里，但这次飞行，给冯·卡门留下了终生难忘的印象，并促使他从此献身于人类的航空航天事业。 那一天回去以后，冯·卡门激动得彻夜未眠，他为人类终于飞上了天空而感到激动，同时，他又想自己应该如何为这一壮丽的事业添上绚丽的一笔。 第二大，他就收到了导师普朗特从哥廷根寄来的邀请函。当时，普朗特正在筹建人类航空史上第一个风洞，并且正在设计“齐柏林号”飞艇。普朗特盛情邀请冯·卡门回去做他的助手，冯·卡门觉得这是一个千载难逢的好机会，便愉快地踏上了归途。 冯·卡门从此开始了他作为航空科学家的生涯，1911年到1912年间，普朗特止在研究边界层分离现象。他让自己的一位弟子设计了一个小水槽，用以观察流体流经圆柱体后产生的分离现象。 但是，在好几次的实验中，都出乎意料地发现水槽里的水流不断发生摆动。普朗特起初没有觉得有什么不对劲，他只是认为水槽做得不够对称。 然而，无论怎么样调整实验装置，还是没有办法消除这种摆动的现象。 冯·卡门看到这种情况后，把它当作一回事来看待，他经过长期的观察研究后，终于判明，流体在圆柱后面形成两排交叉的涡旋，而且这种涡旋是稳定的。 冯·卡门把这种现象上升到了理论高度，并对此进行了数学分析，完成了两篇出色的论文，这一发现成为流体力学中一次重大发现。 由于流体在经过障碍物的时候，在它后面留下两排交叉的涡旋，而这两排交叉的涡旋又好像是大街两旁的两排街灯，于是，后世便把这一现象叫做 “卡门涡街”。 风吹高压输电线所发出的嗡嗡的声响，潜水艇潜望镜对水流产生的激烈振动，飞行体受到空气阻力等自然现象，都是由于“卡门涡街”的结果。 冯·卡门后来应聘前往亚琛任教，这时他已经成为世界上流体力学方面的理论权威。不久，在一位数学大师的极力举荐下，卡门来到亚琛工学院，担任了空气动力研究所的所长，并主持召开了三次国际应用力学会议。 一次世界大战后，他曾经在匈牙利国家教育部任职。1912～1929年，卡门担任了亚探航空学院院长。 冯·卡门把自己的一生都献给了科学事业，未曾婚娶，他的住房也就成了科学家们聚会的地方。 这一时期，经过卡门和他的老师普朗特的精心研究，至今依旧困惑着人类的“湍流”问题，终于获得了重大的进展。 他们第一次提出了“湍流”概念，把气体分子运动论的观点移用在这个问题上，并初步阐明了它的理论基础。冯·卡门还在1926年召开的一次国际性学术会议上，作了题为《湍流中的力学相似》的报告，获得了极大的成功。 卡门和普朗特的这一成果，直到今天，仍然是工程湍流计算中的重要依据，成为流体力学的经典理论。 1926年，冯·卡门应美国加州理工学院的邀请，前往美国西海岸的海滨城市帕萨迪纳，就任该院的航空研究生院实验室主任。 从1930年到1942年，卡门所领导的加州理工学院航空实验室，成为国际流体力学研究中心。卡门在流体力学、湍流理论、超音速飞行、工程数学、飞机结构等方面，都作出了卓越的贡献，为航空技术奠定了扎实的科学基础。 1936年，卡门和他的学生们一起，对火箭推进技术这一课题进行了深入的研究。 为了研究用火箭来尽可能地提高和扩大飞机的性能，尤其是如何更有效地缩短从地面或航空母舰上起飞的距离，卡门和他的学生马利纳一起研制出飞机起飞助推火箭的样机。 1935年，卡门前往罗马，参加国际高声飞行会议，和全世界许多著名的空气动力学家一道，探讨超音速飞行的可能性。 卡门很清楚地看到了超高速飞行的重大意义，以及对美国空军的重大意义。回到美国以后，他便向美国政府建议，立即建造大型风洞，加快向高速飞行迈进的步伐。当时的美国政府没有采纳卡门的这一建议。 与此同时，德国和意大利先后建立了高速大型风洞，并投入大量资金和人力，全力发展涡轮喷气技术，并成功地制造出了喷气式飞机，这对美国空军构成了重大的威胁。 在这种状况下，美国政府才勉强同意建造四万马力大风洞和美国最大的工业风洞。后来的事实证明，卡门的这一建议对于美国空军的建设起了多么大的作用。 不朽的功绩 1941年，卡门与当时中国年轻的力学家钱学森一起，解决了圆柱薄壳结构在轴向压力作用下的大挠度失稳问题，从而成功地解释了从前理论计算与实验结果的差异性。 从 1941～1944年间，冯·卡门在火箭技术领域取得了一系列辉煌的成果，如固体和液体起飞助推火箭，火箭发动机飞机，自然点火液体推进剂等等。 1944年6月，在第二次世界大战接近尾声的时候，冯·卡门参与制定了美国今后20年至50年的空军发展计划，并领衔组织了一个由36位专家组成的科学顾问团，这个顾问团其实完全是一个具有卓越才华和超凡胆识的智力团，他们为保证美国空中优势，详细制定了有关的科技规划。 当二次大战快要结束的时候，美国政府又派冯·卡门来到还弥漫着战争硝烟的德国，帮助美国军方尽快地把德国的先进军事科学技术成果和技术专家接收过来。 卡门一行乘坐专机来到了隐藏在一片密林深处的德国空军秘密研究所，审讯了近千名科技人员，分析了300多万份的秘密研究报告。 接着，卡门一行又去审讯了德国V—2火箭基地的共400名逃往慕尼黑的科技人员。 德国法西斯的所有航空工程专家和技术人员，几乎完全被冯·卡门网罗在一起，这笔比什么都宝贵得多的人才资源，成为美国的航空航天技术始终领先于世界的一个非常重要的因素。 1945年12月，卡门经过一年时间的调查和准备，向美国政府提交了一份报告。这份报告分析了科学组织对大型武器所起的决定性作用，还探讨了超声速飞机和火箭的一些技术问题。该报告对美国政府的决策，产生了深刻的影响。 1947年，美国成立了超音速无人驾驶飞机发展中心。 1948年，建立了阿诺德工程公司，同时，智力型机构“兰德公司”也宣告成立。 1957年，美国政府宣布成立国家原子能委员会。 到了1957年，冯·卡门的许多计划和梦想都已经变成了 光辉的现实。 这时候，火箭、导弹已经大量生产，超音速飞机的速度也已超过 1200公里/小时，并已横越大洋，人造卫星也即将飞向九天之外。 二次世界大战结束之后，冯·卡门把自己的全部心血都投入到发展国际航空事业里去了。 1949年4月，卡门利用新成立的北约组织，设立了一个国际科学合作的试验工作。 接着，又成立了发展国际航空研究的咨询小组，并且在比利时筹建了气动力学训练中心，后来又被命名为“冯·卡门中心”。 50年代，卡门主持召开了两次国际航空会议，并创建了 国际宇航科学协会，成立了国际宇航科学院，有力地推动了人类宇航事业的快速发展。 冯·卡门还对中国的航空航天事业作出了不可磨灭的贡献。 1929年，他来到了正处于风雨飘摇中的中国，当时中国正是血雨腥风，民不聊生的时期，卡门觉得要想摆脱落后的面貌，就必须大力发展航天事业，而发展航天事业，首先得培养出大量的人才来，于是，他建议在当时的清华大学开设航空课程。 1931年，国民党政府企图建立一支空军部队，便从美国和意大利购买了一批飞机，在江西省南昌市创办了飞机工厂。 这时，清华大学已开设了航空系。卡门便派他的养子、航空技术专家沃登道夫来华担任该系的科学顾问，并在他的指导下，清华大学航空系的师生，在南昌建立了当时世界上第一大风洞。 1938年6月，卡门再次来到中国。他看到清华大学开设航空系，心里非常高兴。他前往上海、南昌等地，进行了参观、访问。对南昌的风洞，提出了宝贵的意见。 卡门认为，一旦古老的中国摆脱了目前这种内忧外困的境地，它自身所孕蓄的巨大科学潜能，必将像火山爆发一样，喷发出来。 卡门在加州理工学院期间，为中国培养了一批杰出的航空航天人才，如钱学森、郭永怀、钱伟长等。 卡门对中国的良好祝愿，经过中国人民的共同努力，终于在新中国变成了光辉的现实。 全国解放后，我国自行设计、制造了飞机，还组建了一批英勇善战的空军。 1970年4月24日，我国用长征1号火箭成功发射了第一颗人造地球卫星——东方红 1号。使我国成为世界上第五个能够独立发射人造卫星的国家。 1974年，我国科学家又用长征2号火箭发射了可以回收的往返型遥感卫星。 1975年以来，我国先后8次成功地发射并回收科学探测和技术试验卫星。 1984年和1986年，我国又成功地发射了同步通讯卫星，并使卫星定点在36000公里高的静止轨道上。这标志我国航天技术达到了世界先进水平。 1987年初，我国正式宣布向国际出租整个可回收的科学探测和技术试验卫星，从而打入国际航天市场。 中国人民所取得的这一系列巨大的成就，应该感激冯·卡门先生。他所培养的中国学生，发挥了重大的作用，其中领导中国航空航天事业和研制原子弹氢弹的钱学森和郭永怀等人，更是劳苦功高，功不可没。 卡门先生不仅是宇航工业技术的研制者，更是国际航空事业的组织者。他的足迹遍布航空航天理论和应用两大领域。 卡门一生孜孜不倦，勤奋好学，真可谓一息尚存，苦学不止。到了 70岁的时候，还精心研究燃烧学，并把燃烧化学与流体力学有机地结合起来，从而奠定了现代燃烧理论的基础。 卡门性格和善，开朗，一生没有结过婚，他的那一套宽敞的住宅就成了学术讨论的场所。科学家们在这里高谈阔论，畅所欲言，让智慧的火花在这里互相碰撞，从而逐渐形成了流体力学上的“卡门学派”。 这一学术群体从来不计较学术交流的形式，而是更加看重于学术思想的本身，他们在航空航天技术领域中，立下了不朽的功勋。 人类首登太空 1961年4月12日，前苏联成功地发射了第一颗载人卫星，把宇航英雄加加林送入地球轨道，运行100分钟后安全返回地面。 加加林是人类第一个成功上天的宇航员，这是空间技术发展史上的又一块里程碑。 加加林是当时从全国优秀飞行员中选来的12名宇航员之一。教练员对包括加加林在内的这些未来的宇航员进行了一系列的强化训练。 首先是意志和耐力的训练。 教练让他们坐上飞机，当飞机飞到原始森林或崇山峻岭的上空，教练又让他们降落，以培养他们的自救能力和对恶劣环境的适应能力。 然后又让他们接受电动的猛烈震荡，命令他们在灼热的电灯下烘烤，强迫他们跑进结冰的冷水中洗澡，装进闷罐子里以极高的速度旋转等等，教练员希望通过这些高强度的训练，使未来的宇航员们变得勇敢坚强而结实。 体能训练之后就是模拟训练。宇航员们被装在“模拟器”内。模拟器给宇航员以一些必须的太空条件的体验，比方说，失重状态的体验和孤独感觉的体验等。 根据万有引力定律，一个人的体重与他离地球 （地心）距离的平方成反比，一个在地面上重65公斤的人，升到离地面6400公里高空时，其体重会变成16公斤；在远离地球的太空中，人甚至完全失去重量。 当人处于失重状态时，无法喝到杯子里的水，因为水不能流进人的口中。当他们渴了时，只好用泵把液体饮料打进口中。 每个接受训练的人，被分别关进模拟器内，模拟器内只有一张床，一把椅子和一个工作台。科学家控制着它，并不断地制造出各种各样的太空环境和飞行条件。 科学家往往设计出一些预料不到的情况，让受训的宇航员，利用模拟器中一切可以利用的条件，来设法解决这些问题。 受训的人还必须在模拟器内接受对孤独的训练。他们被关在里面，有时长达五、六天时间，不得与外界接触。无穷无尽的孤独像蛇一样，从四面八方游过来咬噬着他们，他们有时想大声喊叫，有时真想把模拟器砸个稀巴烂，从孤独中逃离出来，再回到繁华的人世间去。 在这一系列近乎残酷的训练中，尤里·加加林这个27岁的小伙子终于顽强地挺过来了，而且表现出色，他被正式指定为首次飞天的人，听到这个消息时，他高兴得跳了起来。 1957年4月12日早晨，朝霞沐浴着拜克努尔。东方号宇宙飞船和运载火箭默默地矗立在天地之间，随时准备着冲入太空。 火箭身高37.5米，连它所带的燃料一起，总共有500吨重，宇宙飞船本身重约4.5吨，这是一位颀长而又笨重的硬汉子。 加加林身穿特制的宇航服，满面笑容地爬进宇宙飞船的座舱。一边认真详细地检查舱内的仪器，一边耐心地等待起飞的命令。 几分钟之后，随着一阵巨大的轰鸣声，火箭径自升向宇宙太空。 加加林平静地躺在弹射椅上，只见他头戴洁白的飞行帽，身穿笨重无比的增压服，套着衣裤相连的桔红色工作装。 在火箭刚刚离开地面的一刹那间，他觉得自己的脖子都快要断裂了，整个身体都快要炸裂开来，过了十来分钟后，他才渐渐觉得好受多了。 火箭顶着飞船，当一直上升到320公里的高空时，脱去了第三级火箭，便直接进入绕地球运转的航道。 加加林从飞船内向下探望，他看到了那个生他养他的地球，他看到了地球是弯曲形的圆球，他还看到了地球的一边因受太阳光的照射，而发出了一种奇特瑰丽的光环。 这时，加加林一抬头，看到了飞船的窗子上有颗小水珠，他便伸手去摸，没想到他突然从座位上飘了起来，他真切地感受到了人的失重是怎么回事。 东方1号宇宙飞船的飞行速度是28259.3公里/小时，其轨道近地点为181公里，远地点为327公里，与地球赤道面夹角为64.95度。 加加林驾驶着东方1号宇宙飞船绕地球转了一圈，共用去1.5个小时，飞行40867.4公里。 当东方1号完成了轨道飞行任务时，便脱离轨道而开始重新返回地球。 这依然是一条充满危险危机四伏的回归路。如果宇宙飞船以强大的速度垂直进入大气层，所产生的巨大摩擦力会形成超高温，并烧毁宇宙飞船。 另外，当宇宙飞船进入大气层时所选择的角度如果不对劲，它就会被大气反弹重新反弹出去，并再度进入太空。 从120公里高空进入地球大气层的宇宙飞船，只有同包围着地球大气的球形切面成5.2～7.2度角时，才能平安无事地返回地球。 当东方1号快速进入大气层时，由于受到大气阻力的强烈摩擦，整个的金属外壳被迅速加热升温变成火红色。 东方1号宇宙飞船恰如一个燃烧着的大火球一样，不顾一切地向地球表面冲将下来。 当这个大火球飞离地面7公里的高度时，尾部张开了两个巨大的降落伞，依靠空气阻力拖住宇宙飞船，使它的速度快速降低到每小时35公里。 最后，东方1号宇宙飞船悬在几个张开的巨大的降落伞下面，轻轻地飘落在一个偏僻的乡村田野上。 加加林搭乘东方1号宇宙飞船遨游太空，实现了人类多少年来的光荣与梦想，开辟了人类航天史的新纪元。 自加加林之后，更多的宇航员进入太空，截止到1987年，全球共18个国家的203位宇航员，其中包括10位女性，进行了118次的宇宙旅行，共绕地球10万圈。 加加林1934年3月9日出生。1968年3月27日在一次意外的飞机失事中不幸遇难，死时年仅34岁。 |
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