参考书籍：《探月的故事》、《飞天的故事》、《叩开太空之门——航天科技知识问答》、《奔向月球》、《向太空的长征》

推荐报刊：《小学生学习报》、《中国航天》杂志、《国际太空》杂志、《中国航天员》杂志、《太空探索》杂志

参考网站：中国探月网、中国航天网、国防科技信息网、冠生园网站

参考知识

地球是人类的摇篮。人类决不会永远躺在这个摇篮里，而会不断地探索新的天体和空间。人类首先将小心翼翼穿过大气层，再然后去征服太阳系空间。

——齐奥尔科夫斯基

一、 基础知识

所谓“航天”，就是人类冲出地球大气层，到宇宙太空中去活动，即宇宙航行。它所使用的是航天器及其运载火箭。在谈航天知识之前，先看几个基本概念。

宇宙速度

物体在地球表面上飞行时，达到11.2千米/秒的运动速度，就能摆脱地球引力的束缚，这个速度叫脱离速度或逃逸速度。在摆脱地球束缚的过程中，在地球引力的作用下它并不是直线飞离地球，而是按抛物线飞行。脱离地球引力后在太阳引力作用下绕太阳运行。若要摆脱太阳引力的束缚飞出太阳系，物体的运动速度必须达到16.7千米/秒。那时将按双曲线轨迹飞离地球，而相对太阳来说它将沿抛物线飞离太阳。

人类的航天活动，并不是一味地要逃离地球。特别是当前的应用航天器，需要绕地球飞行，即让航天器作圆周运动。众所周知，必须始终有一个力作用在航天器上。其大小等于该航天器运行线速度的平方乘以其质量再除以公转半径，即F=mv2/R.在这里，正好可以利用地球的引力。因为地球对物体的引力，正好与物体作曲线运动的离心力方向相反。

宇宙速度是物体从地球出发，在天体的重力场中运动，四个较有代表性的初始速度。航天器按其任务的不同，需要达到这四个宇宙速度的其中一个。

第一宇宙速度（又称环绕速度）：是指物体紧贴地球表面作圆周运动的速度(也是人造地球卫星的最小发射速度)。大小为7.9km/s ——计算方法是V‵=gR (g是重力加速度，R是星球半径) 。

第二宇宙速度（又称脱离速度）：是指物体完全摆脱地球引力束缚，飞离地球的所需要的最小初始速度。大小为11.2km/s 。

第三宇宙速度（又称逃逸速度）：是指在地球上发射的物体摆脱太阳引力束缚，飞出太阳系所需的最小初始速度。其大小为16.7千米/秒。

环绕速度和逃逸速度也可应用于其他天体。例如计算火星的环绕速度和逃逸速度，只需要把公式中的M,R,g换成火星的质量、半径、表面重力加速度即可。

人造地球卫星轨道

人造地球卫星轨道就是人造地球卫星绕地球运行的轨道。这是一条封闭的曲线。这条封闭曲线形成的平面叫人造地球卫星的轨道平面，轨道平面总是通过地心的。

人造地球卫星轨道按离地面的高度，可分为低轨道、中轨道和高轨道；按形状分可分为圆轨道和椭圆轨道；按飞行方向分可分为顺行轨道（与地球自转方向相同）、逆行轨道（与地球自转方向相反）、赤道轨道（在赤道上空绕地球飞行）和极轨道（经过地球南北极上空）。人造地球卫星还有以下几种特殊轨道。

地球同步轨道。卫星在顺行轨道上绕地球运行时，其运行周期（绕地球一圈的时间）与地球的自转周期相同。这种卫星轨道叫地球同步轨道。

地球静止卫星轨道。如果地球同步轨道卫星正好在地球赤道上空离地面35786千米的轨道上绕地球运行，由于它绕地球运行的角速度与地球自转的角速度相同，从地面上看去它好像是静止的，这种卫星轨道叫地球静止卫星轨道。地球静止卫星轨道是地球同步轨道的特例，它只有一条。

太阳同步轨道。由于地球扁率（地球不是圆球形，而是在赤道部分隆起），卫星轨道平面绕地球自转轴旋转。如果卫星轨道平面绕地球自转轴的旋转方向和角速度与地球绕太阳公转的方向和平均角速度相同，则这种卫星轨道叫太阳同步轨道。

人造地球卫星按运行轨道可以分为：低轨道卫星的轨道高度为200～2000千米；中高轨道卫星的轨道高度为2000～20000千米；地球静止轨道卫星的轨道高度为35786千米，位于赤道上空。人造地球卫星绕地球运行遵循开普勒行星运动三定律。

开普勒三定律

成百上千个人造卫星都在绕地球运动着，它们纪律严明，各有轨道，但却遵循着共同的规律。人类在长期观察、记录、总结行星运动的过程中，得出出关于行星运动的三条定律－开普勒三定律，这三条定律同样适用于月球、人造卫星绕地球的运动。

（1）行星绕太阳运动的轨道是一个椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。人造地球卫星绕地球运动的轨道也是一个椭圆，地球在椭圆的一个焦点上。在很多情况下，可以将卫星轨道近似看作一个圆。

（2）行星和太阳的连线称为向径r，在相等的时间内向径扫过的椭圆面积相等。由此可知，卫星沿椭圆运动时，速度大小并不相等，在近地点附近速度大，在远地球附近速度小。

（3）行星运行周期的平方和轨道半长轴的立方成正比。卫星在轨道上运动一周所需要的时间称为周期，常用Ｔ表示，由万有引力定律和开普勒定律可以求出：Ｒ是地球的半径，约等于６４００千米，Ｈp、ＨA为卫星在近地点、远地点距地球表面的高度。gO为地面处的重力加速度，即在地面附近物体在地球引力作用下下落的加速度，一般都取go＝９.８米／秒2。如果轨道为圆，则有h是卫星距地面的高度。若卫星的高度不同，h远远小于Ｒ，可近似有h/Ｒ=０，那么，由此可知，在近地空间运动的卫星绕地球运动一周需要８５分－９０分，离地球越远，周期越长。

不过，宇宙航行的范围过于宽广。我们知道，地球只不过是太阳系九大行星中一颗中等大小的行星，与太阳的距离约1.5亿千米，即1天文单位。而最远的冥王星，离太阳近40天文单位。如果以彗星的活动范围计算，太阳系的半径为23万天文单位。但太阳只不过是银河系中一颗中等大小的恒星，银河系中有1000多亿颗恒星，银河系的半径达5万光年。光年是光行进1年的距离，光速为30万千米/秒，1光年大约是10万亿千米。可是，在宇宙中，有1000多亿个像银河系一样的星系，统称河外星系，宇宙的尺度以100亿光年计算。

同时，冲出地球大气层在太阳系范围内活动，与冲出太阳系在银河系活动，它们对科学技术的要求不可同日而语。离太阳最近的恒星比邻星，距离太阳达4.2光年，若以第三宇宙速度前往，即以16.7千米/秒的速度惯性飞行，需要7.5万多年，到最近的河外星系——仙女座星系，则需要460多亿年，因此，这是目前的技术所远远不能胜任的。正是由于上述原因，我国著名科学家钱学森认为，宇宙航行应划分为两个阶段，第一阶段是在太阳系内活动，叫航天；第二阶段是到银河系乃至河外星系活动，叫航宇。他还指出，要实现航宇的理想，科学技术还需要几次大的飞跃。

当前，人类还处在航天的开头阶段。自1957年10月4日，前苏联发射了世界上第一颗人造卫星以来，人类航天发展的历史已经超过了50年，在这半个世纪中，随着航天技术的飞速发展，人们的生活、社会经济，甚至是军事战略发生了日新月异的变化。

二、 运载火箭和发射

追溯源头，中国是最早发明火箭的国家。"火箭"这个词在三国时代（公元220～280年）就出现了。不过那时的火箭只是在箭杆前端绑有易燃物，点燃后由弓导射出，故亦称"燃烧箭"。随着原始火药的出现，火药便取代厂易燃物，使火箭迅速应用到军事中。唐末宋初（公元10世纪）已经有火药用于火箭的文字记载。北来的军官冯继升、岳义方、唐福等曾向朝廷献过火箭及火箭法。这时的火箭虽然使用了火药，但仍由弓弩射出。

宋代就已经出现实用的火箭，明代是我国火箭技术迅速发展的时期。真正靠火药喷气推进而非弓弩射出的火箭的外形，被记载于明代等元仪编著的《武备志》中。这种原始火箭虽然没有现代火箭那样复杂，但已经具有战斗部（箭头）、推进系统（火药筒）、稳定系统（尾部羽毛）和箭体结构（箭杆），完全可以认为是现代火箭的雏形。军事技术家制成多种利用火药反作用力推进的火箭，用于军事战争。明初，朱元璋第四子燕王朱棣在夺取政权的“靖难之役”中，于河北的白沟河同建文帝的部队作战时，遭到“一窝蜂”火箭的射击，这是中国最早将“喷气火箭”用于战争的记载。

中华民族不但发明了火箭，而且还最早应用了串联（多级）和并联（捆绑）技术以提高火箭的运载能力。明代史记中记载的"神火飞鸦"就是并联技术的体现；"火龙出水"就是串、并联综合技术的具体运用。

世界上第一个试图乘坐火箭上天的"航天员"也出现在中国。相传公元16世纪，万户（又称万虎）成为世界上第一个想通过火箭飞天的人。为了探索太空的奥秘，他以惊人的胆略，在座椅的背后捆绑了在当时最大的47支火箭，自己则绑在座椅的前边，手持两个大风筝，令人用火同时点燃47支火箭，试图用火箭的推力和风筝的升力进入太空。随着一阵剧烈的爆炸，当硝烟散尽后，万户和他的“飞行器”早已灰飞烟灭。

虽然我们的祖先发明了火药、火箭，但由于长期的封建统治，致使中华民族的聪明才智得不到充分发挥，科学技术因而停滞不前。尽管欧洲人在中国发明火箭的几百年后才学会使用火箭，然而现代火箭技术还是首先在欧洲得到了迅速发展。 13～14世纪，中国的火箭技术与其他火药兵器一同传到阿拉伯、印度，后又传入欧洲。至18世纪后期，印度军队在抗击英、法军队的多次战役中成功地使用了火药火箭（射程超过1公里）的战例推动了欧洲火箭技术的发展。曾与印军作战的英国军官W.康格里夫在19世纪初配制了多种黑火箭，并使火箭的射程提高到2.5至3公里。

中国古代火箭技术传到欧洲之后，经改进，火箭曾被列为军队的装备。早期的火箭射程近、落点散布大，以后被火炮代替。第一次世界大战后，随着科学技术的不断进步，火箭武器得到迅速发展，并在第二次世界大战中发挥了威力。

19世纪80年代，瑞典工程师拉瓦尔发明了拉瓦尔喷管，使火箭发动机的设计日臻完善。19世纪末20世纪初,液体火箭技术开始兴起。使用火箭进行宇宙航行，俄国的齐奥尔科夫是理论上的奠基人。1903年,俄国的К.E.齐奥尔科夫斯基提出了制造大型液体火箭的设想和设计原理，奠定了日后研制远程火箭的基础。1926年3月16日，美国的火箭专家、物理学家R. H. 戈达德试飞了第一枚无控液体火箭。 1944年，德国首次将有控的、用液体火箭发动机推进的V—2导弹用于战争。1931年5月，德国科学家赫尔曼•奥伯特领导的宇宙航行协会试验成功了欧洲的第一枚液体火箭。到了1932年，德国军方在参观该协会研制的液体火箭发射试验之后，意识到火箭武器在未来战争中具有的巨大潜力，便开始组织一批科学家和工程技术人员，集中力量秘密研制火箭武器。到40年代初，德国在第二次世界大战中期，先后研制成功了能用于实战的V-1、V-2两种导弹。其中V-1是一种飞航式有翼导弹，采用空气喷气发动机作动力装置；V-2是一种弹道式导弹，采用火箭发动机作动力装置第二次世界大战以后，苏联和美国等相继研制出包括洲际弹道导弹在内的各种火箭武器。