第一支火箭：被戰火推進的航太史-FindBook 找書網 ISBN:9789865166847

圖書名稱：第一支火箭：被戰火推進的航太史

火箭研發｜阿波羅計畫｜尋找黑洞｜殖民火星

《宇宙零時》作者張天蓉的又一經典力作
一本適合所有天文愛好者的精彩航太史！

▪從美夢到噩夢：火箭誕生的血淚史
二次大戰期間，液體火箭製作師馮·布朗在1930年代的任務，是開發液體燃料火箭（A4火箭）。他腦海中無疑經常夢想到月球旅行，因為A4火箭上畫的是科幻片《月亮中的女人》的宣傳畫，他甚至還制定了載人航太飛行計畫！
但納粹分子不要「登月」，也不在乎是否進入「太空」，他們做的是製造武器、屠殺人類的另一種夢。從1943年開始，布朗研發的A4火箭變成了V2導彈，意為德文「復仇武器（Vergeltungswaffe）」，企圖扭轉德軍的敗局。
馮·布朗的夢想指向太空，但命運卻讓他擊中了倫敦，殺害了不少無辜的民眾。正如他在聽到倫敦被擊中的消息後說：
「火箭工作正常，除了登陸在了錯誤的星球上。」　

▪從一顆衛星開始：令全球顫慄的美蘇太空競賽
第二次世界大戰之後，世界力量重組，美蘇兩大巨頭都各懷鬼胎，想要率先發射人造衛星顯示國力。
1955年7月29日，美國總統艾森豪得意揚揚地宣布：「美國將於1957年發射第一枚人造衛星！」
但美國人大而化之，對蘇聯太空計畫的細節不得而知，也由此小看了敵方的科技力量。而就在1957年10月4日，蘇聯就宣布發射了第一顆人造衛星「史普尼克1號」！
蘇聯搶先發射人造衛星的消息，美國媒體一片嘲諷，科技界人士沮喪，民眾則有些驚慌，以為美國如今「技不如人」。雖然艾森豪總統及時發表電視演說，祝賀蘇聯的成就，並保證國家安全，但美國股票市場仍然遭受重創，這個事件也拉開了美蘇太空競賽的帷幕。

『地球是人類的搖籃，但人類不會永遠被束縛在搖籃裡！』

▪阿波羅13號的奇蹟：「自由返回軌道」神救援
美國的第三次登月計畫「阿波羅13號」，在太空船發射兩天之後，服務艙的氧氣罐爆炸，太空船嚴重毀損，失去大量氧氣和電力──如此大的爆炸，太空人究竟是如何奇蹟生還？
按常理來說，爆炸後應該盡快返回地球，但直接掉頭必須先迫使太空船速度反向，這需要很大的推力。而供給推力的服務推進系統正好位於發生事故的服務艙尾部，如果點火燃燒推進系統，很有可能又引起爆炸。因此，指揮中心決定利用「自由返回軌道」返回地球。
所謂「自由返回軌道」的方法，指的是「借月球一臂之力」，充分利用月球引力的自然助推作用，使得太空船轉向返回。
「阿波羅13號」使用登月艙的降落火箭，稍作機動變軌進入到「自由返回軌道」。然後，待登月艙繞過月球背面後，降落火箭被點燃，以加速登月艙返回地球的速度，最後順利地進入地球軌道並安全返回地面。

▪末日之後：移民火星需要克服什麼？
儘管目前的火星並不適合人類居住，但不少人相信，火星的環境可以透過現有技術逐漸改變，那人類移民火星究竟會碰到什麼樣的困難？
［極端環境］
人類得先在火星土壤引進細菌和策略性植物，逐步建立一個人造生物圈，達到改變環境、改變大氣層的厚度和成分的目的，使火星越來越適合高等生物的居住。
［大氣稀薄］
火星的大氣層僅相當於地球大氣層的0.7%，只可以抵擋部分的太陽輻射和宇宙線，且氧氣不足，二氧化碳的比例卻又遠遠高於人類中毒的極限值。因此一開始移民的人類，只能在人造建築物或改造的火星洞穴中生活，且必須配有壓力設備，以維持足夠的氣壓。
［能源匱乏］
以上種種方法，都需要能源維持。一開始可以考慮地球上帶去燃料，為長遠之計則需要考慮如何利用火星上的資源產生能量，而不是長期依賴於地球的原料供給。

飛向瑰麗宇宙，探索浩瀚無垠，
沒有哪一門科學，能像航太這樣充滿幻想色彩！

★本書以第二次世界大戰後美蘇的太空競爭為線索，插入一些當事人和研究者的逸聞趣事，將航太方面的科學技術發展穿插其中！
★本書沒有數學公式，適合所有愛好科學的大眾閱讀，包括各個年齡層次的文科讀者，讓你在輕鬆遨遊星際的過程中，也能充分領略宇宙的知識與美感！

作者簡介：

張天蓉，科普作家，美國德州奧斯汀大學理論物理博士，現居美國芝加哥。研究課題包括廣義相對論、黑洞輻射、費曼路徑積分、飛秒雷射、雷射探測晶體性質、高頻及微波通訊、EDA積體電路軟體等，發表專業論文三十餘篇。2012年開始出版了一系列科普著作，其文風深入淺出，趣味盎然，亦保持科學的嚴謹性，深得讀者喜愛，代表作品有《宇宙零時：從太陽系倒流回大霹靂，宇宙謎團的解答之書》、《蝴蝶效應之謎：走近分形與混沌》、《世紀幽靈：走近量子糾纏》、《上帝如何設計世界：愛因斯坦的困惑》、《愛因斯坦與萬物之理：統一路上人和事》等。

章節試閱

第一章火箭研發
第5節蘇聯衛星發射搶先美國落後心有不甘

除了地球之外，人類最熟悉的天體是太陽和月亮。太陽熱氣騰騰只能敬而遠之，月亮則是一個寧靜安詳的親密夥伴，猶如一名守衛著地球的士兵，人類親切地稱它為「衛星」。那麼，我們是否首先可以發射一個人造物體，如同月亮那樣繞著地球轉呢？這個人造物體可以帶上需要的儀器設備，代替人類從高處來觀測地球、監控大氣，研究地磁以及海洋、潮汐、太陽黑子等，為我們提供各種服務，真正達到「守衛」地球的目的。也就是說，能否發射「人造衛星」？
肯定的答案，早在1687年就由物理先驅牛頓提出。根據萬有引力定律，任何兩個物體之間都存在互相吸引的力，蘋果下落、月亮繞圈，都是同一種力在發揮作用。地球繞著太陽轉，月亮繞著地球轉，但為什麼會一個繞著另一個轉，而不是像蘋果那樣掉到地面上呢？是因為它們有一定的速度（注：本書中經常使用「速度」一詞，實際上指的是速率）。如果沒有重力，物體將順著它的速度方向做直線運動，重力使它從直線偏離。比如說，我們從地面上拋石頭，石頭走的是曲線不是直線，因為地球對它的重力使它從直線偏離。
牛頓在認真研究重力問題時，設想了一個用「牛頓炮」發射人造衛星的思想實驗。位於高處的牛頓炮沿水平方向射出一發砲彈，砲彈的初速度越大，便能夠射得越遠。速度小一點的時候，砲彈射到A點；如果加快速度，砲彈便能到達更遠的點；如果速度快到一定的數值，便有可能使得砲彈繞過地球半徑，並且不再回到地面上，而是環繞地球作圓周運動。
能夠使得拋射物體環繞地球作圓周運動的速度的數值，與發射點在地球表面的高度h有關，叫做地球表面的第一宇宙速度。
設想發射點的高度不變，但拋射物體的速度繼續增加，拋射物體仍然繞地球轉圈，作週期運動，但軌道變成橢圓。速度越大，橢圓越扁。即軌道的離心率越大，意味著橢圓的長軸越長。當速度大到某個數值時，長軸變到無窮大，也就是說，拋射出去的物體不再回到地球附近，這使得物體「掙脫」了地球重力束縛的最小速度為第二宇宙速度。而如果速度再增加的話，物體就有可能掙脫太陽的重力，飛出太陽系，那個極限速度叫做第三宇宙速度。與地球重力場有關的只是第一和第二宇宙速度，以這兩個速度之間的速度發射的物體，將類似於月球，理論上來說，不需要額外的動力就會永遠圍繞地球轉圈，即成為地球的人造衛星。
當時科學家們建議發射人造衛星的呼聲，也正好迎合了東西兩方政治家們的野心。第二次世界大戰之後，世界力量重新組合，基本上是不打明仗，來點冷戰，雙方的原子彈導彈暫時都是放在家裡恐嚇人的東西，如果能首先發射一顆人造衛星，不但顯示國力，也應該還有真正的用途。1950年代初期，英美各國的科學家們就開始在學術刊物上研討相關問題。1955年7月29日，美國總統艾森豪，頗有些得意揚揚地宣布：「美國將於1957年發射第一枚人造衛星！」而一個星期之後，蘇聯政府也同意了科羅廖夫幾年前有關人造衛星計畫的建議。不過，蘇聯人善於保守祕密，美國人又大而化之，對蘇聯太空計畫的細節不得而知，也從未聽過科羅廖夫的名字，搞不清楚誰是蘇聯火箭技術的領導人，只稱呼他為「主任設計師」，並且由此小看了蘇聯的科技力量，總以為自己在導彈和宇宙工程領域上理所當然地站在最尖端。不料蘇聯卻在1957年10月4日，為美國人投下了一顆重磅炸彈。蘇聯在8月26日成功發射洲際導彈後，不到一個半月的工夫，就宣布發射了第一顆人造衛星「史普尼克1號」（Sputnik Ⅰ）。
蘇聯搶先發射人造衛星的消息，的確是一顆「心理炸彈」，投在了美國政府、媒體、民眾、科學家的心上。媒體一片嘲諷，科技界人士沮喪，民眾則有些驚慌，以為美國如今「技不如人」，安全會受到威脅。雖然艾森豪及時於10月9日發表電視演說，祝賀蘇聯的成就，並解釋本國衛星研究的現狀，保證美國沒有安全問題，但股票市場仍然遭受重創，道瓊指數從3日的465.82點，跌到22日的419.79點，3週內跌幅近10%，這個事件也拉開了美蘇太空競賽的帷幕。
事實上，當初美國有可能率先發射衛星，但他們錯估了形勢，自以為是。美國曾經在「史普尼克1號」發射之前嘗試試射人造衛星兩次，但因種種原因均告失敗。況且在這種大專案上，資本主義國家的多條管道分散了科學研究的體制，沒有集權制度來得有效。不過，這也激起了美國決策人員的重視和警惕，並改良了諸多科技方面的措施。比如說，美方技術人員在兩天內便計算出了「史普尼克1號」的軌道；1958年，美國成立了美國航太總署（National Aeronautics and Space Administration，NASA），正式開啟了一系列航太計畫；美國人開始重視教育，教育界人士思考，我們怎麼會落在蘇聯之後呢？可能是數學訓練不夠所致。因此推動了新數學運動，要培養出一流科技人才。此外，國家科學基金會的設立，使科學界意外獲得了大量研究資金。
美國人如此不甘示弱，在4個月後，便成功發射了人造地球衛星「探險者1號」。第一顆人造衛星的意義主要是象徵性的，從圖5-2中的尺寸比較，雙方第一顆衛星的本體都不大，「史普尼克1號」是球形，「探險者1號」是長形，但前者的質量大（83.6kg），差不多是「探險者1號」質量的6倍。第一顆衛星看起來都只像是個簡單的玩具，關鍵設備是能夠將它們加速到第一宇宙速度（7.9km/s）、推上「天」去的運載火箭。推動「史普尼克1號」的火箭叫做R-7，推動「探險者」的火箭叫做「朱諾1號運載火箭」（注意：與NASA在2011年發射的木星探測器重名）。衛星雖然小巧玲瓏，發射它們的火箭卻都是龐然大物，火箭的尺寸，即高度和直徑，都是衛星的10倍左右，質量達到幾十噸，兩個龐然大物分別由兩方的首席火箭專家科羅廖夫和布朗設計。
科羅廖夫大膽採用三節捆綁式R-7火箭，成功將世界上第一顆人造地球衛星「史普尼克1號」送入軌道。衛星上配有兩臺無線電廣播發射器，它們持續工作了23天，連續不斷地將「beep」的聲音從太空傳送給地球，讓全世界對蘇聯不得不刮目相看。這無疑是科學上的重大成果，但設計者科羅廖夫的名字卻不為人所知。據說諾貝爾獎委員會曾經有意為第一顆人造衛星頒獎，問到誰是設計研發者時，赫魯雪夫回答：「是全體蘇聯人民！」但諾貝爾獎不會頒給如此巨大的集體，那這個獎當然就無人可得了。
緊接著，蘇聯又拔得了一系列行動的第一名。1957年，人造地球衛星2號，帶小狗萊卡進入太空。萊卡是第一個在太空條件下生活的生物，但牠只在太空存活了數小時便因中暑而死，所以也是第一隻在太空飛行犧牲的動物。1958年，蘇聯成功地發射了第一顆科學衛星（衛星3號）；1959年發射「月球1號」探測器，標誌著人造物體首次脫離地球軌道……
有意思的是，美國人總不接受教訓，也學不會「保密」他們認為只是民用的航太計畫。他們提前宣布在1961年5月上旬要把美國人送上太空，要知道蘇聯對此早就「萬事俱備，只欠東風」了。不過，那個年代的蘇聯在航太相關研究過程中，出了一次大事故（本書在最後一章中有所介紹），砲兵元帥被炸死的陰影還在赫魯雪夫的腦海裡揮之不去，但最後在科羅廖夫的堅持下，蘇聯終於又搶先了一步。1961年4月12日，蘇聯人加加林（Yuri Gagarin）成為首次進入太空的人，他乘坐「東方一號」太空船，繞地球一圈，在太空逗留了108min並安全返回地球。那天，焦慮不安地在電話旁守候了一個多小時的赫魯雪夫聽到鈴聲後抓起電話，第一句話是：「先告訴我，他是否活著？」
聽見了肯定的答案後，赫魯雪夫心中石頭落地，冒出第二句話：「讓他高興高興吧。」
赫魯雪夫問話中所擔憂的加加林依然活著，不過他在短短的太空之行中險象環生，他的太空船呼嘯翻滾著，降落在離預計目標甚遠（400km）的一片草原上，將地面撞出了一個大坑！他自己倒是很幸運，從太空船中被彈射出來後，他撐著降落傘平穩地落在了一塊軟綿綿的耕地上。
加加林身穿橘紅色太空裝，個子不高，157公分。據說挑選小個子的加加林擔此重任，也是經過科羅廖夫精心考慮，以便更容易被塞進空間有限的太空船中。話說這位太空人撥開被風吹得飄飄搖搖的降落傘，安然無恙地站起來後，立刻憑直覺認出了這裡仍然是祖國蘇聯的領土。這是第一件大好事，因為根據預先設定的命令，如果降落在敵對國家的話，就得考慮引爆預先安置的炸彈，來個「光榮犧牲」，以避免背上「叛逃」的嫌疑。奇裝異服的加加林朝正在耕地上勞動的一對母女走過去，一開始嚇壞了她們；但最後在兩人的幫助下，趕快打電話到莫斯科報告了這個喜訊，也立即高興地得知了他已經被命名為「蘇聯英雄」，並且軍銜連升兩級、成為少校的好消息。
加加林上天，實現了齊奧爾科夫斯基的名言：「地球是人類的搖籃，但人類不會永遠停留在搖籃裡。」世界各地的媒體都報導了這個消息，滿面笑容的蘇聯人加加林代表人類，第一次離開了「搖籃」！
三個星期之後，美國也用「水星號」將第一個美國人艾倫·雪帕德（Alan Bartlett Shepard）送上太空，但終究還是錯失了第一名。並且，這個美國的第一次載人太空旅行只是一次彈道似的，沒有進入地球軌道，飛行時間總共只有15分鐘22秒。
這些為人類登月進行準備的航太活動中，蘇聯都走在了美國的前面，可惜好景不長，1969年至1970年的「阿波羅計畫」，為美國打了一個翻身仗。
蘇聯人為何沒有登上月亮？美國人的月球計畫是怎樣取得成功的？月亮的運動有何特點？作者將在下一章中慢慢道來。

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推薦序

引言亮劍太空

從地球走向太空，是人類文明的一大進步。
飛天夢是人類自古以來就有的夢想。希望能像鳥兒一樣自由自在地在空中飛翔，是航空夢；到月亮上去，進而探索莽莽河漢和浩瀚神祕的太空，是航太夢。這兩類夢想吸引著無數英雄競折腰，甚至為此犧牲，但人類仍然前仆後繼，勇往直前。
航空和航太，起源一致但因理論和技術不同而分家，本書描述的是航太而非航空。
華人自古不缺航太夢，從「嫦娥奔月」的神話想像，到「萬戶飛天」的身體力行，歷史文化中均有傳說和記載，甚至現代航太中必不可缺的火箭技術也是源自於過去的偉大發明。...

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引言亮劍太空

第一章火箭研發
第1節納粹潰退烽火滅絕美軍挺進人才捕獲
第2節古人愛做太空夢大師練就理論功
第3節戈達德飽受嘲諷奧伯特見證登月
第4節委以重任科羅廖夫舉世無雙馮·布朗
第5節蘇聯衛星發射搶先美國落後心有不甘

第二章登月之路
第6節古月依然照今人猶抱琵琶半遮面
1．潮汐和潮汐鎖定
2．月亮正在遠離地球
3．如果月球公轉比地球自轉快
4．地球為什麼不對月球鎖定？
5．軌道共振
6．月亮其實不是「半遮面」
7．月球地貌
第7節雙子星計畫成功俄羅斯棟梁病逝
第8節「阿波羅」載人月球漫...

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