高中地球科學/早期太空探索
人類長期以來一直夢想著飛向太空。希臘神話講述了代達羅斯和伊卡洛斯的故事，這對父子利用羽毛和蠟製成的翅膀飛翔。代達羅斯警告他的兒子不要飛得太靠近太陽，但伊卡洛斯卻對飛行的感覺興奮不已，越飛越高。當他飛得太靠近太陽時，蠟融化了，伊卡洛斯掉進了海里。這個神話通常被解釋為關於愚蠢或過度驕傲的，但我們也可以理解伊卡洛斯當時會感受到的興奮。很久以後，科幻作家，如儒勒·凡爾納（1828-1905）和赫伯特·喬治·威爾斯（1866-1946），寫了一些關於可能使飛出地球進入太空的夢想成為可能的科技的文章。
- 解釋火箭的工作原理。
- 描述不同型別的衛星。
- 概述早期太空探索中的重大事件，包括太空競賽。
直到20世紀下半葉，人類才進入太空。然而，使太空探索成為可能的關鍵技術——火箭，已經存在很長時間了。火箭是一種由高速噴出的粒子推進的裝置。我們不知道是誰製造了第一枚火箭，也不知道是什麼時候，但有記錄表明，早在13世紀，中國就曾使用火箭在戰爭中對抗蒙古人。而蒙古人又在他們對東歐的進攻中傳播了火箭技術。早期的火箭也被用來發射煙花和其他儀式用途。
幾個世紀以來，火箭一直被使用，但沒有人能確切解釋它們是如何工作的。直到1687年，艾薩克·牛頓（1643-1727）描述了三個基本運動定律，現在稱為牛頓運動定律，才有瞭解釋這一現象的理論。
- 運動中的物體將保持運動狀態，除非受到淨力的作用。
- 力等於質量乘以加速度。
- 對於每一個作用，都有一個大小相等、方向相反的反作用。
牛頓第三運動定律在解釋火箭的工作原理方面特別有用。為了更好地理解這條定律，請考慮圖23.16中的滑板運動員。當滑板運動員推牆時，滑板運動員的作用力——“作用”——與牆對滑板運動員施加的相反方向的相等作用力相匹配——“反作用”。
然而，一旦滑板運動員開始運動，他就沒有任何東西可以推了。現在想象一下，滑板運動員拿著一個滅火器。當他按下滅火器的扳機時，液體或粉末從滅火器中噴出，他向後移動。在這種情況下，作用力是將物質從滅火器中推出的壓力。物質對滅火器的反作用力將滑板運動員向後推。
長期以來，許多人認為火箭在太空中無法工作，因為火箭沒有任何東西可以推。然而，太空中的火箭就像拿著滅火器的滑板運動員一樣。燃料在燃燒室中被點燃，導致氣體爆炸。爆炸產生的壓力迫使氣體從火箭中噴出。當這些氣體從末端噴出時，火箭會向相反的方向移動，正如牛頓第三運動定律所預測的那樣。氣體對火箭的反作用力將火箭向前推進，如圖23.17所示。推動火箭的力也稱為推力。
幾個世紀以來，火箭一直由火藥或其他固體燃料提供動力。這些火箭只能飛行相當短的距離。在19世紀末和20世紀初，火箭技術取得了幾項突破，導致了能夠攜帶火箭——以及人類——飛出地球的強大火箭。在此期間，有三個人獨立地提出了類似的改進火箭設計的思路。
第一個確立現代火箭技術許多主要思想的人是一位名叫康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基（1857-1935）的俄羅斯教師。他的大部分工作甚至是在1903年進行的第一次飛機飛行之前完成的。齊奧爾科夫斯基意識到，為了讓火箭擁有足夠的動力擺脫地球引力，它們需要使用液體燃料而不是固體燃料。他還意識到，在火箭的燃料使用量和火箭重量之間找到合適的平衡非常重要。他提出了在發射火箭時使用多級火箭的想法，這樣空燃料箱就會脫落以減少質量。齊奧爾科夫斯基有很多偉大的想法，也設計了很多火箭，但他從未製造過任何一枚。
第二個偉大的火箭先驅是美國人羅伯特·戈達德（1882-1945）。他獨立地提出了與齊奧爾科夫斯基的一些相同的想法，例如使用液體燃料和使用多級火箭。他還設計了一種冷卻從火箭中噴出的氣體的系統，這使得火箭效率大大提高。戈達德比齊奧爾科夫斯基更務實，他建造了火箭來檢驗自己的想法。圖23.18展示了戈達德和他第一枚使用液體燃料的火箭。這枚火箭於1926年3月16日在馬薩諸塞州發射。在畢生的研究中，戈達德提出了許多至今仍在火箭中使用的創新技術。
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| 圖23.18：（左）羅伯特·戈達德於1926年3月16日發射了第一枚液體燃料火箭；（右）該示意圖顯示了戈達德火箭的細節。 | |
第三位偉大的火箭科學先驅是一位羅馬尼亞裔德國人，名叫赫爾曼·奧伯特（1894-1989）。在20世紀20年代初，奧伯特提出了許多與齊奧爾科夫斯基和戈達德相同的想法。他早期的工作沒有得到大多數科學家的重視。儘管如此，奧伯特還是製造了一枚液體燃料火箭，並於1929年發射了它。後來，他加入了一個科學家團隊，為德國軍隊設計了圖23.19所示的火箭。這枚火箭最初被稱為A-4，後來被稱為V-2，在第二次世界大戰中發揮了重要作用。德國人使用V-2作為導彈轟炸比利時、英國和法國的眾多目標。1942年，V-2被髮射到176公里（109英里）的高度，使其成為第一個進入太空的人造物體。一般認為100公里（62英里）的高度是地球大氣層和太空的分界線。
研製V-2火箭的團隊領導者是一位名叫沃納·馮·布勞恩的德國科學家。馮·布勞恩後來逃離德國來到美國，在那裡幫助美國研製導彈武器，然後加入美國國家航空航天局（NASA）設計用於太空旅行的火箭。在NASA，馮·布勞恩設計了土星5號火箭（圖23.17），該火箭最終被用於將首批人類送上月球。
火箭在太空中的首批應用之一是發射衛星。衛星是指圍繞較大天體執行的天體。軌道的意思是指圍繞某個天體以圓形或橢圓形路徑執行。這條路徑也稱為軌道。當您想到衛星時，您可能會想到某種圍繞地球執行的金屬航天器，但月球也是一顆衛星。人工送入軌道的物體稱為人造衛星。自然存在的軌道物體，例如月球，稱為天然衛星。
艾薩克·牛頓的第三運動定律解釋了火箭的工作原理，他還提出瞭解釋衛星為何能保持軌道執行的理論。牛頓的萬有引力定律描述了宇宙中每個物體都受到其他每個物體的吸引。使蘋果落到地面的相同重力，以及使您不會飄到空中的重力，也使月球繞地球執行，以及地球繞太陽執行。
牛頓用以下例子解釋了重力如何使軌道成為可能。考慮從高山上發射的炮彈，如圖23.20所示。如果炮彈以較慢的速度發射，它將落回地球，如圖中的路徑A和B所示。但是，如果它以足夠快的速度發射，下方地球的曲率將與炮彈下落的速度相同，炮彈將進入圓形軌道，如圖中的路徑C所示。如果炮彈發射得更快，它可以進入橢圓軌道（D）或完全離開地球的重力（E）。
請注意，牛頓的想法在現實生活中實際上行不通；從地球最高峰珠穆朗瑪峰發射的炮彈，如果以使其進入軌道的速度發射，將在大氣層中燃燒殆盡。然而，火箭可以垂直向上發射，然後轉向進入軌道。火箭還可以將衛星運送到大氣層之上，然後將衛星釋放到軌道上。
50多年前發射第一顆衛星以來，已有數千顆人造衛星被送入地球軌道。我們甚至將衛星送入了月球、太陽、金星、火星、木星和土星的軌道。成像衛星專為拍攝地球表面照片而設計。這些影像可由軍方使用（由間諜衛星拍攝）或用於科學目的，例如氣象學（由氣象衛星拍攝）。天文學家使用成像衛星來研究和繪製月球和其他行星的地圖。通訊衛星，例如圖23.21中的衛星，旨在接收和傳送電話、電視或其他型別的通訊訊號。導航衛星用於導航系統，例如全球定位系統（GPS）。最大的人造衛星是國際空間站，旨在讓人類在太空中生活並進行科學研究。
衛星的速度取決於它在地球或任何它所繞行的物體上方的高度。相對靠近地球的衛星被稱為處於近地軌道（LEO）。近地軌道的衛星通常也處於極地軌道，這意味著它們垂直於地球自轉方向繞地球南北兩極執行。由於地球在繞軌道執行的衛星下方旋轉，因此極地軌道上的衛星每次環繞地球時都在地球表面的不同位置上方。成像衛星和氣象衛星通常被送入近地極地軌道。
一顆放置在地球上方特定距離——35,786公里（22,240英里）——的衛星，其執行速度與地球自轉速度相同。因此，衛星始終位於地球表面上方的同一位置。這種型別的軌道稱為地球同步軌道（GEO）。許多通訊衛星被送入地球同步軌道。
從1945年第二次世界大戰結束到1991年蘇聯解體，蘇聯和美國一直處於軍事、社會和政治衝突之中。這段時期被稱為冷戰。雖然幾乎沒有發生過實際的軍事衝突，但這兩個國家卻在進行軍備競賽——不斷開發新的、更強大的武器，每個國家都試圖擁有比另一個國家更強大的武器。雖然這場競爭產生了諸多社會和政治後果，但它也推動了技術發展。為戰爭研製導彈大大加快了火箭技術的開發。
1957年10月4日，蘇聯發射了第一顆人造衛星——斯普特尼克1號。斯普特尼克1號（如圖23.22所示）直徑58釐米，重84公斤（184磅）。拖在衛星後面的天線發出無線電訊號，這些訊號被世界各地的科學家和業餘無線電操作員檢測到。斯普特尼克1號以每96分鐘一次的橢圓形路徑繞地球執行，處於近地軌道。它在軌道上運行了大約3個月，直到速度減慢到足以進入地球大氣層，然後由於與地球大氣層的摩擦而燃燒殆盡。
斯普特尼克1號的發射開啟了蘇聯和美國之間的太空競賽。許多美國人震驚於蘇聯擁有將衛星送入軌道的技術，他們擔心蘇聯也可能在軍備競賽中獲勝。1957年11月3日，蘇聯發射了斯普特尼克2號，該衛星搭載了第一隻進入軌道的動物——一條名叫萊卡的狗。
為了應對斯普特尼克計劃，美國於1958年1月31日發射了自己的衛星探險者1號。此後不久——1958年3月17日——美國發射了另一顆衛星先鋒1號。同年晚些時候，美國國會和艾森豪威爾總統成立了美國國家航空航天局（NASA）。
蘇聯仍然設法在許多著名的“首次”中保持領先於美國。1961年4月12日，蘇聯宇航員尤里·加加林成為第一個進入太空和第一個進入地球軌道的人。不到一個月後——1961年5月5日——美國將他們的第一位宇航員送入太空：艾倫·謝潑德。第一個繞地球執行的美國人是約翰·格倫，時間是1962年2月。第一個進入太空的女性是蘇聯人：瓦蓮京娜·捷列什科娃，時間是1963年6月。表23.1中的時間軸顯示了太空競賽中的許多其他“首次”。
| 日期 | 成就 | 國家 | 任務名稱 |
|---|---|---|---|
| 1957年10月4日 | 第一顆人造衛星，來自太空的第一個訊號 | 蘇聯 | 斯普特尼克1號 |
| 1957年11月3日 | 第一個進入軌道的動物（萊卡犬） | 蘇聯 | 斯普特尼克2號 |
| 1958年1月31日 | 美國的第一顆人造衛星 | 美國 | 探險者1號 |
| 1959年1月4日 | 第一個繞太陽執行的人造物體 | 蘇聯 | 月球1號 |
| 1959年9月13日 | 第一個撞擊其他行星或衛星（月球） | 蘇聯 | 月球2號 |
| 1961年4月12日 | 第一次載人航天飛行和第一次載人軌道飛行（尤里·加加林） | 蘇聯 | 東方1號 |
| 1961年5月5日 | 美國第一次載人航天飛行（艾倫·謝潑德） | 美國 | 水星-紅石3號（自由7號） |
| 1962年2月20日 | 美國第一次載人軌道飛行（約翰·格倫） | 美國 | 水星-阿特拉斯6號（友誼7號） |
| 1962年12月14日 | 第一次行星飛掠（金星） | 美國 | 水手2號 |
| 1963年6月16日 | 第一個進入太空的女性，第一個進入軌道的女性（瓦蓮京娜·捷列什科娃） | 蘇聯 | 東方6號 |
| 1965年3月18日 | 第一次艙外活動（“太空行走”）（阿列克謝·列昂諾夫） | 蘇聯 | 上升2號 |
| 1966年2月3日 | 第一次在其他行星或衛星（月球）上軟著陸，第一次拍攝來自其他世界的照片 | 蘇聯 | 月球9號 |
| 1966年3月1 | 第一次撞擊其他行星（金星） | 蘇聯 | 金星3號 |
| 1966年4月3日 | 第一個繞其他世界（月球）執行的人造衛星 | 蘇聯 | 月球10號 |
| 1966年6月2日 | 美國第一次在月球上軟著陸，美國第一次拍攝來自月球的照片 | 美國 | 勘測者1號 |
| 1968年12月21日 | 第一個繞其他世界（月球）執行的人類（詹姆斯·洛弗爾，弗蘭克·博曼，比爾·安德斯） | 美國 | 阿波羅8號 |
| 1969年7月21日 | 首批登上月球的人類（尼爾·阿姆斯特朗，巴茲·奧爾德林） | 美國 | 阿波羅11號 |
美國和蘇聯之間的太空競賽在1969年達到頂峰，當時美國將首批人類送上了月球。然而，這兩個國家太空計劃之間的競爭持續了許多年。
1961年5月25日，在第一個美國人進入太空後不久，約翰·F·肯尼迪總統向美國國會提出了以下挑戰
| “ | 我相信，這個國家應該致力於在本十年結束之前實現的目標，即讓一個人登上月球並安全地返回地球。在這一時期，沒有一個單一的太空專案會給人類留下更深刻的印象，或者對空間的長期探索更重要；也沒有一個專案會如此困難或昂貴。 | ” |
八年後，美國國家航空航天局的阿波羅11號任務實現了肯尼迪的雄心壯志。1969年7月20日，宇航員尼爾·阿姆斯特朗和巴茲·奧爾德林成為首批踏上月球的人類，如圖23.23所示。
在阿波羅11號任務之後，另外四次美國任務成功地將宇航員送上了月球。最後一次載人登月任務是阿波羅17號，它於1972年12月11日著陸。迄今為止，還沒有其他國家將人送上月球。
1975年7月，蘇聯和美國進行了一次名為阿波羅-聯盟測試計劃的聯合任務。在此期間，一艘美國阿波羅飛船與一艘蘇聯聯盟號飛船對接，如圖23.24所示。許多人認為這是太空競賽的象徵性結束。
在太空競賽期間，美國和蘇聯也向其他行星發射了探測器。太空探測器是一種無人駕駛的航天器，透過飛近或著陸在太空中的物體（如行星、衛星、小行星或彗星）上收集資料。在金星號任務中，蘇聯向金星發射了幾個探測器，包括一些著陸在金星表面的探測器。美國在水手號任務中向水星、金星和火星發射了探測器，並在維京號任務中將兩個探測器送上了火星。
在先驅者號和旅行者號任務中，美國還向太陽系外層發射了探測器，包括飛越木星、土星、天王星和海王星。先驅者號和旅行者號探測器仍在飛行，現在已經超出了我們太陽系邊緣。我們已經失去了與兩個先驅者號探測器的聯絡，但預計至少到2020年仍能與兩個旅行者號探測器保持聯絡。
- 幾個世紀以來，火箭一直被用於戰爭和儀式。
- 牛頓第三定律解釋了火箭的工作原理。發動機作用於氣體的作用力伴隨著氣體對火箭的反作用力。
- 康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基、羅伯特·戈達德和赫爾曼·奧伯特提出了改進火箭設計的類似想法。這些想法包括使用液體燃料和使用多級火箭。
- 衛星是指繞較大天體執行的天體。月球是天然衛星。人造衛星是由人類製造的。
- 牛頓萬有引力定律解釋了萬有引力的作用方式，無論是在地球上還是在太空中。引力使衛星保持在軌道上。
- 人造衛星用於拍攝地球和其他行星的影像，用於導航和通訊。
- 第一顆人造衛星斯普特尼克1號的發射引發了美國和蘇聯之間的太空競賽。
- 美國阿波羅11號任務將首批人類送上了月球。
- 在太空競賽期間，美國和蘇聯還向其他行星發射了幾個探測器。
- 利用牛頓第三定律解釋火箭如何運動。
- 列出火箭科學的三位偉大先驅。
- 火箭和衛星有什麼區別？它們之間有什麼關係？
- 地球的天然衛星叫什麼名字？
- 解釋為什麼隨著時間的推移，處於極地軌道上的衛星能夠拍攝到地球所有部分的照片。
- 描述三種不同型別的軌道。
- 什麼事件引發了太空競賽？
- 約翰·F·肯尼迪在太空競賽中為美國設定了什麼目標？
- 與單級火箭相比，多級火箭有哪些優勢？
- 地球同步軌道
- 一顆放置在地球上方適當距離的衛星，使其以與地球自轉相同的速度執行。
- 近地軌道
- 繞地球執行的相對較近的衛星。
- 軌道
- 圍繞另一個物體以圓形或橢圓形路徑執行。
- 極地軌道
- 衛星的路徑，經過南北極，垂直於地球自轉。
- 火箭
- 一種由高速噴射出的粒子推動的裝置。
- 衛星
- 繞較大物體執行的天體，可以是天然的，也可以是人造的。
- 太空探測器
- 一種無人駕駛的航天器，透過飛近或著陸在太空中的物體上收集資料。
- 太空競賽
- 美國和蘇聯之間為了擁有最佳太空技術的競爭。
- 推力
- 火箭發動機排出的氣體產生的向前力。
- 太空競賽和美國渴望登上月球帶來了許多科學技術的進步。
- 你能想到我們今天面臨的任何挑戰，這些挑戰是、可能是或應該成為科學技術的重點嗎？
- 如果你負責美國國家航空航天局，你會為太空探索設定哪些新的目標？