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摆脱地球引力的羁绊，飞向太空，是人类自古以来的梦想。多少人为这个梦想而努力，前仆后继，勇往直前。人类探索太空的历史注定是一场充满勇气和挑战、冒险与荣耀、永无止境的征途。

本书为大家展示这场征途中人类都做了哪些了不起的事情，人类文明有哪些改变.通过介绍妙趣横生和震撼人心的故事，使读者认识人类航天的历史脉络，从古代的飞天传奇到大国之间的太空探索竞赛，同时也让读者理解探索太空对人类、国家和个人的现实意义。

作者不只是停留在航天知识和历史，带读者走进更宽广的物理和宇宙图景，让读者了解人类对星辰大海有何更深入的理解？如何重新解读太阳系和银河系，如何认知那些遥远的神秘天体。以及太空探索如何改变人类的生活和思维方式？

本书面向对天文、航天、物理、宇宙感兴趣的青少年，满足他们对太空的好奇心，增长见识，启发他们对地球、太阳系和人类未来的思考。

章 火箭研发 // 1

第1节 纳粹溃退烽火灭绝 美军挺进人才捕获 // 2

第2节 古人爱做太空梦 大师练就理论功 // 11

第3节 戈达德饱受嘲讽 奥伯特见证登月 // 18

第4节 委以重任科罗廖夫 举世无双冯•布劳恩 // 24

第5节 苏联卫星发射抢先 美国落后心有不甘 // 30

第二章 登月之路 // 39

第6节 古月依然照今人 犹抱琵琶半遮面 // 40

第7节 双子星计划成功 俄罗斯栋梁病逝 // 52

第8节 “阿波罗”载人月球漫步 N1 火箭发射失误 // 61

第9节 三体运动生混沌 引力助推荡秋千 // 68

第10节 气象通信科研忙 人造卫星立大功 // 81

第三章 星辰大海 // 89

第11节 恒星也有生老死 太阳尚在中青年 // 90

第12节 大伞撑起地磁场 变幻莫测太阳风 // 100

第13节 “尤利西斯”英雄汉 太阳极区勤为探 // 109

第14节 离地远旅行者 高速飞入寰宇中 // 121

第15节 望远镜九霄揽银河 “哈勃”深空探宇宙 // 129

第16节 天体间的引力之战 希尔球和洛希极限 // 138

第17节 钻石星球价连城 无毛黑洞却有熵 // 144

第18节 信息悖论难解决 霍金软毛论辐射 // 155

第19节 天文观测寻黑洞 物理学者赌输赢 // 168

第四章 航天漫谈 // 173

第20节 气态木星朱庇特 巨大神秘行星王 // 174

第21节 欲为夫君揭面纱 全靠“朱诺”布罗网 // 186

第22节 广义相对论太空验证 探测引力波地面响应 // 198

第23节 潮汐锁定共振曲 混沌自转土卫七 // 211

第24节 “惠更斯”登上泰坦 “卡西尼”智探土星 // 223

第25节 木星周围伴侣多 土星腰间环带美 // 235

第26节 梦想殖民火星 大难临头逃生 // 247

第27节 太空之路不平坦 失误酿成大灾难 // 260

参考文献 // 272

张天蓉，女，四川成都人。著名科普作家，美国德州奥斯汀大学理论物理博士。研究方向黑洞辐射、费曼路径积分、毫微微秒激光、高频及微波通讯的EDA集成电路软件等。发表专业论文三十余篇。所著科普著作《永恒的诱惑：宇宙之谜》入围2016中国好书奖，并获得科技部2017全国优秀科普作品奖。

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航天器被运载火箭推向太空之后，就变成了一颗“星星”。也就是说，仅仅从引力的角度看，它们可以和其他宇宙中的自然天体一样，遵循引力定律而在一定的轨道上运动。不同的是，只要它们还能与地球通信，只要它们的引擎能启动，还有足够的燃料，发射它们的地球人就还有可能控制和改变它们的运动。就像飞上蓝天的风筝，飞得再高，也还有一根牵连的细线被主人抓在手上！所以，太空中的航天器有两种基本的运动方式：自由飞行段和主动飞行段。

前者指的是按照引力规律自由运动的阶段，比如说卫星绕着地球转圈就是不需要引擎的。后者则指航天器上的发动机点火阶段。什么时候需要将发动机点火呢？那是需要将航天器从一个轨道做一点改变，或者是“跳”到另一个轨道的时候。比如说，要从环绕地球的轨道“跳”到环绕月球的轨道。这种情况一般不会自动发生，需要人为地“遥控”、预先设定，或者由宇航员操作。这种人为点火而改变运行轨道的技术，称作“轨道机动”。既然是人为地改变，就要达到各种不同的目的，因此轨道机动实际上包括了轨道转移、轨道交会、轨道保持和修正、改变轨道平面等不同的目的。再以刚才说的人造地球卫星为例，

虽然卫星绕地球转不需要引擎，但时间长了后，因为摄动力的原因，轨道可能会偏离我们的要求，这时候就可能需要人为的“机动”来进行修正。发射到远处星球的航天器就更不用说了，漫长征途中需要多次“变轨”。

轨道机动除了改变轨道之外，还可以控制航天器的方向和“姿态”以达到某种目的，这点在载人航天返回地球或降落到月球和其他星球时特别重要。就像飞机一样，保持正确的姿态才能安全着陆，否则后果便不堪设想了。

因此，航天器比天然星体更具优越性，因为它们的轨道可以人为地进行选择。但这个优越性是以“携带燃料”作“机动”换来的。航天器能够携带的燃料有限，因此，航天器的轨道设计者便希望能更多地利用“自然飞行”，尽量少作机动。这其中用得很多的方法叫作“引力助推”。

1. 引力助推

如果有人问你，人类飞向太空的阻力是什么？大多数人会不约而同地回答：是引力。的确如此，人类实现飞天梦的困难就是克服地球的引力。我们从中学物理中就学到了如何计算几个宇宙速度，那是人类摆脱地球或太阳引力的束缚冲向太空的几道门槛：如果达到宇宙速度（7.9 km/s）能让物体围绕地球旋转；如果达到第二宇宙速度（11.2 km/s）便可以克服地球引力，绕着太阳转；第三宇宙速度（16.7 km/s）标志着能够摆脱太阳的引力羁绊。

不过，想跨越这几个门槛谈何容易？人类努力了几十年，迄今为止发射速度快的航天器“新视野号”（new horizons），2006 年发射时相对地球的速度为16.26 km/s，尚未达到第三宇宙速度。然而，人类于 39 年前发射的两个“旅行者号”探测器（voyager1 和 voyager 2），旅行中的速度却大大超过了这个速度。这其中有何奥秘呢？人造飞行器额外的动能从何而来？

以上问题的答案也是：引力。也就是说，对人类发射的航天飞行器而言，引力有时是阻力，有时又可能成为“推力”。我们可以利用太阳系中各大行星与飞行器间的引力作用，来加速飞行器。换个通俗的说法，让飞行器从高速运动的行星旁边掠过，顺便从行星身上“揩点油”，让自己得到加速度。

这种方法叫作“引力助推”，航天技术中经常使用来改变飞行器的轨道和速度，以此节省燃料、时间和成本，这种方法既可用于加速飞行器，也可用于在一定的情况下降低飞行器的速度。

图 9-1（a）中的曲线所示，便是“旅行者 2 号”的速度在飞行过程中的变化情形。注意图中的速度是相对于太阳系坐标而言，因而与我们提及的相对于地球坐标而言的“宇宙速度”值有所区别，其差值是地球的公转速度，大约 30 km/s。曲线上的 4 个尖峰分别代表该飞行器在木星、土星、天王星、海王星经过时因为“引力助推”而产生的速度变化。图中也画出了 NASA 在 2006 年 1 月发射的“新视野号”的速度曲线，与“旅行者号”的速度曲线相比较，明显地看出在 4 个行星附近，“引力助推”对“旅行者 2 号”的加速作用。图 9-1（b）则显示了两个“旅行者号”探测器的行程。

不过，采用引力助推的方法也要等待时机。在 1964 年夏天，NASA 喷气推进实验室一位名为弗朗德鲁（Flandro）的研究员，负责研究探索太阳系外行星的任务。弗朗德鲁经过计算研究木星、土星、天王星和海王星的运动规律，发现了一个 176 年才有一次的好时机，那段时间（大约 12 年）内，木星、土星、天王星和海王星都将位于太阳的同一侧，形成一个特别的行星几何排阵，是实现“引力助推”的理想地点。基于这点，专家们促使 NASA 启动了“旅行者号”探测器计划。

1977 年 8 月 20 日和 9 月 5 日，“旅行者 2 号”和“旅行者 1 号”分别从佛罗里达州的航天中心发射【4】，她们是两个几乎一模一样的“双胞胎姐妹”航天器，携带着镌刻了地球人类的消息和录音的金唱片，她们的计算机内存只有 64 kB（很多年前的老古董电子设备，诸位可想而知是什么模样！）。“旅行者 2 号”比她“姐姐”的速度稍慢一点，但她成果不菲，顺利完成了造访 4 个外行星的任务。这对“姐妹花”都曾经探测过土卫六的地貌，虽然不很成功，但也为后来的探索提供了许多有用的信息。土卫六是土星卫星中的一颗，被认为极有可能存在生命迹象！“旅行者 2 号”旅途中的 4 次“引力助推”，将原来需要 40 年完成的“4行星探索”任务，在 10 年左右的时间内就提前完成了！“旅行者 1 号”在很快地访问了木星和土星之后继续高速飞行，如今已经越过太阳系的边界，到达星际空间，成为飞出太阳系的个人类使者。两位“旅行者”虽然早已完成为她们预订的任务，却并未“退休”，至今为止，仍然通过遥遥星空，每天向人类发来有用的资料。因为她们与地球相距遥远，这些信息要延迟 17 小时左右才能被人类收到。

2. 原理

早（1918—1919）提出这个想法的是一位苏联物理学家尤里·康德拉图克。尤里于 1897 年生于苏联的乌克兰，是太空工程与航天学的一位先驱和理论家，曾被苏联政府流放和监禁，但他在艰难的环境下仍不忘钻研航天理论。后来，在第二次世界大战中，尤里自愿入伍加入苏联红军，并于 1943 年在战争中阵亡。

尽管精确地计算飞行器的引力助推过程需要复杂的数学，但其物理原理却可以用图 9-2 中的例子，简单地使用动量守恒定律来直观解释。引力助推也被称为“引力弹弓”，因为它与弹性碰撞颇为类似。它利用飞船与行星、太阳之间的万有引力，使行星与飞船交换轨道能量，像弹弓一样把飞船抛出去。如图 9-2（b）图所示，想象将一个篮球投向一列对面疾驶而来的火车。设篮球速度为 v1=5 m/s，火车速度 u=10 m/s，方向相反。后结果如何？考虑火车的质量比篮球质量大很多，篮球质量几乎可以忽略不计的简单情况下，得到的结论是：在碰撞之后，篮球从火车那儿“捞了一把”，将以 v2=v1 2u=25 m/s 的速度向后方（火车的前方）飞去。火车因为质量大，速度几乎不变，仍然以原来的速度 u 照常行驶。人类发射到土星轨道附近的飞船与土星相遇时的情形便与刚才描述的“篮球撞火车”情形十分类似，只是飞船与土星并未直接接触，而是像图 9-2（a）所示的那样绕行过去，引力在其中扮演着重要的角色。两者的物理原理虽然不同，但后效果却是类似的：飞船得到了两倍于土星速度的速度增加。

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编辑推荐

◆章回小说一样的精彩，两小时纵览人类航天趣史

◆阿波罗登月到底是咋回事？

◆地球人类在宇宙中是否独一无二？

◆火星能否成为人类的第二家园？

前言

从地球走向太空，是人类文明的一大进步。

飞天梦是人类自古以来就有的梦想。希望能像鸟儿一样自由自在地在空中飞翔，是航空梦；到月亮上去，进而探索莽莽河汉和浩瀚神秘的太空，是航天梦。这两类梦想吸引着无数英雄竞折腰，甚至为此牺牲，但人类仍然前仆后继，勇往直前。

航空和航天，起源一致但因理论和技术不同而分家，本书描述的是航天而非航空。

中国人自古不缺航天梦，从“嫦娥奔月”的神话想象，到“万户飞天”的身体力行，历史文化中均有传说和记载，甚至现代航天中必不可缺的火箭技术也源自我们祖先的伟大发明。

20 世纪中叶开始的美苏“冷战”把人类拉进了太空时代。从 1958 年苏联发射颗人造卫星开始，人类探索太空的脚步已经走过了近 60 年的历程。奔赴太空半个世纪，托起人类千古一梦。其中不仅有科学家求知欲的满足，也伴随着时代变革的风风雨雨。从美苏两个超级大国在第二次世界大战之后的人才争夺战开始，航天方面的科学技术发展迅猛，各国纷纷在太空亮剑，掀开了在科学、技术、军事、政治各领域的全面竞争。这其中有成功的喜悦，也不乏失败的教训。

这个世界各国以千亿万亿资金投入，数万人辛勤劳动以至付出生命代价的“航天工程”，为人类文明做了些什么？人类对太空的众星系有何更深入的理解？如今，借助于现代的高科技，我们如何重新解读太阳系和银河系、如何认知太空中那些遥远而且形形色色的神秘天体？太空的探索与开发又如何改变了人类的生活和思维方式？此外，在满天繁星及航天探秘的背后，隐藏着哪些基本又有趣的物理知识？这些是本书作者希望引领读者思考解决的问题。

然而，宇宙茫茫，星辰无数。除了亿万的自然天体之外，几十年来，人类发射至太空的人造天体也已经上万！因此，作者不可能面面俱到，只能带领你在这个巨大星海旁的沙滩上，拾取几颗美丽的贝壳。通过一些典型事例的介绍，让读者对基本航天知识以及其中的物理原理有所了解。同时，也通过介绍人类航天史上一些妙趣横生和震撼人心的故事，使读者认识人类航天的简要历史轮廓。从古代的飞天传奇，到世界各大国之间的太空争夺战，说明航天工程对人类文明社会的重要性。

也许有人会说，天上的星星固然美丽迷人，但离我们太遥远。登陆月球、火星，那都是科学家和航天员考虑的事，与我们的日常生活有什么关系呢？这实际上是对天文学及航天事业的误解，姑且不谈“理想”“梦想”之类的长远而抽象的话题，太空中发生的很多事情是与人类生存息息相关的。天上的星星并非遥不可及，它们的运动和变化无时无刻不在影响着我们的生活。

在美苏太空竞争的年代，美国总统林登•约翰逊曾经说过：“控制了太空，便有能力控制天气、干旱和洪水，改变潮汐、提高海平面……这是比终极武器更重要的东西，这是从太空某处达到完全控制地球的终目的。”

约翰逊这段话的意思就是说，控制了太空便意味着控制了世界的未来。

谁不愿意控制未来呢？谁也不希望未来被别人控制！这就是为什么世界各国都想要发展航天事业，都纷纷想加入这个“太空俱乐部”中来分一杯羹。发展航天事业，将自己的国力展示于他人，也亮剑于太空，这是如今每一个大国的愿望和共识。

如今的航天领域，已经不仅仅是美俄两国之争。美国对太空的兴趣一如既往，近几年的探索重心已大大超出月球，而世界上许多国家也都纷纷宣布了自己的太空探索计划。俄罗斯的航天计划停滞多年后正在艰难重启；日本将与美国合作载人探月项目；欧洲的航天计划因金融危机搁置，但希望参与俄罗斯的月球探测项目中；印度一直都关注航天事业的发展，自主研发显示了其大国雄心，探索太空的步伐也从未停止。

中国从来就重视航天事业。从 1970 年发射颗人造地球卫星（东方红 1号），在太空响起“东方红”开始，“长征”号运载火箭、神舟载人飞船、北斗卫星导航系统，还有“天宫”“嫦娥”和“玉兔”，一系列太空探索计划步步紧跟。航天时代已经到来，太空离我们并不遥远！

没有哪一门科学像“航天”这样充满了幻想色彩。除了古代各种文化中的神话故事外，近现代的许多天文学家也都写过科幻作品。航天科学的先驱者更是热衷于将他们的航天思想用科幻的形式表达出来，以便容易得到广大民众的认同。早在 400 多年前，天体力学的祖师爷，大家熟知的开普勒（Kepler，1571—1630）就写过一本既像科幻又像科学专著的作品（以《梦》为题发表），描述他想象中的星际之旅。

航天相关的科幻作品与天文、物理方面的科学论文如同纠缠在一起的两条环绕线，在互相促进和影响下前进。从开普勒之后，特别是哥白尼的日心说站稳地位、牛顿又建立了经典力学之后，西方有关航天的科幻小说可以列出一大串。1657年，法国作家贝尔热拉出版的科幻小说《月球之旅》中，已经颇为超前地讨论了 7 种登月的方法，前6种都失败了，只有第 7 种“爆竹产生的焰火”成功了。贝尔热拉并非科学家，却偶然地预言到了牛顿直到半个世纪之后才总结出的作用与反作用原理。在阿西尔•埃罗于1865年出版的《金星之旅》中，主人公也发明了一种利用水的反作用力将飞船推入太空的动力装置。作者在书中还用手枪的后坐力来生动地说明了反作用力的由来。从原理上来说，现代的火箭和书里的“水箭”并没有本质区别，只不过是喷射的物质不同罢了。当年文学作品的想象力大大地超越了科学技术能达到的现实，更为可贵可赞的是 17、18 世纪的科幻作家们在其作品中表现出的那种认真思考科学原理的求实精神。

如今，在现代新一轮的太空航天竞赛中，如何才能发挥中国现有的优势，尽快缩小与先进国家的差距，走出自己独特的航天技术之路呢？这其中除了专业人士的努力之外，广大民众的理解和支持也必不可少。因此，向公众科普航天知识，让老百姓更多地熟悉太空、了解航天，是科学工作者的任务，也是本书作者的初衷。

航天学是一门有趣的学科，但实际的工程发射过程却充满了危险和挑战，特别是载人航天。太空毕竟是一个与人类的地球家园迥异的环境，我们要适应太空、克服人体的各种不良反应等，对此，科学家们做了许多研究。此外，载人航天器的发射和返回过程危险性很大，航天史上有过几次大事故，作者也会加以介绍，使人们能以此为鉴。

迄今为止，因为航天器的速度所限，现代的航天技术主要只是探索太阳及太阳系中的八大行星。因此，作者仅对太阳系几个主要行星及它们的几个典型有趣的卫星的物理规律和特点做了基本介绍，带领读者星海拾趣。人类感兴趣且派去探测器的有哪些星球？为什么对它们特别看待？哪几个星球与地球的环境为类似？在这些天体上是否探测到任何生命存在的迹象？如果地球突然发生大灾难，人类有移民其他星球的可能性吗？

此外，如今飞得远的“旅行者”号探测器被认为刚刚抵达太阳系的边界。但通过望远镜，人类却已经观察到了广博得多得多的宇宙。作者也将对哈勃空间望远镜及韦伯空间望远镜略作介绍。

为了增加可读性，作者以“二战”后美苏的太空竞争为线索，插入一些当事人和研究者的逸闻趣事，再将航天方面的科学技术发展穿插其中，读故事、长知识，让读者在轻松阅读故事的过程中学习航天知识。

十分有趣的是，除了人类社会中的各个大国在进行太空争夺战之外，宇宙中的各个天体虽然本是没有意识的非生命之物，它们之间却似乎也在进行着争斗。从物理学的视角看，宇宙间存在 4 种基本相互作用，其中强相互作用和弱相互作用只在微观的尺度范围内起作用，它们可以影响每个星体内部结构中的物理过程，但与天体之间的运动关系不明显。其他两种力：引力和电磁力，都是长程力，对天体的相互运动起着重要的作用。宇宙中大大小小、形形色色的天体运用它们各自的引力和电磁力，像是在互相抢地盘、占山头，大星吞小星、小星撞大星，用物理规律展开一场无言的战争。对此，作者描述了宇宙中一幅十分有趣的物理图景。

该书的读者可定位于各个领域的大学本科生、研究生，对天文学、航天、物理学等感兴趣的初、高中学生等。然而，航天技术及其探索目标——“太空”之谜，对各个阶层和领域的读者，都具有极大的诱惑力。本书中没有数学公式，因而适合所有爱好科学的广大读者阅读，包括各个年龄层次的文科读者。

本书作者既是物理学者，又是科普作家，物理概念清晰，文字功底深厚，表述深入浅出，比喻恰到好处。作者善于使用通俗的解释、流畅的语言、直观的图像来解释深奥难懂的物理内容。

阅读本书，能使读者从如下几个方面获益：通过介绍航天中的典型事例，满足各个年龄阶层人们对太空的好奇心，增长见识，启发人们对地球、太阳系和人类未来的思考，吸引年轻人踏进科学技术、天体物理、航天工程的大门。

用通俗易懂的比喻，图文并茂的解释，幽默风趣的语言，引导读者学习、思考和探索星体背后的物理现象，了解天体运行、恒星演化、宇宙变迁的基本物理规律。让读者体会大自然造物之巧，感受科学理论之美。

书籍介绍

摆脱地球引力的羁绊，飞向太空，是人类自古以来的梦想。多少人为这个梦想而努力，前仆后继，勇往直前。人类探索太空的历史注定是一场充满勇气和挑战、冒险与荣耀、永无止境的征途。

本书为大家展示这场征途中人类都做了哪些了不起的事情，人类文明有哪些改变.通过介绍妙趣横生和震撼人心的故事，使读者认识人类航天的历史脉络，从古代的飞天传奇到大国之间的太空探索竞赛，同时也让读者理解探索太空对人类、国家和个人的现实意义。

作者不只是停留在航天知识和历史，带读者走进更宽广的物理和宇宙图景，让读者了解人类对星辰大海有何更深入的理解？如何重新解读太阳系和银河系，如何认知那些遥远的神秘天体。以及太空探索如何改变人类的生活和思维方式？

本书面向对天文、航天、物理、宇宙感兴趣的青少年，满足他们对太空的好奇心，增长见识，启发他们对地球、太阳系和人类未来的思考