中国航天日:谁在一百年前就预言了现在的航天

作者:刘勇

中国科学院国家空间科学中心

空间天气学国家重点实验室

“不知天上宫阙,今昔是何年”。自古以来,人类对太空充满了幻想。嫦娥奔月的神话一直流传至今,美丽的嫦娥仙子,使我们对月宫无限的遐想。玉帝、王母、瑶池、天河这些神话中的人物和天上美丽的风景,时时刻刻吸引着人们,幻想有朝一日,能飞往天上人间,过上神仙一样的日子。

嫦娥奔月(图片来自网络)

人类从蒙昧中逐渐走出,认识到最亮的几颗星星和地球一样是太阳的行星,而月亮是地球的一颗卫星。随着望远镜的广泛应用,人类开始了解真正的月球,上面没有月宫,只有大大小小的陨石坑。这个结果让人失望,不过飞向太空或者登上月球去探险的愿望一直没有停止。

月球表面的陨石坑 (图标来自NASA)

航天与科学幻想

牛顿发现了万有引力定律之后,就开始考虑,如果一个物体飞行足够快的话,就会像月球一样围绕地球运动,成为地球的一颗卫星。这个速度界限就是人们熟知的第一宇宙速度,每秒7.9公里,或者说每小时28440公里。这个速度非常大,差不多是我们熟知的高铁速度的近一百倍,或者普通民航飞机的20多倍。这是最早的人造卫星的概念设计,在当时来说达到这个速度,是不可能的,牛顿也没有给出方案,也给了后来人想象的空间。

牛顿设计的卫星飞行的原理图

法国科幻作家凡尔纳在小说“从地球到月球”中幻想用一门巨型大炮把人打到月球上的方法。小说中还把一只猫装进炮弹进行试验,看看动物能不能经受住大炮的巨大冲击力。虽然小说中的猫幸运的活了下来,从现在的角度看,大炮的方法是绝对不可取的。如果利用火药爆炸,在很短的时间内,把炮弹加速到接近十公里每秒,所需要的力远远超过了地球上动物身体能承受的极限,凡尔纳在这个问题上过于乐观了。他显然没有真正做过小说中的实验,否则那只可怜的猫和第一次登上太空的狗一样必死无疑。

科幻小说《从地球到月球中》中的超级大炮发射的场景。(图片来自维基百科)

齐奥尔科夫斯基

怎样才能安全地把人送上太空?1903年,航天之父齐奥尔科夫斯基发表了论文“利用反应机器来进行太空旅行”(《Exploration of the World Space with Reaction Machines》)。在这篇和随后的一系列论文中,齐奥尔科夫斯基详细讨论了火箭的工作原理,其中最著名的就是齐奥尔科夫斯基公式,这个公式算出为了获得一定的速度增量,火箭需要消耗多少燃料,为人类开启太空探索之门提供了一把钥匙。

邮票中的齐奥尔科夫斯基公式

不过受当时的技术的限制,造出一枚大型火箭是绝对不可能,还要经过几代科学家的努力才能造出能把人类送上太空的大型火箭。

土星五号火箭的第一级 (图片来自NASA)

在地球之外

虽然不能造出火箭将人类送上太空,科学家开始想象太空中的生活是怎样的。齐奥尔科夫斯基在1917年前发表了一部科幻小说,对太空中旅行进行了科学的想象。这部名为《在地球之外》的小说用现在的观点看就像是一部穿越小说。小说设定了一个很有趣的场景,让七位著名科学家来到一百多年后的2017年,开始设计建造飞出地球的装置。这个装置在小说中叫做火箭,科学家们搭乘火箭成功地飞上了太空。小说中火箭是个可以回收的,反复使用的装置,类似于马斯克的猎鹰系列火箭。

齐奥尔科夫斯基设计的太空船

小说里面详细地描述了这些太空人在太空生活的场景。“桌子,椅子,凳子都用不着,因为没有人需要支撑。床铺,床垫,被褥也用不着,火箭里面到处都柔软舒适…你在椅子上都坐不稳,在床上也躺不住,除非把你捆绑在上面。盘子,碟子,瓶瓶罐罐啥的,甚至食物也要绑住,否则就会飞走。…你想低头引一杯葡萄酒,而酒却变成无数的水珠从酒杯中飞出去,溅得到处都是…。”现在国际空间站里就是没有椅子和床铺,水飞出去会变成水珠飘在空中。

国际空间站上,水聚成球状飘在空中。

小说里这样描述科学家们从宇宙飞船中回到地球的场景。“首先是感觉有些阴冷,其次就是脚,手和整个身体都像是灌了铅,很长一段时间不能从地上站起来,头发晕,像是喝醉了酒,旅行者们倒在地上东倒西歪…”。这些描述精确地预言了航天员从太空返回的真实感受。正如第一个登上太空的前苏联宇航员加加林所说,“齐奥尔科夫斯基比任何人都清楚地想象到了一个飞入宇宙中的人所面临的世界。”

刚刚返回地面的“联盟号飞船”船员

小说里面的科学家团队在太空中展开了一系列的探索。他们穿上了宇航服进行了太空行走,建了一个温室来种植蔬菜,派了一个小分队登上了月球,采集了一些月球上的矿石,还探测了小行星。人类到目前为止进行的很多航天活动,在这本书里面都有科学的描述。不夸张地说,小说为人类的航天活动规划了一副蓝图,难怪齐老会被称为“航天之父”。

小行星贝努和NASA发射的小行星探测器OSIRIS-Rex

这部小说的主要人物是来自于七个不同国家的科学家,他们分别是来自英国的牛顿,法国的拉普拉斯, 德国的赫姆霍兹,意大利的伽利略,美国的富兰克林,瑞典的诺登舍得,还有来自俄罗斯的伊万诺夫。除了大家都非常熟悉的牛顿,伽利略等人以外。诺登舍得是一位探险家,地理学家和矿物学家,最早完成了环北极的探险。小说中在大家都犹豫要不要去月球的时候,正是因为这位探险家坚持才去了月球。俄罗斯人伊万诺夫代表的就是作者本人。

太空探索是人类共同的事业。小说中来自于不同国家的科学家一起共同遨游太空正体现了这种精神。可能有人会问为什么没有中国科学家参与?100多年前的中国,正是军阀混战的年代, 在科学或者航天方面的鲜有贡献,自然也不会有人参加到这个当时最高端的科学家团队中。齐老如果生活在现在,他的科幻小说里,一定会有一位姓赵或者姓钱的中国人,跟着其他国家的科学家驾驶着下一代飞船飞出太阳系,去探索更加广阔的宇宙空间。

本文节选自作者正在撰写的科普图书《国际空间站》,将由北京理工大学出版社出版。

来源:中科院之声