苏联发射人造地球卫星在科学技术上的意义*

*1957 年 10 月 30 日至 31 日，中国科学院、中华全国自然科学专门学会联合会和全国科学技术普及协会在北京联合举行了庆祝苏联十月革命 40 周年大会，钱学森于 10 月 31 日作了《喷气技术与人造卫星》的报告，后刊载于《科学普及工作》第 11 期，题目改为《苏联发射人造地球卫星在科学技术上的意义》。

苏联的科学技术工作者在今年10月4日发射了世界上第一颗人造地球卫星。这颗人造地球卫星是一个球形，它的重量是83.6公斤，它的直径是58厘米，卫星的轨道高度平均是900公里，周期是96分钟。高度和周期都会因为高空空气的阻力而逐渐减小，最终会下降到大气的下层，在那里因为空气密度高，由于空气摩擦所生的热量很大，卫星的表面就会达到赤热的温度，因而烧毁。苏联的第一颗人造地球卫星带有两台无线电信发送机和必须的天线与电源，无线电波长是7.5米和15米，平均一种波长的发射时间和间隙时间都是0.3秒。一种波长休息的时候，另一种波长发射。现在在工作了二十几天之后，电源已经用完，发信机停止工作了。

这一颗卫星的重量和体积看来都并不惊人，但是作为一个科学技术问题来看，我们必需把我们的注意力转到发射这颗卫星的工具上去。根据已经公布的资料，发射卫星用的工具是一个三级火箭。虽然我们还没有更具体的数据，但是我们可以利用已经知道的现代火箭技术资料来估计这个火箭的重量和尺寸。中国科学院力学研究所的郭永怀先生曾做出这样一个计算(见《人民日报》1957年10月23日第7版)，他说火箭起飞的总重量是109吨，第一级火箭用完脱落以后，剩下的部分共重17吨多，而最后一级火箭连卫星在内约重1.7吨。估计火箭的高度有四五十米。郭永怀还说第一级火箭的推力约为180吨，这就是说发射苏联第一颗人造地球卫星的火箭比起著名的V-2火箭要大得多，V-2火箭的推力只有27吨。因此苏联发射人造卫星的成功标志着苏联的科学技术工作者在火箭技术方面的高度成就。此外，发射的问题还不只限于火箭。因为发射是垂直起飞的，在第一级火箭作用终了的时候第二级火箭就必须和第一级火箭脱离，同时开始作用。在这一段时间里，必须维持轨道的稳定，而且还得给轨道以一定的倾角，使火箭的飞行方向转向水平。在第二级火箭作用停止以后第三级火箭并不立刻点火，一定要等到轨道接近水平方向的时候才开始作用，这样才能把卫星送入近于圆形的轨道。我们可以看得出来，这一连串的操作是要求非常精确的控制和遥测系统。所以苏联发射人造卫星的成功也标志着苏联的科学技术工作者在自动控制和计算技术方面的高度成就。在这里我想分析一下苏联的这一些伟大的成就在科学技术方面的意义。

我们首先注意到的是卫星的高速度，8千米/秒。这一个速度已经接近了物体脱离地球引力场的必须速度，即11.14千米/秒。能脱离地球引力就能飞到其他天体上去，就有可能做星际的旅行。诚然，苏联的科学技术工作者已经在制定星际旅行的计划，他们将首先继续为了解高空情况发放更重的、更高的人造地球卫星，在此之后，他们将发放到月球或火星上去的、无人的测视体。这些测视体不预备在月球或火星上降落，是靠遥远控制来进行工作的。测视的结果也将靠无线电信号发送回来，不需要测视体本身回到地球表面。因为不要求在天体上降落，也不要求回到地面，这一类的星际探访者是比较简单的，而且它们对速度的要求也不太高。如果光是要到月球上去，那么11.14千米/秒的速度就完全够了。如果要到太阳系的其他行星上去，除了首先必须脱离地球的引力场还必须对太阳的引力场做些调整： 对水星或金星这些离太阳比地球近的行星来说，光是能离开地球的火箭，它的围绕太阳的速度还太快，必须减速才能“落”到太阳系里面去。对火星、木星等离太阳比地球远的行星来说，光是能离开地球的火箭，它的围绕太阳的速度还太慢，必须加速才能“升”到太阳系外面去。不管减速也好，加速也好，都需要火箭的作用，都需要燃料，我们可以把这要求换算为对火箭速度的要求。这样我们就得到表1的数据。

表1 行星测视体的最低速度要求

 

从现在的火箭技术水平来看，要到月球去，11.14千米/秒的速度就要求一个四级火箭的发射器，如果这个无人测视体的重量是100千克，火箭的起飞重量就得有两三千吨。要到火星上去，同一测视体的重量就要求一个重几万吨的五级大火箭来发射它。

我们可以看得出来，如果我们要求在天体上着落，那么就必须减速，而回到地球上来又需要重新加速，这问题要比无人测视体复杂和困难得多。为了解决这问题而真正做到行星探险，我们必须分段来达到要求的速度： 我们先把物质用火箭运到一个大型人造地球卫星上去累积起来，这大型人造卫星就成了一个星际航行港。在这个港上我们装配起星际航行船，因为港本身就已经有很大的速度，星际航行船只要用一级火箭就能达到脱离地球引力场的速度了。所以利用人造卫星的星际航行港的这一个概念，我们就可以看到人类自己到太阳系各行星旅行的可能性。

自然，这种大胆的星际旅行理想并不是现在才有，在100年前诞生的伟大俄国科学家К·З·齐尔可夫斯基早已做出星际旅行的计算。但是只有在苏联发射了第一颗人造地球卫星以后才肯定了这理想的实现可能性。正如塔斯社10月5日的公告所说的：“人造卫星将为星际旅行开辟一条道路。”同志们，无可怀疑，我们正在从航空气的航空时代转入航空间的真正航空时代，我们正处在人类文化的一个新纪元的前夜。

当然，我们一方面对这新时代的到来怀着无限的憧憬，另一方面我们也得对它取得明确的认识。我们应当知道这一个新时代是航行于行星间的时代，而不可能是航行于恒星间的时代。要明白这一点，我们必须注意到恒星间距离之大，这距离远远超出了太阳系里的距离。例如我们的近邻天狼星，它离我们有9光年，也就是85万亿千米，所以就是以20千米/秒的速度来航行，也得走13.6万年。因此，如果要求恒星间的航行时间是几年，不是几十万年，我们就得用近于光的速度来航行(详见“远程星际航行”，力学学报，第1卷第4期，即将出版)。可是要达到光的速度，用现在有的化学的火箭推进剂是不能想象的，就是用现在已知的核裂变或核聚变燃料也不可能达到接近光的速度。也许有人会说，不是有所谓光子火箭吗?光子是以光速发射出去的，而正物质(像质子、电子)和反物质(像反质子、正电子)碰在一起的时候就能产生光子，把全部静质量转为动质量。看来好像光子火箭是可以解决问题了，但是我们哪里去找1千克的反物质呢?以现有的技术来说，光子火箭只能算是一个科学理想，而不是说做就能做到的，它没有技术上的现实性。所以航行于恒星间的旅行还只是一个理想，要等待更远的一个时代才能实现。我们也可以说：航行于行星间的飞行是一级星际航行，而航行于恒星间的飞行是二级星际航行。一级的是就可以做到的，而二级的还有待于将来。

苏联发射第一颗人造地球卫星是一级星际航行的先锋。但是它在科学技术上的意义并不限于此，它对地球表面本身的交通也指出了新的可能： 就是用火箭来推进弹道式的飞机，因而创造出超高速的交通工具。举一个具体的例子，如果一架带翅膀的火箭能加速到3.5千米/秒的速度，如果这时候它的高度很大，在100千米以上，那么由于那里的空气密度低，火箭的翅膀不发生作用，火箭就如炮弹一样，照着一条椭圆轨道飞行。如果在火箭终止作用时候，轨道的仰角差不多是45°，那么这样的速度就能达到375千米高，而那时候火箭离开起飞点的地面距离是800千米。过了最高点，火箭就下降了，大约再走800千米的地面距离就重新进入空气层。在高度为45千米的时候，火箭的翅膀就能产生足够的升力把飞行轨道拉平，使火箭进入滑翔。因为这时的速度很大，有3.8千米/秒，所以动能大，滑翔的距离可以到4800千米。所以总的飞行距离，从起飞点到着陆点一共有6400千米。计算的飞行时间是52分钟。因此，平均时速是7400千米，也就是2.05千米/秒。6400千米的航程是足够作北京同莫斯科之间的旅行了，而飞行时间只有现用的TY-104喷气飞机的1/8。这可以说是超高速飞行了吧!

自然这里有几点必须加以说明： 第一，我们注意到这种飞行器利用了滑翔，滑翔一方面延长了航程，因而提高了效率;而另一面也是一种减速措施，使着陆速度和现有的飞行一样。不用滑翔就不能避免3.8千米/秒的着陆速度，那是不可想象的。第二，这种飞行器的起飞重量大，不能像一般飞行那样，一定要垂直起飞，完全靠大推力的火箭发动机把它推升起来。这时候有较高的加速度，也就是旅客要感到较大的重力。而在火箭熄火以后，在高空沿着椭圆轨道飞行的时候，旅客又感不到重力的作用。在这些情况下的生理效果，都要明确。好在苏联的科学家们已经开始了这方面的实验，正在逐渐解决这个问题。

第三，为了着陆就必须要有起落架，为了能在飞行场选择跑道和做其他着陆的操作，还得带一架小型涡轮喷气式推进机和短时间的燃料作为临时动力。但这些都是现有的航空技术所能解决的问题，不是不能克服的困难。由此看来，通过人造地球卫星的发射所取得的火箭技术和控制技术的成就，就使得我们在地球表面的点与点之间能做超高速的旅行，这里的速度不光是超过声速，而是六七倍或更多倍于声速，这就必然为交通技术带来新的面貌。

以上是苏联发射人造地球卫星在与它直接有关的科学技术领域中的意义。在下面我将就已发表的资料，对苏联在这一项伟大科学工作中所使用的研究方法的特点做些探索，从而分析一下这一工作方法在广泛的科学技术工作中的意义。

据苏联出席今年10月初的国际地球物理年的火箭及人造卫星会议的A·布拉冈拉沃夫谈话，苏联发射人造地球卫星之前，并没有做过任何试放，而是第一次放就完全成功。苏联对发射人造卫星的各项公报中也常常提到卫星的运转经过完全符合于预先的计算。在去年6月间所举行的全苏数学会议中，苏联科学院计算中心主任A·A·多罗尼真也曾在他的论文中解说了如何用电子数值计算机来精密地算出高速气流的种种复杂情况。他并且说，由于现代高速电子数值计算机的出现，许多在以前因为计算太繁而用实验去解决的问题，现在都应当用计算机去解决。在这些问题上用计算机要比用实验方法经济得多，时间既短，对广大实验设备的投资也因此省下了。再从另一方面来看，我们知道关于超高速飞行所产生的一系列空气动力学问题和结构强度问题现在还没有适当的实验设备去研究它，要用实验的方法来研究这些问题就得在高速之外再加上高温，也就是说20倍声速的风洞还不行，还得要求风洞的驻点温度在1万摄氏度以上。

但是现在我们还没有方法来设计和建造这样的风洞，也就是不可能完全用实验的方法去解决有关发射人造卫星的科学技术问题。从以上各项资料来看我们只能得出这样的结论： 苏联在解决人造地球卫星的科学技术问题的时候是采取了使用电子计算机的方法，利用电子计算机的大量和高速计算把理论和局部的实验结果综合起来，就这样地用计算方法代替了大型实验方法。

很显然，这种使用电子计算机的方法是非常成功的。所以我们应当看看这种新的研究方法能不能更广泛地应用到其他科学技术领域中去。当然，我们可以分两种情况来讨论： 一种情况是没有法子来做实验的，这是说除了计算方法之外并无另外的方法。另一种情况是可以用实验方法。但是计算的方法更经济。属于第一种情况的是原子弹或氢弹的设计问题，这里是炸或不炸的问题，是不能用模型实验的。因为非用计算方法不可，这一类情况就简单，不必多说。下面我想就第二类情况谈一谈。我们自然会认识到，在科学技术工作中，就是在电子计算机出现以前也并不是完全靠实物试验来解决问题的。一位桥梁工程师设计一座大桥像长江大桥，他决不会建议先造一座长江大桥来试试看，一面试一面做设计。他是用结构理论、材料的实验强度以及从前建桥所总结出的经验来把桥的设计完全计算出来的。所以在桥梁设计以及其他土建设计中，计算方法早就是通行的。

但是在其余许多科学技术问题中情况就不同了，一位动力机械工程师设计一台100马力汽油机就是靠经验和一些简化了的理论，做出设计，把机器先做出来;然后在实验室里做多次试车，一面试一面改进，以求机器的各部都得到协调，达到平衡，能最好地满足使用的要求。这才算是定型的设计，才能开始成批生产了。我们再看一看化学工程师的工作方法，一个在实验室里制定的生产过程必须先建立一个中间工厂来试验，对困难的问题有时还得建几个大小不同的中间工厂，先小后大，来研究生产过程中各个部分的平衡，逐步考究如何取得最大效率。做到了这一点，才能开始大型工厂的设计，才有把握正式生产能够妥善地进行。显然，这种工作方法是耗费时日的，是要较大的投资的。问题是这种实验设计方法能不能用计算方法来代替。自然，要用计算方法就得满足两个条件： 一个是计算的原始资料必须具备，这些原始资料可能是基础实验的结果，像化学平衡常数、热传导系数等，也可能是各种有关技术科学的理论结果，像运动方程式、边界条件等。要具备这个条件就是发展基础科学和技术科学的问题。

可是另一个使用计算方法的条件是计算的要求必须与计算的工具相适应，也就是说计算的复杂程度不能超越计算的能力。诚然，在电子计算机出现以前，前面所举的汽油机设计和化工厂设计问题，就是原始资料具备也不能算，因为，其中因素太多，计算繁难，可以说一辈子也算不完，自然不能用计算方法来做出设计了。但是真如多罗尼真院士所说的，现在不同了，有了高速电子计算机，计算尽管繁，计算量尽管大，也能在较短的时间内完成工作，以前因为计算太繁而转用实验方法来解决的，现在就能计算，从而节省时间，减少投资。从苏联在人造地球卫星的工作来看，肯定这是一个优越的方法。我们应该首先研究有哪些以前用实验方法来解决的科学技术问题现在可以用计算方法来代替了，这是立刻可以动手做的。其次我们应该对科学技术的各个领域的研究和发展计划，在这个新的工作概念下做一番分析，有哪些基础科学和技术科学部门应该推动以满足使用计算方法的第一个条件，也就是为使用计算方法准备原始资料。更不用说，计算技术本身，不论在计算机的设计方面或计算机的有效使用方面都得大力研究。

同志们，值得我们深思的是： 苏联并不是第一个发展电子计算技术的，第一个制成现代大型计算机的是美国。但是美国光有了这个有力的工具，不会好好地使用它，真正使用了计算机的是苏联。这是什么缘故?我看这是因为美国的科学技术工作者是资本主义制度下的科学技术工作者，他们充满了个人主义，争权夺利，因而做实验的看不起搞理论的，搞理论的也看不起做实验的，两方面的人永远碰不到一起。我们可以看到在科学技术工作中有效地使用计算方法是等于用理论的方法去解决实际的问题，理论工作者必须和实验工作者紧密地结合起来，这是资本主义国家里的科学技术工作者所做不到的。而且理论与实际的结合决不是一种机械的连结，而是辩证唯物的，所以只有在社会主义国家里，只有在马克思列宁主义的党的光辉领导下，科学技术工作者才能普遍地掌握理论联系实际的原则，才能把这一项宝贵的原则灵活地运用到所有的问题上去，从而取得卓越的成就。苏联的科学技术工作者最近在人造地球卫星上，以及其他一系列重大科学领域上所以能做出这样的丰功伟绩，归根结底是由于社会主义的优越性，由于有党领导的科学的不可战胜的力量!今天在这个隆重的庆祝伟大的十月革命40周年纪念集会上，我仅对苏联最近发射人造地球卫星在科学技术上的意义，谈了几点个人的体会，是否有当，还要请同志们指正。