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你们瞧，地球上的海洋竟和一切事物一样，也有它自己的诞生、成长、 消亡的过程。

“活”的断层

1906 年 4 月 18 日凌晨 5 点 12 分，在美国西部加利福尼亚州发生了一次 美国历史上罕见的大地震。震级为 8.3 级，在 37 万平方公里的范围内都感觉 到了这次地震。

这次地震的震中并不在圣弗兰西斯科市（即旧金山市），但是却使这个 城市完全震毁。地震发生后，300 多人被倒塌的房屋砸死。接着又发生了无

法扑灭的火灾，大火一连烧了 3 天 3 夜，把圣弗兰西斯科烧成一片瓦砾。 这就是闻名世界的圣弗兰西斯科大地震。 美国加利福尼亚州西海岸是世界上地震发生最频繁的地区之一。在最近

100 多年的时间里，超过 8 级的特大地震就发生过两次。一些震级较小的地 震几乎年年都有发生。

为什么加利福尼亚州西海岸是一个多地震的地区呢？ 原来，这里有一条很长很长的地壳断裂带。它纵贯北美洲西部沿海，并

且深入到太平洋中，全长足有 1600 多公里。科学家们称它为圣安德烈斯断 层。

什么是断层呢？地壳运动会使岩层发生断裂，断裂岩层沿着断裂面发生 相对移动的现象就叫断层。断层一般是岩体沿断裂面上下错动。

圣安德烈斯断层有其突出的特点。它不像常见的断层那样上下错动，而 是彼此平行滑动，也就是在水平方向上的前后错动。断层的东侧向南，西侧 向北，滑动的速度也很可观。1906 年，圣弗兰西斯科大地震时，一次就滑动 了 6 米，在地面上产生一条 300 多公里长的大裂缝。

圣安德烈斯断层引起科学家们极大兴趣。科学家们发现，这个断层一直 处于不停的运动中。在多数情况下，断层的移动很慢，但移动的速度并不总 是一样的，有时快一些，有时又突然慢下来。如果没有精确的测量仪器，人 们用肉眼是很难发现断层移动的。科学家把这种断层移动叫“蠕动”。

在 1956 年，人们用肉眼看到了这种滑动现象。在那一年，一座凑巧建筑

在圣安德烈斯断层上的葡萄酒厂的钢筋混凝土厂房，突然发现有一条很大的 裂隙。经过调查，这个建筑物的裂缝，既不是地基基础不好，也不是建筑材 料质量不好或施工问题造成的。它的断裂来源于地下那条不断错动的断层。 圣安德烈斯断层上发生过许多奇怪现象。一家草栅栏突然从中间断开， 铁轨发生意外的弯曲，就是那些穿过断层的移动，河道不能顺直地流动，造

成非常奇怪的拐弯。

科学家们用精密的测量仪器对断层两侧进行过反复测量，最后测出，圣 安德烈斯断层平均每年彼此滑动距离为 10 毫米。

“10 毫米”，这是一个多么小的数字。但是，用地质学的观点看，这个

数字是相当惊人的。圣安德烈斯断层至少已经存在 1 亿多年了。在这漫长的 年代里，移动速度按每年 10 毫米算，加起来就是一个十分惊人的数字。

科学家们估计，这个断层已经相对移动了 260 公里！

圣安德烈斯断层的活动给地震科学家研究地震成因提供了一个难得的天 然实验室。地震科学家在这个断层附近布置了许多台仪器，昼夜不停地观察 着断层的一举一动，把这些现象统统记录下来，进行详细的研究，探索地震 的起因和规律。

科学家们认为，地壳的运动应该是地震发生的基本根源。 现在可以这样说，地球表面的地壳各个部分总是或多或少地运动着。它

们有的彼此分离，有的彼此挤压，有的相互错动。这样，地壳间就产生了十 分强大的压力。

科学家们推测，地球上某一地区在地震发生之前，那里的地壳正受到日 益增加的强大压力。这种巨大的压力不断地积累着、增加着。地壳压力可以 引起地壳的变形：轻度的倾斜或者翘起。断裂带是地壳的薄弱部分，当地壳 所受的压力达到一定限度，足以超过地层之间断层摩擦力的时候，断层就会

急剧活动，山崩地裂的地震就发生了。

在海底深渊中探险

强大的水下探照灯打开了，光明第一次照亮了黑暗的海底深渊。一个陌 生而新奇的世界展现在两位勇敢的深海探险家的舷窗前面。

一条 30 厘米长的怪鱼，摆动着扁平的身躯，缓缓地在水中游动。它从来 没有看见过身边出现的这个庞然大物——水下深潜器，所以不害怕，也不逃 避，还是若无其事地游着，最后慢悠悠地把半截身子钻进海底软得不能再软 的细泥里去了。

一条红色的大虾也赶来凑热闹，它竟然贴近深潜器的舷窗，像是欢迎这 位深海中出现的不速之客。

在探照灯光照射下，海底一片橙黄色，堆积着亘古以来没受到过干扰的 厚厚软泥，这是生活在海中的单细胞植物——硅藻留下的遗体。

整个深渊沉浸在一片宁静、安谧、黑暗的世界里。 水深指示器指示着水深：11 022 米。 水温表指示着水温：3.3℃。

没有海水流动现象。

上面所讲的，是深海探险家雅·比卡德和他的助手沃尔什于 1960 年 1 月 23 日第一次向全世界报告的海底深渊中的图景。

比卡德下潜地点在太平洋上的马里亚纳海沟的最南端。1951 年，英国海

军调查船“挑战者”号第一次发现了它。1959 年，前苏联调查船“勇士”号， 测出这里的深度为 11 034 米，具体位置是，东经 142°12′，北纬 11°20

′。这是人类目前发现的世界海洋中最深的纪录。

在科学技术还不够发达的年代里，海洋是人类最不熟悉的领域。因为那 层厚厚的海水，挡住了人们的视线，人们很难弄清海底的真实面貌。

后来，科学家发明了新式的测深仪器，能够以最快的速度和足够的精确

度测量大海的深浅，才渐渐弄清海底情况。原来海底也和陆地一样，是一个 高低起伏、复杂多样的世界。

在茫茫大海底部有连绵的海岭，有孤立的山峰，有广阔的盆地，也有狭

窄的深谷。在这些复杂的地形中间，大概要数海底深渊最引人注意了。 这些海底深渊常常连结成一条又深又陡的峡谷，就是地理学中所说的“海

沟”。

世界上海沟之深真叫人吃惊。如果把世界最高峰珠穆朗玛峰（海拔

8848.13 米）放在里面，还差 1000 多米才能露出水面。

在 1 万多米的海底深渊里，海水的压力大得惊人。如果你们学过大气压 力的知识，可以计算一下，1 万米以下的海水压力有多大。

告诉你们，这里的海水压力大约等于 1000 个大气压。换句话说，这里 1 平方厘米的面积上，要承受着 1000 公斤的压力。

为了战胜水下压力，胜利完成征服海底深渊计划，比卡德的潜水器采用 了最结实的钢板和各种保护性设备。

在 1 万米的海底深渊里，阳光是绝对透不进去的，水温也很低。可是， 在这种高压、黑暗、低温的环境中，将会是一种怎样的情景呢？会不会也有 活着的生物生活呢？

现在，这些问题已经解决了。比卡德成功的探险，给我们描绘出海底深 渊的生动图像，同时也告诉我们，海底深渊并不可怕，即使在 1 万米以下的 海沟里仍然有各种生物生存。

如果你们在世界地形图上仔细观察地球每条海沟的分布，不难发现这些 海沟的分布有一定的规律性。它们绝大多数靠近大陆，特别是岛屿的边缘。 上面提到的马里亚纳海沟就在马里亚纳群岛的东侧。另外，日本海沟在 日本列岛的东侧，菲律宾海沟在菲律宾群岛的东侧，汤加海沟在汤加群岛的

东侧等等。 这些现象引起科学家的极大兴趣。他们认为，这绝对不是偶然的巧合，

其中必然包含着深刻的科学道理。 目前比较流行的解释是这样的：按照板块学说的理论，地壳是由若干个

板块构成的，板块浮在地幔之上，总在不停地运动中。这些海沟是两个地壳 板块的交接地带。由于一侧的地壳不断地向另一侧地壳移动，使得地壳发生 下倾，最后插进另一地壳板块的下面。于是，在这里就产生了海沟。而海沟 另一侧，由于地壳被挤压，则形成高出海面的岛屿。

奇怪的湖泊

世界上有一种奇怪的湖泊，别看它叫湖，可是湖泊中并没有水，而是稠 乎乎、热腾腾、红通通的岩浆。在巍峨的高山之巅，一个深深的大坑底部， 翻腾着这样炽热的岩浆，吼声隆隆，真令人胆寒。

非洲扎伊尔东部边境上的尼腊贡戈火山顶部，就有一个这样的岩浆湖。

这座火山海拔 3000 多米，正好处在东非大裂谷附近，是一个非常活跃的活火 山。在最近 100 多年间，尼腊贡戈火山曾经喷发过多次，每次喷发总要流出 大量炽热岩浆，沿着山坡流得很远，结果把漫山遍野的森林烧个精光。后来， 火山停止了喷发，在火山顶上留下一个深深的火山口，火山口中隐藏着一个 终年沸腾着的岩浆湖。

从远方眺望尼腊贡戈火山是很有趣的事情。白天，一缕缕白色的烟雾在

山顶袅袅升起；晚上，则像节日里的焰火那样，放射着耀眼的光芒。 尼腊贡戈火山口样子很像一口巨大的锅，从锅沿到锅底有好几百米深。

四周是圆形的陡壁悬崖，悬崖下面就是那个沸腾着的岩浆湖。

多少年来，人们一批又一批地攀上尼腊贡戈山的顶峰，从火山口边沿向 下俯瞰岩浆湖壮丽而又神秘的奇景。可是，谁都不愿意爬下悬崖，到岩浆湖 边看看那里究间是什么模样。

1948 年和 1953 年，一位意大利的勇敢探险家，冒着被岩浆吞没的危险， 两次走进地下“魔窟”，为我们带回了极为重要的科学资料。

原来，这片稀奇的岩浆湖并不是一天到晚总是翻滚沸腾着的，它也有平 静的时候。这时，湖面上相当安静，火红的岩浆表面渐渐冷却，结成一层厚 厚的黑壳。

可是，平静时间并不很长。过不多久，湖面上开始喷涌出火红的岩浆， 喷涌的范围越来越大，很快就掀开表面的全部硬壳。与此同时，岩浆湖上腾 起浓密的烟雾，响起隆隆的吼声。

这时，原来凝结的岩壳消失了，重新被熔化成岩浆，整个岩浆湖像一炉 熔化的铁水。随后，岩浆湖又慢慢恢复了原来的平静。

像尼腊贡戈那样的岩浆湖，世界上还曾经有一个。它位于太平洋中的夏 威夷群岛上，可是，到 1924 年，一次火山大爆发以后，这个岩浆湖忽然消失 了，只留下了一个黑洞。

岩浆湖的存在说明什么问题呢？ 首先，它的存在最直观地告诉我们，地壳下面确实存在着大量的炽热岩

浆。虽然在火山喷发的时候，常常要涌出大量岩浆，但是，人们很难接近激 烈喷发的火山，去观察岩浆流动。只有沸腾着的岩浆湖，随时都欢迎人们到 它身边参观。

其次，它告诉我们，岩浆湖的出现和岩浆本身的成分有密切关系，不是 所有的岩浆都能形成岩浆湖。地壳下面的岩浆成分有很大的差异。有的岩浆 含二氧化硅成分多，岩浆特别粘稠，一从地下涌出，很快凝固，这种岩浆是 无法形成岩浆湖的。

只有含二氧化硅成分最少的岩浆才能形成岩浆湖。这种岩浆特别稀，不 容易凝固，尼腊贡戈岩浆湖的岩浆就属于这种类型的岩浆。

火山的相貌

你们看见过日本富士山的照片吗？富士山一向以体型漂亮闻名于世，白 雪皑皑的尖峰和两侧略呈微弧形的山坡线，在晴空中显得十分美丽。日本人 把富士山当成自己国家的象征。

在火山家族的“族谱”中，如果用形状进行分类，富士山属于圆锥形火

山。这种火山喷发时，地下岩浆和岩石碎屑主要通过一条中心管道不断喷出 来，由于岩浆的成分不同，喷发后所形成的火山锥形状也不同。这种圆锥形 的山峰，叫做层状火山锥或混合火山锥。

我国也有圆锥形火山，山西省大同附近的吴天寺火山就是这种形状的火

山，虽然个头比富士山要小得多，但在形态类型上和富士山同属一类。圆锥 形火山顶部常常有一个很大很圆的深坑，这是火山喷发以后，留下来的喷火 口遗迹。有的深坑积满雨水，形成湖泊，称为火口湖。我国东北中朝边境长 白山顶上的天池就是这样一种湖泊。如果火山锥的平面形态是长圆形的，样 子像个盾牌，就叫盾状火山。我国大同火山群中就有这样的火山。

太平洋中的夏威夷群岛上，有一些火山不会猛烈地喷发，炽热的岩浆只

是不停地从火山口中静静地流淌出来。这种岩浆很稀，流动性大，流在地面 上就像一摊一抹稀泥。岩浆冷却凝固以后，就形成一种坡度十分平缓的火山， 被称做穹窿状火山。这种火山在我国也有。

如果许多大大小小、形态不同的火山聚集在一起，就组成一片丰富多彩 的火山群。到火山群中旅行，可以看到各式各样的火山，我国黑龙江省德都 县附近的五大连池火山群，被科学家们誉为“天然的火山博物馆”，每年总 有许多专家和地理爱好者们到这里参观、游览。

五大连池火山群有 14 座大小不同的火山，分布在不到 600 平方公里的广 阔平原上。由于火山喷发和岩浆流出，把这里的一条小河拦腰截成 5 段，形 成首尾相连的 5 个小湖，“五大连池”就是这样叫起来的。

五大连池火山最后一次爆发在 18 世纪 20 年代，距今只有 200 多年，因 此，它是我国最年轻的火山群之一。正因为年轻，每个火山的形态和各种熔 岩地形都保存得相当完整，让人们很容易推测当年火山喷发时的各种情景。

好，让我们走上火山群中央的老黑山，看一看五大连池火山群的全貌吧： 老黑山的外貌属于圆锥形火山，相对高度 156 米，基本由松散的火山碎

屑堆成。山北坡长满落叶松和白桦，山顶有一个 100 多米深的圆坑，坑里没 有水，但陡得无法下去。站在老黑山顶瞭望五大连池火山群，只见那些坐落 在平缓平原上的一座座山峦，各有不同的形态，有的如卧虎，有的像走兽， 有的似笔架，有的像菌蘑，真是千姿百态，各具风姿。

弯弯曲曲的白河像一条亮晶晶的玉带从天边流来，在火山群区汇成 5 个 明镜似的湖泊，又蜿蜒流向远方。

在老黑山北边不远的地方，有一对小火山，当地居民叫火烧山。因为当 年火山喷发时，发生强烈的爆炸，火山口没有保存下来，整个山体被炸成两 半，所以也叫“两半山”。

在火山地区，还能见到不少奇特的熔岩地形。在五大连池的老黑山和火 烧山附近，到处覆盖着一色儿的青黑色熔岩。熔岩上面崎岖不平，像是一片 刚刚犁过的黑色的土地，当地老百姓叫它“翻花石”。科学家们推测，这种 熔岩地形是当年岩浆流动时，搅动上面已经冷凝的岩层形成的。地面上还保 留着十分清晰的当年熔岩流动时的各种形态，如石蟒、石绳、石鼻、石瀑等， 有一种石碟和石塔最是稀奇，有一两米高，那是当年岩浆的喷气孔。

如果有机会能到五大连池火山群去旅行，你将会学到不少有关火山方面

的知识。

一座新岛的诞生

在日本首都东京正南方大约七八百公里的太平洋上，有一串日本所属的 小岛，叫小笠原群岛。在小笠原群岛西面还有一个孤零零的更小的岛屿，叫 西之岛。1973 年 5 月 30 日，一艘日本渔船正在西之岛附近的海面上打鱼。 船上的渔民突然发现，在西之岛东南方不远的地方，有断断续续的水柱和白 烟从平静的海面上升起来，再仔细看看海水，海水的颜色也和往常不同。

渔民把这个奇怪的现象报告给日本政府。第二天清晨，一架日本搜索飞

机飞临西之岛上空观察。机上人员发现，在西之岛的东南方大约 800 米的地 方，海水变成黄色。在黄糊糊的海水中央，不时翻滚着白色的泡沫。

搜索飞机在西之岛上空盘旋观察足足有 1 个小时。他们发现白色泡沫一

会儿变小，一会儿变大，黄色变色海区一会儿变浓，一会儿变淡，这种情景 恰恰反映出海底火山断断续续的喷发活动。

后来，火山喷发力量不断加强，海水变色范围一天天扩大。6 月 14 日， 人们看到海面上升起了 30 多米高的烟柱。大约 1 个月以后，海面上终于挺立 起两座 1 米多高的礁石。细心的日本人立刻把它拍进了镜头，作为第一次发 现新岛最有力的证据。

岛礁的出现在日本引起了轰动。日本政府也表现出异乎寻常的热情。他 们认为，对于国土狭小、资源贫乏的日本来讲，这个岛屿的诞生无疑是大自 然的恩赐。日本渔民可以利用这座新岛为基地，开展更大规模的远洋捕捞活 动。

日本的新闻界人士也是干劲十足。日本几家大报都派出得力记者准备来 此采访。可是，事过 3 天，当他们乘坐飞机匆匆赶到现场的时候，非常奇怪， 在茫茫大海上，根本找不到新岛的踪影！

原来，一座火山岛屿的诞生并不是一件容易的事情。首先，火山喷发物 必须堆到足以超过海水深度的高度。比如西之岛附近的水深大约三四千米， 就是说，火山首先要堆成一座像我国秦岭最高峰太白山那么高的山峰，才能 指望形成一座岛屿。其次，还要抵抗无情海浪的破坏。或者说，只有当火山 喷发物堆积的速度超过海浪破坏速度的时候，火山岛才能慢慢从水下升起。

科学家断定，那刚刚从海面长起的两处岛礁一定是被海浪吞噬了。 当然，火山喷发并没停止。9 月中旬，这座“失踪”的岛屿又一次从海

下钻了出来。9 月 14 日，一艘科学考察船载着大批日本专家赶到现场，亲眼 目睹了海底火山喷发的惊心动魄的情景。

开始，人们看到在翻滚沸腾的海面上，一股股黑色水柱腾空而起，水柱 中挟带着大量火山灰，在高空慢慢散开，喷射高度达二三百米。海水被炽热 岩浆烧沸，冒出一团团白色蒸汽，随风飘到 1000 多米的高空。

最初，火山在水下喷发，人们几乎听不到爆炸声，但是，当火山口钻出 海平面的一霎那，立即传来了震耳欲聋的爆炸声。像几十门大炮同时开火， 一颗颗赤红的火山弹在巨大喷射力量推动下，升上高空，又雨点似的飞落下 来，人们看到，正是在这样激烈的连续喷发过程中，火山口由小变大，一点 点长高。

火山口升出海面以后，人们才知道，原来并不是一个火山口单独活动，

而是 5 个火山口同时喷发，这 5 个火山口大致可以连成一条直线，说明岩浆 是沿着一条地下裂缝喷射上来的。

火山堆积物渐渐地把新岛与原先就有的西之岛连接起来。在新旧两岛相

接的一侧，围成了一个小小的海湾。 新岛诞生以后，经过多次台风和巨浪的袭击，仍然屹立未动，说明这座

岛屿已经真的站住了脚跟。

日本政府兴高采烈地把这座新岛标在自己的地图上，日本科学工作者带 着多种科学仪器走上火山喷发刚停熄不久的滚烫的土地，观察新的生命在这 座岛屿上是怎样产生和发展的；生性多绺的鲣鸟，经过多次盘旋侦察，终于 认准了这里并不是一片有危险的土地，把自己的巢建在嶙峋的岩石上；风把 远方土地上的种子吹来，在肥沃的火山灰里，钻出了第一个嫩芽

立体的气候

你们知道地球上的“第三极”吗？也许你们会想，地球上只有南极、北 极，怎么又出来个“第三极”呢？其实并不是真有个“第三极”，而是人们 对像南北极地区那样寒冷的一个地方的形象叫法。这个“第三极”就是位于 中国和尼泊尔边界上的珠穆朗玛峰。

珠穆朗玛峰海拔 8848.13 米，虽然地处接近热带的北纬 28°附近，山顶 上却终年狂风不息，极度严寒，即使在最热的 7 月，最高气温也在零下十几 度，因此被人称做地球的“第三级”。

如果我们从尼泊尔境内的珠穆朗玛峰南坡向峰顶攀登，可以在不到 100 公里的距离内，随着海拔高度的增加，看到五六种完全不同的气候和自然景 象。

在海拔 2000 米以下的山间河谷中，是一片亚热带、热带风光。这里气温 高，降雨量也大，山岳间常常云雾弥漫，山坡上常绿阔叶林郁郁葱葱。一幢

幢石砌的房舍和庙宇掩映在青翠竹林之间。这里生长着香蕉、芒果等热带果 树，农作物主要是水稻。

当海拔超过 2000 米以后，自然景象立刻发生变化。常绿阔叶林不见了， 代之的是针叶、阔叶混交林，高大的铁杉树和圆形树冠的栎树是这里的主要 树木。农作物中，水稻种植物渐渐少了，而玉米、小麦则渐渐多了起来。这 里的气候比起山脚要冷多了，但小麦照样能够过冬。水果中以苹果、梨为最 多。

再向上攀登，海拔达到 3000 米，这时山坡上长起了以冷杉为主的针叶 林。冷杉是一种高大整齐的树木，外观呈暗绿色，构成一片片莽莽苍苍的林 海。

这里的气温已经不允许小麦过冬了。只能在背风向阳的山坡上种植耐寒 的青稞和少数蔬菜、饲料作物。

空间技术三十年巡礼 人造卫星为何能绕地球运行

人类希望揭开天空的奥秘，拜访当空的明月，探索闪闪烁烁的星斗。古 往今来，这种想法绵延不断。我国民间传说的嫦娥奔月和七仙女下凡，正是 古代人渴望天地间往来而编织成的美丽故事。但是，直至现代科学的建立， 特别是天体力学、数学和计算机技术的发展，人类飞向太空的愿望才有了实 现的可能。本世纪初，著名俄罗斯科学家齐奥尔科夫斯基大胆提出了到月亮、 星际旅行的科学设想，而且提出具体实现办法，他指出，用液体燃料作推进 剂的多级火箭可以实现这种宇宙航行，并推导出了著名的齐奥尔科夫斯基公 式，对太空飞行做了科学的、精确的计算，为现代宇宙航行奠定了一定的理 论基础。

发射人造地球卫星是星际旅行的第一步。那么怎样才能使一个物体像月

亮一样成为地球的卫星？现代科学证明，这里必须满足两个条件：一是该物 体应具有一定的速度；二是要有一个向心力，对于一个环绕地球运行的卫星 来说，向心力就是时刻都存在的卫星重量，即地球对它的引力。靠这种向心 力的作用，地球力图将卫星吸回地面。关键是卫星必须获得一定大小的速度， 这个速度称做第一宇宙速度。其含义是这样的：在不考虑空气阻力的情况下， 在地面将物体以每秒 7.9 公里的速度沿水平方向抛出去，它就会沿着以地球 为圆心的圆形轨道运转起来。

卫星在地球引力作用下环绕地球运行的规律，符合行星在太阳引力作用 下绕太阳公转的开普勒三定律和牛顿的万有引力定律。归纳起来有三点：第 一，当卫星速度大于环绕速度时，其运行轨道是一个椭圆，地球位于椭圆的 一个焦点上，卫星速度越大，椭圆轨道也就拉得越长、越扁；当卫星速度恰 好等于环绕速度时，其运行轨道才是一个圆，地球位于这个圆的圆心；当卫 星速度小于第一宇宙速度时，卫星在地球引力作用下将坠落地面。第二，卫 星在椭圆轨道上运行的速度是变化的，在离地球最远的一点即远地点时速度 最小；反之，在离地球最近的近地点上速度达到最大。这就是说，地球对卫 星的引力，随卫星的高度增加而减小，环绕速度也相应变小。例如，离地 36

000 公里高度处的环绕速度，不再是每秒 7.9 公里，而只有每秒 3 公里。卫

星离地越高，环绕速度越小，可是发射卫星所需能量并不减少，反而增加。 第三，卫星绕椭圆轨道一周的时间与短轴无关而与半长轴的 3／2 次方成正 比。因为人造地球卫星的质量远远小于地球质量，这个数学关系是严格成立 的。但是，椭圆轨道的半长轴应是卫星离地最远距离再加上地球的平均半径 即 6371 公里。

如果人造地球卫星的速度不断加大，会出现什么情况？这时的椭圆轨道 也就越来越长、越扁，当速度增大到某一个限度时，卫星终于摆脱地球的引 力飞离地球而去，像地球一样绕太阳运行，成了人造行星。这个使卫星脱离 地球而去的速度，称做第二宇宙速度，其大小是每秒 11.2 公里。如果卫星要 离开太阳系，就必须克服太阳的引力。太阳的质量远比地球大，需要的脱离 速度就更大。为此，除了借助地球绕太阳约每秒 30 公里的速度外，还要再加 一个约每秒 16.7 公里的速度，这个速度叫做第三宇宙速度。

发射人造地球卫星，除了上面所介绍的理论外，还要考虑其他因素。地 球被一层厚厚的空气包围着，其厚度大约有 1000 公里；不过离地越远，空气 越稀薄，真正浓密的大气层只有几十公里。大家知道，空气会对运动物体产 生阻力，物体运动速度越大，阻力也越大。人造卫星脱离火箭以后，在地球 的引力场内作椭圆绕地运动，由于大气阻力，它的速度会变小，其结果是飞 行高度逐渐下降；如果高度降低到进入了地球浓密大气层，和空气产生的摩 擦非常剧烈，会产生几千度高温将卫星烧毁。为避免卫星过早烧毁并使它能 在空间长时间运行，就必须把卫星送到离地一定的高度。人造卫星的轨道高 度，根据工作需要通常在数百公里到数万公里之间。

要把人造卫星送上那么高的高度并达到环绕速度，不是一件易事。运载

卫星的火箭速度是最关键的问题。所以发展威力强大的多级运载火箭，是发 射人造地球卫星和其他人造天体的首要条件。

人造卫星靠什么升空

火箭不像一般的飞机发动机那样需要大气中的氧气来燃烧，而是自己带 有燃料和氧化剂，能在真空条件下工作。因此，要把一个物体送入空间轨道， 只有借助火箭，到目前为上，人造卫星和其他人造天体都是借助多级火箭作 运载工具送上空间的。多级火箭能在飞行过程中不断地把工作完毕的火箭壳 体抛掉，以提高飞行速度。当多级运载火箭的末级火箭之速度达到或超过第 一宇宙速度，也即地球环绕速度时，人造卫星便与火箭分离进入地球轨道。

然而，运载火箭的发展却经历了相当长的时间，多级火箭的设想，在 20 世纪初就提了出来。

第二次世界大战期间，德国利用火箭技术，首先研制成功 V—2 导弹，这 就把自动控制技术、无线电遥控技术和火箭技术科学地结合起来，并把火箭 技术的应用推上了新的发展道路。战后，美国和前苏联又在德国 V—2 导弹的 基础上，先后于 50 年代后期研制成功洲际弹道导弹，遥控和自动控制技术获 得较大的发展；同时，火箭技术包括火箭发动机的性能、推力以及试验方法 又有了大幅度的提高和完善。导弹武器的先期发展，为大推力卫星运载工具 的发展铺平了道路并提供了技术基础。实际上，多级卫星运载工具的研究、 设计、制造和试验方法，基本上和导弹武器一样。因此，可以说，多级卫星 运载火箭，是在弹道导弹的基础上发展起来的，洲际导弹则是它的前身。在

洲际导弹研制成功不久，前苏联就发射第一颗人造地球卫星，这不是偶然的， 因为发射卫星的运载火箭就用 P－7 洲际导弹改装过来的：把核弹头换成人造 地球卫星，置换一些有关仪器，修改一些系统。

洲际弹道导弹，由于受到作战性能要求的限制，例如它要采用可储存推 进剂，因而很难应用低温混合燃料推进剂，运载能力有限，改装成卫星运载 工具后，只能发射高度约 300 公里的近地轨道卫星。

卫星运载工具的研制，从此走上自己独立的发展道路，主要侧重于增大 运载能力。由于它不要求储存燃料、发射准备时间不太严格，因此可用低温 混合燃料作推进剂，使火箭发动机的性能大为提高，其推力可增加 50～100

％。

卫星运载工具的发展，除了燃料推进剂的改进外，在结构上也经历了变 化，如多级火箭串联，由 2 级、3 级、4 级串联火箭；后来又发展串并联火箭 技术，例如在第一级火箭周围捆绑一些助推火箭，以加大初级推力。现今的 大推力运载工具，有能力把几十吨乃至 100 多吨的有效载荷送入地球近地轨 道，把数吨重的深空探测飞船送往太阳系其他行星。

世界上第一颗人造卫星是哪国发射的

二次大战结束不久，满目战争疮痍的前苏联，就着手研究洲际弹道导弹 和运载火箭。也许是由于战后美苏对峙、冷战浓云密布的原因，当时的苏联 政府对此十分重视。然而要搞导弹和火箭，需要有资金、技术和人才，最困 难的是资金。由于前苏联是二次大战中遭受战争破坏最严重的国家，损失了 几乎 1／3 的国民财富；有 1700 个城镇和数万个乡村要重建；而且还有数百 万人住在战时防空洞内，生活困苦，需要安置。因此，资金奇缺。尽管如此， 当局还是拨出巨款，一定要搞导弹和火箭。他们采取的第二个有效措施，就 是调集全国的资源和技术力量，保证导弹与火箭研制工作的进行，特别是集 中一些权威性的专家，进行研制大推力火箭的攻关。由于俄罗斯是齐奥尔科 夫斯基的故乡，不乏优秀的火箭人才，研制工作在对外绝对保密的情况下， 不断取得重大进展。在各项工作取得进展的同时，加强了组织协调、技术协 调的工作。当时曾正式宣布，在科学院天文委员会的范畴之内成立一个跨部 门的星际通信协调委员会，以实现对研究工作的协调和监督。这一点是十分 重要的，因为搞导弹、火箭并发射卫星，是一项极复杂的系统工程，全局的 技术协调，往往比研制工作更难，更费时。

运载火箭的研制成功，不仅使前苏联能够成功发射洲际导弹，而且使卫 星上天成为可能。1953 年 11 月，前苏联人在日内瓦世界和平大会上宣布： “制造人造地球卫星是完全可能的”。这就预示前苏联要研制人造地球卫星 以及它的运载工具，但是并未引起人们多大注意。1955 年，美国宣布要在 1957 年至 1958 年期间发射“尖兵号”地球人造卫星，当时没有人怀疑美国的能力 和信心，但是，1956 年前苏联的代表在一次国际会议上又提出在“国际地球 物理年”期间，将把一颗人造地球卫星送入轨道。当时没人注意这事，一些 西方记者认为，这可能是一种心理宣传而已。实际上，前苏联的人造地球卫 星研制工作已接近尾声，正准备把洲际导弹改装成运载工具，供发射卫星用。

1957 年 10 月 4 日，前苏联人在拜科努尔发射场用 P—7 洲际导弹改装的 卫星号运载火箭把世界上第一颗人造地球卫星斯普特尼克 1 号送入轨道，开

创了人类航天新纪元。

斯普特尼克 1 号是个铝制球体，直径 58 厘米，重 83.6 千克，有 4 根鞭 状天线，内装有科学仪器，用以测量 227 公里至 941 公里轨道之间的大气密 度、温度和电离层的电子浓度。卫星在轨道上共运行 92 天，绕地球约 1400 圈，并在 1958 年 1 月 4 日坠入大气层烧毁。

前苏联紧紧抓住发展大椎力火箭这一关键，又向着把人送上太空的目标 努力。把载人宇宙飞船送入空间，要求运载火箭有把数吨重的有效载荷送入 地球轨道的能力，这又是一次飞跃。

前苏联人不断增大运载火箭的推力，在发射了重 83.6 千克的第一颗人造 卫星之后，短期内将发射的斯普特尼克 2 号卫星重量大幅度增至 508.3 千克， 斯普特尼克 3 号则重达 1327 千克。大推力运载火箭如此快速发展过程中获得 的技术窍门帮助并显著加速了载人航天飞船的准备工作。因此，前苏联在第 一颗人造地球卫星发射后不到 4 年时间，在1961 年 4月 12 日就成功地将4.73 吨重的东方号载人航天飞船送入地球轨道，尤里·加加林成为第一个太空人。 这时，世界又一次受到震动。从此开始了人类在太空的活动。纵观前苏联的 初期航天活动，给人一种比较顺利的印象。

美国的初期航天活动领先吗

和前苏联一样，二次大战结束后，美国也立即着手研制自己的洲际导弹 和人造地球卫星。

美国拥有世界有最雄厚的经济实力、最优秀的技术、最优秀的人才。二

次大战结束后，美国俘获了以布劳恩为首的共 492 位德国导弹和火箭专家。 他们是一些最优秀的技术人才，过去在希特勒统治下，曾在世界上首先研制 成功 V—1 和 V—2 导弹，现在这些专家已为美国服务，继续从事运载火箭技 术的研究工作。美国还将装满 V—2 导弹各种部件的约 300 辆货运车用船从德 国运到美国。一位美国将军说，德国领先的火箭专家以及 V—2 导弹部件能使 美国节约 5000 万美元和 5 年研究时间。后来在布劳恩领导下研制成功威力极 大的土星 V 运载火箭，曾保证阿波罗飞船登月计划的成功。

美国对自己的优越条件充满信心，因此早在 1948 年就向全世界宣布打

算发射一颗地球近地轨道人造卫星，并着手进行这项研制工作。1955 年，美 国根据运载火箭及卫星研制情况又向世界宣布发射它的人造地球卫星的时间 表，即在 1957 至 1958 年期间发射。1958 年 1 月，美国实现了自己的计划， 将他们的第一颗人造地球卫星送入了地球轨道，卫星重量 8.3 千克。如果和 前苏联的第一颗人造地球卫星相比较，美国的第一颗卫星发射时间晚了一个 季度，而重量只有前苏联卫星重量的 1／10。给人们的一种印象是美国的成 就似乎和他们的经济技术实力不相称。

在第一颗人造地球卫星发射成功之后，美国开始了水星号载人航天飞船 的研制工作。然而，与前苏联的东方号飞船计划相比，美国载人航天初始阶 段的水星号计划开始进行得很不顺利。例如，1961 年 5 月 5 日，即前苏联成 功实现世界第一次载人航天之后的 23 天，由于小艾伦·谢泼德中校所乘的水 星 3 号使用的红石号运载火箭推力不足，只作了一次直上直下的亚轨道飞 行。这次飞行持续了 15 分 22 秒，全程 478 公里，最大飞行高度 185 公里。 在飞行过程中，有 1 分钟时间是在失重状态下进行的，最后这艘飞船溅落于

大西洋，由直升飞机将它回收。10 个星期后，弗吉尔·格里索姆上校又作了 一次类似的亚轨道飞行，显得更不顺利。在座舱溅落洋面时，飞船的应急出 口莫明其妙地突然炸开，海水顷刻间涌入座舱，使飞船急速下沉。幸好一架 救护直升机及时赶到并放下潜水员奋力挽救，格里索姆才没有葬身海底。

美国在 1962 年 2 月 20 日，用宇宙神 D 型运载火箭，将重约 1.3～1.8 吨的由海军中校约翰·格林乘坐的水星号飞船送入地球轨道。飞船绕地球运 行 3 圈，历时 4 小时 55 分 23 秒，然后在大西洋海面安全溅落。

虽然约翰·格林有幸成为美国太空第一人，却也历经险境。在飞船飞行 当中，由于密封舱的姿态控制系统出了故障，曾迫使格林转入手控操纵。这 时飞船向地面传回信号，报告格林操作失误，座舱防热罩可能与座舱分离， 失去防热罩的座舱在返回大气层后将与空气产生摩擦而被烧毁。地面测控中 心工作人员收到这个消息后大惊失色。后来证实防热罩没有与座舱分离，飞 船发回的是错误信号，真是有惊无险。继约翰·格林之后，美国又用水星号 飞船分别把 3 名航天员送入太空。美国水星号计划和前苏联东方号计划在

1963 年相继结束，同样是 6 人 6 次升空，美国完成轨道飞行的只有 4 人，飞 行时间共 53 小时；而前苏联是 6 人完成轨道飞行，飞行时间为 382 小时，经 历航天初期的不顺之后，美国开始走向航天科技的快速发展，很快研制出土 星 V 运载火箭。它的总功率达 2 亿马力，相当于 50 万辆卡车的总动力，能把

127 吨的有效载荷送入地球轨道、50 吨的有效载荷送入月球轨道，达到空前

技术水平。

我国第一颗人造卫星的发射

中国是古代火箭的故乡，现代火箭渊源于古代火箭。宋代，我国就制成 了用火药推进的世界上最早的火箭。古代火箭推进系统，是在竹筒或纸筒中 装满火药，筒上端封闭，下端开口，筒侧小孔引出药线。点火后，火药在筒 中燃烧，产生大量气体，高速向后喷射，产生向前推力，这就是现代火箭发 动机的雏型。作为武器用的古代火箭，箭的顶端装有箭头，起杀伤作用，相 当于现代导弹武器的弹头。火箭的尾端装有箭羽，起稳定飞行的作用。

我国明代，发明了一种“一窝蜂”火箭，一次能发射 32 支火箭，杀伤力

较大，曾在战争中使用。另一种用于水战的武器“火龙出水”火箭，达到了 更高的技术水平。火龙有龙头、龙身和龙尾，龙体内装有神机火箭数枚，龙 体外装有 4 个火药筒。发射时，先点燃龙体外的 4 个火药筒，推进火龙飞行， 继而点燃龙体内的数枚火箭，再度加速。通过多枚火箭联用和两级火箭接力， 火箭可以在水面上飞行数里之遥。我国古代这种多级火箭设计思想是极有创 见的。

中华民族虽然有着古代高度智慧，但在尖端技术方面，旧中国留给人们 的是一片空白。我国是古代火箭的发源地，我们应该研究现代火箭技术。1956 年 10 月 18 日，我国第一个导弹研究机构，即国防部第五研究院正式成立， 由刚从美国回来不久的著名火箭专家钱学森任院长。把研制导弹和火箭技术 作为我国高科技的一个主攻方向。1958 年，在前苏联专家帮助下，我国一方 面开始进行导弹研制基地和发射场的建设，一方面开始仿制前苏联 P—2 近程 地地导弹。仿制工作的开展，加速了我国掌握导弹、火箭技术的步伐。

1960 年前后，又从全国各学校挑选了几千名大中专毕业生充实国防部第

五研究院，他们满怀献身祖国尖端事业的豪情，投身到火箭技术队伍的行列 中，技术队伍得到迅速扩大。但是，当我国仿制 P—2 导弹工作进入最后阶段 时，前苏联撤走全部专家。由于这一突然行动，给我国导弹仿制工作造成了 相当大的困难，但也从反面激发了我国导弹研制人员自力更生、发愤图强的 精神。他们刻苦学习、边学边干，克服工艺技术、器材设备以及火箭燃料等 方面的困难，把仿制工作继续推向前进。1960 年 11 月 5 日，用国产燃料成 功地发射了第一枚仿制的导弹，于是中国有了自己的近程导弹。1964 年 6 月