《钱学森文集》_卷一_018

星际航行与科普工作*

*刊载于《工人日报》1956 年 11 月 4 日。

一、引言

有人说我们面临着的是原子能时代，有人说我们面临着的是生产过程自动化的时代，也有人说我们面临着的是超声速飞行的时代。我们可以说他们都是对的，因为他们都指出了今天科学技术发展中最突出的一面：原子能、生产过程自动化、超声速飞行都是现在科学技术中具有代表性的，是标志着现代科学技术的水平的。但是我今天要讲的，不是这些世界科学技术的新成就，而是另外一件事：不是一个科学技术发展，而是开拓人们眼界的，也是把人们引进到认识自然的另一个阶段。这件事就是星际航行。我们都知道在资本主义的萌芽时期，哥伦布的航行穿越了大西洋，发现了新大陆，也就开拓了当时人们的眼界，对科学技术的发展有一定的影响。现在我们对地球表面的知识，除个别区域像南极大陆等以外，都已大致完备。因此如果我们局限于地球表面，那么就没有什么地方可以让我们去参观，让我们去探测。长此下去，我们会不会变成“孤陋寡闻”、“自足自满”呢?我想这个危险是存在的。要不这样，就得把我们从地球表面上解放出来，使我们能脱离开地球，使我们能够航行于星球的空间里，使我们能以大宇宙为我们的活动园地。这也就是星际航行。自然，星际航行的愿望在多少年前已经有人表示过，只不过那些都是空想，在以前我们没有实现星际航行的科学技术知识。但是现在不同了，由于火箭技术和高速飞行在近十几年来突飞猛进的发展，我们已经具有航行于星际空间的条件。在今天星际航行已经不是空想了，我们一定会在不久的将来，跳出地球引力的约束，像哥伦布一样地去发现星际空间的“新大陆”。

二、 火箭技术

火箭是一种很简单的动力机器。它的原理就是利用燃烧所产生的压力把燃气向后方喷出，对气体来说，气体被“踢”出去。就像我们踢皮球，把球踢出去了，我们的脚就被皮球所踢，受到一股和皮球运动方向相反的力量。因此，火箭就把气体“踢”出去，火箭本身也就必然受到一股向前推动的力量。这就是火箭的原理。也就是因为火箭自己带着供燃烧用的燃料和氧化剂，所以它的运转并不靠空气，就是在没有空气的星际空间，或空气稀薄的高空，火箭也一样能起作用。所以它也是一种最“天然”的星际行动机械。也许有人要说：火箭是中国人远在700多年前的南宋时代就发明了的，为什么说它在最近才成为星际航行的实用动力机械呢?这里的缘故是：要做星际航行，小火箭是不行的，我们要大火箭，要几百吨重的或几千吨重的大火箭。这样大的火箭就不能用旧式火箭用的固体燃料，也就是炸药，我们必须用更安全的、更有力的、更容易使用的液体燃料。而用液体燃料的大型火箭是第二次世界大战中才开始发展起来，现在更因为世界各国对导弹的研究而得到更进一步的发展。所以为星际航行用的火箭技术是一门新的科学技术。我们可以想象到：既然火箭的推动力是靠燃气向后喷出而来的，喷气的速度越快，推动的力量也就越大。所以火箭工程师都讲究喷气速度，越是好的火箭燃料，喷气速度就越大。表1就列出几种液体燃料的喷气速度。我们看到最好的火箭燃料是液体氧和氢。表1中都是用最好的氧化剂和燃料的比例，在20个大气压喷出到1个大气压的空气中的情况来计算的。如果喷到真空里，喷出速度还可以增加15%。但是液体氧的速度太低，在使用上也有其他不方便的地方。所以从实际上来讲，还是其他燃料好些。因此，今天的技术告诉我们火箭的喷气速度大约可以达到每秒2400米，而我们以后就用这个数字作为讨论的依据。 表1 几种液体燃料的喷气速度

三、人造卫星

地球的引力是约束我们自由行动的，它总是把物体吸引回到地面上来。但是我们也知道当我们向上抛东西的时候，如果抛得越用力，使物体的初始速度大，那么物体就越能够抛得高些。对星际航行家来说，这里的关键问题在，能不能有一个速度使物体一去不复返呢?如果能一去不复返，那就是脱离地球引力的约束了。根据力学家们的计算，这个“解放速度”是每秒11140米，也就是每小时40100千米(大约等于我们现在民航飞机速度的100倍)。这个解放速度是我们做星际航行的本钱，要到月球上去，不再要什么就行了，要到别的星球上去，我们还得再加一股劲。这我们在后面谈。

但是问题是能不能用火箭来到达这解放速度。如果火箭的喷气速度是前面所说的每秒2400米，那么我们就可以计算出来最少要用多少吨燃料才能把1吨东西推到解放速度。计算的结果是要用104吨燃料才能把1吨东西推到每秒11.14千米的速度。这也就是说当这个大火箭起飞的时候，总质量的99.05%是燃料，只有0.95%是机器、结构和人员等的质量。而这个要求也还是最低限度的要求，实际上燃料质量的比例还得大一些。我们只要看一看第二次世界大战中的V-2火箭，来比一比就知道其中的困难。V-2火箭起飞总质量是1.28万千克，也就是12.8吨，V-2火箭的机器、结构等的质量是4000千克，也就是4吨，所以机器、结构等的质量占总质量的31.2%，燃料占68.8%，这比星际火箭的要求有多大的区别!即使我们能精确，把结构设计做得更好，能把机器、结构等的质量减少一半，这是设计上很大的成就了;而其实机器、结构等的质量仍然是总质量的18.5%，燃料是总质量的81.5%，还是和我们星际航行火箭的要求相去很远。所以要想一口气就制造出星际火箭是不可能的。

当然，有人就要问：我们的出发点是用化学燃料的火箭，因此喷气速度只有每秒2400米。为什么不用原子能呢?的确，如果我们利用原子反应堆作热能的来源，根据一个切实可行的设计喷气速度可以提高到每秒7600米，这比化学燃料的火箭就高出2.17倍。这样要达到解放速度的燃料比重就可以大大地降低，计算出来是77%燃料，23%机器、机构等的质量。初初一看，这好像是同前面所说V-2火箭的质量分配相去不远，星际火箭可以做出来了。其实问题还是没有解决：因为我们没有考虑到原子反应堆的质量，尤其是反应堆所必须的隔离中子流和其他放射线的厚墙。没有这些厚墙就不能隔离这些有害人体的东西，火箭上不能有人。要坐人，反应堆的质量就大了，还是不能满足上面所说的质量要求，一口气的星际火箭还是做不出来。

既然如此，是不是星际航行就成空想呢?这还不是的，因为我们有另外的办法。这个办法的主要关键在于放弃一口气的做法，分开段来达到目的。这个做法的第一步是建立人造卫星，一个围绕地球转的，在空气层外的星际航行码头。因为这个站是在空气层以外的，所以没有空气阻力，它的速度就是不用动力来推进也能保持不变，不会跌下来。这就有好处：我们可以逐渐建立这个站，一次一次用火箭从地面把建筑材料和其他物资运到这个人造卫星上去，慢慢地把星际航行的船在人造卫星上组合起来。其实星际航行所经过的空间是没有空气的，因而它的外形设计同要经过空气的火箭有所差别，不必要用尖头，圆头也可以。所以我们可以专业化：有从地面运东西到星际航行码头的运输火箭，也有星际船的火箭。在工程技术上专业化一定能增加效率，是有好处的。

现在让我们来算一算从地面到一个离地面有半个地球半径的人造卫星要什么样的运输火箭。这个人造卫星的高度是3000多千米，自然在空气层以外了。计算的结果说：要从地面达到人造卫星，平稳地落到人造卫星上面，运输火箭必须要有每秒9.1千米的速度。我们再计算一下要这样运1吨东西到人造卫星，需要多少吨化学燃料，结果是43.3吨。这也就是说燃料要占总质量的97.75%，而机器、结构等只占总质量的2.25%。这又是做不到的，但是这是不是就等于说我们就没有方法来建立人造卫星呢?这也不是的，我们还有另一个办法。这就是多级火箭的办法：我们把一个小火箭放在一个大火箭的上面，大火箭先放，等大火箭放完了，也就是燃烧终了以后，再放小火箭。在放小火箭的时候，大火箭就脱落了，不再前进。而小火箭一开始已经有了速度，所以能达到更高的速度。我们再来计算一下这样一个两级火箭的质量分配：我们设想要达到人造卫星的每秒9.1千米速度分两级来做，大火箭只达到一半，每秒4.55千米，小火箭再从每秒4.55千米加速到每秒9.1千米。这样小火箭的燃料就只占质量的85%，而机器、结构、人员等占总质量的15%。这个看来是有可能做到的。底下的大火箭呢?大火箭自身的机器、结构，再加上小火箭的总质量是占两级火箭总质量的15%。因此，如果小火箭的机器、结构、人员等有1吨，小火箭的总质量就有6.66吨。如果大火箭的本身机器和结构也有7吨，那么在大火箭放完的时候，两级火箭的质量是13.66吨。因此两级火箭的总质量是91.1吨。

由上面所说的看来，用一个总质量100吨的两级火箭，我们就有可能把几百千克的东西从地面上运到我们的星际航行码头上去。运输火箭，不论第一级的大火箭也好，第二级的小火箭也好，只要加上翅膀，是能够飞回地面的，所以运输火箭是可以用许许多多次的。这样运上几百次，我们就可以建立起具有100吨物资的小型星际航行站。这个站是有3000多千米高，它以每秒6.43千米的速度围绕着地球转。而在这个高度要脱离地球的引力只要每秒9.1千米的速度就够了。因此在这个人造卫星站上，一只星际船可以比较容易地起飞，只要加上每秒2.67千米的速度就脱离地球引力的约束。

四、到月球和行星去

我们在上面已经讲过，由人造卫星的星际航行码头，只要加上每秒2.67千米的速度就能脱离地球的引力范围。如果我们的目标是月球的话，这速度是完全足够的，当到月球表面去的星际船接近月球的时候，月球就会吸引它，使它落到月球表面去。所以这里的问题是如何控制星际船不使它撞到月球上去，只绕月球飞行一周，看一看月球的未知的那一面，再回到地球上来。或者我们说到月球去的是一只无人驾驶的自动控制的星际船，所以可以让它碰到月球表面上去。但不管怎么样，这只最起码的星际船从我们的星际航行港到月球要走30小时，也就是要用一天多的时间。当然，如果我们性急的话，我们可以把星际船的速度加大，这样就可以把航行时间缩短。例如假设从我们的星际航行码头，我们不仅仅加上每秒2.67千米的速度，而加上了每秒7.50千米的速度，那么8.6小时就可以到达月球了，这就和现在旅客飞机飞越大西洋的时间差不多了。也许我们不能满足于只绕月球一周，我们要降落到月球表面上去，然后再从月球表面上飞起，回到地球上来。这就需要更大的动力，首先到了月球我们得把星际船的速度减到零，但是月球上没有空气，我们要减速就得把火箭倒过来，使推力方向和运动方向相反，渐渐减小速度。这所消耗的动力就等于把速度增加每秒3.03千米。自然，要能再飞起来，又得把速度找回来，这又是一个每秒3.03千米。我们为安全起见，还得考虑一些富余动力，可以用来校正航行上的误差。所以这样一个月球旅行计划，总的速度要求要比上一节所说的大得多，像表2所列的，一共要有能加速到每秒10.60千米的动力能力。 表2 人造卫星月球旅行所需速度

看来要一只星际船来做这些事是困难的，我们还得用多级火箭的原理：用好几只星际船组成一个船队到月球上去，船队中有一部分主要地是运燃料到月球上去，到达月球以后，取出燃料以后这些船就留在月球上，不再回来。取出来的燃料是用来帮助其余星际船回来的。这真是浩浩荡荡的一支月球远征舰队了。当我们把航行到月球的技术掌握以后，我们也可以计划要到达其他的行星上去。这种行星旅行和月球旅行的不同点就是距离远，需要的时间长，航行时间不是一天而是一年或几年。第二点，我们要注意的是：我们不但要从地球引力解放出来，而且我们要对太阳的引力场做些调整工作。这是因为即使我们脱离了地球的引力范围，我们还没有失去地球围绕太阳运行的速度。因此，如果我们要想到一个离太阳比地球近的行星上去，我们还要减速，使星际船跌入太阳的引力场，被太阳吸引。如果我们要想到一个离太阳比地球远的行星上去，我们就得加速，使星际船能脱开太阳的引力，向外走。但是不论减速也好，加速也好，都需要动力，都需要燃料。我们可以把这个燃料的要求换作速度的要求，这也就是最起码的行星旅行船的要求，表3给出的就是。 表3 行星旅行船的速度要求

我们从表3可以看得出，要把邻近的几个行星作为我们旅行的目标，特别像火星，我们不会有什么大的困难，在今天的科学技术的成就上是可以做得到的。自然我们没有考虑在行星上降落和回程的问题，如果把这些问题考虑在内了，那就会像旅行月球一样，但更需要一个大型的远征舰队。有人计算过到火星去的一个来回旅行，其中包括在火星附近建立一个人造卫星，从活动的人造卫星利用火星上比较稀薄的空气降落火星表面，再从火星回到火星的人造卫星，再回到地球上人造卫星。有50人到火星表面上去，有70人参加这个远征，20人留在火星上的人造卫星工作。从地球到火星，从火星回来都算是260天，在火星人造卫星上的人停留449天，其中约400天是为下火星表面的人勘察用的。所以旅行日期是一共两年加239天。远距舰队共有10只星际船，每只从地球的人造卫星起飞质量是3.720吨。其中有3只是到火星表面上的，而3只中只有1只回到火星的人造卫星上来。为了做旅行的准备，要用46个运输火箭，飞950次把物质运到人造卫星上去，这个运输工作要用去532万吨的火箭燃料，大约要用8个月的时间，这些运输火箭也是大型的三级火箭，从地面起飞的质量是6400吨。这真是洋洋大观，一个非常浩大的计划。但是我们必须说明，这种计划，从科学技术的角度看是完全可以实现的，其中没有原则性的困难。只要我们决定做，我们就可以按部就班地把它实现。

五、能到另一个恒星去吗

我们在上一节里说明到月球上去，或到太阳系的其他行星上去是完全可以做到的。这是不是说大宇宙里，什么地方都能去呢?这回答是：我们现在的科学技术只能使我们在太阳系里旅行，出了太阳系距离就更大了，旅行的时间就大得不可想象。出了太阳系我们自然是找其他像太阳的恒星，但是恒星的距离是以光年来量的，一光年就是光在一年里所走的距离，我们想一想光的速度是每秒30万千米，所以一光年就是94600亿千米。而最近的一颗恒星(Proxima centaur)离开我们就有4.2光年，或者40万亿千米。如果我们用每秒20千米的速度来航行，也得走2万亿秒，或6.34万年。而这颗星是一颗小星，是肉眼所看不见的。肉眼能看见的最近的是天狼星，但是天狼星更远了，离我们有9光年。用每秒20千米速度来航行，到天狼星得13.6万年。因此我们可以说：我们决不能够用现在火箭所能达到的速度来到达另外一颗恒星，要做恒星的旅行，要发现另外一个“太阳系”，我们就得用近于光的速度来航行。如果我们能以0.9倍的光速来航行，那么到达那离我们最近的恒星只要4.67年。但是这是我们在地球上的人的时间，在星际船上的人们，在以0.9倍光速运动的人们，他们的时间必得照相对论的定理来修正。他们的时间，他们生活的时间要短得多，只有2.03年，也就是他们只觉得老了两年多，而对在地球上的人看来，已经过了4.67年了。这对星际旅行家的耐心是有很大的帮助的。

由此看来问题的关键就在怎么样来达到0.9倍光速的航行速度，而在这里我们就没有法子来解决问题。这是因为要达到这样的高速，就是用几级的火箭也难把喷气速度提高到0.5倍光速左右。化学燃料不必说是不能达到这样的喷气速度的，就是现在我们知道的原子燃料也不行，裂变燃料(铀235，铀233，钚239)既不行，聚变燃料(重氢)也不行。因为这些原料“燃烧”的时候，只有不到1%的质量变成能量，而要达到0.5倍光速的喷气速度就得有约14%的质量变成能量，这是很大的差别，事实上我们现在还完全不知道有这样的可用燃料。自然也许有人要说，所谓离子火箭不是能达到这样的喷气速度吗?但是这里的问题是能源的问题，离子要加速器来加速，加速器要电能，电能从什么地方来呢?用蓄电池吗?那是太重了。所以离子火箭是不能解决问题的。所以当我们讨论星际航行的时候，我们必须把航行于太阳系的问题和航行于恒星空间的问题分开，航行于太阳系是今天科学技术所允许的，是可行的。航行于恒星空间完全是另外一个阶段的问题，是更高一级的星际航行，我们今天连在原则上也不能解决它。

六、什么是科学技术知识，什么是幻想

我们在前面讨论的星际航行问题说到了这个问题各个方面，那里有今天科学技术上的成就，像大型用液体燃料的火箭;那里也有从今天科学技术的水平可以推论出来的东西，像3000多千米高的人造卫星，我们的星际航行港;那里也有一部分可以做出科学结论的方面，像对恒星旅行必须近光速的速度才行，而人们在这样的一个星际船上时间会相对地放慢，大有“天上才一日，世上已千年”的味道。在我们的讨论里也有一些近乎幻想的东西，像离子火箭。其实无论讲什么问题都会有这几个方面，我们在科普工作中介绍科学技术上的问题，应该把这几方面分析清楚，应该避免把事实和幻想混合起来。我们要这样做的原因是贯彻“实事求是”的精神，说明事物的真实情况。在科普工作里，我们除了“实事求是”的一般精神以外，也还有一个特殊“利诱”：这就是因为科普工作是面向着广大的职工，面向着青年的，他们都具有无限的热情，都为“向科学进军”这个伟大的号召所鼓舞，因为他们都性急地要对科学技术事业做出贡献。而另一面呢?他们也缺乏基础科学知识，还没有高度的自己来判断事理的能力。如果我们在讨论问题的时候不把事实和幻想分析清楚的话，那么听了我们的话的人，就不分“青红皂白”齐头并进，把精力花费到幻想的东西，因此在幻想上花费精力时间就自然弄到“吃力不讨好”。相反地，如果我们能把事理分析清楚，把一个问题的关键交代明白，指出重点所在，那么大家就可以集中精力，把力气用在真正值得用力气的地方。再用恒星旅行为例，我们知道问题的重点在具有近光速喷气的火箭，而这种火箭的实现在于找出超强度的原子燃料，在于怎样利用这种燃料得到近光速的喷气速度。所以恒星旅行是要等核子物理学家们来解决这些关键问题以后才能发展，现在还不是机械或电机技术上的问题，因此一个机械电机的发明家也大可不必在这个问题上用心思!

当然也会有人认为恒星旅行本身就是幻想，他们的理由是：恒星旅行的科学技术条件还不完备，现在还无法实现，所以是幻想。要是这样的话，那倒又不能因为一件事是幻想而不去介绍和讨论它了。这里的缘故是今天的幻想也可能是明天的事实，科学技术是不断前进的。如果我们绝不谈幻想，那就是拒谈今天不能实现而明天可能实现的事，那就是“闭关自守”，永远不知道向前看了。其实幻想中也有实事的萌芽，像恒星旅行这个幻想中更就有光速火箭这样一个确实的要求。我们的工作在于把幻想里的实事逐渐扩大，使萌芽生长，而终于把幻想变成事实。这也是理论结合实际的道理了。

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