太空竞赛

航天事业的发展最初源于火箭技术，而发展火箭的目的是为了战争。在军事上，能用火炮进行远程攻击的一方通常会占有优势。第二次世界大战之前，人们在远程打击方面能做的，只是把火炮的炮管长度加长，让炮弹在出膛前能够有足够长的时间加速，以获得更大的初速度。德国在第一次世界大战期间制造出了炮管超过30米的超级大炮。这种火炮虽然射程超过100千米（最远纪录为122千米），但是实在太笨重，而且打不了几炮，炮管就会变形，从而无法准确射击。因此，这种靠惯性打击的火炮很不实用。二战期间，德国人开始研制射程更远、更有威力、打击更精准的秘密武器。由于它的保密工作做得很好，盟军对此所知甚少。

1944年秋的一天，正当盟军从四面八方向德国挺进，欧洲的战争看似没了悬念的时候，一个庞然大物从天而降，落在伦敦西南部的奇希克（Chiswick）地区，并引起了大爆炸，炸死3人，炸伤22人。和往常不同，这次来自空中的袭击没有预兆，没有警报，甚至在爆炸发生后，附近的居民才听到空气中传来的炸弹的呼啸声。因为这种飞行物的速度是音速的4倍，它的声音比它本身来得更晚。在接下来的几个月里，这种飞弹（当时德国人给它起的名字）的袭击持续不断，英国人再次陷入恐慌。虽然希特勒想利用这种特殊的武器扭转战局的想法最终落空，3万多枚飞弹并没有对英国的军事和工业设施构成重要的威胁，但是这种能够进行远程打击的秘密武器，却让全世界看清了未来远程攻击武器的发展方向。

为了保证德国研制火箭的科学家不落入苏联人之手，1945年，美国派出了以冯·卡门（Theodore von Kármán，1881—1963）为首的一个小组，抢在苏联人之前找到了德国火箭的负责人、当时年仅32岁的火箭专家冯·布劳恩（Wernher von Braun，1912—1977），并且说服他来到美国。

冯·布劳恩在美国几乎赋闲了5年，因为二战后美国一直在裁军。1950年朝鲜战争爆发，才给了他重新研制火箭的机会。而在冷战的另一边，身份是囚徒的科罗廖夫（Sergei Korolev，1907—1966）则带领苏联人走在了前面。科罗廖夫是苏联最杰出的航天科学家，他在年仅25岁的时候就成了苏联火箭研制小组的负责人，但是在斯大林的大清洗中，他因为莫须有的阴谋颠覆罪遭到逮捕，先是在劳改营里做苦工，后来在没有人身自由的情况下，被安排从事火箭的研究。二战后，苏联加紧了对火箭的研究。

科罗廖夫蒙受冤屈，长期遭受非常不公正的待遇，他一生中的大多数时间是在没有人身自由的情况下工作的。但即便如此，他对苏联始终忠心耿耿，为自己的国家和整个人类做出了卓越贡献，被全世界尊敬。在科罗廖夫的领导下，苏联的火箭研究一度领先于美国很多年。1953年，苏联成功发射了R–5弹道导弹，射程可达1200千米，射程和运载能力都比德国当年的V–2提高了很多。随后，科罗廖夫研制出著名的R–7火箭，其运载能力和射程都有巨大的提高。1957年10月4日，苏联使用R–7火箭成功发射了世界上第一颗人造地球卫星史泼尼克一号（Sputnik–1），这标志着人类从此进入了利用航天器探索外层空间的新时代。史泼尼克一号被赋予了太多的“第一”，《纽约时报》当时发表的评论说，该卫星的发射不亚于原始人第一次学会直立行走。这是一个极高的赞誉。

美国人在称赞苏联人时，也实实在在感到了危机，史称“史泼尼克危机”。在历史上，美国人认为自己有太平洋和大西洋做天然屏障，不论外面打成什么样子，自己的本土总是安全的。但是，当苏联成功发射人造卫星后，美国人第一次认识到自己的本土不再安全，因为能将卫星送上天的火箭也能把核弹头打到美国任何一个角落，这导致了美国全国上下的恐慌。作为回应，美国采取了一系列措施以夺回技术优势。美国国会在当年就通过了《国防教育法》，并由艾森豪威尔总统立即签署生效。该法案对美国接下来20年的科技发展产生了重大的影响。它授权超过10亿美元支出（在当时是一笔巨款），广泛用于改造学校，为优秀学生提供奖学金（和助学贷款），以帮助他们完成高等教育，发展职业教育以弥补国防工业的人力短缺，等等。当时，美国天天都在宣传学习科学、发展科技，这些宣传影响了一代人。同时，美国也因此诞生了一大批世界一流大学，包括斯坦福大学。

在太空竞赛中追赶苏联的任务最终落到冯·布劳恩等人的肩上。在史泼尼克一号升空半年后，冯·布劳恩将美国的第一颗人造卫星也送上了太空。接下来，美苏两国的太空竞赛进入白热化，双方下一个目标都是实现载人航天。在这方面，以科罗廖夫为首的苏联再次获胜。他们在经过数次失败后，终于在1961年4月12日这一天迎来了全人类历史性的时刻。当天上午，苏联宇航员尤里·加加林（Yuri Gagarin，1934—1968）登上了耸立在拜科努尔航天发射场的东方一号宇宙飞船（见图9.11）。9点零7分，火箭点火发射，飞船奔向预定的地球轨道，加加林在完成环绕地球一周的航行后，成功跳伞着陆。虽然加加林的整个太空旅行只持续了108分钟，中间还遇到了不少小问题，但是这次飞行意义非凡，它标志着人类第一次进入了外太空。

美国人在载人飞行的竞争中虽然输给了苏联，但是他们在接下来的竞赛中显示出了后劲儿，那就是载人登月。1961年，白宫的新主人、年仅43岁的总统约翰·肯尼迪（John Fitzgerald Kennedy，1917—1963），雄心勃勃地宣布了一个雄伟的航天计划—10年内完成人类的登月，这个计划以太阳神的名字命名，就是著名的阿波罗计划，而该计划中火箭的总设计师就是冯·布劳恩。

▲图9.11 尤里·加加林成为第一个进入太空的人

美国在实施阿波罗计划的过程中显示出强大的国力，有上百家大学、研究机构和公司，两万多名科学家和40万人直接或间接地参与了这项航天计划。为了加快研究速度，美国在阿波罗计划中采用了高密度的流水线式的研发方式，也就是当第一号火箭发射时，第二号在测试，第三号在组装，第四号在制造，第五号在设计研制……每一枚火箭发射的间隔只有半年甚至更短的时间。当然，这里面也存在一个问题，如果中间某个环节发现了问题，已经在流水线上的所有火箭只能全部报废，所有工作得推倒重来，这个成本非常高。事实上，在阿波罗计划和之前的双子星计划中，就有三枚火箭因此而报废。毫无疑问，美国这是在用钱换时间，以便抢在苏联人的前面。

登月远比载人进入地球轨道难得多，这需要火箭技术和信息技术的革命。在火箭方面，冯·布劳恩成功地设计了人类迄今为止最大的火箭土星五号，最终实现了将人类送上月球并且安全返回的梦想（见图9.12）。土星五号的长度超过一个足球场，第一级火箭的推力高达3.4万千牛顿（1千牛顿约等于102千克力），这是人类有史以来制造的最大的发动机，这个纪录一直保持至今。

▲图9.12 冯·布劳恩办公室里的火箭模型

说到登月，很多人只想到和火箭以及航天器相关的技术，其实登月离不开信息技术的革命。因为从飞行控制到远程通信，都需要解决很多过去从未遇到过的难题。

登月首先要保证在月球上着陆的地点准确，而且要保证返回火箭和飞船能够在月球轨道上准确对接，这就要用到控制论了。在控制论被提出之前，德国的V–2火箭完全靠事先的预测确定落点，而一点点误差和各种很小的意想不到的干扰因素，就会让火箭偏离十万八千里。二战后期德国向英国发射了3万枚火箭，目标是泰晤士河上的伦敦塔桥，但是所有火箭都没有命中目标。

阿波罗登月需要解决飞行控制问题，数学家卡尔曼（Rudolf Emil Kálmán，1930—2016）在维纳控制的基础上提出了卡尔曼滤波（Kalman filtering），确保了火箭能够准确无误地抵达登月地点。在实现卡尔曼滤波的过程中，原始的数学模型有8阶，这在当时的计算机上完全无法实时计算。于是，许多控制专家经过努力，将控制模型简化成3阶，使得当时的计算机能够实现控制。要知道，当时控制阿波罗登月的大型计算机还没有今天一台智能手机快。

在信息技术方面，另一个关键问题是远程无线通信。为了确保相距38万千米的地月之间通信畅通，美国发射了很多环月球的航天器，专门测试地月之间的通信情况。最后，由摩托罗拉公司提供了月球和地球之间的对讲设备，确保了登月计划通信的畅通。此外，为了在月球上拍摄清晰的影像，瑞典的哈苏公司研制出了特殊的照相器材，记录了阿波罗登月宝贵的科学和历史资料。

最后，人在月球环境下的生存以及安全返回，在20世纪60年代也是一个似乎无解的难题，特别是如何保证宇航员能够从月球安全返回到地球上。阿波罗计划一开始，美国宇航局提出了4种返回方案。最初，专家们考虑随登陆舱一起带一枚大火箭发射到月球上，然后用那枚大火箭将登月舱直接发射回地球。这种方法最为简单，但登月设备的总重量非常大，需要建造超级大火箭，这在当时还难以完成。后来，科学家约翰·侯博尔特（John Houbolt，1919—2014）坚持认为，登月设备的总重量越轻越好，并想方设法说服了大多数人。于是，包括冯·布劳恩在内的专家决定，让带一枚小火箭的登月舱登月，同时一艘飞船环绕月球飞行。在登月完成后，小火箭只要把登月舱送回月球轨道，在那里和环月球的飞船对接后一同返回地球。这个方案可以极大地降低登月总设备的重量，但是需要卓越的空间对接技术。阿波罗计划最终采用了这个方案并获得成功。美国历史学家认为，如果不是因为美国宇航局最终采用了少数人的意见，就不可能在20世纪60年代末实现登月。

从1961年肯尼迪宣布实施登月计划，到1969年阿波罗11号将阿姆斯特朗（Neil A. Armstrong，1930—2012）等3人成功送上月球并安全返回，中间仅仅相隔8年时间（见图9.13）。

▲图9.13 阿波罗11号登月舱，图片来源于美国国家航空航天局

相比美国，苏联的登月计划进行得非常不顺利。1966年，苏联航天之父科罗廖夫因为长期积劳成疾，不幸去世。两年后，作为苏联宇航旗帜的加加林也在一次飞行训练中因意外空难死亡。而科罗廖夫设计的登月火箭N1，因为受制于苏联的综合工业水平，发射计划一直被推迟。1969年之后，虽然有4次发射，但都失败了。最终，苏联放弃了这个计划。

美苏太空竞赛产生了很多正面结果。首先是让人类飞出了地球。虽然人类目前只能在月球上短暂停留，距离真正的太空旅行乃至太空移民相去甚远，但是人类的太空探索只有短短几十年的历史，相比人类的历史只是一瞬间而已，和几千年的文明相比也非常短暂。当人类的祖先第一次抱着树干漂过一条湍急的河流时，一定想不到自己的后代能够远渡重洋到达新的大陆。在哥伦布眼里，原始人过河的行为再简单不过，但这却是探索未知的开始。当然，哥伦布也无法想象今天登月的壮举。千万年后，当我们的后代可以自如地在太空旅行时，他们到达月球就如同我们现在过河一样，那时，他们看待科罗廖夫、冯·布劳恩、加加林和阿姆斯特朗，就如我们今天看待哥伦布。

太空竞赛的第二个结果是极大地促进了科技的进步，产生了很多今天广泛使用的新技术、新材料。我们今天使用的很多东西，比如数码相机使用的CMOS（互补金属氧化物半导体）传感器，最初都是为太空探索的需要而发明的。

如果没有美苏两国出于国家安全考虑的太空竞赛，航天科技进步不会这么快。20世纪70年代之后，虽然人类在航天领域开展了相互合作，照理说在航天科技上的进步应该更快，但是事实上它的进步速度明显放缓，远不如60年代。60年代成功登月的第二个原因，是当时人类对能量的利用已经达到有史以来的最高水准，同时，计算机和控制论的出现使得人类可以进行远程控制。

在信息时代，我们对外部世界的信息了解得越来越多，对我们自身信息的了解也是如此。在很长的时间里，人类都试图搞清楚一个问题：我们是谁，为什么我们和自己的父母长得很像？而在人类之外，为什么种瓜得瓜，种豆得豆，动物是龙生龙、凤生凤？这个困扰了人类上万年的问题，终于在20世纪有了答案。