问天神器——航天器、火箭与导弹的奥秘

科学家齐奥尔科夫斯基先生，是现代宇宙航行学的奠基人，被称为航天之父，他有一句名言：“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。”人类经过了百万年的进化，又发展了数千年的文明，在近100年里，终于慢慢将手伸出摇篮，去探索外面的世界。正是在这种探索精神的激励下，人类不断进步，勇敢地去探索美丽的宇宙。

早在远古时期，世界各地的人们就对浩瀚的宇宙充满了敬畏与崇拜，各个文明的神话故事中都有太阳、月亮等星体的形象，并将它们神化。古老的中国有“后羿射日”“嫦娥奔月”的传说；西方文明中有太阳神和月神的神话故事。中国是火箭的故乡，明朝的万户曾把47个自制的火箭绑在椅子上，自己坐在上面，双手举着2只大风筝，然后叫人点火发射，设想利用火箭的推力和风筝的力量飞起，不料火箭爆炸，他也为此献出了生命。万户是世界上个利用火箭向太空搏击的英雄，他的努力虽然失败了，但他借助火箭推力升空的创想是世界首创，因此他被公认为“真正的航天始祖”。为了纪念他，科学家将月球上的一座环形山命名为“万户山”。

在这些努力的基础上，随着齐奥尔科夫斯基、戈达德等现代科学家建立关于航天的理论并进行实践，人类才真正开始进入现代航天时代。齐奥尔科夫斯基先论证了利用火箭进行星际交通、制造人造地球卫星和近地轨道站的可能性，指出制造火箭和发展宇航的合理途径，找到了液体火箭发动机结构等一系列重要工程技术的解决方案。美国航天科学家戈达德是液体火箭的发明者，他于1926年3月16日发射了世界上枚液体火箭。1936年，德国开始研制“V-2”火箭，它是种超声速火箭，被公认为现代航天运载火箭和远程导弹的先驱。1957年10月4日，苏联在拜科努尔航天中心将人类颗人造地球卫星“斯普特尼克”1号发射升空。此后，人类发射了各种各样的航天器—火箭、导弹、卫星、空间探测器、宇宙飞船、航天飞机、空间站等。

人类凭借各种航天器，探索浩渺的宇宙，进行各种科学研究。人类发射的探测器已经飞出了太阳系，宇航员也登上了月球，火星车在火星表面行进试图寻找生命……这些科学研究帮助人类更全面地了解了宇宙，同时也更充分地认识了地球，认识了我们人类自己。

本书较为系统地向读者介绍了航天发展简史、航天器分类、航天器飞行原理，并较为详细地阐述了各类航天器的简要情况、典型代表、发展现状及未来方向。

笔者在参阅了大量资料的基础上，概括和编撰了航天的相关知识，力争做到深入浅出、图文并茂、通俗易懂，力求从多个角度呈献给读者多方面的航天知识，以期把读者带进真实而精彩的航天世界当中，激发读者的爱国热情和求知欲望。

本书由万志强、易楠、章异嬴等编写，刘耘臻、张啸迟、颜琪、宋倩、刘志斌、王泽溪、陈国宏、李旭阳、喻文、吕志斌、杨璐嘉等同学对本书的出版提供了宝贵的意见和帮助。北京航空航天大学“航空航天概论”课程教学组为本书出版提供了大力支持。在此对所有关心和帮助本书出版的人士表示衷心感谢。

本书是为广大航天爱好者编写的科普读物，适合中学生及以上的航天爱好者阅读；也可以作为中学科技课的教材。

由于作者水平所限，书中不足之处，敬请读者谅解和不吝指正。

万志强 　

2018年10月

本书详细介绍了航天运载火箭、航天飞机、空间站的结构、机械工作原理、动力系统、电子系统、通信与遥感系统等，使读者对航天飞机和空间站的工作情况有一个比较全面的了解。同时，本书较详细介绍了美国的航天飞机和阿波罗飞船以及前苏联的空间站的结构和运行情况。 本书适宜一般航天爱好者使用。

万志强，北京航空航天大学教授，博士生导师，主要研究领域为飞行器设计领域的气动弹性、飞行器总体设计、飞行器结构设计，研究对象包括固定翼飞机、微小型飞行器等。主持或参加科研课题近10项，包括自然基金、预研以及多个型号的科研课题。在微小型飞行器设计、飞行载荷、颤振、气动弹性优化、复合材料气动弹性剪裁方面有多年的理论和实践，发表重要期刊论文10余篇。现任北航航空创新实践基地副主任。2005年度获国防科学技术奖三等奖一项。2006年获北航“蓝天新秀”称号。

第1章　探索美丽的太空　/ 1

1.1　探索太空的壮举　/ 1

1.2　飞行器的分类　/ 7

1.2.1　航空器　/ 8

1.2.2　航天器　/ 8

1.2.3　火箭与导弹　/ 12

1.3　航天发射场　/ 14

1.4　应永远铭记的航天英雄　/ 14

1.4.1　首入太空　/ 14

1.4.2　太空女杰　/ 16

1.4.3　老骥伏枥　/ 19

1.4.4　太空漫步　/ 20

1.4.5　蟾宫折桂　/ 22

1.4.6　中国神舟　/ 26

1.4.7　黑色记忆　/ 28

亮点小知识：揭开冥王星面纱的“新视野”号　/ 32

第2章　航天器的飞行原理　/ 33

2.1　天体力学　/ 33

2.2　宇宙速度　/ 35

2.3　卫星的轨道　/ 37

2.4　卫星轨道的摄动和机动　/ 41

2.4.1　轨道摄动　/ 41

2.4.2　轨道机动　/ 42

2.5　航天器发射入轨　/ 44

2.6　登月环月轨道和行星际航行轨道　/ 46

2.6.1　登月环月轨道　/ 46

2.6.2　行星际航行轨道　/ 46

2.7　航天器的回收　/ 47

2.7.1　航天器回收方式　/ 47

2.7.2　航天器回收系统　/ 48

2.7.3　航天器回收区和着陆场　/ 50

2.7.4　航天器在再入大气层中烧毁　/ 50

2.7.5　返回式航天器的热防护　/ 52

2.8　亚轨道飞行　/ 54

2.9　空间飞行环境　/ 56

2.9.1　地球大气层　/ 56

2.9.2　地球行星空间和行星际空间环境　/ 57

2.9.3　太阳环境　/ 58

2.10　航天器的姿态控制　/ 58

亮点小知识：借卫星观测哈雷彗星　/ 59

第3章　火箭　/ 60

3.1　火箭的定义与分类　/ 60

3.1.1　火箭的定义　/ 60

3.1.2　火箭的分类　/ 62

3.1.3　火箭的性能指标　/ 65

3.2　运载火箭的结构与功能　/ 66

3.2.1　火箭本体　/ 66

3.2.2　箭上和地面分系统　/ 68

3.3　运载火箭的发射　/ 68

3.3.1　发射条件　/ 68

3.3.2　发射过程　/ 71

3.4　我国运载火箭　/ 72

3.5　国外著名火箭　/ 75

3.5.1　苏联/俄罗斯运载火箭　/ 75

3.5.2　美国运载火箭　/ 78

3.5.3　欧洲运载火箭　/ 81

3.5.4　日本运载火箭　/ 81

3.6　可重复使用的运载火箭　/ 82

3.7　火箭发展展望　/ 83

亮点小知识：载人飞船逃逸塔　/ 84

第4章　导弹　/ 85

4.1　导弹的分类　/ 85

4.2　导弹的结构　/ 88

4.3　弹道导弹　/ 90

4.4　有翼导弹　/ 94

4.5　弹道导弹防御系统　/ 95

4.5.1　弹道导弹防御系统的组成　/ 95

4.5.2　弹道导弹防御系统的分类　/ 96

4.5.3　弹道导弹防御系统的发展　/ 96

4.5.4　弹道导弹防御系统的现状　/ 98

4.6　我国导弹系统的发展　/ 101

4.7　国外著名导弹系统简介　/ 103

4.7.1　德国“V-2”导弹　/ 103

4.7.2　俄罗斯“亚尔斯”洲际弹道导弹　/ 104

4.7.3　美国“民兵3”洲际弹道导弹　/ 104

4.7.4　法国“M-51”潜射远程弹道导弹　/ 104

4.7.5　美国“爱国者”防空导弹　/ 105

4.7.6　美国“AIM-120”中程空对空导弹　/ 105

4.7.7　苏联/俄罗斯“飞毛腿”战术弹道导弹　/ 105

4.7.8　美国“战斧”巡航导弹　/ 106

4.8　导弹发展展望　/ 107

亮点小知识：火箭与导弹这对孪生兄弟　/ 108

第5章　人造地球卫星　/ 109

5.1　人造卫星的定义、功能与分类　/ 109

5.1.1　人造卫星的定义　/ 109

5.1.2　人造卫星的功能　/ 110

5.1.3　人造卫星的分类　/ 111

5.2　人造卫星的部件构成　/ 114

5.3　各国发射的人造地球卫星的概况　/ 115

5.4　著名的人造卫星及人造卫星系统　/ 116

5.4.1　“斯普特尼克”1号　/ 116

5.4.2　“东方红”一号　/ 116

5.4.3　GPS全球卫星定位系统　/ 117

5.5　人造卫星发展展望　/ 119

亮点小知识：“北斗”导航系统　/ 120

第6章　空间探测器　/ 121

6.1　空间探测器简介　/ 121

6.2　国内外著名的空间探测器　/ 122

6.2.1　太阳探测器　/ 123

6.2.2　行星探测器　/ 124

6.2.3　卫星探测器　/ 131

6.2.4　彗星探测器　/ 134

6.2.5　小行星探测器　/ 135

6.2.6　“哈勃”空间望远镜　/ 136

6.3　中国的探月工程　/ 138

6.3.1　“嫦娥”一号　/ 139

6.3.2　“嫦娥”二号　/ 139

6.3.3　“嫦娥”三号及“玉兔”号月球车　/ 139

6.4　空间探测器的发展趋势　/ 140

6.4.1　趋于多元化　/ 140

6.4.2　探测技术水平提高　/ 141

6.4.3　彗星和小行星探测成为新宠　/ 141

亮点小知识：空间探测时不我待　/ 142

第7章　宇宙飞船　/ 143

7.1　载人飞船　/ 143

7.1.1　分类　/ 143

7.1.2　组成　/ 144

7.2　货运飞船　/ 145

7.3　著名宇宙飞船简介　/ 146

7.3.1　苏联　/ 146

7.3.2　美国　/ 147

7.3.3　中国　/ 150

亮点小知识：成功的失败　/ 153

第8章　空间站　/ 154

8.1　空间站简介　/ 154

8.2　国外空间站　/ 156

8.2.1　苏联“礼炮”号空间站　/ 156

8.2.2　苏联“和平”号空间站　/ 157

8.2.3　美国“天空实验室”空间站　/ 158

8.2.4　国际空间站　/ 159

8.3　中国空间站　/ 160

8.3.1　中国载人航天发展战略　/ 160

8.3.2　中国空间站建设的基本情况　/ 161

8.3.3　中国空间站的组成　/ 161

8.3.4　建造历程　/ 162

8.3.5　建设意义　/ 163

亮点小知识：失重　/ 164

第9章　航天飞机　/ 165

9.1　航天飞机简介　/ 165

9.2　航天飞机的组成　/ 167

9.2.1　轨道器　/ 167

9.2.2　助推器　/ 169

9.2.3　外储箱　/ 170

9.3　美国的航天飞机　/ 170

9.3.1　发展历史　/ 171

9.3.2　使用概况　/ 177

9.3.3　tui役　/ 177

9.4　苏联的航天飞机　/ 178

9.5　我国的航天飞机论证　/ 179

亮点小知识：太空眼科手术　/ 179

第10章　航天发射场　/ 181

10.1　航天发射场简介　/ 181

10.1.1　航天发射场的区域与功能　/ 181

10.1.2　航天发射场的选址　/ 183

10.1.3　载人航天发射场　/ 184

10.2　世界著名航天发射场　/ 184

10.2.1　苏联/俄罗斯　/ 184

10.2.2　美国　/ 185

10.2.3　欧洲　/ 186

10.2.4　中国　/ 186

10.3　导弹试验靶场　/ 188

10.4　海、空、天基航天发射　/ 189

10.4.1　海基发射　/ 189

10.4.2　空基发射　/ 191

10.4.3　天基发射　/ 192

亮点小知识：“东风航天城”　/ 192

参考文献　/194

本书详细介绍了航天运载火箭、航天飞机、空间站的结构、机械工作原理、动力系统、电子系统、通信与遥感系统等，使读者对航天飞机和空间站的工作情况有一个比较全面的了解。同时，本书较详细介绍了美国的航天飞机和阿波罗飞船以及前苏联的空间站的结构和运行情况。 本书适宜一般航天爱好者使用。

万志强，北京航空航天大学教授，博士生导师，主要研究领域为飞行器设计领域的气动弹性、飞行器总体设计、飞行器结构设计，研究对象包括固定翼飞机、微小型飞行器等。主持或参加科研课题近10项，包括自然基金、预研以及多个型号的科研课题。在微小型飞行器设计、飞行载荷、颤振、气动弹性优化、复合材料气动弹性剪裁方面有多年的理论和实践，发表重要期刊论文10余篇。现任北航航空创新实践基地副主任。2005年度获国防科学技术奖三等奖一项。2006年获北航“蓝天新秀”称号。