原编者按：为满足广大钱老现代科学技术体系研究者需要，即日起，转发《钱学森文集(1-6卷)》中的文章，按照原书编排顺序，每次转发一篇文集文章，供大家学习参考。

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宇宙火箭*

*刊载于《红旗》1959 年第 2 期。

苏联在1959年1月2日莫斯科时间大约晚8点的时候，发射了一支宇宙火箭。火箭是多级的(图1)。没有燃料的最后一级加上测量仪器、无线电发报机、电源等共重1472千克。它达到了超过第二宇宙速度的速度，只用了34小时，就飞越了37万千米的距离，到了离月球表面7500千米的地方，然后又继续前进，完全脱离了地球和月球的引力约束，成为太阳系的第一颗人造行星。这是人类征服宇宙空间的一个伟大胜利，是参加制造和发射宇宙火箭的苏联科学家、工程师以及全体工作人员在苏联**领导下取得的一个伟大胜利。

从科学技术的观点来看，苏联成功地发射了宇宙火箭是一项惊人的成就。如果说星际航行有三个关 口，即第一宇宙速度、第二宇宙速度和第三宇宙速度，那么，苏联已经过了两个关口，只剩下第三宇宙速度这最后一个关口了。从过第一关到过第二关，只用了一年多的时间;我们可以预计到，完全解决星际航行的问题不会太久了。

图 1 宇宙火箭

为什么说三个宇宙速度是三个关口呢?人要走出地球的小天地，到大宇宙的大天地去，首先要克服地球引力场的限制。这需要分两步来做。第一步是要腾空而起，能与引力场相抗衡，也就是要达到第一宇宙速度，进入离地球比较近的卫星轨道。这个最起码的速度是每秒7.91千米。如果火箭的力量更大一些，作用时间更长一些，卫星的轨道就能更高一些。但是要达到较高的轨道，就得抵抗地球引力往上爬，因而就会使火箭速度降低一些，所以进入较高的轨道上的卫星绕地球的速度，反而会比较低轨道上的卫星速度小些。例如，在6370千米高的卫星，它的速度只有每秒5.59千米。但这是爬到那么高之后的速度。它开始爬的速度，也就是火箭熄火时的最大速度要比这大，大约每秒9千米。所以火箭熄火时速度越大，卫星的轨道也就越高。如果达到每秒11.2千米，也就是达到第二宇宙速度，那就可以爬得很高很高，离地球很远很远，于是就完全脱离了地球引力场的限制，算走出了地球的大门。

走出了地球大门，第一个可以遇到的是月球。月球的质量比地球小得多，只有地球质量的1.23%。只要宇宙火箭速度略大于第二宇宙速度，就很容易从月球旁边擦过去，虽在飞行方向上有些小变更，但还是能再向前飞，走出地球和月球的区域。一走出地球和月球的区域，天地就开朗多了。地球到月球平均只有38.4万千米，而地球到太阳的平均距离就约有1.5亿千米，也就是地球到月球距离的400倍。但是这时宇宙火箭还是具有地球和月球系统围绕太阳走的速度，即平均每秒29.8千米，这个速度是地球和月球系统中一切东西都具有的。

比如，一本杂志、一张纸也都有这么一个速度，只不过原先我们在地球的家里，看不出这个速度，现在出了家门，才知道原来我们有这么一个绕太阳走的速度。如果宇宙火箭要到火星附近去，该怎么办?火星在太阳系的位置比地球靠外，它离太阳比地球离太阳大约还远52%。我们可以把行星与太阳的关系看作是人造地球卫星与地球之间的关系;所以火星是一个比地球更“高”的太阳卫星。要到火星附近去，就得在地球系统固有速度每秒29.8千米之上再加一股劲。其实要加的速度不多，每秒加2.3千米就行了。我们可以在宇宙火箭走出了地球和月球的家门再开动火箭，加上每秒2.3千米的速度。火箭要加的总的速度是第二宇宙速度加每秒2.3千米，也就是每秒13.5千米。但是还有一个更省力的办法，那就是在地球附近一开始就加足了劲，使得火箭熄火之后有足够的速度，不但能克服地球引力场，而且在爬出地球引力场之后还有沿地球轨道方向的每秒2.3千米的速度。这样一来，出了地球家门的，相对于太阳的速度就足够使宇宙火箭走到火星轨道上去了。这样的办法，火箭所必须加的速度不是每秒13.5千米，而是每秒11.4千米，它只比第二宇宙速度多每秒200米。这不是魔术，是真的科学。差别在于第一种办法是把一部分火箭燃料带到地球引力场之外去用，因而要火箭燃料也克服地球引力场;而第二种更好的办法是把火箭燃料先都在地球附近用了，不必把它带到地球引力场以外去，所以省力。如果要到离太阳比地球更近的行星，也就是比地球更“低”的太阳卫星上去，那么就得让宇宙火箭掉到离太阳更近的轨道上去，这要求把本来围绕太阳转的速度从每秒29.8千米减下来。怎么减呢?最好的办法是让宇宙火箭在出了地球家门的时候，具有一个不太大的速度，但和地球绕太阳运动方向相反。也就是说，火箭熄火时候的速度仍然比第二宇宙速度大，只不过火箭发射的方向与到火星去的火箭不同，而是沿着地球轨道相反的方向发射。这样，宇宙火箭相对于太阳的速度，是地球绕太阳速度减去宇宙火箭在克服地球引力场之后的速度，宇宙火箭就能进入到太阳系里面去了。据计算，到金星所需要的速度是每秒11.5千米，到水星所需要的速度是每秒12.7千米。到距太阳更远的行星附近去，也可以用同样的办法。到木星要每秒14.3千米的速度，到土星每秒15.1千米，到天王星每秒15.9千米，到海王星每秒16.5千米。因为冥王星的轨道有一部分和海王星很近，所以如果我们利用好机会，到冥王星去也只要每秒16.5千米的速度。冥王星离太阳的平均距离已经是地球离太阳的40倍，已经快要出太阳系了。如果再加每秒200米的速度，即达到每秒16.7千米的速度，就能走出太阳系，也就达到了完全脱离太阳系引力场的第三宇宙速度。

苏联在1月2日发射的宇宙火箭，因为它最后在太阳系里的轨道还在地球轨道和火星轨道之间，没有达到火星轨道，最后一级火箭熄火时候的速度应在每秒11.2千米和每秒11.4千米之间，离到达火星或金星轨道所需的速度相差很少。这就是说，苏联的火箭技术完全有可能在今天把重达几百千克的科学仪器、无线电发报机及其电源设备等送到火星或金星附近去探测。如果把这几百千克重的设备，换上一个同等重量的小火箭，那就有可能把几十千克重的探测设备推到第三宇宙速度，突破太阳系，进入大宇宙(图2)。光是说第一宇宙速度、第二宇宙速度、第三宇宙速度，也许还不太能体现达到这些速度对动力机械的要求。我们应当说明速度所需要的能量是以它的动能来代表的，而动能是和速度的平方成正比例。所以第一宇宙速度、第二宇宙速度、第三宇宙速度所需能源的比是1∶2∶4.46，也就是说，达到第二宇宙速度要比达到第一宇宙速度所需要的能量大1倍，而达到第三宇宙速度比达到第二宇宙速度又大1.23倍。所以从一个宇宙速度到另一个宇宙速度的确是一关，是火箭技术又大大地前进了一步。既然能量是和速度的平方成正比例，我们可以把第一宇宙速度和我们日常所习知的火车速度所需要的能量比一比。火车时速70千米，第一宇宙速度是火车速度的407倍，所以第一宇宙速度所代表的能量是火车最高速度的16.6万倍，而第二宇宙速度所代表的能量是火车最高速度的33万倍，第三宇宙速度所代表的能量是火车最高速度的74万倍!

图 2 突破太阳系

从这么一个比例，我们也就容易体会到为什么发射人造卫星或人造太阳行星的火箭是一个庞然大物。说得更具体些，根据工程技术资料，如果火箭燃料能达到每秒3千米的喷气速度，那么要达到第一宇宙速度大概需要三级火箭，要达到第二宇宙速度大概需要四级火箭，要达到第三宇宙速度大概需要六级火箭。而每级火箭与下一级火箭在满载时的重量的比例大约是10∶1，所以最后被推送的有效重量(包括控测仪器、设备等)与全火箭起飞重量之比，对三级火箭来说是1∶1111，对四级火箭来说是1∶11111，对六级火箭来说是1∶1111111。因此，像苏联在1月2日所发射的宇宙火箭，其仪器、无线电发报机、电源等共重361.3千克，那么四级火箭的总重，也就是在起飞时候的重量，可能重到4000吨。如果使用高能燃料，也许能达到每秒4千米的喷气速度，那就有可能用三级火箭，但那还是需要总重为400吨的大火箭。不光是火箭要大，可能要高能燃料，而且在发射过程中，一切要有精确的控制，点火、熄火都得完全按照预先精密计算好了的程序进行。在长达几千千米的发射弹道上，也得通过精密的自动控制系统，使宇宙火箭能瞄准方向。所以发射宇宙火箭，的确是现代尖端技术的集中表现。

我们只要想一想，在1944年左右，希特勒军队所使用的V-2火箭，其重量不过12吨，射程不到300千米，而落弹点的平均误差倒有4千米。现在苏联的科学技术人员在不到15年的时间里，把火箭技术提高到宇宙火箭的水平，重量达到几千吨，射程进入了太阳系，这是怎样的一项光辉成就!这里面包括了多少卓越的科学家、工程师和技术工人的辛勤劳动!苏联人民在苏联**的领导下，在马克思列宁主义思想的指导下，为了实现人们长远以来的崇高理想，为了开辟全人类的新时代，付出了巨大的劳动，极有效地组织了这项工作，从而在星际航行的伟大事业中立下了丰功伟绩，这是我们所要欢欣庆贺的。他们是我们学习的榜样。