遨遊太空的夢想
 
2006/03/09
 
蘇芳儀 | 國立科學工藝博物館展示組
 
 
神話中的太空

在古今中外幾千年的歷史裡,人類一直夢想在浩瀚的星空中遨遊,第一個讓人類產生幻想的星球正是美麗的月球。西元1973年湖南阿沙馬王堆一號古漢墓中,出土一幅繪得栩栩如生的〈嫦娥奔月〉帛畫,充分表明這則神話至少在漢代就在中國民間廣為流傳了,因此「嫦娥奔月」可能是人類最早的登月夢想。另一個民間傳說是「唐明皇遊月宮」的故事,一個道士把手杖向空中一拋,頓時變成一座凌空飛架的銀色長橋,唐玄宗從那兒到達月宮,並被仙境陶醉得流連忘返。

在那個古老的年代,可以到月球走一走,真是個奢侈的幻想。但東漢時代的大科學家張衡,不單只想在月球上漫步而已,他更想馳騁在星際中。因此他用美好的文筆,寫下了可能是世界最早的宇宙航行浪漫曲:「出紫宮之肅肅兮,集太微之閬閬。命王良掌策駟兮,於高閣之鏘鏘……彎威弧之撥刺兮,射嶓冢之封狼。觀壁壘於北落兮,伐河鼓之磅硠。乘天潢之汎汎兮,浮雲漢之湯湯……」

用現在的白話文表示就是:「我走出清幽肅靜的『紫微宮』,去到高敞明亮的『太微恆』。命王良駕馭駿馬,越過了高高的『閣道』……我張滿『巨弓』瞄準目標,要射殺嶓冢山上的『天狼』。我在『北落師門』那兒觀看『營壁』和『中壘』兩顆巨星,再把『河鼓』敲得直響。我款款地登上『天潢』之舟,在浩瀚的銀河中蕩槳……」這是何等豐富的藝術想像!你以為這樣的想像只限於漢民族嗎?

古敘利亞人幻想月球上的士兵靠著寬大的襯衣升空飛行和作戰,阿拉伯人則希望坐著「飛毯」升天。到了中世紀,文藝復興之後,歐洲的自然科學開始逐步發展建立,人們對天體運行、星象觀察有了一定的認識,對飛行原理也有了相當的了解,不再純粹只是浪漫的情懷,神話的位置逐漸被科學幻想所取代。

德國天文學家克卜勒(Johannes Kepler)撰寫了世界第一部真正稱得上「科學幻想」作品的《夢遊記》,書中透過一個「精靈」,敘述了一個人在月球旅行時要經歷的種種苦難,例如加速作用引起的痛苦、在太空中呼吸困難、忍受嚴寒及失重等。書中還敘述了許多月球上的現象,解釋了月球居民會見到地球繞月亮轉。他後來被譽為「天空的立法者」。爾後,法國另一位作家在《月球旅行》的小說中提出了多種旅遊的方法,包括使用火箭和利用太陽能的噴射推進器等。

到了19世紀,各國陸續出版了各種登月的文藝作品,形成了一股不小的「登月熱」。尤其是法國著名科學文藝大師儒略‧凡爾納(Jules Verne)的《從地球到月球》和《環遊月球》兩書,更是影響非凡。這兩本書早在1903年,魯迅就把它們譯成了中文,書名叫做《月界旅行》。而這些著作當然與神話故事截然不同,因為這些書籍是在科學的基礎上進行合理的演繹與設想,所以能激起人們對登月的強烈興趣和欲望。也顯示人類逐漸從神話世界走向科學幻想,建立起有憑有據的科學論證,展現征服太空的雄心壯志。

上天國的舷梯

那麼要如何征服太空?聖經中有個故事,說人類為了上天,努力建造一座高聳入雲的「通天塔」。上帝為了阻止人類上天,就「作法」讓各國都使用自己獨特的語言。如此一來,建塔的人會因為語言不通而無法合作,通天塔的工程就無法完成了。進入20世紀,這座通天塔在科學家們的不斷努力之下,終於建立起來了,那就是火箭的發明。

當然,說到利用噴射反作用原理推進的火箭,就不得不提到中國人。從早期煉丹、點放五色煙炮,到明代茅元儀所著的《武備志》中記載的「火龍出水」,這些都展現中國人高超的發明創造力。不過,中國人在火箭推進上只限於基本原理的應用,而未做全面性、系統性的探討,因此「太空飛行」的果實到西方開花結果去了。

俄國的宇宙航行之父齊奧爾科夫斯基(Kostantin E. Tsiolkovsky)寫了一篇很長的論文論述「依靠火箭的動力作宇宙航行」,導出火箭理論中著名的「齊奧爾科夫斯基公式」。他曾說過「在最初階段,應當建造一個人造的地球衛星」,以及「地球是人類的搖籃,但是人類不能永遠生活在搖籃裡,要小心翼翼地穿出大氣層,征服太陽系」。這些相當正確的論述在1903年正式發表,不過,齊奧爾科夫斯基僅僅停留在理論研究的階段,因為他沒有經費進行實驗。

他無法完成的夢想,在1926年由美國的高達德(Robert H. Goddard)實踐了,他製造出人類第一枚液態燃料火箭。高達德的火箭第一次試飛並沒有萬人空巷的排場,現場只有一名觀眾,也就是他的太太,但他仍寫下了世界上第一枚液體火箭的紀錄,全程2.5秒,飛了56公尺,時速103公里。而在歐洲大陸上,德國的科學家奧伯特(Hermann Oberth)雖然在理論上不及齊奧爾科夫斯基,製作上落後高達德,但是他既能使火箭的理論變得更完善,又參加了V-2火箭的研製,因此後人公認他與齊奧爾科夫斯基、高達德是現代航天學的奠基者。

衝出地球

火箭技術發展到了50年代,已經到達相當的水準,不少西方火箭專家開始考慮,是否可以為即將來臨的「國際地球物理年」(1957年7月到1958年12月)發射一顆衛星,以獲得更多的研究成果。美國政府經過慎重考慮,於1955年7月29日宣布全力朝這個目標前進。

不久,前蘇聯也發表了類似的聲明,只是當時西方世界幾乎沒有人把這件事情當真。事實上,前蘇聯確實偷偷地加快了研究的步伐,並在1957年無預警的情況下,搶先投下一顆「震撼彈」,讓全世界的人著實嚇了一跳。原來,大家不當真的事情是可以成真的。

科學是沒有國界的,也沒有時間表的。一個曾經充滿飢餓、疾病,在混亂飄搖中建立起政權的國家,會成為第一個航向太空的國家,這個決心要從1920年末的一個晚間開始說起。那時莫斯科綜合科學技術博物館附近貼了一張海報,上面的文字緊緊吸引住當時前蘇聯的執政者列寧,上頭寫著:「到宇宙旅行去。報告人:發明家工程師察捷爾。」

第二天一早,列寧把報告人請進了克里姆林宮。當工程師問列寧是否相信這個科學幻想可以在不久的將來實現時,列寧做了明確的回答,他說:「我相信,而且堅信不移!過20年、30年,或許50年,蘇聯人,正是蘇維埃人會實現這種神話般的旅行。這會是世界科學的奇妙節目。」

從察捷爾那兒,列寧知道了處在窮困中的齊奧爾科夫斯基有被埋沒的危險,因而為他創造了很好的研究環境。三十多年後的1957年,俄國人果然把世界第一顆人造衛星「史波尼克一號」(Sputnik)送上了太空,人類順利衝出地球,航向星際。

從神話到實踐

嫦娥靠仙丹靈藥飛向太空,但那僅止於神話。人類在經過長時間的理論探討及反覆實驗,耗費無法計算的人力及財力後終於發明了火箭。相較於嫦娥升天奔月,這個工程看來似乎相當地不經濟,然而這是人類從科學的角度想出的方法,是一項相當重要的成就。

火箭飛向太空的基本條件有兩個:一是克服地球引力的限制,為了克服引力,一定要減少火箭重量,提供足夠的力使物體達到每秒11.2 公里的速度才能飛離地球;二是降低空氣的影響,火箭飛行不需要依賴空氣,它是靠尾部噴出氣體所產生的反作用力前進的,空氣反成為障礙。

推送火箭升空的燃料質量須至少是空火箭的39倍,也就是說燃料占火箭總質量至少97.5 %,而火箭本體及所有裝備僅能占2.5%。俄國宇宙航行之父齊奧爾科夫斯基設想了多節火箭,把燃料箱做成數段,用完就拋棄,以減輕火箭的質量,如此可使燃料所占的比率大為減少,提高裝載各種儀器設備的質量比率。

世界上威力最強大的火箭「農神五號」,可提供總推力達3,500公噸,它可以把一百多公噸的人造衛星或太空站送入環繞地球運轉的軌道,或把將近50公噸的飛行船送上月球。當火箭在上升運動中,高度越高,重力越小,空氣阻力也越小,飛行的速度會愈快。當速度大於每秒11.2公里時,便可脫離地球引力的束縛,飛向太空。

史上第一顆人造衛星

1957年10月4日,一切準備就緒,位於俄國鹹海附近的拜科努爾發射場上一聲巨響,標誌人類進入航天新紀元的第一顆人造衛星「史波尼克一號」順利升空。這次發射,利用一種傳統的方式,我們稱為火箭運載式來發射,由兩級液體燃料轉運火箭載運,送入橢圓軌道運行。

這史上的第一個人造衛星是由科羅涅夫(Sergei P. Kordev, 1907-1961)所設計的,整個衛星結構大致呈球狀,重83.6公斤,外徑58公分,殼體是由鋁合金製成,兩個半球殼依靠橡膠件保證密封接合。球殼上有4根鞭狀天線,一對天線長240公分,另一對長290公分。它的軌道離地面最近215公里,最遠947公里,每96.2分鐘繞行一圈,它在太空共存在了92天,繞行地球1,400圈。

分布在「史波尼克一號」衛星周圍的4根彈簧鞭狀天線伸向後方,天線電頻率是20.005兆赫和40.002兆赫。衛星內裝載有兩部無線電發報機、化學電池、測量衛星內溫度與壓力的感應器元件、磁強計和輻射計數器等。它的構造簡單,主要的功能除了發出「嘟……嘟……」的無線電波外,也測量軌道間的大氣密度、濕度及電離層的電離子濃度,是一顆典型的科學實驗衛星。不過,它的歷史及政治意義卻遠遠超過了科學研究。

這顆衛星於1958年墜入大氣層焚毀,同年11月俄國接著發射「史波尼克二號」。俄國連著兩顆衛星成功升空的消息轟動世界,當然,讓自詡是第一強國的美國感到錯愕,更是目瞪口呆。但大夢初醒猶未晚,1958年美國也把外形像一把摺著的雨傘的「探險者一號」送上天空,從此開啟了美、俄兩國無止盡的太空競賽。

1957年發射了第一顆人造衛星「史波尼克一號」,之後的半世紀,揭開了衛星遙感、全球定位系統和衛星通信網路的新時代。據統計,到20世紀末,人造衛星的總數已遠超過3,000顆,這些人造衛星是人類開發太空、利用太空資源的主力軍,也是發展載人航太、探測星際空間的基礎。在全球科學家不停實踐及驗證下,征服太空,遨遊星際,早已經不是神話。

附錄

張衡 出生在東漢章帝建初三年,西元78年。西元111年,34歲的張衡進京擔任「尚書郎中」的官職,4年後被任命為「太史令」。太史令是主管觀察日月星辰、風雲雪雨,以及制訂曆法等事,相當於現在的中央氣象局或天文台的長官。張衡在太史令任內,有系統地觀測天體、從事理論研究,並有《靈憲》、《渾天儀注》等著作,全面闡述宇宙演化、天地結構、日月星辰的本質和運動,把中國古代天文學的水準提升到新的階段。(http://www.bud.org.tw/museum/s_star05.htm)

克卜勒 他於1600年被聘請到布拉格的天文臺,任第谷的助手。1601年第谷去世後,他繼承了宮廷數學家的職位和第谷未完成的工作,並很幸運地可以保留第谷的天文資料。他面對著如何從大量觀測資料中確定行星的準確幾何軌道,並找出用數學描述行星運動規律的問題。1609年發表了橢圓軌道定律與等面積定律,1619年發現了周期定律,從此簡明的數學結論終於代替了過去的複雜體系模型。(http://www.mdnkids.com/classboard/space-web/space12.htm)

火龍出水  應用於戰船上,是一種水火箭,可點燃龍體下端的4枚一級火箭,產生的推動力會把整個龍體推進到一定距離。當一級火箭的發射藥燃盡時,便會自動點燃龍腹內的二級火箭,二級火箭從龍口噴向敵船,縱火以攻擊敵人。明代《武備志》記載,可在水面上三、四尺處飛行,飛行距離可達二、三里,「如火龍出於水面,藥筒將完,腹內火箭飛出,人船俱焚。」是現代二段式火箭發展的雛形,設計、構造在當時確屬先進。(http://203.71.9.5/chinascience/I/i4-3.htm
 
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