书城科普奇妙的发明(科学知识大课堂)
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第41章 其他科技大发明(7)

在莱特兄弟首次飞行20多年后的1926年3月16日,戈达德用事实为自己进行了辩护——把他的发明送上天,宣告了火箭时代的到来。戈达德制造的划时代的火箭长约3.05米,不装燃料时还不到2公斤重,用液氧和汽油推动。它在约13米的高空飞行了约56米,整个飞行持续了2.5秒。戈达德在他的日记里写道:“它飞起来时真是太迷人了,没有太大的噪声和火焰,好像在说:‘我在这儿呆的时间够长了。我想如果你不介意,我就要到别的地方去了!’”

在这次火箭成功发射之后的几年里,戈达德又进行了多次发射试验。他后来还在火箭上安装了气压计、温度计和照相机,火箭最高发射高度达到了2500米。

其实,在戈达德之前一些先驱者已经在这方面进行了大量开创性的研究。被誉为“现代火箭之父”的苏联科学家齐奥尔科夫斯基早在他1903年写成的《利用喷气工具研究宇宙空间》一文中,就第一次阐述了火箭飞行和火箭发动机制造的基本原理和构造,并推导出计算火箭飞行最大速度的公式。他的这些研究成果对人类关于火箭研制技术的发展产生了深远的影响。

1923年德国人奥伯斯在他出版的《从火箭到星际太空》一书中,深入探讨了许多技术性问题,如喷气速度、理想速度和火箭在大气中最佳上升速度等。有趣的是,奥伯斯的著作经科普作家改写成通俗读物后,也产生了广泛的影响。

在戈达德之后,火箭研究在许多西方大国中迅速开展起来。1933年,在冯·布劳恩的主持下,德国首先在这方面进行了开创性的研究,并在空气动力学和制导与控制、发动机设计、弹道设计等方面积累了大量经验。1942年10月3日,在严格保密的波罗的海沿岸的一个名叫佩内明德的发射场,德国成功地发射了第一枚军用火箭V-2。V-2火箭全长14米,可携带1吨重的弹药,最大射程300公里——这是在真正意义上第一枚进入实用的现代火箭。

V-2火箭这种新式武器的诞生,虽然没能最终挽救德国二战失败的必然命运,但是它在战争中显示出来的巨大威力,已经使深受其害的英国人产生了巨大的恐惧心理,也为战后现代火箭技术的飞速发展开辟了道路。事实上,美国和苏联战后火箭技术的发展都是从抄袭V-2火箭起步的。而美国更是将在战争结束时俘获的大量研制V-2火箭的德国科研人员直接送回本国,为其发展火箭研制事业服务。

雷达的发明与演变

现代科学技术的发展,使得现代战争几乎成了高科技的对抗,电子技术更是日益显示出重要性。没有先进的电子设备,军队就会像“瞎子”和“聋子”一样,处处被动,处处挨打,即使武器再精良、兵力再多也可能吃败仗。

被称作“千里眼”的雷达就是现代战争中最重要的电子设备之一。它是第二次世界大战中的新发明。“雷达”这个词是从英文缩略词radar翻译过来的,原来的意思是指“无线电探测和定位”。雷达能在军事、气象、导航等多个领域发挥重要用途。它工作的基本原理是利用电磁波一遇到物体时就会像回声一样被反射回来的特性。当雷达系统向空间发射一束电磁波后,其中的一部分遇到物体便会反射回来,形成反射回波,反映在雷达指示器上。观测者通过测量和计算,就可以探测出远方的目标,并能精确测定出目标的方位、速度和距离。

早在1887年,德国科学家亨利希·鲁道夫·赫兹证实电磁波存在以后,科学文献就经常提到将电磁波用于目标探测的问题。1897年,俄国物理学家波波夫在实验时观察到电磁波被船只反射回来的现象,便提出可将这个现象用于军事探测(如探测敌船)。但是他的建议没能引起有关部门的重视。直到1922年意大利工程师马可尼发表有关论文,美国海军研究室才用实验验证了这一设想,研制出了收发装置分离的连续波雷达。

美国从1925年开始研究利用脉冲调制技术,作为探测目标距离的手段。1935年12月,英国首先开始建造第一座飞机雷达站,开始了雷达技术的实用发展阶段。1936年4月,美国研制成功第一台脉冲式雷达装置,探测距离达到4公里。到了1938年,美国研制的防空袭雷达已经得到了实际应用。

20世纪30年代,英、法、德、美等国都在大力进行雷达的研制工作,其中英国、德国和美国的研究工作更是带有明确的军事目的。法国开始时只将雷达用于船只探测冰山,但当战争迫在眉睫时,他们也很快将雷达的实际应用转向军事化。德国最早便开始研究船只的雷达探测系统,很快又发展了飞机的雷达探测系统,1939年已经有了对入侵飞机的早期雷达报警系统,紧接着又出现了船只雷达报警系统。到了1945年左右,德军就已经能够利用雷达系统精确地引导高射炮射击目标。

在第二次世界大战中,雷达真正发挥了国防“千里眼”的作用。1940年,雷达无线网使英国在英德不列颠空战中免遭灭顶之灾;而一年后,由于珍珠港盟军指挥官对雷达屏幕上日军大举进攻的飞机信号置之不理,造成了珍珠港变成一片火海。也是在二战中,英美科学家共同研制成功了一种精度更高、体积更小的微波机载雷达,使盟军飞行员在对德空战中占据了明显的优势。

二战结束后,科学家们开始尝试着将雷达应用于科研。1946年,美国成功地探测到了从月球反射回来的雷达信号。此外,雷达还可以用作导航工具,或者作为防止船只以及飞机碰撞的常规监控手段,警察则用它测定汽车的速度。

高速飞机的出现对雷达的设备装置和应用技术都提出了新的要求。显然,将计算机和雷达结合起来可以解决雷达自动侦察的问题,即人们利用雷达探测各方面入侵的飞机攻击情况,并将探测得到的信号及时传递给计算机,计算机就能够很快决定出动什么飞机来完成拦截任务。等到洲际导弹研制成功之后,雷达又满足了防御方尽早报警的需要。它可以帮助计算机迅速确定导弹的飞行轨道、攻击目标和到达的时间,对于入侵的洲际导弹至少可以在导弹击中目标的15分钟之前发出警报。

20世纪60年代,雷达在航天事业中发挥了重要的作用。如在人类登月活动和空间飞船对接活动中,雷达同计算机配合,出色地完成了跟踪、定位等多项艰巨的任务。同时,雷达还与数学、物理学、生物学等基础学科以及空间科学技术、医学技术等许多领域有着十分密切的关系。

科学的发展是永无止境的。正是由于与人类社会各方面有着密切的血肉联系,使得雷达电子科技具有极其旺盛的生命力,并在越来越广阔的范围内不断向前发展。

弹道导弹的发明与发展

导弹是指装有弹头和动力装置并能制导的高速飞行武器。导弹与火箭不同,它的原意是“导向炮弹”或“导向火箭”。由此可见,导弹与火箭的根本区别就在“导”字上。也就是说,装有控制系统,能自动导向目标的火箭类武器就是导弹。按照发射点和目标位置,导弹大致可分为地对地、地对空、空对空和空对地导弹等。按照射程导弹又可分为短程、中程、远程和洲际导弹等。

导弹的出现是军事科学技术发展的必然结果。第一次世界大战后,随着飞机在军事上的应用,人们开始研究远距离遥控飞机和自动制导炸弹。1926年,美国人哥达斯成功地发射了世界上第一枚液体火箭,并达到了超音速效果。与此同时,德国的一批业余火箭研究者成立了“宇宙航行俱乐部”,专门从事火箭理论与试验的研究。

20世纪30年代,德国法西斯出于侵略战争的需要,成立了庞大的火箭研究中心。在著名的火箭专家冯·布劳恩博士的主持下,经过10年的努力,研究中心在空气动力理论、火箭推进技术、自动控制系统、电子设备、无线电雷达技术和航空材料工艺等方面做了大量工作后,终于在第二次世界大战结束之前的1944年制成了世界上最早的V-1飞航式导弹和V-2弹道式导弹。

当时的法西斯德国为了挽救即将战败的命运,把希望寄托在一两件新式武器上,因此下令大批量生产并使用这种V-2导弹。在1944年9月~1945年3月间,从荷兰和法国海岸,德国法西斯向英国首都伦敦共发射了10800枚V-2导弹。由于V-2导弹能在高空(可达100公里以上的高度)以高速飞行,因此使得英国的所有防空手段都变得毫无用武之地,结果使伦敦遭受了一定的破坏。但也由于当时科技水平有限,V-2导弹的性能还比较落后。1万多枚导弹中仅有一半飞到了目标区,而另一半却在发射过程中形成空中爆炸,也有的因精度不高而中途掉落在英吉利海峡。尽管如此,V-2导弹还是显示出了当时其他武器所不具备的优点——威力大、射程远、飞行时速高,从而引起了各国军事科技部门的高度重视。

德国战败后,美苏两国分别从德国夺得了导弹技术的“战利品”:冯·布劳恩博士被美军俘获,后来成为美国发展火箭与导弹技术的主要人物;苏联则从德国缴获了部分V-2导弹实物。可以说,美苏两国都是在德国研究技术的基础上,开始发展本国的导弹体系的。

从第二次世界大战结束以来,全球弹道导弹的研制经历了四个发展阶段:

20世纪40年代末至50年代末为第一阶段。这一阶段科学家们主要解决弹道导弹的可行性问题。继德国后,美苏两国在此期间先后成功地研制了短、中、远程各种类型的弹道导弹。如美国的“红石”、“丘比特”、“宇宙神”;苏联的“SS-1”、“SS-5”和“SS-6”型弹道导弹等。这一阶段所研制的弹道导弹性能较差,发射准备时间较长,且容易被发现,防护能力较差,生存能力也很低。

20世纪50年代末至60年代中期为第二阶段。这一阶段科学家们主要解决的是提高战略弹道导弹系统在核袭击下的生存力以及进一步提高战略弹道导弹的性能。在此期间,美国出现了利用地下井发射的洲际弹道导弹“大力神Ⅱ”、“民兵Ⅰ”、“民兵Ⅱ”以及潜射导弹“北极星A1”、“北极星A2”等。苏联也相应装备了洲际弹道导弹和潜射导弹。这一阶段所研制的弹道导弹有效地提高了生存能力,缩短了发射准备时间,提高了命中精度。

20世纪60年代中期至70年代末为第三阶段。这一阶段科学家们主要解决了弹道导弹的突防问题。由此出现了集束多弹头导弹和分导式多弹头导弹,这些导弹都带有突防装置。此外,通过加固地下井的研究,进一步提高了导弹的生存能力。这一阶段洲际弹道导弹的命中精度已达到0.185公里以内。

20世纪80年代以后,全球战略弹道导弹的研制工作进入了一个新的发展阶段。这一阶段总的发展趋势是进一步提高导弹的进攻能力、生存能力、突防能力和战略性能;大力研制全导式多弹头导弹;广泛实行导弹研制的固体化和机动化。

原子弹的发明

第二次世界大战爆发前夕,流亡到美国的匈牙利物理学家西拉德,得知德国正在加紧研究核裂变的链式反应,并禁止被占领的捷克出口铀矿石,就马上意识到德国可能正在研制原子弹。要是让希特勒这样的战争狂人拥有了原子弹,那人类的未来将不堪设想。

西拉德马上和其他两位物理学家找到了阿尔伯特·爱因斯坦,希望他凭借自己的威望给美国总统写信,说服美国政府尽快开始原子弹的研制工作。爱因斯坦很赞同他们的看法,欣然在西拉德草拟的信上签了名,并委托罗斯福总统的朋友和顾问亚历山大·萨克斯将这封3位科学家联名签署的请求信转交给罗斯福总统。信中针对德国研究链式反应的情况,3位科学家一致提出“美国政府应该和研究链式反应的美国物理学家们保持经常的联系”。

据说罗斯福总统一开始并没有在意此事,只说了一句“这倒是个有意思的想法,不过现在政府没有精力考虑这个事情”。萨克斯看到总统无意支持此事,很是着急,一夜都在想如何才能说服罗斯福。次日,在与罗斯福共进早餐时,萨克斯说了这样一席话:“在拿破仑执政时代,一个年轻的美国发明家富尔顿来到了这位法国皇帝面前,建议建立一支由蒸汽机舰艇组成的舰队。他说这样的舰队,无论在什么天气下都能在英国登陆。军舰没有帆能走吗?这对于那个伟大的科西嘉人(指拿破仑)来说简直是不可思议的,因此他竟把富尔顿赶了出去。根据英国历史学家阿克顿爵士的点评,这可以说是由于敌人缺乏见识而使英国得以幸免的一个著名的例子。如果当时拿破仑稍稍动一动脑筋,再慎重考虑一下,那么19世纪的历史进程也许完全会是另外一个样子。”这个故事果然打动了罗斯福总统。他立即叫来了随从,下令通知政府有关机构组成一个铀咨询委员会。