物理变化的例子(初中常见的物理变化)

编者按:

“嫦娥”、“北斗”、“田文”、“天宫”、“悟道空”...这些原本存在于中国古代传说中的名字，正一步步走在“星辰大海”的征途上，实现着古人的飞天梦和老一辈科学家的航天梦。

星际航行是钱学森早期科技思想的重要组成部分，最早萌芽于他在交通大学读书时的科学幻想中。在美国期间，钱学森通过科学理论研究星际旅行的可行性，甚至提出了原子火箭的概念。当钱学森带领中国研究喷气和火箭技术时，他的星际航行梦想逐渐从科幻变为现实。东方红一号人造地球卫星颇像钱学森科幻概念中的星际航行码头，为往返于宇宙的航行建造了基地。

向著名科幻电影致敬

在科幻电影《火星救援》中，有一段主人公的独白，大意是加州理工学院的五名学生在试图制造火箭燃料时差点烧毁了他们的宿舍，但他们并没有被学校开除，而是被赶到学校附近的一个农场继续他们的实验。电影中五人组成立的“火箭俱乐部”，其实是世界著名的美国喷气推进实验室(JPL) 3的前身之一。独白中提到的五个学生中就有钱学森。钱学森曾回忆说:“加州理工学院(作者注:加州理工学院)火箭研究组刚成立时，成员都是年轻人。那时候这些人对火箭的看法都很理想。”[1]当电影明星马特·达蒙向这五个人致敬的时候，他当然没有想到，年轻的钱学森曾仰望火星，扪心自问:“我们是否有一天能够与火星交流？”

正是这个问题开启了钱学森星际旅行的科学幻想。在交通大学读书时，他在机械和航空空工程知识的基础上进行探索，并通过发表《火箭》一文展示了他早期关于星际旅行的科幻思想。文章以欧洲广播电台“收到来自未知方的奇怪无线电信号”为开头，在延伸了火星上是否存在生物的讨论后，进一步提出了如何使用火箭去火星，然后从火箭如何升空、使用什么火药、去星球、火箭飞机、研究人员的工作等五个方面进行了说明。

首先，在“火箭是如何上升的”这一部分，文章以足球为例，引出物理学中的牛顿第三定律，作为全文的铺垫。之后在“用什么火药”部分，通过数学计算和物理证明，提出用原子氢作为星际航行的火箭动力。同时理性地指出，由于目前(作者注:指当时)的技术条件，无法进行量产。从科技、经济、贮存条件、冲量等方面综合考虑，认为“未来运载工具的大型火箭将由液氧和汽油推进”。当然，这篇文章的目的不在这里，而是为了解决动力问题，提出“去星球”的科幻思路。

由此，钱学森依托最新的科技前沿理论知识，在接下来的部分勾勒出了星际航行的蓝图。众所周知，要实现星际航行，首先要有脱离地球引力的力量。钱学森借鉴前人“带壳火箭”的概念，提出火箭如何获得动力，如文中所述:“它是第一个最小的火箭，里面除了燃料，还有各种控制仪表和乘员。在这个火箭外面，装上第二个火箭。这枚火箭比第一枚大，只有燃料。把第三枚火箭放在这枚火箭的外面。这个比第二个大，而且只载燃料。”以此类推，根据行星际航行的距离，不断增加炮弹的数量，使宇宙中的恒星可以在很远的距离内自由航行。

钱学森手绘了一个火箭想象图作为文章的图片，其结构与分级火箭的原型非常相似。文章还介绍了最内层具有航天器功能的火箭剖面，包括驾驶室、乘员舱、燃烧室、燃料储存室、膨胀管、控制器等。文章从严谨的科学立场出发，指出当时的技术水平不符合制造这种火箭的条件，“因为我们没有经验，所以会失败”，但乐观地说，“必须从小处慢慢做”。

钱学森手绘的“三套火箭”剖面图和最里面的“飞船”和“火箭飞机”图。“火箭飞机”也是钱学森后来“火箭客船”概念的思想来源

那么，我们应该从哪些小地方着手呢？

本文建议可以将火箭和飞机技术结合起来设计火箭飞机，即先退一步，通过研制火箭飞机来积累科研经验，以便更好地向前探索。因为火箭飞机可以在几个小时内环游世界，钱学森幽默地称之为“缩小地面的现实方法”。在文章的最后，他热情地呼吁:

钱学森的文章具有科普和科幻的双重性质。前两部分属于科普内容，后三部分具有科幻性质。不过，年轻的钱学森对科学探索的渴望也由此可见一斑。就像他说的“我们可以从很小的事情学习提高到很大的成就！”这是因为每一次失败都会导致一次经历，任何一次成功或失败都会给后人留下借鉴。

什么是“恒星导航终端”

1935年8月，钱学森从清华大学公费赴美留学。他先在麻省理工学院攻读硕士学位，然后去加州理工学院攻读博士学位。在冯·卡门门下读博期间，他在研究空空气动力学的基础上，逐渐拓展学术领域，并于1947年提出了技术科学的思想。从此开辟了工程控制论和物理力学两个原创性的研究方向。同时，他也从未放弃星际旅行的探索，一直沿着以往科技幻想的思路，从多个角度探索星际旅行载具实现的可能性。在美期间发表了《原子能》、《探索空火箭最优推力规划》、《远程火箭运载器自动导航》、《从卫星轨道起飞》等多篇学术论文。作为作者或合著者。

从加州理工学院毕业后，钱学森留校(当时摄)，从而走上了科研之路。在美国期间，钱学森始终保持着强烈的科学热情和好奇心，不断探索新的研究方向。

正因如此，钱学森在1955年回国时，已经形成了系统的星际航行思想体系，具体体现在他于1956年11月4日发表在《工人日报》第4版的文章《星际航行与科普工作》中。文章用平实简洁的语言解释说，星际航行是指利用火箭和高速飞行技术，使人类在离开地球后，能够在星际空之间航行，把宇宙作为一个活动花园，像哥伦布一样发现星际空之间的“新世界”。基于这种背景和技术条件，钱学森实事求是地提出了星际航行的分步走战略。第一步，在空气体层外，建造“环绕地球的星际航行坞”。

所谓“恒星导航终端”，其实就是一颗卫星。那么，这样的星际航行船坞应该如何建造呢？文章指出:“一劳永逸地把建筑材料和其他材料从地面用火箭运到这颗人造卫星上，星际飞船在人造卫星上慢慢组装。”不难看出，这就是空站的概念。后来，钱学森还计算出在离地面3000公里的地方建造一个星际航行终端，用多级火箭运送1吨物资所需的火箭重量。但由于消耗巨大，他也颇具想象力地提出了“火箭回收”的想法，指出:“运输火箭，无论是第一级大火箭，还是第二级小火箭，只要加上翅膀，就可以飞回地面，所以运输火箭可以多次使用。”

后来，钱学森在中科院召开的星际航行学术讨论会上，再次谈到了“设法回收一级火箭空弹体，修复后再第二次使用”的想法[2]。因此，如果能够实现两级火箭和火箭回收的设想，经过几百次往返，就可以建造一个距离地面3000公里的巨大星际航行船坞。这个船坞以6.43公里/秒的速度绕地球运行，星舰可以在这个船坞以2.67公里/秒的速度脱离地球引力，到达月球只需要30个小时；如果以7.5公里/秒的速度出发，只需要8.6小时就可以到达，这样就可以组建一支“探月舰队”，实现地月间的正常航行。

图为钱学森《火箭技术概论》课程教学整理稿件。手稿经钱学森扩充整理，于1963年由科学出版社正式出版，即《星际航行概论》学术著作。

从这个角度出发，文章继续提出利用这个船坞作为前往其他星球的中转站，并分别计算了前往水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星所需的速度和时间(作者注:2006年冥王星被国际天文学联合会降级为矮行星，冥王星已不在太阳系行星行列)。其中，火星之旅需要237天。为了实现火星旅行的常态化，本文还提出在火星空上建设星际导航终端，形成“地-地星际导航终端-火星星际导航终端-火星”的火星旅行路线图。当然，要实现如此庞大的计划，还需要建立一支星际舰队。

我怎么也没想到，几十年后，电影《火星救援》里，主人公会在火星上向钱学森致敬！影片中还有一个片段，就是主人公在沿着“火星-火星星际终端-地球星际终端-地球”的路线返回地球的过程中，得到了中国国家航天局的帮助。

当有人问他是否可以去另一个星球时，钱学森谨慎地回答说，以现有的科技条件，不可能在星球空之间航行。这也充分体现了钱学森的求真精神。他明确了科学和科幻的界限，通过指出重点来引导大家把力量用在真正值得用的地方。然而，科技史上的许多成就都来自于科学幻想！正如钱学森所说，“幻想中有实际的东西萌芽”，科技工作者的使命在于:

正因如此，钱学森早期关于星际旅行的科学幻想，在他回国后通过科学实践和理论探索，逐渐凝结成《火箭技术导论》这门课程，最终形成了系统的理论知识，并在他1963年出版的学术著作《星际旅行导论》中得以呈现。

中国航天日的由来

1957年10月4日，苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星“普特尼克-1号”。此时，钱学森正以中国政府工业代表团导弹组组长的身份访问苏联。“普特尼克-1”的成功发射给钱学森留下了深刻的印象。他说，“我们在莫斯科期间，苏联发射了一颗人造地球卫星，充分显示了苏联科技的优越性，我开始意识到东方集团的伟大”。1958年1月31日，美国发射了探索者1号卫星。冷战中两大巨头在航天领域的巨大成就给我国带来了巨大的震动。1958年5月17日，毛泽东主席在中国共产党第八次全国代表大会第二次会议上宣布:“我们也要制造人造卫星！”

这一宣言已成为中国发展人造地球卫星的基本方针。随后，中科院成立了以钱学森为首的“581小组”，作为人造地球卫星研制的协调机构。钱学森为人造地球卫星的预研投入了大量的时间和精力，并将预研课题纳入中科院力学所的研究范围。

经过严格论证，1965年7月1日，中国科学院向中央上报《关于发展我国人造卫星工作计划的建议》，提出在1970年左右发射人造地球卫星。1965年10月20日至11月30日，中国科学院召开了中国第一颗人造地球卫星总体方案论证会(会议代号651)，明确了第一颗人造地球卫星工程的目的、任务和总体方案。自此，中国人造地球卫星的研制正式进入实施阶段。1968年，中央决定以中国科学院卫星研究团队为基础组建中国空理工学院，任命钱学森为首任院长。

经过几年的努力，课题组成员终于在1970年4月24日成功发射了我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”。2016年，经国务院批准，将每年的4月24日定为“中国航天日”。“东方红一号”的成功发射，实现了钱学森“星际航行”的第一步，中国在航天技术上开始走向星际时代。

不忘初心，自“东方红一号”成功发射以来，我国航天科研工作者从未停止前进的脚步，通过不断研究，建立了以北斗卫星导航系统为代表的国之重器。这些被钱学森称为“恒星导航终端”的人造地球卫星，距离位于双鱼座的“钱学森星”很远，距离地球约2.23亿公里。

以上内容摘自《科学与忠诚——钱学森的一生》一书授权解答。图片都是原著的插图。

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资料来源:科学院

编辑:养鱼