四、科学的启示
伟大的英国科学家艾萨克·牛顿在1678年完成的《自然哲学的数学原理》一书中，首先从科学的角度阐述了物体摆脱地球引力束缚的原理。他明确指出：如果一个抛物体，不受地球引力的作用，就会像一个浪子一样，沿着一个方向在太空深处飘游，浪迹天涯，永远不会回到地球。为此，牛顿进一步设想，在一座高山上，架起一座大炮对着前方，以一定速度将炮弹平射出去，那么由于地球引力的作用，它会沿着一条抛物线，达到一定距离后落到地上。如果把炮弹的速度加大，则其射程也会随之增加。这样不断加大速度，射程就会继续延伸，而只要炮弹的速度增加到足够大的数值，它就会克服地球的引力而绕地球作圆周运动，甚至脱离地球轨道而进入宇宙空间漫游。这个摆脱地球引力束缚的力学经典原理，为人类飞出地球指出了正确方向。按照牛顿万有引力定律，人要飞向茫茫太空，必须向地球引力挑战，设法挣脱地球引力。我们在童年时可曾做过这样的游戏：用一根绳子拴上一个球，拉住球不让其挣脱，从而使它周而复始地旋转。要知道，这个迫使球不断转圈并使之作圆周运动的力，必须时刻与球的运动方向垂直，即时刻指向圆心，这种力叫向心力。这同牛顿设想射出炮弹的情况一样，从理论上讲，炮弹随着速度的增加，其弹着点不断伸远，直到可围绕地球作匀速圆周运动，这里围绕地球运动的向心力正是因为有地球引力的缘故。因此，加快速度是克服地球引力的关键。那么，究竟一个物体要得到多大的速度才能摆脱地球的束缚呢？根据牛顿提出的理论，人们很快找到了答案。经计算，如果一个物体达到每秒79公里的速度，就能使地球对它的吸引力，即物体的向心力，与它的离心力保持平衡，物体便可不再坠落地面，而是环绕地球运行，并与到地面的距离始终保持不变，这个物体就成为地球的一个卫星，环绕地球飞行。这个速度被叫做“第一宇宙速度”，或称环绕速度。如果物体运行的速度再增大，那么它离地球中心的距离就会越来越大，同时飞行速度逐渐减小，飞行轨道变成一个椭圆形；并随着速度的增加，飞行曲线越来越平滑。当速度大到每秒112公里时，则椭圆形的曲线就会裂口，地球引力就再也不能对这个物体起作用了。于是，它就会飞离地球，成为太阳系中的一颗行星。这个速度被叫做“第二宇宙速度”，或称“逃逸速度”或“脱离速度”。当这个物体的速度再增加到每秒167公里时，太阳的引力就会显得无能为力，对它也管束不了，只好让其飞出太阳系，到更加广阔的宇宙空间任意遨游了。这个速度被称为“第三宇宙速度”。这样就从科学上找到了一个正确的理论根据：人类要实现航天的愿望，首先要突破第一宇宙速度，这是摆脱地球束缚的第一步。
五、凡尔纳奇想上月球
月球作为地球的唯一伴侣，是距地球最近的另一个星球。
在人类真正登上月球之前，所有科学家都对月球这个围绕地球旋转的奇异世界感到不已。他们不但解释不了月球的起源，而且对月球是如何成为地球卫星的过程也难置一言。
对于月球为什么会处在地球轨道上，这种格局是如何形成的，主要有三种假说。第一种假说认为，月球和地球都是在大约46亿年前，由于宇宙尘埃和气体聚集而成；第二种假说认为，地球诞生之后，月球是从地球分裂出去的；第三种假说认为，月球诞生于距地球相当遥远的宇宙空间，后来因为飞到地球附近而被地球引力俘获，于是进入地球轨道。以上三种假说即“同源说”“分裂说”和“俘获说”。当然，这都是后话了。
古往今来，人类总想搞清月亮的秘密，也都把月球作为第一个去太空旅行之地。16世纪，意大利天文学家伽利略发明了天文望远镜，第一次通过望远镜观测到了月球。随着科学技术的发展，人类对月球的认识进一步深化，同时希望飞到月球上去探险，因而许多关于登月的科幻小说也应运而生，并广为风行起来。
最为有名的是19世纪法国作者儒勒·凡尔纳于1865年和1870年先后出版的《从地球到月球》和《环游月球》两本脍炙人口的科幻小说。这个时期瑞典科学家诺贝尔发明了安全炸药，同时大炮的射程和精度得到很大提高，于是人们开始幻想乘炮弹飞船到月球上去旅行。凡尔纳在他的科幻小说中，栩栩如生地描述了地球人利用炮弹作交通工具飞到月球又返回地球的探险历程。
这个故事发生在美国南北战争以后，巴尔的摩城的一个炮兵俱乐部，异想天开地造出一座巨型大炮，用它作登月飞船，把人送上月球。凡尔纳设想炮弹飞船以11千米/秒的速度飞出地球。这是一枚铝制炮弹，直径274米，长275米，重874吨，装107吨火药。为了铸造这样长和这样重的炮弹，炮兵俱乐部在美国佛罗里达州的坦帕城郊挖了一口深270多米、直径180多米的井当铸炮的模具，并用1200个熔炉同时熔化铁水，终于铸成了这尊大炮。
这座炮弹飞船命名为哥伦比亚号。法国人米歇尔·阿唐自荐乘坐炮弹执行登月任务。炮兵俱乐部批准了他的请求，并选派俱乐部主任巴比康和炮弹制造家尼科尔陪伴这次飞行。他们把炮弹掏空，修改设计成可以载人的宇宙飞船，并在炮弹飞船上装进温度计、气压表、月理图，以及防备月球上各种野兽用的猎枪和步枪。此外，还带上锯子、铲子、谷物种子、树苗、粮食以及两只小狗和几只鸡。一天下午，这三位探险家乘上哥伦比亚号炮弹飞船从坦帕城启程。原定4天飞抵月球，但不幸的是炮弹飞船在接近月球时，突然遇到流星的阻挠而偏离轨道，未到达月面，没能完成从地球到月球的神奇旅行。凡尔纳编织这个载人登月故事，当然是虚构，但却表达了人们探索太空的强烈愿望和勇敢精神，同时提出了许多引人注目的技术问题。
凡尔纳生活的时代，不仅牛顿发现了万有引力定律已得到广泛认可，而且天文学和天体力学都有了许多新的发展，因此，他建立在科学基础上创作的科幻小说备受青睐，具有不朽的魅力。特别是在这部100多年前发表的小说中，描写的发射炮弹飞船的出发地坦帕城，如今，这座城距今天美国的卡纳维拉尔角宇航中中心不远，相隔只有240公里；第一个到太空遨游的，也像小说中写的一样，是一只小狗；美国第一架飞上太空的航天飞机也叫哥伦比亚号。这些巧合给人类宇航活动罩上了一层神秘的色彩。
六、预言的启迪
人怎样才能飞出地球？凡尔纳的大炮，牛顿的炮弹，都无法达到目的。
必须寻觅一种能够超越每秒79公里速度的飞行工具。伟大的俄国科学家齐奥尔科夫斯基首先指出：只有火箭才是实现宇宙航行的最理想的交通工具。这位被誉为“宇航之父”的先驱者，于1857年出生在一个贫寒之家，10岁时因患猩红热而失去听力，无法继续上学，只念完三年小学就辍学了。但他靠自己的勤奋努力，顽强进取，通过自学读完了从中学到大学的课程，在崎岖、坎坷的道路上成长起来。1880年，齐奥尔科夫斯基考取了中学教师资格，并在教书之余研究宇宙航行。他对于宇航的痴心和入迷，使他不断提出一些异乎寻常的问题，他的思路有时异想天开，超出了他作为一个中学教师的学识范围。为了研究气流的阻力对飞行的影响，他竟像孩子一样，迎着大风身披被单猛跑，或者拽着风筝在泥泞路上奔跑，因此往往招致一些人的奚落和冷遇，甚至有人把这位耳聋的穷教师视为精神不正常的怪人。但齐奥尔科夫斯基冲破世人的偏见，克服重重困难，执著地追求。
1883年他写出了一本叫《在地球之外》的科幻作品，其中所描述的宇宙航行比凡尔纳和威尔斯的故事更具有不可辩驳的科学性。它设想在和平环境下，科学家们制造出一种长100米、直径40米的纺锤形“火箭航天船”，载20人，进入环绕地球的轨道。航天船处于完全无重力状态，乘员靠一种“宇宙枪”喷出气体在真空的宇宙空间飘游。他们在航天船内栽种蔬菜和水果，制造金属材料，储备足够的食品和用具，然后飞往月球，其中两人开动月球表面着陆车看到使人眼花缭乱的多姿多采景象。经过若干年之后，航天船平安返航，溅落在印度洋，胜利完成这次难忘的宇宙航行。这个构想与今天的真实情况有着惊人的相似之处。两年之后，齐奥尔科夫斯基又发表了《关于地球和天空的幻想及万有引力效应》一书，进一步提出了发射人造地球卫星的设想。他把自己的愿望建立在严格的科学基础上，锲而不舍地致力于宇航理论的研究和实践。齐奥尔科夫斯基的研究成果，集中地体现在他于1898年写成的《利用喷气装置探索宇宙空间》的著作中，首先提出了火箭在自由空间中运动的基本原理，推导出了描述火箭在重力场运动时所能达到的最大速度的数学公式，这就是著名的齐奥尔科夫斯基公式。这个公式表明，火箭要达到最大速度，第一需要采用高能推进剂来提高火箭的喷气速度，第二需要尽可能减轻火箭结构重量。确切地说，是要提高火箭起飞前的质量与火箭耗尽燃料后的质量之比值。这就为火箭的设计奠定了科学的理论基础。可以毫不夸张地说，没有这个公式，就没有今天的宇宙飞行。齐奥尔科夫斯基第一个把火箭原理和航天概念建立在科学基础上，还研究了宇宙飞船的起飞方法和条件，设想了未来人在飞船中生活的情景。同时他还大胆提出采用液体推进剂的多级火箭建设地球之外航天站的方案。齐奥尔科夫斯基第一次提出液体火箭的概念。当时他认为，用液氧和煤油作推进剂能产生较高的推力，并且可以解决太空中由于空气稀薄甚至缺乏空气而没有氧气助燃的困难。液体燃料可以用泵来调节燃料的流量，便于控制它的燃烧速度。而固体推进剂燃烧所产生的能量，一般来说要比液体推进剂的小，并且一旦点燃就很难控制，振动较大，影响精度。这个最先采用液体火箭实现航天飞行的设想，具有划时代的意义。
但是，航天科学技术的发展不是一帆风顺的。齐奥尔科夫斯基的这部奠基之作并未引起当时人们的注意，甚至被拒绝出版，经过他的奔波和呼喊，5年之后的1903年才在友人的帮助下得以正式发表出来。这部著作在航天理论发展史上树立起一座丰碑。这部著作问世之后，人们对齐奥尔科夫斯基开始刮目相看，不再嘲笑他是与世隔绝的怪人了。但在沙俄时代，齐奥尔科夫斯基饱经风霜，备受冷遇，曾一度产生悲观失望的情绪，不过他终究没有放弃对理想的追求。经过7年的的艰苦努力，1911年又发表了他的第二部科学著作《火箭与太空探索》，把关于利用火箭进行宇宙航行的思想向前推进了一步。特别是俄国十月革命给这位穷困潦倒的中学教师带来希望和光明，为他施展自己的才华和抱负创造了良好的条件。他在晚年仍不遗余力地向宇宙航行的目标攀登，取得了辉煌的研究成果。直到1935年逝世之前，齐奥尔科夫斯基一直在为实现人类奔向太空的理想不懈努力，用他的智慧和贡献搭起了一座通向太空的桥梁。
“地球是人类的摇篮，但是，人不会永远生活在摇篮里，他们不断地争取着生存世界和空间，起初将小心翼翼地穿出大气层，然后便是征服整个太阳系。”齐奥尔科夫斯基的这一预言启迪和激励人们对宇航事业的无限憧憬，成为人们征服太空的一种巨大精神力量。
七、戈达德挑战火箭
齐奥尔科夫斯基在他那部开拓性的著作中，不仅提出了著名的火箭运动公式，而且还描绘了世界上第一个用液体火箭发动机作动力飞行器草图。但遗憾的是，他并未来得及把这个草图变成现实的航天飞行器。谁料与此同时，在地球另一端的美国，被誉为“火箭之父”的罗伯特·戈达德却在世界上第一个实现了现代液体火箭的飞行。
