除了地球之外，人類最熟悉的天體是太陽和月亮。太陽熱氣騰騰只能敬而遠之，月亮則是一個寧靜安詳的親密小夥伴，猶如一名守衛著地球的士兵，人類親切地稱它為“衛星”。那麼，我們是否首先可以發射一個人造的物體，如同月亮那樣繞著地球轉呢？這個人造物體可以帶上需要的儀器設備，代替人類從高處來觀測地球，監控大氣，研究地磁場，以及海洋、潮汐、太陽黑子等，為我們提供各種服務，真正達到“守衛”地球的目的。也就是說，能否發射“人造衛星”？
人造衛星。圖片來自網絡
肯定的答案早在1687年就被物理先驅牛頓給出。根據萬有引力定律，任何兩個物體之間都存在互相吸引的力，蘋果下落、月亮繞圈，都是同一種力在起作用。地球繞著太陽轉，月亮繞著地球轉，但為什麼會一個繞著另一個轉，而不是像蘋果那樣掉到地面上呢？是因為它們有一定的速度（注：本書中經常使用“速度”一詞，實際上指的是速率）。如果沒有引力，物體將順著它的速度方向作直線運動，引力使它從直線偏離。比如說，我們從地面上拋石頭，石頭走的是曲線不是直線，因為地球對它的引力使它從直線偏離。
牛頓在認真研究引力問題時，設想了一個用“牛頓炮”發射人造衛星的思想實驗。如圖5-1a所示，位於高處的牛頓炮沿著水平方向射出一發炮彈，炮彈的初速度越大，便能夠射得越遠。速度小一些的時候，炮彈射到A點；如果加大速度，炮彈便能到達更遠的B點；如果速度大到一定的數值（V10），便有可能使得炮彈繞過地球半徑到達C點並且不再回到地面上，而是環繞地球作圓周運動。
圖5-1：人造衛星和宇宙速度
能夠使得拋射物體環繞地球作圓周運動的速度的數值，與發射點在地球表面的高度h有關，如果h=0，V10=7.9km/s，叫做地球表面的第一宇宙速度。
設想發射點的高度不變，但拋射物體的速度繼續增大，例如速度為圖5-1b中的V11、V12、V13、V14等，拋射物體仍然繞地球轉圈，作週期運動，但軌道變成橢圓。速度越大，橢圓越扁，即軌道的偏心率越大，意味著橢圓的長軸越長。
當速度大到某個數值V20時，長軸變到無窮大，也就是說，拋射出去的物體不再回到地球附近。這個使得物體“掙脫”了地球引力束縛的最小速度V20稱之為第二宇宙速度，它的數值是11.2km/s。如果速度再增加的話，物體有可能掙脫太陽的引力，飛出太陽系，那個極限速度叫做第三宇宙速度。與地球引力場有關的，只是第一和第二宇宙速度。以這兩個速度之間的速度發射的物體，將類似於月球，理論上來說，不需要額外的動力，會永遠圍繞地球轉圈，即成為地球的人造衛星。
當時科學家們建議發射人造衛星的呼聲，也正好迎合了東西兩方政治家們的野心。二戰之後世界力量重新組合，基本上是不打明仗來點冷戰，雙方的原子彈導彈暫時都是放在家裡嚇唬人的東西，如果能首先發射一顆人造衛星，不但顯示國力，也應該還有真正的用途。
發射人造衛星。圖片來自網絡
50年代初期，英美各國的科學家們就開始在學術刊物上研討相關問題，1955年7月29日，美國總統艾森豪威爾頗有些得意洋洋地宣佈說：美國將於1957年發射第一枚人造衛星！在一星期之後，蘇共中央同意了科羅廖夫幾年前有關人造衛星計劃的建議。不過，蘇聯人善於保守祕密，美國佬又大而化之，對蘇聯太空計劃之細節不得而知，也從未聽過科羅廖夫的名字，搞不清楚誰是蘇聯火箭技術的領導人，只稱呼他為“主任設計師”。並且由此而小看了蘇聯的科技力量，總以為自己在導彈和宇航領域上理所當然地站在最前沿。
不料蘇聯卻在1957年10月4日，給美國佬投下了一顆重磅炸彈。蘇聯在8月26日成功發射洲際導彈後只不到一個半月的功夫，就宣佈發射了第一顆人造衛星“斯普特尼克1號”（Sputnik I），見圖5-2a。
圖5-2：前蘇聯、美國、中國的第一顆衛星比較
蘇聯搶先發射人造衛星的消息，的確是一顆“心理炸彈”，投在了美國政府、媒體、民眾、科學家的心上。媒體一片嘲諷，科技界人士沮喪，老百姓則有些驚慌，以為美國如今“技不如人”，是否安全會受到威脅？雖然艾森豪威爾及時地於10月9日發表電視演說，祝賀蘇聯的成就，解釋本國衛星研究的現狀，保證美國沒有安全問題，但股票市場仍然遭受重創，道瓊指數從3日的465.82點，跌到22 日的419.79點，三週內跌幅近10%。這個事件拉開了美蘇太空競賽的帷幕。
當初美國是有可能首先發射衛星的，但他們錯誤估計了形勢，自以為是。美國曾經在斯普特尼克1號發射之前嘗試過兩次試射人造衛星，但因種種原因均告失敗。況且，在這種大項目上，資本主義國家那種多條渠道分散科研的體制，顯然沒有集權制度來得有效。不過，這也激起了美國決策人員的重視和警惕並改進了諸多科技方面的措施。
比如說，美方技術人員在兩天內便計算出了斯普特尼克1號的軌道；1958年，美國成立了國家航空航天局（NASA），正式開啟了一系列的航天計劃；美國佬開始重視教育，教育界人士想，我們怎麼會落在蘇聯之後呢？可能是數學訓練不夠所致。因此，他們推動了新數學運動，要培養出一流科技人才。此外，科學界（國家科學基金會）也意外地獲得了大量研究資金。
圖片來自網絡。
美國人如此不甘示弱，在4個月後，便也成功地發射了人造地球衛星“探險者1號”，見圖2b。第一顆人造衛星的意義主要是象徵性的，從圖2中的尺寸比較，兩方第一顆衛星的本體都不大，史普尼克是球形，探險者1號是長形，但史普尼克的重量大（83.6公斤），差不多是探險者1號重量的6倍。第一顆衛星看起來都只像是個簡單的玩具，關鍵設備是能夠將它們加速到第一宇宙速度（7.9千米/秒），推上“天”去的運載火箭。
推動史普尼克的火箭叫做R-7，推動探險者的叫做“朱諾I火箭”（注意：與NASA在2011年發射的木星探測器重名）。衛星雖然小巧玲瓏，發射它們的火箭卻都是龐然大物，火箭的尺寸，即高度和直徑，都是衛星的10倍左右，重量達到幾十噸。兩個龐然大物分別由兩方的首席火箭專家科羅廖夫和布勞恩設計。
科羅廖夫大膽採用三節捆綁式R-7火箭，成功地將世界第一顆人造地球衛星斯普特尼克1號送入軌道。衛星上配有兩臺無線電廣播發射器，它們持續工作了23天，連續不斷地將beep的聲音從太空傳送給地球人，讓全世界的人對蘇聯不得不刮目相看，這無疑是科學上的重大成果，但是，設計者科羅廖夫的名字卻不為人所知。據說諾貝爾獎委員會曾經有意為第一顆人造衛星頒獎，問到誰是設計研製者時，赫魯曉夫回答：“是全體蘇聯人民！”，諾貝爾獎不發給如此巨大的集體，那這個獎當然就無人可頒了。
緊接著，蘇聯又做出了一系列的第一名，使社會主義陣營臉面增光、揚眉吐氣。1957年，人造地球衛星2號帶小狗萊伊卡進入太空，萊伊卡是第一個在太空條件下生活過的生物，它只在太空存活了數小時便因中暑而死，所以也是動物中的第一個太空飛行犧牲者。1958年，蘇聯成功地發射了第一顆科學衛星（衛星3號）；1959年發射月球1號探測器，標誌人造物體首次脫離地球軌道……
蘇聯發射的人造衛星。圖片來自網絡
有意思的是，美國人總不接受教訓，也學不會對他們認為是民用的航天計劃來點“保密”措施。他們提前宣佈在1961年5月上旬要把美國人送上太空。要知道蘇聯對此也是早就“萬事俱備只欠東風”了。不過，那年代的蘇聯在航天相關研究過程中出了一次大事故（本書在最後一章中有所介紹）。炮兵元帥被炸死的陰影還在赫魯曉夫的腦海裡揮之未去，但最後在科羅廖夫的堅持下，蘇聯終於又搶先了一步，1961年4月12日，蘇聯人加加林成為首次進入太空的人，他乘坐東方一號飛船，繞地球一圈，在太空逗留了108分鐘並安全返回地球。那天，焦慮不安地在電話旁守候了一個多小時的赫魯曉夫聽到鈴聲後抓起電話，第一句話是：“先告訴我，他是否活著？”
聽見了肯定的答案，赫魯曉夫心中石頭落地，冒出第二句話：“讓他高興高興吧。”
赫魯曉夫問話中所擔憂的加加林依然活著。雖然在他短短的太空之行中險象環生，雖然他的飛船呼嘯翻滾著降落在離預計目標甚遠（400千米）的一片草原上，將地面撞出了一個大坑！他自己倒是幸運，從飛船中被彈射出來後，撐著降落傘平穩地落在了一塊軟綿綿的耕地上。加加林身穿橘紅色宇宙服，個頭不高，157公分，據說挑選小個頭的加加林擔此重任也是科羅廖夫精心考慮過的，以便更為容易被塞進空間有限的飛船中。
加加林。圖片來自網絡
話說這位宇航員撥開被風吹得飄飄搖搖的降落傘，安然無恙地站起來，立刻憑直覺認出了這兒仍然是祖國蘇聯的領土。這是第一件大好事，因為根據預先設置的命令，如果降落在敵對國家的話，就得考慮引爆預先設置的炸彈來個“光榮犧牲”，以避免“叛逃”的嫌疑。奇裝異服的加加林朝正在耕地上勞動的一對母女走過去，一開始嚇壞了他們。但最後，加加林在兩母女的幫助下，趕快電話莫斯科報告了這個喜訊，也立即高興地得知了他已經被命名為“蘇聯英雄”並且軍銜連升兩級成為少校的好消息。
加加林上天，實現了齊奧爾科夫斯基的名言：“地球是人類的搖籃，但人類不會永遠停留在搖籃裡。”。世界各地媒體都報道了這個消息，滿面笑容的蘇聯人加加林代表人類，第一次離開了“搖籃”！三個星期之後，美國也用水星號將第一個美國人阿蘭·謝潑德送上了太空，但終究還是又一次錯失了第一名。並且，這個美國的第一次載人太空旅行只是一次彈道似的，沒有進入地球的軌道，飛行時間總共只有15分22秒。
阿蘭·謝潑德。圖片來自網絡
這些為人類登月進行準備的航天活動中，前蘇聯都走在了美國的前面，可惜好景不長，十年歲月河東河西， 1969至1970年代的阿波羅計劃，為美國打了一個翻身仗。蘇聯人為何沒有登上月亮？美國人的月球計劃是怎樣取得成功的？月亮的運動有何特點？作者將在下一章中慢慢道來。
（摘自《揭祕太空：人類的航天夢》，作者：張天蓉）