第四十六章将人类送入太空 (1)

    火箭的发明

    20世纪初，火箭发生的革命性的变化改变了人类的命运，为人类找到了飞出地球摇篮之路，

    找到了步入太空的阶梯。

    历史悠长执著探索

    从古到今，有多少人仰望着天空，向往探索这宇宙的奥秘。现在，随着人造地球卫星发射成

    功，宇宙飞船将人送上月球，美梦已成真。靠着什么力量才能将他们送入太空呢?这就是

    太空航行的惟一工具——火箭。

    所谓火箭，精确地说，是依据牛顿力学第三定律，利用自身向后高速喷出的气流的反作用力

    使火箭高速度前进的运载工具。

    火箭的历史源远流长。早在13世纪，中华民族的祖先就发明了火箭的原始雏形。但是，火箭

    的正式研究是进入20世纪之

    后才开始的，而且是在第二次世界大战期间德国发明V2火箭以后，火箭才开始实际应用。

    但新的科技思想在慢慢形成，运用火箭作为宇宙航行基本运载工具的想法在先驱者们脑中酝

    酿。先后有三位科学家详细分析了火箭作为空间运载工具的可能性。这三位勇敢的人是俄国

    的齐奥尔科夫斯基、美国的罗伯特·戈达德和罗马尼亚的赫尔曼·奥伯特，他们三人被尊称

    为“火箭之父”。

    根据牛顿的万有引力定律。人类要跨入太空，首先就必须要摆脱地球的引力。如何摆脱地球

    的引力呢?我们知道，当一个物体做圆周运动时，必会有一个惯性离心力，这个力的大小，

    与物体的质量和物体做圆周运动时的切线速度的平方的积成正比，而与圆的半径成反比。这

    样，一个物体要在大气层外沿圆轨道绕地球运行而不掉回地面，那它凭借环绕地球运动的速

    度所产生的惯性离心力，必须刚好等于地球对它的引力。要达到这个要求，该物体环绕地球

    的速度约等于每秒7.9公里，此即为第一宇宙速度。若低于第一宇宙速度，物体就会掉落地

    面。由此可见，要摆脱地球的引力，进入太空，速度是个关键因素。

    齐奥尔科夫斯基通过计算证明，为了谋求这一特殊的速度，去宇宙空间旅行，必须采用多级

    火箭，造出一种“火箭列车”，即当第一级火箭燃烧完后就自动脱落，并引燃第二级火箭；

    第二级火箭燃烧完后又自动脱落，并引燃第三级火箭……如此，火箭就像接力跑似地不断被

    加速，直到把火箭头送入太空。齐奥尔科夫斯基的这一设想，从理论上解决了人类挣脱地球

    引力，进入太空的可行性方法。

    与此同时，齐奥尔科夫斯基还提出了用液体燃料代替固体燃料作为火箭推进剂的设计思想，

    画出了用液体火箭发动机做动力的火箭结构示意图，设想用燃烧值大的煤油和液态氧作为火

    箭的推进剂。他预言将来一定火箭会使用液体燃料的。

    1898年起，齐奥尔科夫斯基就此发表了一系列学术论文，提出了许多独到的见解和想法。但

    是，

    由于当时人们的兴趣都集中在刚刚出现的飞机和汽车上，齐奥尔科夫斯基的研究成果并没有

    引起重视。

    齐奥尔科夫斯基在《利用喷气装置探测宇宙空间》的论文中，告诉人们增加喷气

    速度或增加质量比，都能增大火箭的速度。要想增加喷气速

    ，就要采用高能推进剂；要想增加火箭的质量比，就要尽量多装推进剂，尽量减轻火箭结构

    的重量。

    然而，打开通天之路的最大困难还在于克服地球重力的束缚。为此，必须首先考虑地球重力

    对火箭运动特征的影响，也就是说，必须精确地计算出冲破地球重力这道“铜墙铁壁”所需

    的燃料贮存量。于是，齐奥尔科夫斯基又着手研究这个问题，更加鲜明地提出了描述火箭在

    重力场中运动时所能达到的最大速度的另一个数学公式。

    齐奥尔科夫斯基在火箭理论研究上取得了巨大的进展，但却没有突破性的发明。

    奥伯特理论戈达德实践

    第一个将发射液体火箭的理想付诸实践的人是美国的戈达德。

    戈达德，1882年出生在美国马萨诸塞州的伍斯特，他26岁便开始研究火箭原理，试验各种火

    箭的燃料。1914年，戈达德首次应

    用分级原理设计出了一枚两级火箭。他还预言火箭能冲出地球，飞向月球，甚至能飞向更加

    远的太空。1916年，他根据自己的研究成果，进一步提出了研究火箭的计划和设想，并且得

    了史密斯研究所的资助。1919年，他发表了一篇著名的论文——《达到极限高度的一种方法

    》，以充分的论据论证了火箭能冲破地球引力的束缚从而到达月球和太空，这是他经过多年

    科学实验的总结和理论升华，但是舆论反映十分冷淡。1920年的《纽约时报》讽刺他是“月

    球上的

    人”，甚至连他的关于火箭能在真空中飞行的明确论证，也遭到许多人的反对。然而戈达德

    并没有灰心，他继续进行着各种试验。

    终于，1926年3月16日，在马萨诸塞州的一个农场里，戈达德在4名助手的帮助下，由他的妻

    子担任记录，成功地发射了世界上第一枚液体火箭。这枚火箭由液氧和汽油作为推进剂，在

    2.5秒的时间内，上升到了12.5米的高度，并且水平飞行了56米。戈达德成功开创了液体

    火箭的历史。这次试验的成功，使美国的一些有识之士转变了对他的看法。1929年，戈达德

    得到了古根海姆基金会的资助，在新墨西哥州建立了一个大型火箭试验场，发射了第一枚装

    有仪器的火箭。到1935年，他研制发射的多级火箭最高可以升到2 500米的高空。

    戈达德研制火箭经历了无数的艰难曲折，他所取得的成就来之不易，后来受到了美国人

    的无限尊敬。为了纪念这位在现代火箭研究中作出重大贡献的先驱，美国航空航天局研究机

    构于1962年被命名为“戈达德航空航天中心”。

    1931年以后，由于资本主义经济危机，使资本主义国家中的火箭研制工作几乎停顿。

    晚于戈达德12年的赫尔曼·奥伯特于1894年6月25日出生于特兰西瓦亚，该地当时属于奥匈

    国，现在位于罗马尼亚境内。在他12岁的时候，就因受凡尔纳的《从地球到月球》的影响而

    迷上了星际旅行。

    从1919年开始，奥伯特认真钻研物理，他阅读了所有他能找到的关于火箭和宇宙航行的著作

    ，其中包括齐奥尔科夫斯基的著作。1922年他向海德堡大学提交了题为《飞往宇宙空间的火

    箭》的论文。虽然有粗糙的科学数据来显示其可能性，但论文被断定不切实际。

    从1924年到1938年，奥伯特在特兰西瓦亚的一所中学里教数学和物理，他对火箭的兴趣没

    有丝毫减退。

    1927年，一批热情的宇航支持者成立了宇航协会，协会在布雷斯劳的一家啤酒店里召开了具

    历史意义的第一次会议。会议的宗旨是要开展震惊世界的火箭研制工作，而协会本身则成了

    培养打开宇宙大门的人才的基地。协会人才济济，第一任会长是谦虚诚恳的温克勒，还有

    克里斯·里迪尔。年轻的天才冯·布劳恩在其18岁的时候也加入了该协会。

    宇航协会的成员们在设备十分简陋的情况下开始了他们的火箭研究工作。早期的试验很粗糙

    ，也带有一定的危险性。

    火箭发射成功也是一个奇迹。1930年8月，奥伯特成功地运转了他的锥形喷管发动机。此后

    第四十六章将人类送入太空 (2)

    协会致力于建造一枚最小型火箭，它被称为“米拉克”。米拉克并没让人满意，协会会员于

    是设计了一系列“推力器式”火箭。1931年5月，推力器式火箭试飞成功。火箭升高61米，

    飞行距离为610米。

    尽管获得这些成功，

    由于当时的德国经济萧条，协会的火箭飞行场面临被关闭的危险，协会成员的境

    遇也一落千丈。能使火箭研究得以继续的惟一出路就是依靠军方

    的雄厚资本和独特条件，而陆军当局出于战争上的考虑对火箭表现出相当大的兴趣。从此，

    火箭研究逐步转于陆军控制之下，而宇航协会也就逐渐瓦解了。

    奥伯特的工作并没有结束。虽然他没有直接参与研制后来的A-4火箭发动机，也就是著名

    的V

    -2火箭，但A-4火箭却完全是以他的理论框架为基础的。战后，奥伯特留在德国，并回到他

    的家乡住了一段时间。1951年，他离开德国到美国与布劳恩合作，共同为美国空间规划效力

    。

    奥伯特的主要贡献是理论上的。上面讲到A-4火箭发动机主要是源于奥伯特的构想，其中95%

    以上的发明和技术构造都出自他

    的想

    法。A-4是第一个现代

    意义上的、可操作的火箭，对后来产生的大型运载火箭有直接的影响。

    更多地作为一个理论家，而不是一个实验家，奥伯特影响了整整一代工程师。作为航天事业

    的奠基人之一，他受到的称赞是当之无愧的。

    V-2火箭横空出世

    奥伯特的3名助手墨德尔、奈培尔、冯·布劳恩都是火箭专家，他们为后来研制液体火箭

    的成功作出了重要的贡献。其中，冯·布劳恩是一位才华横溢的青年，他为希特勒研制V-2

    火箭立下了汗马功劳。

    布劳恩研制的一系列火箭中的第一种是A-1。它采用再冷却式火箭发动机，用酒精和液氧作

    推进剂，但在一系列实验中因点火延迟导致发动机爆炸而失败。布劳恩全面修改了A-1方

    案，拿

    出新的A-2方案。两枚改进后的A-2火箭于1934年12月从北海中的博尔库姆岛上发射，飞行高

    度达2.4公里。

    A-2的成功导致了A-3的问世。新的火箭第一次配备了陀螺控制的排气舵和气动稳定舵等，这

    些改进使火箭发射不必再利用发射平台，而可以依靠尾翼竖立发射。

    布劳恩的研究小组迅速扩大，原宇航协会的一批老成员也加入了他的研究计划。陆军当局要

    求制造能用于实战的火箭，布劳恩的研究小组便着手研制A-5。他们不用A-4的称号，因为他

    们正酝

    酿着一个宏伟的计划。不带制导系统的A-5火箭于1938年夏首次发射，第一枚全陀螺制导的A

    -5火箭于1939年秋发射成功。这时正值第二次世界大战爆发，在不安定的世界又引起了一次

    强烈反响。

    A-5火箭研制成功后，德国军事当局立即下令研制作战型的弹道火箭A-4，即著名的V-2火箭

    。在德国陆军元帅冯·布劳希茨的指挥下，他们抽调了数千名士兵，加快了佩内明德试验基

    的建设。不久，位于乌泽多姆岛最北端的发射台以及发电厂、总装厂、实验室、生活区等陆

    续建成，新增调的大批科技人员和技术工人也纷纷来到这里，从此V-2弹道火箭的研制工作

    在德国全面展开。

    V-2火箭长14米，直径165米，装满燃料和炸药时重量约为13吨，不装燃料时净重4吨，没

    有翼，最大飞行速度达每小时5724公里，弹道高约100公里，水平飞行航程为280至300公里

    ，它

    是一种弹道火箭。V-2火箭的构造像飞机的机身，弹内有数个仓，为了便于运输和装配

    ，火

    箭分为几节。在头仓里，装有重1 000公斤的炸药及雷管，第二个仓装有操纵仪表及电动无

    电操纵装置。为便于安装和检查上述仪器，仓外的蒙皮上，还有可拆卸的仓盖。燃料仓里装

    酒精和氧化剂，尾仓装有发动机(火箭采用液体燃料火箭喷气发动机，以酒精和液氧作推进

    剂)，后部安装有尾翼，带有小型空气舵，以及将火箭放在发射架上用的支撑杆的安定面。

    喷口处装有另一个舵，它是由耐火材料石墨制成的，安装在气流喷出时经过的地方，用以在

    低速度时操纵火箭起飞，以及在没有空气的空间中飞行，因为在那里，空气舵将不再起作用

    。

    当火箭从发射装置上垂直发射后，采用带程序装置及计算飞行速度仪器的自主陀螺控制系

    统控制主动段飞行，然后按自由抛物体弹道飞向目标。由于要求这种火箭能携带1 000公斤

    的弹头飞行数百公里，所以，发动机工作后每分钟要消耗4吨酒精和5吨液氧，而且采用了涡

    泵代替压缩空气把推进剂输入燃烧室。此外，还采用了酒精对燃烧室进行再生和“发汗”冷

    ，用两个双自由度陀螺仪和程序机构调整飞行姿态，以及用积分加速度表控制发动机关机等

    新技术。这在当时来说，的确算得上是最新国防尖端技术的集中体现了。

    不过，布劳恩雄心勃勃地制造出来的V-2火箭，却在最初的试验中都以发动机爆炸告终。

    V-2火箭的第三次试射获得了完全的成功。1942年10月3日，又一枚V-2火箭耸立在发射台上

    ，点火后1分钟，火箭飞到了8万米的高度，然后倾转航向进入了预定的弹道，一直飞出了试

    验者的视界，弹上的信号发射器发射的声音信号持续了5分多钟，最后，地面多普勒探测雷

    达指明了它的落点——距离发射台190公里的波罗的海海面上。德军观察飞机立即飞临现场

    ，从海面绿色染剂的标示中找到了火箭。

    V-2火箭的成功是历史性的创举，它揭开了人类弹道导弹时代的序幕。

    突飞猛进造福人类

    作为武器，V-2火箭在技术上还不成熟，但可作为空间技术的应用。二战结束后V-2技术作为

    战利品转

    到了美国和苏联，美苏两国出于政治和军事的需要在原有技术的基础上争先恐后地进行研

    制。

    在战后的10年内，由于美国对发展远程火箭缺乏热情，致使火箭技术进展缓慢。而苏联则由

    于预见到了远程火箭的巨大作用而极为重视，使得火箭技术研制进展神速。1947年，苏联仿

    V-2火箭制

    造成功，然后又自行设计并成功发射SS-1、SS-2、SS-3、SS-6火箭，并于1957年10月4日发

    射了世界上第一颗人造卫星“东方”1号，从而揭开了现代火箭技术发展崭新的一页。

    苏联先后研制了“宇宙”、“东方”、“联盟”、“质子”和“列宁”等运载火箭；美国则

    研制了“红石”、“先锋”、“雷神德尔它”、“宇宙神阿金纳”、“宇宙神人马座”、“

    大力神”、“土星”等运载火箭；作为火箭技术的发祥地，中国运载火箭技术近年来也有了

    很大的发展——“长征”系列火箭先后研制成功。

    运载火箭在飞行时，不仅要携带燃料，还要携带氧化剂，数量十分惊人。有没有办法减少运

    载火箭的重量呢?科学家们已经在考虑这个问题了，并且提出了许多设想，“激光火箭”和

    “光子火箭”就是其中的两项。

    火箭作为一种空间交通工具，终于使人类摆脱了大气的束缚，成了太空中的“神行太保”。

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