1、宇 宙 之 光中 国 古 代 火 箭 的 贡 献在 14 世纪的中国明代，有一位叫万户的军中工匠，制造了一把“飞天椅” ，并在椅子后面捆绑了 47 支“飞龙”火箭，试图乘坐它上天飞行。这一天，在一 座山坡上， 万户坐到椅子内， 手持两只大风筝， 军中工匠们围在四周， 并点燃火 箭，随着一阵阵轰响声，支支火箭喷出一股股火焰， “飞龙”火箭把座椅推向半 空，随风筝飞了起来，但很快一声爆炸， “飞天椅”在火光中摔到山坡下，万户 不幸献出了宝贵的生命。万户是世界上第一个利用火箭向太空搏击的英雄。 他的努力虽然失败了， 但 他借助火箭推力升空的设想，比现代宇航之父齐奥尔科大斯基 1903 年提出的利 用
2、火箭进行星际旅行的设想早了几百年。他被世界公认为“真正的航天始祖” 。 中国是火箭的发祥地 。 在今天美国华盛顿的宇航博物馆内， 就站立着一尊中国古代武士手持火箭发射筒的塑像。 “火 箭 ”最 初 的 含 义 是 带 “火 ”的 箭 ， 早 在 三 国 时 期 就 有 了 这 一 名 称 。 当 时的兵家在箭杆前部绑上易燃物， 点燃后用弓弩射出去进行火攻战。 到了唐代， 由 于炼丹术的兴起， 孙思邈发明了用木炭、 硝石和硫磺制成的火药， 于是兵家在作 战中又将绑在箭杆上的易燃物换成了火药。 由于这个时期的火箭还是用弓弩蝉射 的，而不是靠自身喷气推进的，故与现代火箭只是 名称上相同，其飞行原理毫
3、 无共同之处。大约到了距今 800 年前的南宋， 民间用火药制作了各式爆竹和花炮。 有利用 火 药 一 次 爆 炸 产 生 的 反 作 用 力 升 到 空 中 ， 然 后 再 引 爆 另 一 部 分 火 药 炸 出 响 声 的 “二踢脚” ； 也有利用自身的喷气反作用力向前推进的烟火 “地老鼠” ； 还有一种 在头部绑着火药筒、尾部装上羽毛，点燃后用喷气推动飞行的“起花” 。 这 些 原 始的娱乐型火箭是最早靠自身喷气推进的火箭的雏形。中 国 宋 朝 时 期 ， 开 始 在 作 战 中 使 用 火 箭 作 进 攻 武 器 。 火 箭 作 为 兵 器 可 重 达 1千克， 射程达到 300600
4、 步。 随着火药火箭技术的进一步发展， 火箭式样增多，威力增强。在明人茅元仪所著的武备志一书中，记述了近 30 种火箭的结构 与作用，其中最负盛名的有“一窝蜂” “火龙出水”飞空砂筒“神火飞鸦”等几 种。一窝蜂： 在一个木制长筒内插上 32 支火箭， 同一时间点火射出， 众矢并发， 可 加 大 杀 伤 威 力 ， 增 大 射 程 。 这 种 火 箭 的 全 长 4 2 尺 (1 4 米 )， 药 筒 长 4 寸(约 为 13 厘米)，箭杆尾端拴一铁块起平衡作用。这是一种原始的集束式火箭。火龙出水：用一根 5 尺( 约为 17 米)长的竹筒，前后装上木制龙头龙尾， 龙身两侧前后各装两支火箭， 用
5、火药线连在一起， 在龙腹内还装有一组火箭。 发 射时点燃筒外火箭， 推动龙身向前飞行， 火药燃尽后再引燃筒内火箭， 并从龙口 射出飞向目标。这类似一种两级火箭。飞空砂筒： 在竹制箭杆上绑两支方向相反的火箭， 发射时先点燃向前的火箭， 当飞向目标后装有砂石的药筒落地爆炸， 然后又引燃向后的火箭返回原处。 这可 说是一种可回收的火箭。神火飞鸦； 箭筒像一只大鸦， 呈纺锤形， 腹内装火药。 每扇翅膀下斜插两支 火箭， 鸦背上钻一小孔， 安装火药线与翅下火箭相连。 火药线点燃后， 两支火箭 同时燃烧，能把大鸦发射到较远的目标。这是早期的一种并联式火箭。中国古代火箭主要应用于两个方面： 一个是作为节日盛
6、典的喜庆焰火； 另一 个是作为战争中的进攻武器。这是打开天门的第一把钥匙。未 出 世 的 牛 顿 高 射 炮人们从小就有这样的体验： 向天空扔一块石头， 不管用多大力气， 扔得多高 多远， 石头最后都要落回到地面上来。 这就是 300 多年前英国伟大的科学家牛顿发现的地球引力的作用。牛顿在 1687 年完成的自然哲学的数学原理一书中 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 方向向太空深处飘游，浪迹天涯，永远不会回到地球。那 么 ， 如 何 才 能 摆 脱 地 球 的 引 力 到 太 空 去 遨 游 呢 ?牛 顿 曾 经 设 想 ： 如 果 制 造一座高射
7、大炮， 架在高山之上， 炮弹平射出去， 在获得足够大的速度之后， 距地 面越来越远， 而受到的地球引力也就越来越小， 以至飞到足够远的地方环绕地球 飞行而不致掉下来；如果速度再大，甚至会飞离地球轨道而进入宇宙空间漫游。 这就是牛顿描述的摆脱地球引力束缚的力学经典原理。按照牛顿提出的万有引力定律， 人要飞向茫茫太空而不致掉下来， 必须向地 球引力挑战， 设法挣脱地球引力。 每个人童年时可能都做过甩球的游戏， 即用一 根绳子拴上一个小球， 用手拉着绳子让小球绕着人周而复始地不停旋转。 这个迫 使小球不断转圈并使之做圆周运动的力， 必须时刻与小球的运动方向垂直， 这个 力叫向心力。 这同牛顿设想射出
8、炮弹的情况一样， 炮弹随着速度的增大， 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 因为有地球引力之故。因此，加快速度是克服地球引力的关键。根据牛顿提出的理论，算出一个物体达到 79 公里秒的速度，就能使地 球对它的吸引力与其离心力保持平衡， 这个物体便可不致坠落到地面， 并与地面 的距离保持不变， 沿着一定的轨道运行。 这也就是卫星环绕地球飞行的道理。 这 个速度称为第一宇宙速度， 或称环绕速度。 在第一次世界人战中， 德国曾经生产 一种远程大炮， 炮身长 34 米， 炮弹的速度达到 1 6 公里秒， 这离第一宇宙速 度还差得很远。牛顿设想的高射大炮不
9、可能造出来，因为要使炮弹达到 79 公 里秒的速度，炮身需长 1 千米。这是无法办到的事情。如果把物体运行的速度再加大，那么它离开地球中心的距离就会越来越远。 当速度大到 11 2 公 里 秒 时 ， 地 球 引 力 就 无 法 把 这 个 物 体 拽 住 了 。 于 是 ， 这 个 物体便飞出地球， 进入太阳系内飞行。 这个速度被称做第二宇宙速度， 或叫逃逸 速度、脱离速度。当这个物体的速度再增大到 16 7 公里秒时， 太阳的引力也显得无能为力， 只好让它飞出太阳系到更加广袤的宇宙空间去遨游了。 这个速度被称为第三宇宙 速度。牛顿高射大炮所昭示的万有引力原理， 以及这三个宇宙速度， 奠定了
10、后来发 射人造地球卫星和各种宇宙飞行器的科学基础。 英国大诗人拜伦这样评价牛顿学 说的意义： “牛顿铺设的道路，减轻了痛苦的重负，从那时候起已经有了不少的 发现，看来我们总有一天，会在蒸汽的帮助下开辟出到月球的道路。 ”凡 尔 纳 突 发 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困惑不已。 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
11、，由宇宙尘埃和气体聚 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
12、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 公 里 秒 的 速 度 飞 出 地 球 。 这 是
13、 一 枚 铝 制 炮 弹 ， 直 径 2 74 米 ， 长 275 米， 重 8 74 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
14、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， 当然是虚构的， 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， 不仅牛顿发现的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
15、 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。宇 航 之 父 的 伟 大 预 言1873 年冬天的一个夜晚，在积雪覆盖的莫斯科城，有一位 18 岁的年轻人， 正在一间低矮的木屋里， 借着一盏小油灯的灯光， 埋头读书， 他沉浸在另一个幻 梦 的 世 界 里 。 忽 然 ， 他 站 起 来 ， 踱 到 窗 前 ， 仰 望 雪 后 夜 空 上 繁 星
16、 点 点 的 世 界 ， 不 住地喃喃自语： “人不能永远蜗居在地球这个摇篮， 应该到遥远的星星上去看看。 那 么 用 什 么 方 法 才 能 飞 向 遥 远 的 星 空 呢 ?”这 位 充 满 幻 想 的 年 轻 人 ， 脑 海 里 编 织 起在太空飞行的情景。 他回到桌旁， 拿起笔， 铺开纸 ， 绘出了一幅想像中的宇宙 飞船草图。这位年轻人就是日后创立宇航理论的先驱者齐奥尔科大斯基。这位被誉为“宇航之父”的俄国人，1857 年 9 月出生在梁赞州一个偏僻村 庄的贫寒家庭里。 父亲是护林员， 母亲务农。 他 10 岁时因患猩红热而失去听力， 失去了上学机会， 念完小学三年级就辍学了。 两年后
17、母亲去世， 他只好在家自学， 靠顽强的毅力，5 年学完了中学课程。由于求知强烈，16 岁时他只身到莫斯科， 但由于耳聋又无中学毕业文凭， 无法进入大学。 齐奥尔科犬斯基只得租住一间简 陋 的 屋 子 ， 开 始 图 书 馆 的 艰 苦 自 学 生 活 ， 直 到 学 完 了 大 学 的 课 程 。 1878 年 由 于 年老多病的父亲退休， 经济上更加困难。 同年齐奥尔科夫斯基回到家乡， 考取中 学教师资格， 在教学之余醉心于研究宇宙航行问题， 提出了关于人造卫星和宇宙 飞船的最早构想。 齐奥尔科夫斯基的思路有时异想天开， 并且简直到了痴迷的程 度。为了研究气流对飞行器的影响，他竟像孩子一样，
18、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嘲弄和冷遇， 甚至有人把 这 位 耳 聋 的 中 学 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，矢志不渝，执著追求，不断有所成就。1883 年，他把自己的研究成果写成自由空间论文手稿，断定在地球上 可以研究遥远的星空， 在地球之外要受到失重的考验， 火箭能在太空中飞行， 同 时描述了征服宇宙空间的火箭发动机原理。 齐奥尔科夫斯基还写了一本叫 在地 球之外 的科幻作品， 设想科学家制造出一种长 100 米、 直径 40 米的纺锤形 “火 箭航天船” ，
19、靠一种 “宇宙枪 ”喷出气体， 推动航天船进入环绕地球的轨道飞行。 航天船载 20 人，可在船内栽种蔬菜和水果，制造金属材料，携带足够的食品和 用具， 然后飞往月球。 这艘航天船中有两人开动月球车游览月球， 看到了使人眼 花缭乱的多姿多彩景象。 经过若干年后， 航天船平安返航， 溅落在大洋上， 胜利 结束了一次难忘的宇宙航行。这个构想与今天的载人飞行有惊人的相似之处。1892 年 ， 齐 奥 尔 科 夫 斯 基 到 卡 卢 加 定 居 下 来 ， 致 力 于 宇 航 的 理 论 研 究 与 实 践。1898 年他写成利用喷气装置探索宇宙空间的著作，集中地反映了他对 宇航科学的贡献。 在这部划时
20、代的著作中， 齐奥尔科夫斯墓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中运动时所能达到的最大速度 的数学公式， 这就是具有奠基意义的齐氏公式。 这个著名的公式以最简捷的形式 表明， 提高火箭速度的关键不在于增大火箭的尺寸和质量， 而在于提高发动机的 喷气速度和火箭在一定条件下尽可能多地添加推进剂。 这一公式为火箭和宇航的发展奠定了理论基础。 此后， 齐奥尔科夫斯基进一步提出研制宇宙火箭列车即多 级液体火箭实现宇宙航行的构想，并且培养造就了一代功勋卓著的航天探索者。 但是鉴于当时的工业水平和工艺条件， 齐氏未能亲眼看到火箭升空的情景。 即使 如此， 齐奥尔科夫斯基也没有丝
21、毫犹豫， 对自己毕生的奋斗目标充满信心， 他在 1933 年发表的一篇讲话中说： “我始终都坚定地认为， 在可预见的将来， 人类将 可能飞向火星。尽管时代在变，但星际飞行的理想总要继续下去。今天我确信， 你们之中将有人到星际中航行。 ”早在 1911 年 4 月 13 日，齐奥尔科夫斯基在一封信中写道 ： ”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 初将小心翼翼地飞出大气层，然后便是征服整个太阳系。 “经过将近一个世纪的 努力， 这一预言正在变成现实， 人类终于飞出了自己的摇篮， 开始了到太空去游 历的新里程。戈 达 德 梦 想 成 真 创
22、奇 迹1920 年 1 月 20 日 ， 美 国 华 盛 顿 传 出 一 条 新 闻 ： 克 拉 克 大 学 物 理 系 教 授 罗 伯特 戈达德设计成功探测高空大气的多级火箭， 它能把探测仪器送到 200 英里的 高度， 甚至可以到达月球。 戈达德及其火箭顿时名噪一时， 成为美国街谈巷议的 中心话题。 在地球的另一端， 由齐奥尔科夫斯基构思的液体火箭， 后来确实在戈 达德的手里实现了。戈达德 1882 年 10 月 5 日生于美国马萨诸塞州的伍斯特城。 他幼年体弱多病， 但却喜好学习， 充满幻想。 在上小学时， 有一次他好奇地拆开蓄电池， 取出一对 锌制电极， 绑在自己的脚上。 试图升空飞行
23、。 他中学时读完科幻小说 从地球到 月 球 ，便爬上一棵樱桃树，极目远望辽阔的天空，不禁想发明一种工具，飞到 天 上 旅 游 。 1908 年从伍斯特工学院毕业后，在攻读物理学硕士和博士的同时， 他倾心于利用火箭推力实现宇宙航行的研究工作。1919 年，戈达德将自己多年的研究成果写成一篇题为达到极限高度的一种方法 的著名论文。 这篇著作描述了火箭运动的数学原理和计算方法， 提出了 利用火箭冲击月球的宇航原理。 他还用示意图说明火箭如何可能抵达月球。 当时 这个结论不被人理解， 嘲笑者攻击者大有人在， 但这并未动摇戈达德的追求。 他 在给朋友的信中表达了自己的心迹： ”生命如此之短暂，而世上又有
24、那么多的事 需要我们去做， 这是令人着急的。 我们应当冒点风险， 去做那些我们力所能及的 工作。 “戈达德是第一个将火箭技术理论与实际的试制试验工作相结合的先驱者。 他 经过艰苦努力， 在马萨诸塞州奥本郊外的沃德农场建起了一座液体火箭静态试验 和发射基地。 他一面在克拉克大学从事火箭理论研究， 一面利用假日到沃德农场 进 行 试 验 。 1923 年，经过多次失败，戈达德制成了世界上第一台供飞行试验用 的液体火箭发动机样机。 这台用汽油和液氧作燃料的液体火箭发动机在沃德农场 进行地面静态试验。 它被固定在试车台上， 用泵把液氧和汽油注入发动机中， 然 后点火燃烧， 测试发动机功率及其他数据，
25、这次测试结果对发动机设计的改进具 有重要参考作用。1925 年 11 月 戈 达 德 造 出 了 一 台 55 千克的小型液体火箭发 动机，成功地工作了 27 秒钟。1926 年 3 月 16 日 ， 是 世 界 火 箭 发 展 史 上 一 个 水 不 磨 灭 的 日 子 。 这 一 天 下 午2 时 30 分，在大雪覆盖的沃德农场，世界上第一枚液体火箭竖在简陋的发射架上点火发射， 火箭起飞， 爬高 12 米， 然后水平飞行 56 米， 最后掉在一片菜地里， 整个飞行时间仅 2 5 秒， 但这却是划时代的一瞬。 戈达德为试验成功兴奋不已， 激动地喊道： ”这 一 下 我 可 创 造 了 历 史
26、 !“这 确 实 是 20 世纪初叶创造的一大奇迹。这枚花了戈达德 20 多年心血的火箭，高 304 米，由一台 06 米长的液 体发动机和两个燃料贮箱组成。 它的结构尽管简单， 但却是火箭技术的一次飞跃， 从此火箭进入实际的试验阶段。1930 年 12 月 30 日，戈达德又研制一种较大的液体火箭，发射高度 610 米，飞行距离 300 米，速度达到 800 公里/小时。这枚 火箭的性能已大大提高了一步。1930 年以后，戈达德辞去了在克拉克大学的教职，在新墨西哥州罗斯韦尔沙漠建立起艾登火箭试验场。他把全部精力用于液体火箭的研究试验，到 1940 年， 他先后设计了十种系列火箭， 目的是探索
27、加大发动机尺寸的可能； 试验燃料 的性能和混合比例； 利用陀螺控制燃气舵稳定飞行方向； 研究小型离心泵喷注推进剂；提高发动机的功率等。后来，戈达德在改进火箭的研究中继续获得进展， 他一生申请了 212 项有关火箭技术和航空技术的专利， 为人类的航天事业作出了 巨大贡献。1945 年 8 月 10 日 戈 达 德 病 逝 。 他 被 誉 为 美 国 ”火 箭 之 父 “。 为 纪 念 他 的 功 绩， 美国国家航空航天局的一座空间飞行中心以戈达德的名字命名。 他的一位全 力 支 持 火 箭 研 究 的 好 友 、 曾 经 第 一 个 成 功 驾 机 飞 越 大 西 洋 的 空 中 英 雄 林 白
28、 ， 在 1958 年目睹美国第一颗卫星发射上天时， 无限感慨地怀念说： ”1929 年， 戈达德 就在我面前展现了一幅多级火箭发展前景的蓝图。30 年后的今天，我在卡纳维 拉 尔 角 空 军 基 地 亲 眼 看 到 一 枚 巨 大 的 多 级 火 箭 腾 空 而 起 的 动 人 情 景 。 我 真 不 知 道，是他那时在做梦，还是我现在在做梦。 ”V-2 火 箭 威 力 惊 煞 人1944 年 6 月 13 日 凌 晨 ， 在 英 国 伦 敦 上 空 突 然 响 起 可 怕 的 爆 炸 声 。 随 后 ， 嗡 嗡的呼啸声不断， 一个个火球从天而降， 城中立刻燃起大火， 人们惊恐万状， 不 知
29、发生了什么事情。 原来这是德国法西斯发射的 V-1 飞航式火箭。 9 月 8 日傍晚， 希特勒更加丧心病狂地向伦敦发动猛烈的空袭， 发射了威力更大的 V-2 弹道式火 箭。 这是有史以来世界上投入战争的第一种火箭。 人们发现， 火箭惟为战争工具， 显示了惊人的威力。德国研究火箭，是从赫尔曼奥伯特发起成立宇宙旅行协会开始的，以后 形成了一股热潮。这位 1894 年在罗马尼亚出生的德国科学家，少年时代就热衷于宇宙航行。 他后来风趣地回忆说： “每年我有 8 至 10 个发明， 想方设法使宇宙 飞船能离开地球， 飞向月球。 ”1923 年， 他完成了 飞向行星际空间的火箭 论 文， 描述了液体火箭、
30、 人造卫星以及空间站的设想。 在奥伯特的影响下， 涌现出 了一批热衷于宇宙旅行的青年研究者。1927 年奥伯特组织成立德国宇宙旅行协 会， 协会后来发展到 1 千多人， 推动了火箭技术研究工作。 在这个协会中， 培养 造就了一批出类拔萃的宇航科学家， 包括后来 V-2 火箭的研制者冯 布劳恩教授。1930 年，奥伯特主持设计了一种锥形喷嘴火箭发动机，把它装在液体火箭上点火发射，燃烧 90 秒，产生了 7 千克办(约为 69 牛的推力，试验成功了。这是 德国宇宙旅行协会研制的第一枚液体火箭。 奥伯特的学生冯 布劳恩作为他的助 手崭露才华，迅速成长为火箭技术领域的佼佼者。冯 布劳恩 1912 年
31、3 月 23 日生于德国维尔锡茨的富豪官僚家庭。 在中学时 代，他阅读了许多介绍宇航的书籍，并给奥伯特写信，表示喜爱火箭研究工作。 1930 年 18 岁时他就被吸收为德国宇宙旅行协会会员。 他在协会中参与设计完成米拉克 1 号和 2 号火箭。 德国陆军看中了萌芽中的火箭技术， 计划秘密发展火箭 试验。 而布劳恩清楚， 发展火箭以及把它用于太空飞行的目的， 是一项投资巨大、 规模超常的工作， 并不是个人或民间团体所能承担的任务， 因此他想通过陆军的 资 金 和 设 备 ， 达 到 实 现 真 正 的 宇 宙 航 行 。 1932 年布劳恩还在柏林大学深造时， 就成为不穿军装的陆军火箭研制人员，
32、着手设计 一台小型火箭发动机。在试车 台上进行静态试验时， 火箭燃烧 60 秒， 推力达到 140 千克力(约为 1370 牛)。 虽 然获得成功， 但也暴露出许多技术问题。 布劳恩意识到， 研制火箭是技术十分复 杂的尖端工程， 不是几个人能把技术问题全部解决的， 应当由各个方面的专家分 工协作， 才能使火箭工程顺利发展。 于是， 他建议把原来宇宙旅行协会的一批专 家组织起来，集中到陆军库麦斯多夫试验场参加液体火箭研制工作。1933 年，布劳恩领导的库麦斯多夫液体火箭小组开始研制 A 系列火箭。从1934 年至 1942 年先后研制成 4 种 A 型液体火箭， 其中 A-4 型火箭飞行速度接近
33、2 公里秒，飞行距离达到 1898 公里。如果在此基础上研制多级火箭，人类 也许可能会提前跨入太空的大门， 然而法西斯德国却垂青于它的军用价值， 下令 把 A-4 型火箭改装成导弹，用作战争的武器。纳粹头目之一的戈培尔把 A-4 型 火箭改名为 V-2 导 弹 ， 冠 以 “复 仇 ”之 名 。 V-2 火箭全长 14 米 ， 直 径 1 65 米， 装有十字形尾翼， 采用酒精和液氧作推进剂， 发动机推力为 26 5 吨力(约为 260 千 牛 )， 起 飞 质 量 13 吨 ， 能 将 1 吨重的弹头发射到 275 至 320 公 里 的 地 方 ， 飞 行全程只用 5 分钟左右。 这在当时
34、足最先进、 最重型的杀伤武器了。 V-2 火箭于 1942年 10 月 3 日首次试射成功。 从 1944 年 9 月至 1945 年 3 月， 德国共制造了 6000多枚 V-2 火箭，其中用了 4320 多枚袭击英国、法国和其他国家的目标，给这些 国家造成巨大灾难， 留下了战争的创伤。 尽管 V-2 火箭被吹嘘为不可一世的 “神奇武器” ，但最终也未能挽救德国法西斯的覆灭命运。V-2 火箭在战争中扮演了极不光彩的角色， 但它在技术上的成功却使人类向征服太空跨近了一步， 在世界航天发展史上是一个重要的里程碑。 V-2 火箭的出 现，为战后发展航天运载工具奠定了基础。“卫 星 ”号 火 箭 出
35、 尽 风 头1957 年 10 月 4 日 夜 晚 ， 在 前 苏 联 的 拜 科 努 尔 发 射 场 ， 探 照 灯 光 把 夜 空 照 得如同白昼，发射架上竖立着一枚银光闪闪的巨型火箭。莫斯科时间 22 时 28 分34 秒， 火箭专家科罗廖夫下令 “点火” !顿时火箭在震耳欲聋的吼声中拔地升起， 直冲天穹。不久，从太空传回世界上第一颗人造卫星入轨后发出的“噼噼啪啪” 电子尖叫声。 翌日， 塔斯社向全球宣布： 前苏联第一颗人造地球卫星开辟了宇宙 航行的道路。随着第一颗卫星上天运行， 发射它进入轨道的 “卫星” 号 运 载 火 箭 大 出 风 头 。 但是， 从齐奥尔科夫斯基提出宇航理论，
36、到研制成功航天运载火箭， 却经过了半 个世纪的艰难历程。 其中 ， 把宇航理论变成现实的科学家中， 前苏联的运载火箭 总设计师科罗廖夫作出了杰出的贡献。谢 尔 盖 科 罗 廖 夫 1907 年 1 月 12 日 诞 生 在 乌 克 兰 的 一 个 教 师 家 庭 。 当 他 9 岁时， 举家迁居敖德萨， 住在离一支飞行中队不远的机场附近。 他几乎天天可以 看到飞机在蓝天上的飞行表演， 这在他幼小的心灵里埋下了飞向太空的种子。 他 16 岁时参加了滑翔机飞行小组， 并自己动手设计滑翔机。 1926 年， 科罗廖夫从 基辅工学院转学到著名的莫斯科包曼高等工业学院空气动力学系， 一边读书， 一 边在
37、一家飞机制造厂工作。1927 年在莫斯科举办了首届世界星际航行器械模型 展览会和关于星际航行的讲座， 科罗廖夫生平第一次了解到齐奥尔科夫斯基等宇 航先驱者的思想和事迹， 并看到了戈达德、 奥伯特等的火箭设计方案， 这对他产 生了巨大影响。 两年后， 科罗廖夫前往卡卢加拜访了仰慕已久的齐奥尔科夫斯基， 这次会见成为他毕生从事宇航事业的转折点。科罗廖夫后来回忆说， “从 前 我 的理想是驾驶自己设计的飞机飞行， 而见到齐奥尔科夫斯基之后， 我一心只想制造 火箭并乘坐飞船到太空飞行，这已成为我生命的全部意义。 ”1929 年至 1931 年间，科罗廖夫参加组建喷气推进研究小组。1933 年 8 月1
38、7 日 ， 苏 联 发 射 了 第 一 枚 液 体 燃 料 火 箭 ， 这 枚 火 箭 质 量 18 千 克 ， 飞 行 持 续 时 间18 秒， 垂直上升高度约 400 米。 火箭达到最大高度后， 沿着水平线飞行了一段， 然后沿着微微倾斜的弹道落到附近的树林里。 第一枚火箭试验成功后， 引起了政 府的重视， 决定成立国立喷气科学研究所， 科罗廖夫被委任为副所长。 在他的主 持下，制订前苏联火箭发展计划，参与早期的液体火箭研制工作。战后的 1946年 8 月 9 日， 科罗廖夫被任命为第一枚弹道式火箭的总设计师， 只经过一年时间， 就仿制成功从德国俘获的 V-2 火箭。1948 年秋，前苏联利
39、用 V-2 火箭加长设计 了 P-1 弹道式导弹，射程 300 公里。 1950 年第一枚自行设计的 P-2 导弹进行发 射试验，射程达到 500 公里。在此基础上，科罗廖夫领导研制两级火箭，1957 年 8 月 21 日 ， 第 一 枚 洲 际 弹 道 式 导 弹 P-7 在 拜 科 努 尔 发 射 场 试 验 成 功 ， 总 推 力 500 吨力( 4900 千牛) ，射程 8000 公里。8 月 27 日塔斯社发表公告称： “多级远 程洲际火箭已于日内发射， 火箭试验顺利， 完全证实了计算和所选定结构是正确 的。 火箭以前所未有的高度完成飞行， 在短时间而长距离的飞行之后， 火箭在预 定
40、区域降落。 ”这就表示发射人造卫星的运载火箭近在咫尺了。1957 年 7 月 1 日开始的地球物理年活动，促成了前苏联加快发射人造卫星 的步伐。 科罗廖夫主持对 P-7 洲际火箭进行改进， 研制成了 “卫星” 号运载火箭。 这种火箭由一枚芯级火箭和 4 个侧挂助推火箭并联捆绑而成。 为了控制航向， 另外安装了 12 台可摆动的小型游标发动机。火箭发射后，芯级发动机和 4 台助推 火箭发动机同时点火。 火箭达到预定速度， 4 台助推火箭发动机先行熄火并分离， 芯 级 发 动 机 继 续 工 作 ， 直 到 把 卫 星 送 入 轨 道 。 1956 年 底 ， 前 苏 联 得 知 美 国 的 运
41、载火箭已进行了飞行试验， 而前苏联却因卫星技术过于复杂而滞后于美国。 这时， 一个惊人的计划在科罗廖夫的脑中形成。 他提出， 造一个空心铝合金小球装上电 源和发报机， 先搞一个简单的卫星， 抢在美国之前发射上天。 他的建议立即被前 苏联政府批准。1957 年 10 月 4 日， “卫星”号运载火箭立下头功，世界上第一颗人造地球 卫星终于冲开天门在宇宙之上与群星同辉，它发出的电波，全世界都可以收到。当时世界舆论沸腾 ， 在十多天里 ， 报纸每天的头版新闻都有它的消息 。 从此 ， 人 类在天庭上开始演出一幕又一幕的登天壮剧。火 箭通 往 宇 宙 的 天梯 飞 天 之 路 丛 书 宇 宙 之 光
42、飞 天 之 路 丛 书 宇宙 之 光 “速 度 ”差 点 难 倒 造 梯 人现代火箭是一种依靠火箭发动机推进而升空的飞行器。 它靠火箭发动机产生 的反作用力而向前运动。 由于火箭要在大气层外飞行， 只能靠本身往外喷射物质 获得向前的反作用力。 通常， 在大气层内航行的飞机， 它所用的空气喷气发动机， 虽然自带燃料，可是却要吸进周围的氧气才能燃烧，从而产生高温的喷射气流， 推动它飞行。 而火箭则不仅自带燃料， 而且还要自带氧化剂， 它不依赖外界空气 而能独立工作。 不但如此 ， 火箭还希望周围空气愈稀薄愈好， 因为周围空气愈稀 薄阻力愈小， 它所能产生的反作用力就愈大， 特别是在近乎真空的外层空
43、间， 它 能发挥出最大的效率。 火箭的这一特点， 决定了它成为现代太空飞行唯一适合的宇宙天梯。火箭飞出大气层， 要克服空气阻力， 特别是要战胜地球引力。 关键在于火箭 要达到所需要的速度。对航天运载火箭而言，它的最终速度至少要达到 79 公 里秒的第一宇宙速度， 这就需要火箭发动机产生足够大的推力。 火箭推力的大 小， 又与有效载荷有很大关系。 一般来说， 运载火箭起飞时的总推力， 必须比火 箭的起飞质量大 2050，那么，究竟需要多大的火箭才能够把卫星或飞船 送上地球轨道呢?首先要看卫星或飞船需要的质量， 负有不同任务的卫星或飞船需要的火箭质 量也不同； 其次要看它们的轨道高度和倾角大小，
44、也就是要看它们需要达到的速 度大小。 卫星或飞船质量愈大， 速度愈高， 则要求火箭的起飞质量也愈大。 火箭 能否升空飞行， 要看它的推力能否超过其起飞质量。 火箭推力的大小， 又决定于 火箭发动机喷射出的燃气速度和每秒喷出的燃气质量。 喷射出的速度越高， 质量 越 大 ， 产 生 的 推 力 也 就 越 大 。 因 此 ， 提 高 火 箭 的 推 力 ， 也 就 是 增 大 速 度 ， 除 了 要 有大尺寸火箭发动机以外，就是要使用高能推进剂和提高推进剂的性能。目前使用的火箭， 都是化学燃料火箭。 根据其用的推进剂的不同， 分为固体 燃料火箭、 液体燃料火箭和固液混合燃料火箭。 由于每枚火箭的
45、容积有限， 它所 携带的燃料量也就有限， 而火箭飞得又高又远， 需要的燃料很多， 燃料消耗也很 快， 所以火箭的工作时间十分短促， 一般只有几分钟 。 它只要达到预定的推力和 一定的速度， 火箭发动机即刻关机， 然后火箭所载航天器利用短短几分钟内获得 的动能， 依靠惯性继续飞行 ， 直至达到预定目标或进入预定轨道。 火箭发动机在 点火工作的一段飞行， 称为主动段； 发动机关闭以后的一段飞行， 称为被动段或 自由飞行段。 在空间飞行的主动段结束之后， 火箭的任务即告完成， 其壳体就变 成累赘之物，通过一套分离机构与航天器脱离，火箭残骸有的进入大气层烧毁， 有的留在空间游荡，成为”太空垃圾“。火
46、箭 对 推 进 剂 的 要 求 ， 最 重 要 的 是 比 冲 (又 称 比 推 力 )要 高 ， 即 是 每 秒 钟 消 耗 单位重量( 力)流量推进剂所获得的推力要高，这是火箭发动机的一个主要指标。 火 箭 的 燃 气 喷 射 速 度 与 比 推 力 成 正 比 关 系 ， 例 如 液 氧 和 煤 油 推 进 剂 的 比 推 力 是 260 秒，喷出速度是 26 公里秒，即使液氧和液氢高能推进剂的比推力高达420 秒 ， 它 所 能 达 到 的 最 大 速 度 也 只 有 7 公 里 秒 。 因 此 ， 目 前 的 单 级 火 箭 无 论采用固体推进剂， 还是采用液体推进剂， 甚至高能推进
47、剂， 按照现在的先进技术 所能达到的最大速度大约为 45 公里秒到 6 公里秒，这个速度达不到把航 天器送入地球轨道所需 79 公里秒的第一宇宙速度。火箭如何才能解开这个 战胜地球引力的速度之谜呢?火 箭 列 车 登 天 接 力 赛齐奥尔科夫斯基首先提出火箭列车的概念， 就是把两节以上的火箭串联或并 联起来，组成一列多级火箭来提高火箭的速度，以达到战胜地球引力的目的。多级火箭系列用一种质量抛扔原理， 即火箭发射后， 把已经完成任务的无用 结构抛掉， 使火箭发动机的能量最大限度地用于提高航天器的能量， 从而间接地 减轻火箭的结构质量， 提高火箭的质量比。 这样， 在使用同样性能的火箭发动机 和相
48、同技术水平的箭体结构的条件下， 用单级火箭无法达到的宇宙速度， 而用多 级火箭就能实现这个速度。世界各国研制的运载火箭已有数十种， 其大小不等， 形状各异， 且其结构形 式基本上分为两类： 一类是各级首尾联结的串联式火箭， 另一种是下面两级并联、 上面一级串联的混合式火箭。 运载火箭的大小， 由其飞行任务要求的有效载荷和 飞行轨道而定， 若飞行轨道相同， 有效载荷愈重， 则火箭起飞质量也愈大； 若有 效载荷不变， 飞行轨道愈高 ， 火箭的起飞质量也愈大 。 由于卫星或飞船等航天器 的轨道较高，本身质量也大， 所以运载火箭都是一些身高体重的庞然大物。它 们的质量至少几十吨， 一般为一百多吨到几百
49、吨， 有的甚至可达两三千吨。 火箭 高一般为三四十米，有的超过一百米。火箭粗都在 1 米以上，一般为 3 米左右，最粗可到 10 米。在通常情况下，发射一颗质量为 1 吨的卫星，运载火箭质量为50 至 100 吨 。 如 美 国 发 射 ”阿 波 罗 “载 人 登 月 飞 船 的 ”土 星 ”5 号 运 载 火 箭 ， 全 长 110 7 米， 直径 10 米， 起飞质量为 2840 吨； “阿波罗” 飞船的质量只有 41 5 吨。这是目前世界上最长的“火箭列车”了。这 种 三 级 “火 箭 列 车 ”是 如 何 驶 出 地 球 到 太 空 去 的 呢 ?它 耸 立 在 发 射 台 上 ，首先由地面控制中心指令第一级火箭发动机点火， 火箭徐徐上升， 加速飞行， 逐 渐按预定方向转弯，一百多秒钟后，火箭大约达到 70 公里左右的高度，第一级 燃料耗尽后火箭发动机关机，并脱离整个火箭列车坠落地面；第二级接着点火， 继续加速飞行， 火箭飞出稠密大气层， 达到预定高度和速度时， 第二级燃料用完 后火箭发动机关机并分离， 火箭靠获得的能量开始惯性飞行； 第三级火箭发动机 点火工作，当加速到预定速度时
