书城工业技术征服太空之路丛书:火箭与长征火箭的故事
8426500000002

第2章 从古到今话火箭(2)

故事发生在公元十五世纪的中国。那是明朝宪宗皇帝成化十九年,有一位富有人家的子弟叫万户,他熟读诗书,但不去投考。因为他不爱官位,爱科学。他最感兴趣的是中国古人发明的火药和火箭,想利用这两种具有巨大推力的东西,将人送上蓝天,去亲眼观察高空的景象。为此,他做了充分的准备。

这一天,他手持两个大风筝,坐在一辆捆绑着四十七支火箭的蛇形飞车上。然后,他命令他的仆人点燃第一排火箭。

只见一位仆人手举火把,来到万户的面前,心情非常沉痛地说道:“主人,我心里好怕。”

万户问道:“怕什么?”

那仆人说:“倘若飞天不成,主人的性命怕是难保。”

万户仰天大笑,说道:“飞天,乃是我中华千年之夙愿。今天,我纵然粉身碎骨,血溅天疆,也要为后世闯出一条探天的道路来。你等不必害怕,快来点火!”

仆人们只好服从万户的命令,举起了熊熊燃烧的火把。

只听“轰!”的一声巨响,飞车周围浓烟滚滚,烈焰翻腾。顷刻间,飞车已经离开地面,徐徐升向半空。

正当地面的人群发出欢呼的时候,第二排火箭自行点燃了。突然,横空一声爆响,只见蓝天上万户乘坐的飞车变成了一团火,万户从燃烧着的飞车上跌落下来,手中还紧紧握着两支着了火的巨大风筝,摔在万家山上。

后来,万户长眠在鲜花盛开的万家山。当然,他进行的飞天事业也停止了。

明朝以后,特别是到了近代,我国的科技事业日趋落后,以至倍受列强的欺凌。但是,万户开创的飞天事业,得到了世界的公认。美国一位叫詹姆斯.麦克唐纳的火箭专家,称中国的万户为青年火箭专家,是人类进行载人火箭飞行尝试的先驱。他研制的蛇形飞车,也是人类有史以来了不起的发明。

实际上,早在明代我国便发明了二级火箭。多级火箭为我国首创,是人类火箭技术方面的重大突破,是现代多级火箭的先河。

1945年,美国火箭学家赫伯特(Herbets.Zin),在他的《火箭和喷气机》(RocketsandJets)一书中记述说,这位快要活到15世纪的叫“WanHoo”的中国人,自制两个大风筝,安装在一把椅子的两边,并把买来的47支最大的火箭绑在椅子背后,自己坐在椅子上,然后命仆人按口令点燃火箭,火箭随即发出轰鸣,喷出火焰。实验家WanHoo在火焰和烟雾中消失了。首次进行的火箭飞行尝试没有成功。这位美国火箭学家把WanHoo评价为“试图利用火箭作为交通工具的第一人”。

前苏联两位火箭学家费奥多西耶夫和西亚列夫也在他们的《火箭技术导论》中说,中国人不仅是火箭的发明者,而且也是“首先企图利用固体燃料火箭将人载到空中去的幻想者”。

英国火箭专家W·麦克斯韦尔说“WanHoo的事迹是早期火箭史中一件有趣的重大事件”。

德国火箭学家威利·李(Willy.Lee)在他1958年出版的一本书中也说道,在公元1500年左右,WanHoo在“发明并试验一种火箭飞行器时,颇为壮观地自我牺牲了”。

综上所述,万户飞天是一个举世公认的事实。但由于没有找到直接转述的文字记载,所以我们说,万户飞天是一个没有完全核实的故事。我们相信这是一个完全真实的故事,因为它有可靠的技术基础,这就是我国当时辉煌的火药技术;也有可靠的思想基础,那就是中华民族的勇敢创新精神;还有强大的社会基础,拥有四大发明的华夏国土,在第二个千年的前半叶,处在世界文明和财富的最顶端,这也是得到世界公认的物质基础。

诚然,史科考证的难度很大。封建制度把许多民间的技术创造,划归“三教九流”之列,难以用书面文字形式流传。前面介绍的古代火箭发明这样重大的技术创造,很可能只是因为它牵涉到了皇帝的活动,才在正史中占有25个字的位置。但有关火箭技术本身仍一字未提。

根据约定俗成原则,我们将“WanHoo”译为“万户”。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创想是世界上第一个,因此他被世界公认为“真正的航天始祖”。为了纪念这位世界航天始祖,20世纪70年代,国际天文联合会将月球背面一座环形山命名为“WanHoo”,也就是我们所说的“万户山”。

运载火箭的诞生

火箭可应用在军用和民用两大方面,按不同的飞行任务,大致可分为三类:探空火箭,用于高空大气测量;弹道式导弹,是带战斗部的有控火箭;卫星(宇宙飞船)运载器,把卫星或飞船送上轨道。

“土星-5”运载火箭目前世界上最大的运载火箭是美国的“土星-5”,它的直径为10米,高85米,起飞时质量近3000吨。第一级火箭装有五台发动机,推力超过3000吨,点火后150秒即可把2000多吨液氧和煤油烧完;第二级火箭装有450吨高能推进剂(液氧和液氢),推力525吨;第三级火箭装有106吨推进剂,推力100牛。“阿波罗”登月飞船就是由它运载并送入轨道的。

空间探测器的探测活动大大更新了有关空间物理和空间天文方面的知识。到20世纪末,已有5000多个航天器上天。有100多个国家和地区开展航天活动、利用航天技术成果或制定了本国航天活动计划。航天活动越来越成为国民经济和军事部门的重要组成部分。

航天技术是现代科学技术的结晶,它以基础科学和技术科学为基础,汇集了20世纪许多工程技术的新成就。力学、热力学、材料学、医学、电子技术、光电技术、自动控制、喷气推进、计算机、真空技术、低温技术、半导体技术、制造工艺学等对航天技术的发展起了重要作用。这些科学技术在航天应用中互相交叉和渗透,产生了一些新学科,使航天科学技术形成了完整的体系。航天技术不断提出的新要求,又促进了科学技术的进步。

19世纪末20世纪初,随着科学技术的进步,近代火箭技术和航天飞行发展起来,先驱者的代表人物有前苏联的齐奥尔科夫斯基、美国人罗伯特·戈达德和德国人奥伯特。

齐奥尔科夫斯基,是被公认的真正开拓宇宙航行理论的先驱者。他奠定了火箭在太空中飞行的理论基础,提出了利用火箭进行星际航行和发射人造地球卫星的可能性,并且建立了火箭结构特点与飞行速度之间的关系式,即著名的“齐奥尔科夫斯基公式”。

在宇宙航行动力方面,齐奥尔科夫斯基在1883年的《外层空间》一书中发展了反作用推进理论,首次提出宇宙飞船利用喷气运动的原理,并且画出了第一张设想的宇宙飞船工作图。他是第一个从理论上证明火箭能在空间真空环境工作的人。

1898年,齐奥尔科夫斯基完成了火箭研究的划时代巨著《利用喷气工具研究宇宙空间》。这部著作的问世,标志着火箭飞行技术的真正开始,为后来火箭技术的发展奠定了坚实的理论基础。

随后他又在1903年出版的《火箭进入宇宙空间》一书中指出,燃料烧完后的火箭质量(Mo)越大,火箭的性能越好;发动机喷管排出的气体的速度(W)越快,火箭的速度(V)越高。由此,他提出了宇宙航行理论中最重要、最基本的公式,即火箭公式V=Wln(Mo/Mk),式中Mk为包括燃料在内的火箭质量。这个公式后来被称为“齐奥尔科夫斯基公式”。

在火箭燃料方面,他指出固体燃料能量太低,固体燃料火箭不容易控制,作为宇宙航行动力的火箭,应使用液体燃料,它可以用汽车油门一样的东西来控制流量,也就是控制推力。最好的液体燃料是液氢和液氧。但当时的工业技术还无法制造液氢。齐奥尔科夫斯基就大胆地设想用煤油和液氧做火箭燃料。

通过计算,齐奥尔科夫斯基进一步指出,单级火箭能达到的最大速度为9千米/秒,由于空气阻力等造成的速度损失,实际速度只有7千米/秒,这还达不到克服地球引力所需要的7.9千米/秒的第一宇宙速度,更不用说摆脱地球引力和太阳引力的第二、第三宇宙速度了。这就得出了用多级火箭实现宇宙航行理想的结论。

除火箭外,齐奥尔科夫斯基还设想了许多其他克服地球引力的方式,如地球赤道上的36000千米登天塔和大气层外登天台等等。他还提出利用太阳光的光压来加速飞船的太阳帆的概念。

在载人航天方面,他指出星际空间为真空区,载人航行必须携带空气,这样飞船上必须有密封座舱,座舱中的空气必须不断净化,才能提供新鲜空气,进而提出用动植物组成生物循环链的密闭生态系统;他指出,在宇宙飞船上会是失重状态,由此推论了不同质量的物体在失重状态下的运动规律;他提出建设空间站和轮胎形太空住宅的设想,并提出用自转来产生人工重力。

齐奥尔科夫斯基的贡献是巨大的。更何况他是自幼两耳失聪的残疾人,因此更加令人钦佩。他有坚强的意志和百折不饶的精神,残疾障碍、幼年丧母、家庭穷困、世俗偏见、权威排斥、无情火灾等等都没有把他压倒。他把自己的一生凝聚成730多篇论著,为宇宙航行打下了理论基础。

戈达德虽然齐奥尔科夫斯基一生中并没有亲手设计出实用的火箭,但他的许多研究成果却大大加快了人类飞向太空的历程。鉴于他的杰出贡献,齐奥尔科夫斯基被后人誉为“前苏联航天之父”。

1903年,苏俄液体火箭的始祖希考夫斯基(KonstantionE.Ziolkovsky)出版了《宇宙火箭》一书,这是最早的阐述关于液体火箭制造的书籍。但他只是一位理论家,而最早研究液体火箭的则是美国人罗伯特·戈达德(Doddard,RobetHutchings)博士。

罗伯特·戈达德博士在1910年开始进行近代火箭的研究工作。他在1919年的论文中提出了火箭飞行的数学原理,指出火箭必须具有7.9千米/秒的速度才能克服地球的引力。他认识到液体推进剂火箭具有极大的潜力,1926年3月,他成功地研制和发射了世界上第一枚液体推进剂火箭,飞行速度103千米/小时,上升高度12.5米,飞行距离56米。

奥伯特教授在他1923年出版的书中不仅确立了火箭在宇宙空间真空中工作的基本原理,而且还说明了火箭只要能产生足够的推力,便能绕地球轨道飞行。同齐奥尔科夫斯基和罗伯特·戈达德一样,他也对许多种推进剂的组合进行了广泛的研究。

虽然俄国和美国的火箭研究起步最早,然而世界上第一枚实用火箭的诞生地既不是俄国,也不是美国,而是德国。在罗伯特·戈达德致力于液体火箭研究的同时,在罗马尼亚出生的德国科学家赫尔曼·奥伯特(H.HermannOberth)在火箭研究领域也取得突破性进展。

“欧洲火箭之父”赫尔曼·奧伯特是当时唯一可以与罗伯特·戈达德相比拟的专家。他在1923年出版了《星空火箭》一书,1925年又发表《星空航行之路》,更为重要的是在他的影响下,德国掀起了一股火箭热,而且奥伯特还把一批热心于火箭和宇航研究的年轻人吸引在自己周围,建立了世界上第一个星际航行协会,这是划时代的太空航空工程人才大聚会。这个协会涌现了许多年轻的火箭专家,其中最为著名的是冯·布劳恩(WernhervonBraun),这位当年18岁的年轻人后来成为了直接负责第一次将人类送上月球的火箭工程师。

冯·布劳恩1932年,年仅20岁的冯·布劳恩受聘于德国陆军军械部,随后他便邀请了里德尔、鲁道夫等一批火箭专家组织起库麦斯多夫液体火箭小组,开始实施一个在库麦斯多夫试验场研制A系列火箭的计划。在不到两年的时间内,1934年,冯·布劳恩主持研制的两枚A-2火箭便在波尔库姆岛试验成功。1937年,他所领导的火箭小组转到了佩内明德基地,并且先后研制出了A-3、A-4和A-5火箭。然而,由于战争的需要,德国政府下令将A-4火箭改装成为战争工具,这便是著名的V-2火箭。二战以后,航天科技得到了迅猛的发展,至此,人类进入太空的日子已经不远了。V-2火箭就是现代火箭的雏形。

1945年5月,第二次世界大战德国战败,前苏联俘虏部分德国火箭技术人员,缴获了几枚V-2火箭和有关技术资料。在此基础上,1947年前苏联仿制V-2火箭成功。1948年自行设计了P-1火箭,射程达300千米。1950年和1955年又先后研制成P-2和P-3火箭,射程分别达到500千米和1750千米。1957年8月,成功发射两级液体洲际导弹P-7,射程8000千米,经过改装的P-7于1957年10月4日,成功发射世界上第一颗人造地球卫星——“人造地球卫星一号”,从而揭开了现代火箭技术新的一页。前苏联由于发射多种航天器,先后研制成功“东方号”、“联盟号”、“宇宙号”、“质子号”、“能源号”等多种型号的运载火箭,可将100多吨的有效载荷送入近地轨道。