世界第一枚火箭制造者（走出地球的梦想发芽）

我们上回讲到了齐奥尔科夫斯基，他就是一个自学成才的，有着各种奇思妙想的人。你说他是民科吧，也不能说不挨边儿，他的确是没有什么学术背景。但是他是一个开创者，先驱者。他所设想的事情没多少人真的敢去想。这些年来他一直在思考，人类究竟如何才能脱离地球的引力，飞向外太空。

凡尔纳曾经设想过用大炮来发射空心炮弹。他在《从地球到月亮》这部科幻小说里提出了这个设想。那时候是 1865 年，小说原本是在报纸上连载。后来出了单行本。1868 年出了带插图的版本。后来还有续集《环绕月球》。齐奥尔科夫斯基毫无疑问受到过凡尔纳的影响。但是他知道炮弹的加速度太大了，里面的人根本就受不了。能够完成这个任务的只有火箭，火箭是缓慢而均匀的加速。

《从地球到月亮》

齐奥尔科夫斯基自己写了一篇科幻小说《地球之外》，详细描述了如何利用火箭在星际间旅行。他描述了在月亮上以及小行星附近的奇妙景象，而且提到要建立一个太空城，为了制造人造重力，最好是造成个圆环，用旋转来模拟重力。你看他方方面面想的都挺周到的，唯独里面人物的名字比较别扭，他倒是没客气，把古往今来著名科学家的名字给用上了，比如意大利人伽利略，英国人牛顿，法国人拉普拉斯和德国人亥姆霍兹。当然俄国人伊万诺夫是召集人，是领导。他倒是不见外。

当然，他肯定是受了凡尔纳的影响。不过他人物塑造不怎么样，硬科幻嘛，这个也没那么重要对吧。不过小说就是小说，他的思想太超前了，那时候，火箭不过是一种战场上的武器，或者是过年过节的时候孩子玩儿的烟花爆竹。谁也想不到这东西如今发展到这个程度。

“窜天猴”

遥想当年，我小时候每到过年过节就喜欢玩儿窜天猴，有的地方叫“高升”，叫法不一。这东西就是最简单的火箭弹。我把这东西装在一根金属管子里面，抗在肩上，用类似肩扛式导弹的架势发射的。后边有人点火，我负责瞄准。你别说，有了个发射筒以后，精确度的确是高不少。当然啦，换成二踢脚呢，这东西就变成无坐力炮了。

小时候胆子也大，也尝试自己用火药来做小火箭。但是很难掌握，装药少了飞不起来，装药多了就炸了。还是买正规的成品的比较安全。现在的小朋友们还是不要随便玩儿这些危险的东西。我当时就感觉到，火箭要想飞得高，就不仅仅是靠多装药来实现的，假如推进剂效率低下，装再多也没有用，飞不了多高。齐奥尔科夫斯基当然也知道这回事儿，但是人家走的更远，什么样的火箭更划算呢？要总结出一般性规律才可以。

1903 年，齐奥尔科夫斯基在科学评论杂志上发表了一篇论文，标题叫做《利用喷气装置探测宇宙空间》，用比较严密的逻辑推算了火箭在地球引力场之中的运行规律。最后形成了有个简单的公式，也就是大名鼎鼎的齐奥尔科夫斯基火箭方程。

m0 是火箭离地前的总质量；

m1 是烧光了所有燃料以后的总质量；

ve 是火箭喷气的速度。

最后算出来的就是火箭的速度差。如果是从静止开始加速的，那么最后算出来的就是火箭的最终速度。最近发现，这个公式早在 1813 年，就由英国科学家摩尔发现了，但是一直是皇家军事学院的秘密，因此没有公开。齐奥尔科夫斯基完全是自己独立推导出来的。技术上的殊途同归是很常见的情况。

齐奥尔科夫斯基最关心的就是火箭最终的速度能不能到达 8 公里/秒。其实也就是超过第一宇宙速度。第一宇宙速度是怎么算出来的呢？那就是根本不考虑空气阻力，假设火箭贴着地皮飞。飞到多快能不掉下来呢？这个速度大约是 7.9 公里每秒，绕地球一圈大约是 85 分钟。所以大家明白了，这是绕最小最小的圈才跑出来的成绩。卫星或者太空站，绕地球一圈的时间是不可能比这再短了，当然，卫星不是贴着地皮飞，总要有几百公里高。一定比 85 分钟多出一大块才是正常的。因此绕地球转一圈怎么也要 100 分钟上下。

火箭公式就告诉我们，哪些因素是关键因素。火箭竖在地面上的总质量是 m0，到最后燃料全都烧光了，剩下个空壳子，这个质量是 m1，这二者的比值越大越好。这个比值就叫”干质比“。可是火箭总是要有壳子的，总是要有结构重量的。你弄个超级结实的壳子，超级厚的皮，这就太不划算了。说白了就是毛重太大。有些火箭为了减轻重量，外皮也就跟易拉罐的皮差不多厚，这也太软了。工程师们有办法，在火箭内部充进高压氦气，这下火箭的外皮被高压气体撑得硬邦邦的，可以保持良好的外形。可见为了减轻重量，什么阴招都用上了。

猎鹰9号是一种干质比相当大的火箭

还有一个非常重要的参数，那就是火箭喷气的速度，当然是越快越好。黑火药的效率是很低的，齐奥尔科夫斯基的想法是用液体作为火箭燃料，液体远比固体能力要强。但是当时液体火箭八字还没一撇呢。

为什么液体发动机的性能会比固体发动机好呢？我们希望燃料燃烧以后，生成的东西都是气体，这样才能膨胀，做工，从尾喷口喷出去。齐奥尔科夫斯基的公式已经表达的很清楚了，排气速度跟最终火箭能加速到什么程度是密切相关的。航天飞机的助推器是固体火箭，里面大部分是高氯酸铵，占 70%，这是强氧化剂，16% 是金属铝，12% 的粘合剂，还有氧化铁和一些杂七杂八的辅料。所以，你要去看看航天飞机发射的录像，屁股后头浓烟滚滚，在阳光照射下白花花的，非常漂亮。因为燃烧以后，含有一部分氧化铝的颗粒，所以整个烟柱都是白花花的。要是氢氧发动机或者是煤油发动机，效果没这么夸张。

航天飞机明亮的尾焰主要是来自固体助推器，主发动机燃烧的火焰反而不明显。

氧化铝可是固体颗粒，这东西是没办法膨胀做功的，说到底会影响最终的喷气速度。固体火箭全都靠燃烧这一锤子买卖。而且燃烧产物未必就一定是气体，所以效果是不如液体火箭的。

液体火箭可就不一样了，燃料是可以流动的，可以用泵加压。可以燃烧前先加热。你别说，齐奥尔科夫斯基也想到了，火箭的大喷管是要承受高温的。把喷管做成带夹层的，让燃料先从喷管夹层里面流过，一方面等于是水冷，帮喷管降温，另一方面喷管也是在帮燃料预热。燃料预热以后再被高压泵压进燃烧室，烧完以后从大喷口喷出去。别提多带劲了，这叫一举多得。因为液体火箭有这种弯弯绕，有很多邪门的办法，所以效果比固体的好。

巨大的F1发动机喷口，带有大量冷却管道，燃料从管道流过，一方面冷却喷管，一方面预热燃料。

当然，这都是理想情况，现实之中情况很复杂。各种发动机各有优缺点，是无法完全代替的。比如说电火箭发动机，其实就是靠电磁场把带电离子加速到很高的速度，然后喷出去。齐奥尔科夫斯基也提到过类似想法，他觉得这东西适合星际航行用。这种发动机的效率比液体火箭还要高。只要带一点点碱金属，加热气化以后，变成带电的离子，然后用电场加速，理论上能喷 10 年。长时间的喷，长时间加速，即便是推力很小，最终也能加到很大的速度。但是，这种发动机的推力实在是太小了，外号叫”老鼠放屁“，刚够吹动一张纸。你放在外太空是可以的，但是在地上，推力根本就克服不了自身的重量，根本飞不起来，效率高也没有意义。相反，固体火箭发动机虽然效率不算高，但是推力大，很适合近地面低速情况下使用。

齐奥尔科夫斯基还设想了星际移民，当然，即便到现在，星际移民也仍然是困难重重的。你总要在几颗星球之间来回跑吧。那么就一定会遇到再入大气层的情况，齐奥尔科夫斯基计算了一下，要把飞船所蕴含的那么多动能和势能消耗掉，这些能量势必要变成热量。飞船会非常的热，当时他给出的方案是用液氮来降温。我们现在知道，这是不可行的。不过当时他能想到这一点就已经很了不起了。

齐奥尔科夫斯基在沙皇统治期间，总是得不到重视。但是到了十月革命以后，列宁这些人对他很不错，很重视他。1920 年，列宁亲自下令支持他的火箭研究。还给了他一套房子。那时候，齐奥尔科夫斯基已经是个老头子了，他请求别让他再搞教学了，太累了，就让他专心研究火箭算了。苏联政府给了他终身抚养金，也就是国家养着他，让他搞研究。说到底，苏联政府领导人对于国家的现代化是有一种急迫感的。所以，这些领导人对新技术，对科学的态度相比于沙皇时代是完全不一样的。当然他们也有脑子犯晕的时候，押错了宝，看错了人，不过齐奥尔科夫斯基不属于这种情况。

1929 年，齐奥尔科夫斯基发表了一篇标题为《火箭列车》的论文。其中的的神来之笔就是多级火箭。他告诉大家，用多级火箭比较划算。壳子用完就要扔掉，这种累赘没必要带着一起飞。当然，这是理想状况，实际情况要比这复杂的多，因为每一级上都要带发动机，三级火箭其实是带着三级发动机在一起飞。工作的只有一级，上面两级在没用的时候都是死重量。所以多多少少要打点折扣。

重型猎鹰火箭就是典型的并联火箭

当然齐奥尔科夫斯基还设想了并联火箭系统。一个火箭捆成一捆，几个发动机一起烧。等燃料烧到一定程度。总燃料刚好能填满中间芯级火箭的燃料罐。那么周围的那些捆绑火箭就把燃料灌进中央芯级火箭，然后周围的捆绑火箭就可以扔了。这是齐奥尔科夫斯基的设想，那就别说他想的还挺周全的。不过现在都不用搞得这么麻烦，来回倒腾。长征 5 号，俗称“胖 5”，中间芯级用的是液氢液氧，周围4个助推器用的是液氧煤油，燃料根本不通用，就别想着来回倒腾了。

总之，齐奥尔科夫斯基是公认的航天的先驱者，他最有名的一句名言是”地球是人类的摇篮，但人类不可能永远生活在摇篮里“。走出地球的这个梦想就是在他那个年代发芽的。尽管他没有亲手实验任何火箭，但是后世的火箭就是按照他的蓝图一步一步走过来的。他75岁那天，获得了劳动红旗勋章。不过他还是没能看到火箭飞上太空的时代，他 1935 年去世。当时正是苏联的大清洗时期，很多人都被抓进了监狱。让人没想到的是，即便是在监狱里，某些人还是念念不忘设计火箭。苏联的火箭研究差不多是在监狱里起步的。这是后话，暂时按下不表。

一张嘴说不了两家事，话分两头，就在齐奥尔科夫斯基在纸上规划着航天蓝图的时候，有一些实干家们早就憋不住了。他们要自己动手攻克难关。按照齐奥尔科夫斯基的想法，液体火箭比固体火箭更优越。可是到现在液体火箭八字还没一撇呢。这事儿总要有人去做吧。你别说，还真的有人去做了，这位还是科班出身，是个正经八百的教授，他叫罗伯特·戈达德，是个美国人。

罗伯特·戈达德在做实验

如果说，凡尔纳给了齐奥尔科夫斯基很大启发，那么威尔斯就给了戈达德很大的影响。威尔斯写了一部著名的科幻小说叫《世界大战》，也有翻译成”星际战争“的，要了解这本小说为什么是科幻的经典，出门左转去听汪老师的《科幻世界漫游指南》。反正就是讲火星生命的。这一下就把戈达德的兴趣给勾起来了，这辈子对外太空特别着迷啊。

美国科学家兰利当时在研究飞机，写了一些有关鸟类飞行的论文，戈达德对此也有独到的见解。要知道航天和航空是完全不同的领域。别看都是飞，飞和飞是不一样的。这两个领域其实是同时起步的。戈达德最后还是选择了航天，如果他当时转向了飞机，也不知道会产生什么影响。他在 1907 年写了一篇论文，描述如何用陀螺仪来控制飞机的飞行姿态，这篇论文当时杂志的编辑还看不上眼，但是这篇论文实际上很非常重要。现在不管飞机还是火箭，哪儿能离得开陀螺仪啊。

1904 年他进入伍斯特理工学院，1910 年去克拉克大学获得了硕士学位，再过一年，他拿到了博士学位。1912 年，他成为普林斯顿大学的研究员。

后来，他又回到克拉克大学去教书，同时在学校里进行火箭研究。做火箭实验嘛，动静都不小。不是爆炸就是着火，即便是正常工作，也会冒很多烟。1915 年的一次，他搞得动静还挺大。把学校里其他人吓得不轻。看来在人多的地方搞是多有不便啊。

麻烦事还不止这一件，做实验是很花钱的，很快他的薪水就不够做实验用的了。怎么办？到处化缘呗，到处拉赞助。找谁化缘呢？国家地理学会，史密森学会，还有美国航空俱乐部。最后是史密森学会有兴趣，开始和戈达德接触。史密森学会是一个博物馆和一系列研究机构的联合体，接受美国政府的资金，但是他们自己保持独立，算是个半官方机构。现在这个学会拥有 19 个博物馆，9 个研究机构，还有美术馆和动物园。基本上起到了国家博物馆系统的职能。史密森学会同意出资 5000 美元，给戈达德做实验。戈达德要写个详细的报告。你这事儿不说清楚，钱是不好拿的。

所以戈达德就写下了一份手稿，标题叫《到达超高空的方法》，里面有他所有的前期研究成果。2 年后的 1919 年，史密森 学会把这份手稿发表了，这份手稿被认为在火箭方面有开创性意义。1920 年，他写了一封信给史密森学会，讲的是有关月球探索的，当然媒体对这些事儿是冷嘲热讽的，这些内容在《纽约时报》上还占了不少版面。有的人批评他不懂牛顿定律，他们认为火箭在真空里是没办法飞行的。50年之后，《纽约时报》刊登了一个豆腐块大小的道歉信，向戈达德道歉，纽约时报为什么想起来要道歉了呢？下次再说……

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