古人爱做太空梦,大师练就理论功

2017-11-17作者:张天蓉, 著编辑:茹鑫

美国人如何能先于世界各国实现人类千年的登月梦?这不是一句话就能说清楚的,且听我们从神话和幻想开始,将航天历史慢慢道来。


飞到月亮上去!这是人类自古以来的梦想。不过要实现这个梦想谈何容易,人类被地球的引力牢牢束缚在地面附近,而月亮却高高地挂在天上,离地面有遥远的38万公里!这是一个难以飞越的高度,古人只能凭想象和神话故事来满足对月球的好奇。


据说在14世纪末,有一个叫“万户”的中国官员,注意到人们在节日时当作玩具的烟花礼炮,能够利用火药燃烧产生的反冲力将烟花射到天上。勇敢的万户想用同样的道理将自己送上太空,他将47支烟花(火箭)捆绑在椅子上,做成了一个飞行器。万事俱备之后,万户穿戴整齐,手拿两个风筝,坐上座椅,让别人把47个烟花同时点燃。不幸的是,随着一阵剧烈的爆炸,万户和他的飞行器灰飞烟灭。


有趣的是,这个“万户飞天”的传说,以多个版本的不同形式,被记载在某些西方的航天史文献中。就连月球上的一个环形山,也以他的名字命名。但在中国的历史资料中,却尚未发现关于万户的记载。



火箭技术是登月的关键,无论万户是否真的是中国人,人们将万户飞天的传说冠以“中国”之名,多半因为中国是火箭技术的发源地。我们经常骄傲地说:“火箭是中国人发明的!”的确,中国唐代出现的烟火类玩物、宋朝的“火箭”,都是利用燃料燃烧后再向后喷射出来产生的反作用力推动物体朝前发射而“上天”,它们当之无愧地成为近代航天技术最原始的“老祖宗”。


尽管万户的试验以失败告终,但基本原理与之相同的现代火箭技术,却一次又一次地在航天活动中取得了成功。这要归功于几个现代火箭技术的先驱人物,首先要介绍的是航天及火箭理论的奠基者——被誉为航天之父的俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(Konstanty Ciołkowski,1857—1935)。


科幻和科普读物在航天史上的地位举足轻重,当年几位火箭前辈的航天热情都是被登月之类的科学幻想小说点燃的。“飞向月球”是18、19世纪西方科幻作家笔下的热门主题。其中最值得一提的是法国人凡尔纳(Verne,1828—1905)的科幻作品。凡尔纳知识渊博,重视科学根据,所以他的小说既有文学价值,也有科学价值。他小说中的诸多幻想,有许多如今已成为有趣的预言。


《地球到月球》是凡尔纳于1865年创作的作品,描述几个人乘坐一枚由巨大大炮发射出的中空炮弹而飞向月球的故事。这个引人入胜的离奇故事将太空旅行的思想种子播撒在一位俄国失聪少年的心上,他就是齐奥尔科夫斯基。小时候患猩红热使得他的耳朵几乎全聋,无法上正常学校。但是,这个少年固执地对父亲说:“我要去莫斯科,那儿有图书馆,听不见也能读书,因为我将来要研究太空!”


父亲发现了这个“聋”儿子的与众不同:他爱读书,喜欢思考问题,尤其是爱不着边际地幻想。因此,并不富裕的父母满足了儿子的愿望,将他送去莫斯科学习。齐奥尔科夫斯基不负家人所望,自学成才,之后回到家乡担任中学教师,并在完成挣得温饱的工作之余,潜心地研究航天理论问题,被后人誉为“宇宙航天之父”。



由于耳聋,他与外界少有联系,又是靠自学,这对少年齐奥尔科夫斯基的成长以及之后的科学研究工作,既有利也有弊。耳聋使他养成了独立思考的习惯,凡是碰到难题都要自己动手计算一遍。但这个先天不足的缺陷也使得他鲜知同行们早期的研究成果,走了不少弯路。他年轻时经常发明出一些早已被人知道的东西,在科研中也往往是当他将感兴趣的物理问题解决之后,方才得知早已有人做出结果并发表了。例如,他曾经在1881年20多岁时得出气体运动理论的一个重要结果后,才知道这早已在24年之前就被人解决了。但总的来说,齐奥尔科夫斯基的科研之路还算顺利。当时他把他对气体运动理论的计算结果寄给了彼得堡物理化学学会,学会权威们仔细审核了这位研究者的文章,由著名的化学家、周期表发现者门捷列夫给他写了一封言辞谨慎的信。人们没有把齐奥尔科夫斯基当成骗子,反而鼓励这位年轻的中学教师继续他的科研。之后,齐奥尔科夫斯基将研究的兴趣集中到他经常进行思考的与航空航天有关的飞行器和发动机上,研究成果逐渐得到了俄国科学界的认可,加之在门捷列夫等人的帮助下,齐奥尔科夫斯基成了学会的会员。参与学会的活动使他不再是一个孤陋寡闻的“聋子”,而是在学界崭露头角、渐有名气。


齐奥尔科夫斯基使得“航天”走出了“天马行空、不着边际”的幻想,成为一门脚踏实地、可以实现的科学。在他的论文《利用喷气工具研究宇宙空间》中,阐明了航天飞行理论,描述和论证了火箭这种“喷气工具”可以作为宇宙航行的动力。之后,他又具体提出了火箭公式,计算了第一宇宙速度,提出利用火箭进行星际交通、制造人造地球卫星和近地轨道站的可能性,指出发展宇宙航行和制造火箭的合理途径,找到了火箭和液体发动机结构的一系列重要工程技术解决方案。他指出了火箭怎样才能冲出地球大气层,并指出多极火箭可以达到宇宙速度。他还相信向外星殖民的想法,认为这能使人类永久存在下去。从那时候开始,“航天”成为人们心中可以真正实现的梦想,全世界的人都记住了这位大师的名言:“地球是人类的摇篮,但人类不会永远被束缚在摇篮里!”


他一生出版了500多部关于宇宙航行的著作,包括科幻作品。他在科幻小说《在地球之外》中,设想的“宇宙游泳”、“宇宙枪”、在月面上降落的小型“着陆船”等,同现代宇宙航行的实际情况惊人地符合。图2-1(a)是齐奥尔科夫斯基设想的宇宙飞船。


齐奥尔科夫斯基于1903年出版的《利用反作用力设施探索宇宙空间》是第一部从理论上论证火箭的论文。文中,他计算了进入地球轨道的逃逸速度是8km/s,论证利用液氧和液氢做燃料的多级火箭可以达到这个速度,见图2-1(b)和(c)。



图2-1 齐奥尔科夫斯基奠定的火箭理论基础


(a)齐奥尔科夫斯基设计的火箭;(b)固体火箭和液体火箭;(c)多级火箭


火箭的原理说起来简单,不就是反作用力嘛!就像人在射击的时候,子弹向前跑,枪托却往后顶的道理一样。的确如此,反作用力随处可见,你用手敲击墙壁,会将手敲痛,这是因为墙壁施加于手上的反作用力;地面上的许多运动也是利用反作用来实现的。当你认真分析多种运动机制后会发现,即使是由反作用力的原理而产生的运动,也有两种不同的方式。比如,考虑人在水中游泳的动作,是利用手臂、腿及身体的摆动,将身边的水向后推,同时水对人体产生一个向前的反作用力,使人向前运动。但是,乌贼或章鱼则有另外一种水中应急逃生时采取的运动方式,它们的身体内有一个储水的口袋,它会在身体紧缩时,将其中的水急速喷出,借助于这些水喷出时的反作用力,乌贼便会迅速作反向运动。总结以上两种反冲运动的规律,游泳人的反冲力是通过周围的介质间接获得,而乌贼的反冲力则通过自身喷水而得到。能在没有介质的太空中前进的火箭,其运动原理类似于乌贼,因此,人们常称乌贼为“水中火箭”。


喷气式飞机也是依靠尾部喷出高速气体的反冲力来使得机身向前运动。但喷气式飞机需要吸进周围的氧气才能燃烧。太空火箭的发动机则不仅需要自带燃料,还要自带氧化剂。因此,火箭的基本构造就是燃料加氧化剂。用固体燃料的为固体火箭,用液体燃料则为液体火箭,见图2-1(b)。最早的中国古代火箭,使用粉末状火药固体,就是固体火箭的例子。从现代观点看,固体火箭和液体火箭各有优缺点。固体火箭的燃料容易长时间储藏和保存,可在任何时候点火发射,但火药一旦点燃,便无法停止,难以控制。液体火箭的液态氧和燃料需要低温储存,常温下容易蒸发为气体,不易保存。但液体火箭具有运载能力大、方便用阀门控制燃烧量等优点,特别是在齐奥尔科夫斯基和几个火箭研究先驱者所在的年代,被认为是实现太空旅行的最佳选择。


人们很早就有了“多级火箭”的想法,据说中国明朝(14世纪)的“火龙出水”,算是最早的二级火箭雏形。因为火箭储料罐中的物质总是越用越少,罐子的质量却不减少,有什么必要携带着这些多余的质量而影响火箭的推力呢?人们自然地考虑将几个小火箭连接在一起,烧完一个之后丢掉,再点燃另一个。齐奥尔科夫斯基经过严格计算,系统地提出了人类如何使用多级火箭而进入太空的理论。


齐奥尔科夫斯基为研究宇宙航行和火箭发动机奠定了理论基础。但谁能把他的“现代火箭”理论变为现实呢?当年从美国和欧洲倒是走出了好几位热衷于火箭的实干者和冒险家,有人受尽冷嘲热讽不气馁,有人年纪轻轻为造火箭而献出生命,也有人一直活到九十多岁,见证人类的登月之梦成为现实。欲知他们姓甚名谁,且听下回分解。


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