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人类火箭发展简史航天兔 [复制链接]

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在香港城市大学图书馆的入口,有两幅巨大的壁画,一幅名为《夫子思琴》、一幅名为《万户飞天》,其中万户飞天用写意飘洒的技法,为我们描绘了一幅中国古人利用火箭追寻太空梦想的故事。

“万户”在中国科学史上被称为第一个试图乘坐火箭上天的人和喷射飞机的始祖,但遗憾的是,由于关键史料的缺乏,万户飞天的故事在很长一段时间内都属于一种民间传说,一直到年我国著名的机械工程学家“刘仙洲”院士,在其出版的《中国工程发明史》中才详细记述了关于万户的事迹,这才让我们对这个故事有了深入了了解。

在如今这个几乎家喻户晓的故事中,我们既看到了中国古人对太空梦想的追寻,也看到了火箭这一威力巨大的产物对人类的伤害。

而中国作为火箭的故乡,早在《三国志》中明帝纪裴松之注引的《魏略》里就有对火箭的描述,不过那时期的火箭指的还是用箭头绑缚可燃之物的“引火之箭”而已,远不是我们现在广义上认知的“火箭”,中国真正的火箭起源,是在依附于火药的诞生与使用之后。

在唐代中期,郑思远的《真元妙道要略》中就有对原始火药的明确记载,到了五代末北宋初年,中国已经有了真正的军用火药技术,年成书的《武经总要》中第一次有了火药方的详细描述,约在12世纪初,中国已经研制出固体火药用于制造烟火,后来又出现了利用反作用原理升空的烟火。

《真元妙道要略》中关于火药的记载。

这些火药的发明奠定了利用固体火药技术制造真正“火箭”的基础;

到了年宋金采石战役中宋军使用的“霹雳炮”,即为早期烟火技术制造的原始火箭,-年金蒙开封府战中使用的飞火枪,其形制与构造原理可能和后世茅元仪编著的《武备志》中记载的飞枪箭相同,也就长杆火箭武器。

而“长杆火箭”的出现,则标志着利用空气动力学特点制造“火箭”的诞生——细长的导向杆不仅拉长了火箭的“长细比”利于高速飞行,还将火箭的“重心”置于火箭“压心”前端利于箭体稳定。

而到了明代,中国的火箭在直接继承宋金元火箭的基础上,又发展到了一个新高度,不仅有了专业的火箭部队“神机营”,而且还研制成功了多级火箭,但是随着15世纪后期中国闭关锁国的政策,让中国的火箭发展逐步落后于世界的脚步。

早在13世纪末到14世纪初,中国的火药与火箭等武器技术就随着蒙古西征与丝绸之路,沿着印度与阿拉伯传入了西方,在经过数百年的仿制与技术改良后,逐步诞生了近代火箭的前身。

年,英国人“威廉.康格里夫”利用对迈索尔战役中缴获的印度火箭进行技术改良,发明出了著名的“康格里夫火箭”,而该火箭也常被人称为近“代火箭的开端”。

威廉.康格里夫

威廉.康格里夫(WilliamCongreve,年5月20日–年5月16日)18世纪英军侵入印度,年到年的第三,第4次迈索尔战役中,印度仿制改良的中国火箭对英军造成了大量伤亡,在战争结束后,英军将缴获的火箭带回国内,在伍尔维奇皇家兵工厂服役的炮兵上校威廉.康格里以此发明了康格里夫火箭,该火箭采用铁或铜制外壳、新型固体黑火药颗粒推进剂,拥有燃烧爆炸等多种弹头。

康格里夫火箭的尺寸和弹头装药各不相同,弹头装药也不一样,最初装备给海军后又装备了陆军骑兵炮部队,并组建了独立火箭炮连。

▲由于康格里夫火箭的尺寸和弹头多种多样,所以很难有一个广泛的尺寸定义,大英百科全书的说法是——康格里夫火箭重14.5千克、箭体长1.06米、直径0.1米,配有一根4.6米长的导向杆,射程一般为米以上。

康格里夫火箭服役后,参加了年的莱比锡战役、美英战争和后来的两次鸦片战争,在年的美英战争中,英军在使用康格里夫火箭攻击巴尔的摩附近的麦克亨利要塞时,壮观的场面激发了美国诗人“弗朗西斯·斯科特·基”(FrancisScottKey)的创作灵感,在自己后来的诗篇《星条旗》中写下了“火箭的红光闪耀”(rocketsredglare)一词,而该诗后来也成为了美国国歌中的歌词。

美国国歌中对近代火箭描述的场景

尽管康格里夫火箭在诞生后的历次战争中都有不错的表现,但是过于原始的空气动力学设计和近乎听天由命的制导方式,导致其精度太差。著名的威灵顿公爵就曾对其评价说“相对于拿破仑的炮火来说,我们的火箭对我威胁更大”。

有鉴于此,年英国发明家威廉.黑尔(WilliamHale)在康格里夫火箭的基础上,改进发明了海尔旋转火箭。

黑尔火箭

黑尔火箭相较于康格里布火箭最大的改变,是在取消了康格里夫火箭长长的导向杆,通过安装倾斜的稳定螺旋板方式,利用火箭飞行时尾部喷射出走高速气流,是火箭本身产生自旋而达到稳定的方式,从而大大提高了精度和稳定性。

黑尔火箭增加弹道稳定性的方式与子弹非常相似。都是通过螺旋转动飞行,利用陀螺仪效应来稳定弹道,不同的是黑尔火箭弹利用的是高速气流和尾部螺旋板,而子弹利用的是膛线。

至此,近代火箭已经发展到了极致,想要更进一步,除了简单的改进和设计之外,还需要天才的设想和伟大的技术变革。

▲年儒勒·加布里埃尔·凡尔纳(法語:JulesGabrielVerne)的小说从《地球到月球》(法语:DelaTerreàlaLune)出版。这部描写美国内战时期巴尔的摩大炮俱乐部主席巴比康和其竞争对手尼切尔船长利用大炮竞争登月的科幻小说影响了很多人,其中有几人对后世火箭和宇航技术的发展有着极其重要的影响。

其中之一便是现代宇宙航行学的奠基人,俄罗斯航天之父,齐奥尔科夫斯基。

▲康斯坦丁.齐奥尔科夫斯基(俄语:КонстантинЭдуардовичЦиолковский,年9月17日–年9月19日),是现代宇宙航行学的奠基人,世界航天三大先驱之一,他最早从科学的角度论证了人能够在宇宙中工作和生活,并利用火箭进行星际交通和制造人造地球卫星与近地轨道站的可能性,指出了发展宇航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,并建立了火箭运动和航天学的理论基础。

这位曾说过“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远被束缚在摇篮里”的中学数学老师,在童年时因为猩红热而丧失了绝大部分听力,又因为听力受损和家庭贫困让他青年时期所受的教育大都只能来自于自学,但就是这样一个听力受损没有经过系统学习的人,却一生撰写了多篇论著,并第1个提出液体火箭推进剂和多级火箭的构想。推导出了在不考虑空气动力和地球引力的理想状况下,计算火箭在发动机工作期间所获得速度增量的公式,奠定了火箭在太空中飞行的理论基础。

使用早期助听器的齐奥尔科夫斯基

我们现在知道火箭要想飞出大气层需要极高的速度,但是这个速度是通过逐渐加速来实现的,如果加速太快那么无论是火箭乘员还是火箭中的仪器都承受不了,如果加速时间太长火箭推进剂又消耗过大、飞行距离过远,那么用什么方法才能计算出合理的速度增量呢?

齐奥尔科夫斯基根据《从地球到月球》中“超级大炮”所获得的灵感,通过研究反推进理论在年发表了《用火箭推进器探索宇宙》(俄文:Исследованиемировыхпространствреактивнымиприборами)(也译为《利用反作用装置探索宇宙空间》这里采用我国航天的普遍译法),在该文中齐奥尔可夫斯基通过推导动量守恒原理,在不考虑空气动力和地心引力的情况下,推导出理论上的火箭推进剂数量以及发动机参数对理想速度的影响证明;

V=wln(m0/mk)

V=火箭运动速度(单位:m/s)

w(比冲×标准重力加速度)=工质喷出火箭喷管时的速度/有效排气速度(单位:m/s)

M0=火箭的初始/起飞质量(单位:kg)

Mk=火箭发动机熄火/推进剂、氧化剂燃尽时的质量(单位:kg)

M0/Mk=火箭的质量比/干质比

这个公式就是后来大名鼎鼎的齐奥尔科夫斯基公式,齐奥尔科夫斯基通过这个公式表明:火箭的速度与火箭发动机的喷气速度成正比;火箭自身的结构质量越小,火箭所获得的速度越高。

所以要想让火箭获得飞出大气层甚至进入宇宙深处的理想速度“V”,有两种方法;

1采用高能量推进剂,即高比冲推进剂,同时提升发动机的性能。

2减轻火箭的结构质量,尽可能提高火箭的干质比。

齐奥尔可夫斯基根据这两种方法在该论文和年发表的《太空火箭列车》中都给出了详细的解决方案;

在《用火箭推进器探索宇宙》中,齐奥尔科夫斯基认为:液体燃料的发热量要比固体燃料大,因此从液体燃料火箭发动机喷气管中喷出的气流速度要比固体燃料火箭发动机喷漆管中喷出的气流速度大,齐奥尔可夫斯基便在此基础上首次提出了采用液体燃料为火箭发动机的构想,并在他的这篇论文中绘制出了世界上第一枚液体推进剂的火箭构造图,从而为火箭的设计发展开辟了一条崭新的道路。

《用火箭推进器探索宇宙》中设计的火箭

这枚设想采用液氢液氧或液氧煤油组合的液体推进剂火箭,具备完整的推进剂供应系统和燃烧室,甚至还设想了一种以石墨为材料的火箭控制系统,已经具备现代液体火箭的必要元素了。

但是正处于沙俄时期的俄罗斯,他只是个被人轻视的中学数老师,既不能与大学和科研机构交流合作,也很难获得政府的科研资助,所以这就导致他的科研成果被长期埋没,一直到十月革命后他的研究才被新生的苏联政府所重视,但可惜的是一生都醉心于理论研究的齐奥尔可夫斯基,始终都没能亲手制造出一枚液体推进剂火箭,世界火箭的技术变革还需要新的力量来推动——

在齐奥尔科夫斯基构想用火箭探索宇宙的时候,远在大洋彼岸的一个美国人也在为同样的梦想而努力;

年10月5日,出生于美国马萨诸塞州乌斯特城的罗伯特.戈达德,受到凡尔纳科幻小说《从地球到月球》启发后,萌发了遨游太空的念头。

世界现代液体火箭之父:罗伯特.戈达德

罗伯特·哈金斯·戈达德(RobertHutchingsGoddard,年10月5日-年8月10日)这位美国航天之父,世界三大航天先驱之一,第一个将液体推进剂火箭变成了现实。

年还在伍斯特理工学院的戈达德,就在理工学院的地下室以火药为推进剂的进行了固体火箭实验,年秋到克拉克大学物理系攻读博士学位的戈达德又展开了对火箭动力的系统理论研究工作,后又在普林斯顿大学的帕尔默物理学院获得研究奖学金,年在实验室证明了真空推力的存在后的戈达德,意识到利用火箭到达高空甚至月亮的可能,从此转入了火箭的工程研究。

在克拉克大学时期的罗伯特.戈达德

在先后尝试了多种固体火箭发动机和用数学方法研究了多种燃料的能量重量比后,他得出了和齐奥尔可夫斯基相同的结论:“要使火箭达到宇宙航行所需要的速度,必须采用液氢和液氧为主的液体火箭推进剂”

不得不说戈达德是幸运的,在那个几乎所有人都认为“用火箭登陆月球”是疯狂幻想的年代,他对火箭的研究得到了美国研究机构组织史密森学会与伍斯特理工学院的支持。

信中戈达德提到的四项火箭专利之一,这个已经公开专利号为USA的体液推进剂火箭装置,是美国最早的液体火箭专利技术,其后戈达德还取得了多级火箭推进技术在内的诸多火箭专利。

年史密森尼会发表了戈达德关于火箭飞行的数学理论、固体燃料火箭实验、探索及越过地球大气层的可能性论文《到达超高空的方法》(AMethodofReachingExtremeAltitudes)

这篇论文是人类宇宙探索史上又一部具有里程碑意义的经典著作,它透彻地阐述了火箭运动的数学原理和运动方法,并探讨了用火箭将人和仪器送入月球的可能性。

其在论文中还提出了一个将火箭发往月球的方案:“制造重.2千克的火箭,可以把0.9千克的镁送到月球。火箭撞月时将镁点燃,燃烧的明亮闪光可持续几秒钟,在地球上用望远镜就可以看到它。”

有关该方案的绘图插页

但是像另一个宇航先驱齐奥尔科夫斯基一样,戈达德那种超前的科学思想受到了当时人们的嘲笑,甚至还有人为其取了个“月亮戈达德”的外号。

可是嘲讽并不能阻止人类对科学探索的脚步,在历经数次失败后的年3月16日,在马萨诸塞州奥巴恩郊外的沃德农场,人类制造的第一枚液体推进剂火箭发射成功。

值得说明的是这张著名的图片其实发射成功前的3月8日拍摄的,当时这枚火箭并没有发射成功,而这枚采用液氧汽油组合推进剂的火箭高3.04米、重5.5千克,点火升空后飞行高度12米、飞行距离56.12米,飞行时长仅2.5秒。但就是这短短的2.5秒钟却打开了人类航天史新的篇章。

50年后的年,NASA为了纪念这人类航天史上特殊的一刻,在以戈达德为名的NASA第一座太空飞行中心前,NASA员工们重新复制放飞了枚具有特殊意义的火箭。

年的人类早已登上了月球,可以说这50年火箭的发展大大超过了人类数百年火箭技术的累积,而这里面除了科学技术的爆炸性影响外,还因为火箭有了更高的应用平台。

在刘慈欣的科幻小说《三体》中,有这样一句话“军事永远都是科学技术的最终舞台”;

在年戈达德在向史密森学会强调现代火箭在军事领域的应用前景时,远在欧洲的普鲁士,也有人在向普鲁士军事部长“冯.施泰因”叙述同样的话。

赫尔曼·朱利叶斯·奥伯特(HermannJuliusOberth,年6月25日-年12月28日)这位欧洲火箭之父,世界三大航天先驱之一,他将现代火箭向实用军事化迈出了关键的一步。

这个出生在奥匈帝国医生家庭的的航天先驱,在国内的知名度远没有他的学生冯.布劳恩那么有名,但正是他对德国航天科学的开创性研究和对航天人才的挖掘,把冯.布劳恩这样的天才领进了现代火箭之门。

和俄罗斯航天之父齐奥尔可夫斯基一样,年出生的奥伯特也是半路出家的“野和尚”,两人有非常多相似的地方;

在奥匈帝国传统医生家庭里长大的他本来的是被家人寄予厚望做一名医生的,但同样也是凡尔纳的科幻小说改变了他,当他11岁生日时从母亲手里接过那本著名的《从地球到月球》时,就注定他要为人类的航天事业做出改变。

《从地球到月球》

也就是通过这本书,奥伯特发现在没有合理速度增量情况下,以简单火药推进的超级大炮是不可能把人送上月球的,这为他后来的一系列火箭技术甚至独立推导出火箭方程打下了基础。

但在那个时候,年幼的奥伯特对火箭的畅想还仅停留在科幻小说里那种对宇宙的探索阶段,并没有意识到火箭会对军事领域带来的革命性变革。

一直到一次世界大战的爆发,已经遵循家族意志考入了慕尼黑大学医学院的奥伯特,被奥匈帝国派往锡吉什瓦拉成了当地医护中心的一名军医,在亲身体会了战场的残酷后,奥伯特意识到了火箭对战争的巨大作用。

于是他在一战中开始了火箭研究,并设计了一种射程约为公里、有效载荷10吨,以液氢液氧为推进剂的液体推进剂火箭草图,但他的研究并没有引起奥匈帝国军方的兴趣,同时随着战争临近结束,奥博特的火箭计划也没有了施展的舞台。

战争结束后,奥伯特彻底放弃了家族寄予希望的医学事业,转赴海德堡大学攻读数学、物理和天文学,全心对火箭技术理论和宇宙航行进行研究。

青年时期的奥伯特

年,奥伯特完成了他那篇著名的博士论文《飞往星际空间的火箭》(德文:RaketeindeninterstellarenRaum)

这篇独立于齐奥尔可夫斯基理论的论文,提出了空间火箭点火的理论公式和火箭脱离地球引力的方法和要达到的速度要求,系统的论述了研制液体火箭、发射人造卫星和建立空间站等现代宇航思想。

但令人遗憾的是,傲慢的海德堡大学学术委员会以“过于脱离现实,充满了天马行空的想象”为由驳回了他的博士论文。

探索理想的道路总是艰难的,很多人都会在半途而废,而奥伯特在当时做了个让人看起来疯狂的决定,他没有放弃理想,而是拒绝了博士答辩与重写论文,放弃了海德堡大学的博士学位。

理想与现实的选择往往决定着人类的命运,年青的奥伯特那一刻决定把命运掌握在自己的手中,年6月奥伯特决定自费把这篇“充满天马行空想象”的论文发表出来。

在当时没有出版社愿意出版这篇只有92页的“小说”,最后在小出版社“奥尔登堡出版社”的帮助下,这篇论文才艰难出版。

奥伯特的坚持得到了回报,论文出版后引起了世界火箭爱好者们的普遍共鸣,交流的信件像雪片般像他飞来,奥伯特终于感觉到自己在理想的道路上找到了同伴,他在给齐奥尔可夫斯基回信中激动的说道:“您已经点燃了火炬,我们绝不会让它熄灭,让我们尽最大的努力,以实现人类最伟大的梦想”

火箭技术发展的火种需要传递,一战后百废待兴的德国,也有个爱好火箭的少年在等待着迎接现代火箭技术的火种。

韦恩赫尔·马格努斯·马克西米利安,冯·布劳恩(德语:WernherMagnusMaximilianFreiherrvonBraun,年-年)弹道导弹之父,德/美国火箭设计师。

这个颇具争议的天才,是德国乃至世界上最伟大的火箭设计师之一,他所主持设计的V-2弹道导弹是全世界弹道导弹的开端,而之后设计的土星系列火箭,又是目前全世界唯一将人类送上月球的火箭,他一生几乎经历了现代火箭最重要的技术变革,而这一切的起源,都源自于布劳恩13岁时接触到的那本《飞往星际空间的火箭》

年出生的布劳恩诞生于德国东普鲁士维尔西茨的贵族家庭,父母都有欧洲皇室血统,父亲马格努斯·F·冯·布劳恩是德国省议会议员,魏玛共和国时期的农业部长,母亲艾尔.冯.布劳恩有德国和瑞典血统,是一位会六国外语的业余天文爱好者,而布劳恩兄弟三个中,和他的弟弟马格努斯.冯.布劳恩日后都成长为著名的火箭专家,而他大哥西吉斯蒙德.冯.布劳恩则是德国外交部的外交官。

布劳恩小时候就对火箭表现出了浓厚的兴趣,11岁时就用滑板车绑上六支特大号烟花制作过一辆“火箭车”,不过点燃后的结果不是很好,在完全失控的情况下被烧了个干净,万幸的是没有让人受伤,警察把他抓住后就交给了他父亲去管教。

年还在埃特尔斯堡寄宿学校学习的小布劳恩,读了奥伯特那部《飞往星际空间的火箭》后大受启发,对火箭的理解上升到了一个新高度,心中探索宇宙的种子开始发芽,但在这时他还缺乏一个理想道路上的“领路人”。

年已经是高中生的布劳恩,通过德国著名火箭研究者“威利.勒”给自己的科学偶像奥伯特写了一封信,在信中布劳恩谦虚的写道:“我知道您正在星际航行学会研制火箭的消息,我也热爱火箭,但我除了充裕的业余时间和一腔热情外,几乎什么都不会”,而奥伯特回信非常的简短:“来吧,年轻人,只要你保持兴趣,一定会有所作为。”

后来布劳恩在奥伯特的引荐下,加入了星际航行学会并在奥伯特的带领下学习了解液体推进剂火箭技术。

▲这张照片拍摄于年奥伯特加入星际航行学会后不久,照片右侧手持长杆火箭的白衣人是德国火箭先驱之一劳斯·里德尔(KlausRiedel),而他右手边正在讲解的人是奥伯特,左手边那个年轻人就是布劳恩。

这里要特别讲一下这个德国“星际航行学会”;

该学会成立于年7月5日,是由奥伯特推动,沃尔特·霍曼、约翰内斯·温克勒组织成立的全世界第一个宇航学会,这个学会不仅有自己的学术期刊《DieRakete》,还在柏林郊外的雷尼肯多夫拥有1.2平方公里的实验场地(以柏林市政厅的名义租借的一个废弃军火库),该学会最初成立的目的是制造、研究能用于宇航飞行的火箭,以实现奥伯特书中对人类宇航飞行的设想,但是因为后来资金的缺乏和纳粹军方对火箭技术的重视,学会的发展开始偏离了原本的脚步,许多学会成员包括奥伯特和布劳恩自己,最后都成纳粹火箭计划的成员。

做早期火箭实验的宇航学会成员

随着上世纪30年代德国经济危机的爆发,宇航学会也面临经济上的困难,年末宇航学会最大的资金援助之一被撤销,许多成员也因为缴纳不起8分钱的会费而退会,而面对当时的困境,宇航学会最终选择向德国军方寻求援助。

年初奥伯特的助手也是宇航学会的发言人“鲁道夫.内贝儿”,向德国军方撰写了关于火箭在军事发展的报告,主要解释了“远程火箭相比炮兵的优势”,因此年4月23日时任德国陆军武器测试部弹道与弹药部门负责人“卡尔.贝克尔”与与“沃尔特.多恩伯格”前往学会雷尼肯多夫试验场考察,同年11月1日已经是学会董事会成员的布劳恩,与德国联邦国防军签署了陆军火箭发展计划的合同,并在德国军方资助下进入柏林大学(柏林洪堡大学的前身)攻读物理系博士学位,毕业后逐渐成为了德国火箭技术部的总负责人。

卡尔·海因里希·埃米尔·贝克尔(德文:KarlHeinrichEmileBecker,年9月14日–年4月8日)曾任德国陆军军械部门负责人、帝国研究委员会第一任主席、普鲁士科学院第一任总干事以及柏林大学和夏洛滕堡工学院(柏林工业大学前身)教授,他是德国弹道火箭武器发展的早期关键支持者,也是协助实施德国军事核能计划的关键人物之一,但最为关键的是……他还是布劳恩父亲的好友,也是布劳恩在夏洛滕堡工学院读大学时的导师。

年已经取得柏林洪堡大学物理系博士学位的布劳恩,将纳粹德国的火箭研究中心设在了德国东北部的“佩内明德”(Peenemünde),而这个占地25平方公里的研究中心,就是后来V-2火箭的诞生地。

如今已经成为历史博物馆的内佩明德中心

年随着二战的全面爆发以及在希特勒的特别

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