现代火箭是如何发展起来的？

科普中国网 2017-03-16

　　作者：高云峰

　　关键词：现代火箭

　　1926年3月16日美国火箭研制先驱者、科学家罗伯特·戈达德在美国成功发射了世界上第一枚液燃助推火箭。罗伯特·戈达德被公认为是现代火箭技术之父。那你知道火箭技术是怎样一步一步到今天的吗？

　　早在17世纪，牛顿就设想过物体如何绕地球做圆周运动：在高山上架设一尊威力无比的大炮，如果炮弹的速度足够快，它就不会落下来，而是围绕地球做圆周运动甚至可以飞出地球。牛顿还计算出来：大炮射出的炮弹要想不落地而围绕地球做圆周运动的话，速度必须达到7.9千米/秒，这就是第一宇宙速度；而要飞出地球，就必须达到11.2千米/秒，即第二宇宙速度。

　　奠定航天理论基础的是俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基。他10岁时因患猩红热而听力受损，念完小学三年级就被迫辍学了。通过自学，他于1878年考取了中学教师资格，后担任中学数学教师直到退休。

　　在教学之余，齐奥尔科夫斯基醉心于各种科学研究和计算，特别是关于宇宙航行和火箭推动力的理论研究。1903年，他发表了《利用喷气工具研究宇宙空间》这本现代航天史上划时代的著作。书中提出了火箭飞行速度同火箭发动机喷气速度、火箭质量、燃料质量关系的公式——齐奥尔科夫斯基公式。从人类发射第一枚火箭到现在，世界各国每一枚火箭的设计制造都离不开这个公式的指导。

　　齐奥尔科夫斯基认为，要想克服地球引力进入环绕地球的轨道，需要使用液氢和液氧作为推进剂的多级火箭，才能达到必须具备的速度。火箭的推进剂经过燃烧室燃烧之后，产生高温高压气体，经过喷管加速喷出，产生反作用力推动火箭前进。这就像用水管喷水或枪炮射击时产生后坐力一样。齐奥尔科夫斯基不仅设计了火箭推进器、多级火箭方案，还提出了密封舱和空间站的设想，以及在太空生存必需的密封生态循环系统、为航天员提供氧气和食品等设想。

　　如果说齐奥尔科夫斯基解决了火箭的理论问题，戈达德和冯·布劳恩则解决了火箭的技术问题。

　　罗伯特·戈达德是美国最早的火箭科学家，1909年开始进行火箭动力学方面的理论研究。3年后，他点燃了一枚放在真空玻璃容器内的固体燃料火箭，证明火箭能在真空中工作。1919年，他发表的报告《到达极大高度的方法》阐述了火箭飞行的基本数学原理。1926年3月，戈达德成功发射了第一枚火箭：用汽油和液氧作为推进剂，长约3.4米，发射质量为4.6千克，飞行延续了约2.5秒，最大高度为12.5米，飞行距离为56米。这枚火箭证实了液体推进剂的可行性，从而使他成为现代火箭的鼻祖。到1945年去世之前，戈达德进行了34次火箭发射，但大多以失败告终，也没能获得官方资助。后来，为纪念这位火箭科学的先驱，美国国家航空航天局将位于美国东部马里兰州格林贝尔特的大型研究中心命名为“戈达德太空飞行中心”。

　　与戈达德比起来，冯·布劳恩要幸运得多。他1912年出生于德国，16岁时看到了德国航天先驱、火箭专家赫尔曼·奥伯特的著作《飞向星际空间的火箭》，从此迷上了星际旅行。1930年，布劳恩在柏林工业大学参加了奥伯特发起的德国空间旅行学会，协助奥伯特进行液体火箭测试。他的毕业论文详细论述了液体火箭发动机的理论和实验，被评为特优论文。第二次世界大战期间，他领导了德国V-2火箭的研制工作。V-2火箭以酒精和液氧为推进剂，全长14米，发射质量13吨，弹头1吨，飞行弹道最高为80～100千米。第二次世界大战后，冯·布劳恩到了美国，领导美国的航天事业。1946年，美国发射了一枚V-2火箭。这枚飞到80千米高空的火箭是用来进行太阳紫外线观测的，它开启了太空科学的新篇章。