火箭技术的先驱

航天技术是从火箭开始发展起来的。

百年前的德国哲学家康德曾说：我最感敬畏的事物有两个，那就是我们内心深处的道德准则和我们头顶的星空。可望不可即的星空曾激起过人类先祖无穷的幻想，每一个在明亮的星空下长大的孩子，仰望茫茫银河与晦朔圆缺的月亮，都曾感受过它的神秘。人们不仅有“嫦娥奔月”的幻想，也为飞翔在无际的天空设想过种种方法。

真正的航天行动是从1960年代才开始的。其核心技术就是火箭技术。火箭的原理在高中物理课本上就已经讲到，那就是动量守恒原理。俗称反冲。火箭点燃后，从火箭尾部放射出高速运动的气体，推动火箭向前运动。如同在平静的湖面上，从船尾向后抛掷物品，船就会向前运动；又如乌贼从尾部向后喷出液体，使自己向前进。火箭的受到的向前的推动力量与喷出气体的速度有密切的关系，喷出的速度越大，火箭加速的速度就越快。火箭与大炮也有点相似之处，都是点燃火药作为动力，不同之处在于，大炮的动力是在发射瞬间一次性提供的而火箭则是连续被推动的。

●火箭思想的萌芽

火箭自身也有着漫长的历史。火箭的原始形态，大概与现在大城市里禁放的烟花、爆竹中的某一种差不多。虽然简陋，但其原理与现代火箭毫无二致。许多基本结构也有相似之处。有人总结了古今火箭的基本组成部分的异同，大致如下：

箭体结构：古人用纸管或竹管，现代用合金及有机材料。

发动机：古人用爆竹做发动机，用黑色火药做推进剂；现代最先进的是用液氢—液氧为推进剂。

头部的有效荷载：古人安放箭头；现代人安放弹头（导弹）、科学仪器（探空火箭）或者卫星（运载火箭）。

稳定构件：古人在尾部安装羽毛，现代人在弹壳外表面固定四片尾翼。

古代火箭是中国人首先发明的。从黑色火药到火箭只有一步之遥。中国在宋朝就已经有了火箭，公元1232年，当蒙古铁蹄攻到开封府时，曾遭到火箭的反抗。在明代，还出现了将多个火箭捆在一起以增大推力的集束式火箭（神火飞鸦）和逐一点火的二级火箭（火龙出水）。

火箭在古代主要是作为兵器，或者作为烟花娱乐。但也有人试图让火箭把自己带到空中。近些年许多介绍航天的中文书籍中都曾提到，明朝有一个叫万户的人，做过最早的依靠火箭升空的实验验。万户把47根火箭绑在椅子上，自己手持风筝坐在上面，希望以此飞向天空。遗憾的是，试验没有成功。或者是火箭在地面爆炸，或者是升空后坠落，总之，万户遇难了。有的书籍提到这件事，说是出于美国火箭专家赫伯特·基姆的著作《火箭与喷气发动机》中，而基姆又是从何而知，则尚未发现有人做出考证。以至于万户只是一个音译，还有人译为万虎，说他是军队的一个官员。“万户”在明代确实是一种官职的名称，但中国的正史却没万户飞天的记录与评价。至于是否藏于野史，尚难断言。赫伯特·基姆更多的可能是得自马可·波罗或者利马窦一类西方来华人士的记载。但是，万户这个名字却得到了西方人士的恭敬。1959年，月球后面的一个小环形山被正式命名为“万户”，以纪念这位在自己祖国无人知晓的航天先驱。我们无从知道中国当时的人对于万户之死的评价，但可以想象正面的评价不会很多。在一千年以后，1967年1月27日，美国肯尼迪角太空中心，三位宇航员在进行地面模拟训练的时候，被烧死在太空舱中，遇难的格里斯姆在生前曾说：“如果我们死去，我们希望人们能够接受这个事实。我们从事一项冒险的事业，我们希望我们的意外不会延误整个计划，征服太空是值得以生命为代价的。”这种精神是航天技术之所以达到今天这个程度的动力。

●现代火箭的先驱

作为武器的古老的火箭技术先后传播到日本、印度、阿拉伯和欧洲，在许多国家曾同大炮共同使用，后来由于炮筒中刻画了来复线而准确度大大提高，到1870年代火箭武器已经退出战场。但是，将火箭作为人类探索宇宙空间工具的研究，仍在默默地进行。俄国齐奥尔克夫斯基（К.Э.Циолковский，1857—1935），美国的戈达德（R.Goddard，1882—1945）和德国的奥伯特（H.J.Oberth，1894—1989）各自独立地进行着自己的研究。

齐奥尔克夫斯基现在被尊为“航天之父”，他在本世纪初发表了一些文章，通过计算，他认为飞向太空的工具只能是火箭，而不可能是气球或大炮。他提出了成为现代火箭设计基础的齐奥尔克夫斯基公式，根据这个公式，火箭的排气速度是火箭末速度的决定性因素。在排气速度一定时，要想提高火箭末速度，就必须增加火箭总重量与结构重量之比。结构重量指火箭不带推进剂时的重量。也就是说，要尽可能地减少火箭自身的重量，多带一些推进剂。为此他提出多级火箭的设想，在第一级火箭的推进剂燃烧完全之后，点燃第二级火箭，同时把第一级火箭的外壳扔掉，这样，第二级火箭就不必担负没有用处的这部分重量。齐奥尔克夫斯基还认识到，火箭的排气速度与燃气的温度和气体分子的质量有关，于是设想以液体作为火箭燃料，并提出由液氧作氧化剂和用液氢作燃烧剂。

第一个发射液体火箭的是美国人戈达德。1911年，戈达德获得物理学博士学位，就任克拉克大学物理学教授，一生共获火箭技术和航空方面的专利200余项。1919年，戈达德发表了他的经典著作《达到极大高度的方法》，论述了火箭的基本数学原理，以及把人和仪器送到月球的可能性。1926年3月16日，在4名助手的帮助下，由他的妻子担任记录，戈达德成功发射了世界上第一枚液体火箭。这火箭长2.04米，重5.5千克，由液氧和汽油作为推进剂，在2.5秒内，上升到12.5米，水平飞行56米。1935年，戈达德的火箭冲破了20公里的高度，速度达1193公里/小时，创造了人造飞行器首次突破音速的记录。

德籍罗马尼亚人奥伯特毕生致力于液体火箭研究，并热衷于向大众宣传太空旅行的观念。1923年，奥伯特提出空间火箭点火的公式和脱离地球引力的办法，1924年，在其博士论文中，他对星际飞行的许多问题都做了进一步的探讨。由于奥伯特的热情鼓动，“空间旅行学会”在1927年成立了，该学会集中了当时德国的一批热衷于火箭研究的学者。1931年2月21日，学会中的维利（Willy）成为第二个发射液体火箭的人。学会还吸引来一位18岁的小伙子，他就是后来设计德国V—2火箭和美国运载“阿波罗”的“土星”火箭的冯·布劳恩（Wernher von Braun，1912—1977）。

●第二次世界大战和V—2火箭

1930年代初，德国宇航协会在经费方面遇到了严重的困难。为寻找新的支持，学会中的几位成员，包括布劳恩，向德国军队演示了他们的推进装置。这引起了武器专家的兴趣，他们发现火箭不在凡尔赛条约禁止的远距离武器之列。作为第一次世界大战的战败国，德国的武器研究受到很多限制。1933年，德国陆军设立了武器部，与此同时希特勒上台。年轻的布劳恩在攻读博士学位的同时，被任命为火箭研究的主管。火箭重新成为杀人的武器。

在冯·布劳恩的主持下，首先进行了几十枚A系列火箭的发射试验，在空气动力学方面取得了重要成果。1934年，两枚A—2火箭飞行了约2.5公里，而学会却因经费拮据而解散。1942年10月3日，A—4火箭在波罗的海沿岸的佩内明德发射场发射成功，飞行距离为190公里，横向偏差4公里，最大高度85公里。这是第一枚液体军用火箭。随后，出于侵略战争的目的，德军最高司令部在A—4火箭的基础上推进V系列（Vengeance No，复仇使者号）火箭。V—1火箭实际上只是一种安装了炸弹的无人驾驶的喷气飞行器，与其后的装有A—4发动机的V—2火箭不可同日而语。V—2火箭在第二次世界大战期间的德国大量生产。到德国战败时，德国军部共生产了5000多枚V—2火箭，其中的600多枚用于试验，4300多枚在1944年8月到1945年3月期间，投到伦敦和安特卫堡等地。

V—2火箭是单级液体火箭，全长14米，重13吨，直径1.65米，最大射程320公里，射高96公里，弹头重一吨。V—2火箭可以不用滑轨而直接由地面垂直起飞，它尾翼上的4个作为燃气舵的翼片可以起到稳定作用，用装在飞弹前部起惯性制导作用的两个陀螺仪控制和调整燃气的喷出方向。

V—2火箭在战后成为各国火箭发展的蓝本。