1．1 齐奥尔科夫斯基公式
宇宙航行的历史应该从1903年说起。正是在这一年，五月份的《科学评论》杂志，发表了卡卢加州自学成才的学者齐奥尔科夫斯基1 的论文《用喷气式仪器研究宇宙空间》。作者在文中指出，只有借助液体发动机火箭，才能实现飞向宇宙。
在齐奥尔科夫斯基之前，人们已经积累了一些航天知识。19 世纪，飞行活动开始蓬勃发展，并首次试图制造出比空气重的飞行器，这就促使人们产生了建造星际飞船的设想。满腔热情的幻想者马上抓住这一新思想，况且，在神话和以前的文献中，就有飞往月球和其他星球神奇旅行的描述。而那些活跃的发明家们也不允许自己再等待了。
但是，奔向宇宙道路的第一个障碍，也许是最主要的障碍，就是地球引力。早在1689年，英国著名物理学家牛顿就证明2 ，为了进入绕地球轨道，至少要达到第一宇宙速度，即7．91 千米/秒，而飞向月球或其他星球，就需要第二宇宙速度11．2 千米/秒。那么，怎样才能达到这样的速度呢？
19世纪中叶，人们已经知道火箭可用火药作燃料，但是，速度和操纵性还有待改善。不过，火炮的研制取得了不小的成就，出现了有来复线的炮——可以在几千米的距离内密集射击。于是人们便认为，弹体越大、火药越多，炮弹的速度就越高。后来的研究证明，火炮炮弹的最大速度，只是稍稍大于2千米/秒，而加大炮筒和炮弹尺寸完全没有用，炮弹可以飞行得更远些、快些，但达不到理论上预期的效果3。
不过，在19世纪，人们还是把巨大希望寄托在了火炮身上。所以毫不奇怪，飞向宇宙的第一个技术设想是和火炮相关的。
1865年，法国作家儒勒·凡尔纳的第三部小说《从地球到月球》4迅速走红。小说中描述的长274 米、重68000 吨的大炮，使用的固体燃料是164000吨硝化棉。书中设想，用这门大炮向月球发射无人乘坐的炮弹，但是后来，很不寻常地，炮弹在核心内设置有客舱。三个大胆的人决定坐进舱内去太空旅行一番。当然了，小说里向月球的发射取得了成功，而他们不仅实现了星际旅行，还在十分惊险离奇的飞行中飞向了我们相邻的天体。可是在现实中，事情远没有这么乐观。
假设，这一火炮发射的完备炮弹具有第二宇宙速度。详细计算表明，炮弹在炮膛内最初和最短的一段距离上，它所达到的加速度会大得令人难以置信——不管是何物体，其内在所具有的重量是其自身重量的 60000 倍！也就是说，乘客经受的冲击过载将达到60000g5。
儒勒·凡尔纳也想到了，小说中描述的星际旅行者将经受巨大的反作用过载，于是炮弹被装上简单的防震装置，以为这样可使旅行者不致擦伤或碰伤。在19世纪，学者们还不知道人能承受多大的过载，但是，上述离奇而巨大的过载数字把人们吓坏了。研究人员评论凡尔纳的设想时说，这种炮弹上的乘客毫无疑问会在地板上被压碎。而和真实情况差不多的是，今天，人们更进一步确定了，致人死亡的冲击过载大于300g6。
但是，小说中的人物还遇到另一个危险，就是空气阻力。因为，这一阻力的增长速度比炮弹的速度快得多。而除此之外，物体飞行越快，其发热和损毁也越快，流星雨就是证明。儒勒·凡尔纳的大炮在其设定的加速度条件下，炮膛出口的空气阻力将毫无悬念地拦住炮弹，而炮筒会碎成小片。
尽管有这些严重缺陷，法国作家的设想仍然引起了社会反响。人们不断讨论，甚至提出了改进方案。如果做一长达300 千米的大炮，并将炮膛中的空气排除，炮口“移出”大气层，并往炮弹内注满水——因为水是理想的天然减振器，那么，理论上应可以避免所有问题。不过，这一理论课题在技术上是不可行的——无论在儒勒·凡尔纳时代还是现在。
但这一想法还是激发起巨大的想象力。后来，不少宇航事业奠基者承认，正是幻想的“月球炮”召唤着他们献身于这一领域。
齐奥尔科夫斯基阅读了凡尔纳的小说。还在青年时代，这位未来的著名学者就被飞行所吸引，并确定了他科学兴趣的主攻目标——制造更完善的气球、气艇和飞行器。
在很长一段时间里，航天学对齐奥尔科夫斯基来说是居第二位的，是对天文学的爱好才把他引向如何达到宇航高度和速度的问题。齐奥尔科夫斯基立刻看出巨炮设想的缺陷，并否决了这一方案。于是，他集中精力探讨利用离心力，即环绕赤道加速高架桥的思想，或者更有前景的巨塔，但全都复杂得难以实现7。此后，他审视了各种飞向宇宙的方法。
尽管在齐奥尔科夫斯基早期手稿中已经提及利用反冲力（后坐力） 在真空中运动的可能8 ，但他还没有想到火箭。1896年，卡卢加州的学者阅读了费多洛夫的小册子《排除空气作为支撑介质的新飞行方法》9。年轻的发明家在书中叙述了自己创意的有好几个发动机的“飞箭”作用原理：一些发动机使其升空，另外几个使其在水平方向运动，第三组完成反作用舵的功能。每台发动机都由气体发生器和“管道”组成。气体在压力下进入“管道”，并向外喷射，产生反向推力，以此使“飞箭”向相反方向运动。
费多洛夫的设想让齐奥尔科夫斯基惊叹不已，稍后他写道：“这一设想把我推向严肃的工作，正像掉落的苹果开启了牛顿引力一样。”
费多洛夫在书中没有作任何计算，学者们只好自己独立完成。1897年5 月10日，齐奥尔科夫斯基推导出了计算公式。今天，按照惯例，公式就以他的名字命名。
齐奥尔科夫斯基公式确定了4 个参数之间的关系：任一时刻的火箭速度，燃气流从喷口喷出的速度，火箭的质量，爆炸物质量10。假设，需要发射地球轨道卫星，也就是说，当燃料烧尽之后，火箭速度应该等于第一宇宙速度。每一物质燃烧后的气流速度都是其独有的。调整这两个数值，可以挑选燃料和火箭质量之比，以达到最佳值。
公式立即向齐奥尔科夫斯基证明，直接利用火箭飞向其他星球是可能的。公式也使他确定了火箭的理想燃料：如果使用液态氢作为燃料，而用液态氧作为氧化剂，则火箭的载重量会显著提高。
齐奥尔科夫斯基在自己计算的基础上，写出论文《用喷气式仪器研究宇宙空间》，其第一部分在1903年发表。文中，除其他内容之外，他还描述了使用氢、氧燃料的直喷口火箭。最主要的是，论文表明了此种火箭和火药燃料火箭相比，能够逐渐加速，避免了在发射段的冲击过载。
论文没有引起舆论的广泛关注。因此，其第二部分7年后才面世，即1911年，刊登于《飞行信息》杂志。在文中，齐奥尔科夫斯基给出了克服地球引力，向其他星球飞行的计算结果，并提出了宇宙飞船自主式生命保障系统的思想。作者用时至今日仍被认为是航天学座右铭的语句结束论文：“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远生活在摇篮中。”
1．2 赫尔曼·欧波特的火箭
虽然涌现了大量关于齐奥尔科夫斯基及其论文的文字11 ，但是直到1923年，它们才被真正认可，也就是在苏联报刊上出现了关于德国火箭成就的消息之后。
赫尔曼·欧波特被认为是德国火箭制造的奠基人12。从青年时期起，他便研究航天学理论问题。10岁时读了儒勒·凡尔纳的小说《从地球到月球》，并在物理老师帮助下做了简单计算之后，他懂得航天火炮的设想不可实现。14 岁时，赫尔曼·欧波特得出结论，征服宇宙只能用火箭。15 岁时，他独立推导出了齐奥尔科夫斯基公式。18 岁时，他完成了液体燃料火箭设计方案。1917年，欧波特在军中服务时，设计出军用25 米高的弹道火箭，其燃料成分是酒精和液态氧，并用泵将燃料压进火箭发动机内。为使飞行稳定，还应用了陀螺13 ，至此，大致确定了至今液体火箭结构中仍在使用的基本原理图。
计算表明，以酒精作燃料的一级火箭，其飞行距离超过任何炮弹，但对宇宙航行来说却不可行。因为燃料箱会逐步排空，从某一时刻开始，将成为无用载荷，使飞行不但不加速，反而会减速。不过，欧波特找到了出路，并于1920年写出二级火箭方案。第一级以一份酒精、氧作为燃料，第二级用氢、氧。
稍后，欧波特充实了自己的探索，并在1923年6 月发表专著《星际空间火箭》14。该书是世界文化中第一本以科学的严谨性表明制造大型液体火箭技术可行性的专著，书中还讨论了火箭实际应用的最新目标。那些令人瞩目的设计详细的图样，在那个年代，简直无与伦比。通过此书，人们看到，航天学不仅是科幻作家专属兴趣的领域，而是一项工程师和企业家们可以在此施展才华的事业。
在苏联，欧波特的著作同样引起了共鸣。1923年10 月2 日的《消息报》刊出了书评。所有这些激怒了齐奥尔科夫斯基，因为书评对他的论文却一字未提。为了纠正这种不公平，1924年，他将自己1903年的文章以单行本再版，并分发给对其感兴趣的人员。欧波特得到他应得的承认，他也立刻承认了俄国学者的优先权。苏联的科普工作者对此大加宣传。结果是，欧波特的书不仅成为确认齐奥尔科夫斯基优先权的推手，而且推动了苏联火箭航天课题的宣传。
欧波特的下一部著作《实现航天飞行之路》15发表于1929年。德国学者在书中总结并十分仔细地分析了火箭制造领域，以及自己过去的和新的研究工作。欧波特审查了两种型式的火箭。模型B携带科学仪器，用于研究大气上层； 而模型E则用于飞向宇宙空间。第二种型号特别有趣的是，在它身上，浸透着许多影响后来火箭发展的技术设想。
模型E火箭有一个大喷口和宽底座，底座上固定4 个尾翼。火箭由两部分组成：第一部分为加速级，使用酒精和液态氧作燃料；而第二部分，在同样的情况下，氧化反应却使用液态氢。第二级的上部设置了带有舷窗的小舱，可进行天文观测。欧波特称其为“地球居民的玻璃缸”。作者估计，携带两名乘客的火箭“大约4 层楼高”。发射前装满燃料时它的总重量为288吨。航天行程中，乘客能够身穿类似潜水服的特殊服装，在一定时间内离开“玻璃缸”。至于座舱重返地球时在大气中的制动，欧波特建议用降落伞实现，或者借助滑翔降低速度，以减小载荷的特殊升力面和尾翼。
欧波特的想象和技术翔实的工作引来热烈喝彩。德国和与其友好的奥地利在《星际空间火箭》出版后的5年时间里，相继出版了超过80部有关宇宙火箭技术的图书，掀起了火箭热。
1927年6月11日，正当火热的巅峰时刻，在德国城市布莱斯劳（现在的波兰城市弗罗茨瓦夫），一群醉心于航天飞行的人集合起来，成立了星际报道协会16 ，协会成员几乎立刻就开始商定小火箭的设计工作。
1929年5月，著名导演弗里茨·朗闻知欧波特之后，邀请他做影片《月亮上的女人》17的科学顾问。当欧波特来到柏林时，又一个创意诞生了：作为广告炒作，在电影首映之前发射一枚真的火箭。弗里茨·朗同意了，并从电影经费预算中拨出10000 帝国马克。发射日期定在1929年10月19日。
制片厂广告部立即发布了这一消息。新闻界开始大力宣传欧波特的火箭。而火箭本身的制造却并不顺利。因为设想乃至论证是一回事儿，将其用金属制造出来则是另一回事儿。
液态火箭发动机的作用原理似乎颇简单。从一个容器向燃烧室送入燃料（液态氢、汽油、煤油、酒精），再从另一个容器送进氧化剂（液态氧），以保证燃烧。混合物在燃烧室燃烧，其生成物从尾喷口排出。但是，实现这一原理实在是一项艰难的任务。燃烧室是在高温、高压、高速的条件下工作的。
类似环境无论在自然界还是工业设备中都未曾有过，因此，当出现液态火箭设想时，科学界还没有研究过这些复杂的过程。但是，为了研究它们，需要有哪怕一台工作的发动机，而这样的发动机还没有出现——一个怪圈。
经过初步计算之后，欧波特选用汽油作为燃料。当时认为，液态氧和汽油混合会立即发生爆炸。抱着驳倒此观点并达到稳定燃烧的愿望，欧波特开始试验。但他不是用发动机原型机，而是在“纯理论”的装置上试验。他进行了一系列试验，以研究极端细小的汽油流输送至装有液态氧容器会发生什么。终于有一次，发生了爆炸。他的鼓膜崩裂，左眼受伤。医生建议他休假治疗，但顽强的学者继续进行试验。
最终，欧波特创制出独一无二的锥形燃烧室，称为“锥喷嘴”（ Kegelduse）18。尽管令人担心，但其燃烧时工作还是稳定的。实际上，这是欧洲第一台有效的液体燃料火箭发动机。
又产生了另一些问题——需要检测火箭的气动力特性。这通常通过在风洞吹风的办法来检测，但这样的试验非常昂贵，又占用许多时间。欧波特决定，试验观察模型从高空坠落，这样可给出定性的概念。于是他找到一家工厂的大烟囱，从上面投掷木制的火箭模型。当时，还真的拍摄到了这一瞬间。“广告商们”展示了他们的智慧：把影片倒过来放映，让降落的火箭起飞，并通报“欧波特火箭第一次试验发射”。
欧波特终究没有来得及在《月亮上的女人》首映前，制造一枚货真价实的火箭。他超支了大量钱财，被迫离开德国数月。