书城工业载人航天器的故事(征服太空之路丛书)
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第2章 飞天梦想的实现(2)

火药是火箭产生喷射能量的基础,而火药正是中国古代四大发明之一。

据考证,中华的先民约在28000年前就发明了最原始的石镞弓箭。约在公元前1世纪,发明了硝雄体系火药,即硝石、雄黄混合剂火药。硝石、硫磺和木炭相混合的三元体系火药在隋代形成,并在唐代达到完善。炼丹家孙思邈在公元682年撰写的《丹经》中就有类似于火药的配方。唐宣宗大中四年(公元850年)已出现用黑色火药制造的焰火,这应当是古代黑色火药火箭诞生的前奏。

“火箭”这个名称,在中国古代典籍中,最早的记载出现在三国时期(公元220~265年)。兵家曾在多次战役中使用火箭火攻之法。但当时使用的只是箭杆前部绑有易燃物,点燃后以弓弩射出的普通箭,即“燃烧箭”。

原始火药出现后,火箭迅速用于军事活动。

公元1128年南宋政权建立后,南宋、金和蒙古相互之间频繁交战,各方都使用了火器。1161年11月,金国侵略中原时,南宋军队第一次使用了火箭武器——“霹雳炮”重挫金军,这是人类历史上第一次在战场上使用火箭武器。连年的交战使火箭技术逐渐被金和蒙古所掌握,于是当时各方兵工厂的一个重要内容就是火药制造,在这种情况下,火药的配方有所改进,制造工艺渐趋成熟,其燃烧速度和爆炸力也得到增强。13世纪蒙古在先后三次的大举西征中,采用了南宋的火器技术,并用汉人工匠制造大炮。当时在欧洲战场使用的火箭已有多箭齐发的火箭筒,这种集束式火箭发挥了巨大的威力,使欧洲人大为吃惊。在这几次西征中,阿拉伯人从中掌握了火药和火箭的技术,并进一步把它传入了西方。

明代中国火箭的发展进入了一个比较重要的时期,出现了很多种类的火箭,除了单级火箭,还发展了各种集束火箭、火箭弹和原始的多级火箭,并且对各种火箭的制造、应用、配备和发射剂原料配比及加工制造等都作了详尽的描述。在当时的水、步、骑兵中,火箭武器已作为必备的武器,甚至还有专门的火箭部队,有关火箭武器的使用、布阵、作战技术和管理也都有条例规定。明代的《武备志》中曾有过这些火箭的记载。

明代的火箭虽然种类繁多,但其发展主要体现在火箭样式的更新上,有关火箭的尺寸、规格、装药剂量、发射距离方面却少有讨论。而在火箭的稳定性方面,仍然是传统的箭杆加羽毛方式,精度不能得到显著的提高,这就使火箭的尺寸和射程难以提高。进入清代,火箭虽然也有一定的发展,但其发展基本停留在原地。一方面,这是因为长时间的和平以及封建君主所推行的封闭政策的影响,但从技术的发展来看,主要还是缺少相应科学知识的指导。纵观中国古代火箭技术的发展过程,所走的基本是经验式的道路,没有对火药的燃烧机理、火箭的推进原理、箭羽的稳定原理等问题进行深入的研究,仍局限于用阴阳五行说来解释爆炸原理,这就使得火箭技术难以实现较大改进。

火箭技术在13世纪传入阿拉伯国家后,又逐渐传入欧洲,意、法、德、波兰、英、俄等国。出于战争的需要,这些国家在使用火箭的过程中,深入研究火药配比,火箭形状、大小及稳定装置和火箭材料,并在这些方面进行了重大改进。很快欧洲的火箭在重量、射程和精度等方面就超过了中国火箭。公元18世纪初(大约清康熙至雍正年间),波兰就已生产出了重达22.7千克甚至54.4千克的大型火箭,德国也试验了多种带导向杆的重45.4千克的火箭。

但有趣的是,正如火箭没有在它的故乡中国得到巨大发展一样,对欧洲近代火箭技术发展产生巨大影响的不是那些较早使用火箭武器的欧洲国家,而是英国。这里不能不提的就是威廉·康格里夫研制的火箭,“康格里夫火箭”并不是欧洲大陆火箭技术发展的必然结果,也很少受到其影响,它主要借鉴的是印度的火箭技术。

康格里夫研制的火箭在射程、精度及稳定方式上几乎达到了火药火箭的极限。由于其巨大的杀伤力,各国纷纷开始重视火箭的研究和使用。此后,战争火箭的另一项重大进步就是稳定性的提高。19世纪中叶,英国的发明家威廉·黑尔在火箭的尾部装上3只倾斜的稳定螺旋板,当火箭发射时,空气动力的作用使火箭自身旋转从而达到稳定。到第二次世界大战为止,火药火箭的发展已臻于完善。它的基本结构是由装有火药的火箭筒,中间装有发射药作为推进剂,头部装有高爆炸药和引信,尾部为喷口,另外采用尾部稳定翼起稳定作用,在发射装置上采用发射架或发射筒而组成的。比较著名的就是前苏联的火箭炮——喀秋莎。

火药火箭是第一种实用的反作用推进装置,虽然有许多证据证明它不是理想的太空运载工具,但它的基本工作原理却完全适用于航天运载工具的需要,这样,运用火箭作为宇宙航行基本运载工具的想法在先驱者脑中逐步酝酿。后来液体燃料火箭出现,进一步为航天推进器的实现提供了可靠的技术保证,也让航天先驱者看到了使用火箭来完成航天运载的曙光。经过不断地研究和试验,火箭作为太空飞行的推进装置逐渐得到证实,最终为人类通向太空架起了桥梁。

知识点动量守恒定律

动量守恒,是最早发现的一条守恒定律,它源于十六、七世纪西欧的哲学思想,法国哲学家兼数学、物理学家笛卡尔,对这一定律的发现做出了重要贡献。如果一个系统不受外力或所受外力的矢量和为零,那么这个系统的总动量保持不变,这个结论叫做动量守恒定律。动量守恒定律是自然界中最重要最普遍的守恒定律之一,它既适用于宏观物体,也适用于微观粒子;既适用于低速运动物体,也适用于高速运动物体。

罗伯特·戈达德,是美国最早的火箭发动机发明家,被公认为现代火箭技术之父。

戈达德和他的火箭戈达德1882年10月5日出生于美国马萨诸塞州伍斯特城的一个英格兰后裔家庭。戈达德的父亲厄内姆·戈达德思想开明且具有创造才能。他们家很早就安装了电灯,并买了当时还算是奢侈品的留声机。这两件东西几乎使幼年的戈达德完全着了迷,少年戈达德的脑子里经常会冒出一些奇思异想。对未知世界的强烈好奇使戈达德在学习上刻苦努力。由于喜欢追求新奇的东西,他一直热衷于阅读神奇的科学幻想小说,凡尔纳的《从地球到月球》以及威尔斯的《星际战争》使他在少年时期就对太空飞行产生无限渴望。

1904年,22岁的戈达德考入伍斯特综合技术学院。他把志向定在自己喜爱的物理学上。他的丰富想象力和好奇心在学校里是出了名的。1908年他在该校毕业,获科学学士学位。不久,他又进入克拉克大学攻读硕士学位,1910年获硕士学位,第二年获得博士学位。此后,他的主要精力都用在了火箭研究上。他在的笔记本上写下了大量研究心得、数学计算和公式推导,形成了火箭运动理论的初步框架。

1921年12月,戈达德完成了第一台液体火箭发动机的研制,下面是戈达德在液体火箭研究方面所取得的里程碑式的成就:

1925年12月6日,火箭发动机成功点火工作了24秒;

1926年3月26日,第一枚液体火箭发射试验成功;

1926年4月3日,第二枚液体火箭发射试验成功,飞行高度16米;

1929年7月17日,第四枚液体火箭发射试验成功,飞行了53米;

1930年12月30日,第五枚液体火箭发射试验成功,飞行高度600米;

1932年4月19日,首次采用陀螺控制燃气舵的火箭飞行试验成功;

1935年3月8日,安装降落伞的火箭试验成功并首次超过音速;

1935年3月28日,液体火箭飞行高度达到1450米;

1935年5月31日,首次在火箭上安装了高度计,飞行高度达到2330米;

1935年12月17日,液体火箭发动机在工作时推力达到了214千克;

1941年1月6日,新的发动机的推力达到了447千克。

戈达德虽然成功地发射了世界上第一枚液体火箭,但最初并没有引起美国政府的重视和支持,所以到他逝世时美国的火箭技术还远远落后于德国。直到1961年苏联宇航员加加林上天后,美国才发表了戈达德30年来研究液体火箭的全部报告。后来,他被誉为美国的“火箭之父”,美国宇航局的一座空间飞行中心被命名为“戈达德空间研究中心”。

但他的一生却是孤独而不被人理解的。勇敢的戈达德毫不气馁,在理论和实践上做了很多工作,向怀疑他设想的人们表明未来的整个航天事业都将建基于火箭技术之上。他也因此而当之无愧地被称为“现代火箭之父”。

戈达德的一生是坎坷而英勇的一生。他所留下的报告、文章和大量笔记是一笔巨大的财富。对于他的工作,冯·布劳恩曾这样评价过:“在火箭发展史上,戈达德博士是无所匹敌的,在液体火箭的设计、建造和发射上,他走在了每一个人的前面,而正是液体火箭铺平了探索空间的道路。当戈达德在完成他那些最伟大工作的时候,我们这些火箭和空间事业上的后来者,才仅仅开始蹒跚学步。”

走进航天时代

伴随着戈达德博士液体火箭的升空,人类揭开了航天时代的序幕。20世纪20~30年代,在航天先驱的影响和激励下,欧美许多国家自发成立了有关火箭研究和太空飞行的研究协会或相关组织。这些火箭协会和研究组织在成立的初期,基本上都没有得到官方的资助和支持,但他们仍在极端困难的条件下,进行了大量的火箭研制和航天学理论的发展工作,为液体火箭的发展做出了很大贡献。在航天学基本理论建立直至第二次世界大战中德国液体火箭技术到达高峰这一段时间,这些组织起到了重要的承上启下作用。

第一次世界大战后,德国作为战败国,由于《凡尔赛和约》的限制,不能大规模发展作战飞机、坦克、大炮和机枪等军事装备,尤其对陆军装备的限制更加严格,这就促使德国军队开始寻找新的不受和约条款的限制的武器系统。因此,早在20世纪20年代德国陆军就开始筹建官方的火箭研制组织,抽调专人研究火箭的未来发展潜力和用于战争的可能性。由于得到政府的支持,这就有了其他国家无法比拟的优越性,同时,德国陆军多方寻求研究人员,从研究机构调集技术骨干,最终促成德国火箭技术的飞速发展。

在陆军炮兵局卡尔·贝克尔少将的支持下,1930年陆军部召开了正式的火箭武器研制会议,标志着德国官方军事火箭计划的开始。在负责火箭具体研究工作的多恩伯格上尉的努力下,德国星际航行协会的一批研究人员,如冯·布劳恩、鲁道夫·内贝尔、克劳斯·里德尔、瓦尔特·里德尔等也加入了该计划,最终于1932年底组成了由多恩伯格、冯·布劳思、瓦尔特·里德尔和海因里希·格鲁诺所领导的火箭研究小组,并于1936~1938年建立了著名的佩内明德火箭基地。该研究小组成立后,设计、生产了集合体系列火箭(A-1~A-12),其中A-4即第二次世界大战末期德国所使用的V-2导弹。

在研究A系列火箭的过程中,冯·布劳恩等人以科学的态度同时进行着认真的太空探索,他们利用军队的拨款,进行了大量的空间飞行尝试。在第二次世界大战后期,冯·布劳恩、多恩伯格等人曾制定了有关载人宇宙飞船的机密计划——“小组计划”,即A-9和A-10计划。该计划不仅希望设计大型的洲际弹道导弹,而且探索了载人飞行运载工具的问题。这些专家还设计了航天运载火箭,他们曾经设想在A-9基础上,加装一个大型火箭,从而使火箭达到3级推进,估计就可以将一个驾驶员舱送入轨道。虽然这些设想由于战争的变化都不可能得到实现,但已经为航天技术提供了一种可行的方案。

二战后西方各国由于看到V-2导弹在战争中的威力,因此不同程度地开展了洲际导弹的研究计划,尤其美苏两国出于各自利益需要,在导弹和航天领域展开了激烈的竞争。

前苏联战前的火箭技术在各方面已经有了重大突破,拥有一批火箭专家,这就为战后前苏联火箭、导弹和航天技术的发展奠定了良好的基础。同时由于“冷战”格局的逐渐形成,苏联所制定的战略思想中对当时各项具有军事意义的新技术,包括火箭技术给予了高度的重视。为了发展核威慑力量,前苏联制定了发展洲际弹道导弹的计划,通过对德国V-2导弹的研究和仿制,前苏联开始研究设计自己的洲际导弹,最终于1957年8月21日成功地发射了P-7(P为俄文“胜利者”第一个字母)洲际导弹。因为洲际导弹的出现在很大程度上依赖于火箭技术的发展,所以它的成功在客观上也为发展航天事业直接或间接地奠定了重要的技术基础。接着由科罗廖夫为主的研究小组为了发射人造卫星并达到第一宇宙速度,对P-7导弹进行改进,成功研制了斯普特尼克号运载火箭。1957年10月4日晚,这枚火箭携带着世界上第一颗人造地球卫星“斯普特尼克”1号(CⅡ-1)在前苏联的拜科努尔航天发射场发射成功,标志着人类航天时代的真正到来。