齊奧爾科夫斯基：現(xiàn)代火箭與宇航理論的奠基者

文/ 羅緝

提起航天，有一個(gè)人的名字不能不提，那就是創(chuàng)建了現(xiàn)代火箭基本原理和宇宙航行學(xué)理論的俄羅斯科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基。

1857年9月17日，齊奧爾科夫斯基出生在俄國梁贊地區(qū)一個(gè)林業(yè)官員的家庭里。10歲時(shí)，他因?yàn)榛夹杉t熱喪失了聽力，從此輟學(xué)在家，刻苦自學(xué)。他善于思考，還喜歡自己動(dòng)手做各種各樣的實(shí)驗(yàn)，幻想有一天能像鳥一樣在天空自由自在地飛翔。

16歲那年，他只身來到了莫斯科。在那里他讀了大量數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、機(jī)械學(xué)以及天文學(xué)方面的書籍，他一面讀書一面搞設(shè)計(jì)。這樣生活了一段時(shí)間，他發(fā)現(xiàn)他需要自己掙錢，以貼補(bǔ)他的實(shí)驗(yàn)。他到了離莫斯科100公里遠(yuǎn)的博羅夫斯克當(dāng)了中學(xué)教員。

▲ 澳大利亞昆士蘭托馬斯·布里斯班爵士天文館矗立的齊奧爾科夫斯基塑像

▲ 火箭專家和宇航先驅(qū)——齊奧爾科夫斯基

他白天上課，晚上繼續(xù)他的研究和實(shí)驗(yàn)。他把注意力放在了熱氣球上。當(dāng)時(shí)，人們已經(jīng)能夠乘坐熱氣球在天空中飛翔了。但是，當(dāng)時(shí)的熱氣球是用膠布做的，既不結(jié)實(shí)，還容易著火，最大的缺點(diǎn)是無法控制。于是齊奧爾科夫斯基研究起人可操縱的金屬氣球——飛艇來。根據(jù)他的研究，他寫成了《氣球原理》《可操縱的金屬飛行器》等書。他還設(shè)計(jì)了一架飛機(jī)。他的飛機(jī)是用兩塊固定的平板當(dāng)做翅膀，并裝有兩個(gè)推進(jìn)器。根據(jù)這一設(shè)計(jì)，他寫了論文《論用翅膀飛行》，但沒有引起關(guān)注。

1892年，他轉(zhuǎn)到卡盧加的一所學(xué)校任教。在那里，他進(jìn)行了空氣阻力的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)流動(dòng)的空氣不僅是飛行的阻力，也是浮力，從理論上證明了他的飛機(jī)設(shè)計(jì)的正確性。他建造了俄國第一個(gè)風(fēng)洞，并同茹科夫斯基一起創(chuàng)立了實(shí)驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)這門學(xué)科。1903年，美國的萊特兄弟實(shí)現(xiàn)了人類第一次的動(dòng)力飛行，而齊奧爾科夫斯基的飛機(jī)設(shè)計(jì)圖卻無人問津，未能面世。

齊奧爾科夫斯基又把它的注意力轉(zhuǎn)入太空飛行。他的研究成果，集中地體現(xiàn)在1898年寫成的《利用噴氣裝置探索宇宙空間》的著作中。他首先提出火箭是人類飛出地球的手段，論述了火箭在自由空間中運(yùn)動(dòng)的基本原理，推導(dǎo)出描述火箭在重力場運(yùn)動(dòng)時(shí)所能達(dá)到的最大速度的數(shù)學(xué)公式，也就是著名的齊奧爾科夫斯基公式。

▲ 齊奧爾科夫斯基寫的《宇航力學(xué)》著作

▲ 齊奧爾科夫斯基設(shè)計(jì)的火箭用電腦展示出來的概念圖

這個(gè)公式表明，火箭要達(dá)到最大速度，第一需要采用高能推進(jìn)劑來提高火箭的噴氣，第二需要盡可能減輕火箭結(jié)構(gòu)重量。確切地說，是要提高火箭起飛前的質(zhì)量與火箭耗盡燃料后的質(zhì)量之比值。這就為火箭的設(shè)計(jì)奠定了科學(xué)的理論基礎(chǔ)。

可以說，沒有這個(gè)公式，就沒有今天的宇宙飛行。齊奧爾科夫斯基第一個(gè)把火箭原理和航天概念建立在科學(xué)的基礎(chǔ)上，還研究了宇宙飛船的起飛方法和條件，設(shè)想了未來人在飛船中生活的情景。同時(shí)，他還大膽地提出采用液體推進(jìn)劑的多級火箭建設(shè)地球之外的空間站的方案。

他精確地計(jì)算出火箭飛出地球所必須具備的速度。他還指出，火藥不適合于宇宙飛行，用液氫和氧作燃料代替火藥。他還解決了宇宙航行的許多重大理論問題。

盡管齊奧爾科夫斯基從理論上打開了宇宙航行的道路，后來的實(shí)驗(yàn)也證明了他的理論和計(jì)算的正確性，但在當(dāng)時(shí)他卻看不到任何實(shí)現(xiàn)他的設(shè)想的曙光。他的著作當(dāng)時(shí)并未引起注意，甚至被拒絕出版，直到5年之后的1903年才在友人的幫助下正式發(fā)表。

1911年到1914年，齊奧爾科夫斯基又發(fā)表了第二部科學(xué)著作《火箭與太空探索》，把利用火箭進(jìn)行宇宙航行的思想向前推進(jìn)了一步。

齊奧爾科夫斯基留下一句耳熟能詳?shù)拿裕骸暗厍蚴侨祟惖膿u籃，但是人不會(huì)永遠(yuǎn)生活在搖籃里。”1935年9月19日，齊奧爾科夫斯基去世。

齊奧爾科夫斯基一生致力于航空和宇宙航行的基礎(chǔ)理論研究，為人類航天事業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。他論證的重要理論問題包括：靠空氣提供的升力不能進(jìn)入太空，要在宇宙空間飛行，必須使用自帶推進(jìn)劑、不依賴空氣的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；宇宙航行應(yīng)使用如液氧-煤油那樣的高能液體推進(jìn)劑，可以用液體燃料泵調(diào)節(jié)流量，控制火箭推力；要掙脫地球引力和克服空氣阻力飛出地球，單級火箭還做不到，必須用多級火箭接力等等。