點(diǎn)亮航天史的三盞明燈

于鵬翔

看向宇宙

讀過(guò)《兩個(gè)鐵球同時(shí)著地》這篇課文的同學(xué)，應(yīng)該十分熟悉伽利略這個(gè)名字。作為現(xiàn)代物理學(xué)的祖師爺之一，伽利略用望遠(yuǎn)鏡看向夜空的那一刻，人類的目光便從地球轉(zhuǎn)向了茫茫宇宙，開(kāi)啟了科學(xué)觀察和研究太空的新時(shí)代。

當(dāng)然，僅有觀察還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。所謂萬(wàn)事開(kāi)頭難，難就難在你并不知道要從何入手。外星人可不會(huì)千里迢迢跑來(lái)教會(huì)我們?nèi)绾物w向太空。幸好，在伽利略之后，群星閃耀，人類的智慧在航天路上點(diǎn)亮了一盞盞明燈。

牛頓：離開(kāi)地球的速度

點(diǎn)亮“第一盞明燈”的是英國(guó)科學(xué)家艾薩克·牛頓。牛頓用一個(gè)蘋果揭示了宇宙運(yùn)行奧秘的冰山一角，但這一角已經(jīng)是質(zhì)的飛躍。小到蘋果落地，大到星球環(huán)繞都可以用萬(wàn)有引力恰當(dāng)?shù)亟忉尅?/p>

知道了蘋果為什么會(huì)落地，自然也就可以推導(dǎo)出如何讓蘋果飛離地面永不落地的方法。在牛頓的著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，他設(shè)想了一門放在山峰上的巨型大炮，如果沒(méi)有引力也沒(méi)有空氣阻力，發(fā)射出去的炮彈應(yīng)該沿著發(fā)射的方向以一條直線形軌跡永久地飛下去。但如果加上地球引力，炮彈就會(huì)以一條弧線軌跡落向地面。在萬(wàn)有引力的作用下，炮彈的速度越快，它就能飛得越遠(yuǎn)，也就需要更長(zhǎng)的時(shí)間才會(huì)落地。如此說(shuō)來(lái)，只要速度夠快，這枚炮彈最終會(huì)沿著一個(gè)固定的環(huán)形軌道圍繞地球運(yùn)動(dòng)，成為地球的一顆衛(wèi)星。那么，這個(gè)速度是多少呢？牛頓說(shuō)是7.9千米/秒，即第一宇宙速度。那要是這枚炮彈的速度更快，會(huì)發(fā)生什么呢？這枚炮彈會(huì)以一個(gè)更加扁的橢圓形軌道圍繞地球飛行，直到突破11.2千米/秒的速度，此時(shí)這枚炮彈會(huì)脫離地球的引力束縛飛向宇宙，這就是第二宇宙速度，也叫“逃逸速度”。

牛頓的計(jì)算告訴人們，想要離開(kāi)地球并不是天方夜譚，只要速度夠快就行。在那個(gè)年代的技術(shù)條件下，人類讓任何物體到達(dá)這個(gè)速度都是不可能的。牛頓去世一百多年后，法國(guó)科幻作家儒勒·凡爾納在他的小說(shuō)《從地球到月球》中就幻想了用一門巨炮將三個(gè)人放進(jìn)炮彈里送上月球的情景。

使用原始助聽(tīng)器的齊奧爾科夫斯基

齊奧爾科夫斯基：乘火箭離去

點(diǎn)亮“第二盞明燈”的是蘇聯(lián)科學(xué)家康斯坦丁·埃杜阿爾多維奇·齊奧爾科夫斯基。他的一生充滿坎坷。10歲時(shí)因?yàn)橐淮胃忻埃麕缀鯁适Я巳柯?tīng)力。14歲時(shí)因?yàn)槁?tīng)力原因，他離開(kāi)了學(xué)校。16歲時(shí)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)莫斯科沒(méi)有一個(gè)學(xué)校愿意接收聽(tīng)力不好的學(xué)生，他只能在莫斯科的圖書館自學(xué)，這一學(xué)就是三年。三年間他學(xué)習(xí)了高等代數(shù)、解析幾何、物理、化學(xué)、力學(xué)、天文學(xué)。同時(shí)，他還讀了凡爾納的科幻小說(shuō)。這部小說(shuō)在他心里播下了一顆翱翔太空的種子。在莫斯科的三年里，齊奧爾科夫斯基一直省吃儉用，將節(jié)省下來(lái)的錢用來(lái)買書，這讓他的身體變得瘦弱不堪。后來(lái)，齊奧爾科夫斯基的父親通過(guò)熟人才得知他在莫斯科的處境，心疼兒子的父親要求齊奧爾科夫斯基返回家鄉(xiāng)?；氐郊亦l(xiāng)的齊奧爾科夫斯基后來(lái)做了一名數(shù)學(xué)老師，而這一教就是一輩子。

除教師的身份之外，他還是一位優(yōu)秀的科學(xué)家。早在萊特兄弟成功試飛“飛行者1號(hào)”之前，他便設(shè)想了一種能高速飛行、機(jī)體是流線型的飛行器。齊奧爾科夫斯基運(yùn)用反作用力原理，提出建造“金屬飛艇”的理論，而動(dòng)力就是熱空氣。1895年，齊奧爾科夫斯基提出無(wú)須火箭發(fā)射即可將貨物送至宇宙空間的“太空升降梯”理論（簡(jiǎn)稱“天梯理論”）。但在第二年，他在理論上研究星際航行問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下建立太空升降梯并不可行，只有火箭才能實(shí)現(xiàn)宇航目的。1897年，他推導(dǎo)出著名的齊奧爾科夫斯基火箭方程式，揭示了火箭起飛前的質(zhì)量與火箭燃料耗盡后的質(zhì)量之比。

1898年，他完成航天學(xué)經(jīng)典論文《利用反作用裝置探索宇宙空間》。他推導(dǎo)出火箭在太空中飛行的數(shù)學(xué)原理，提出液體推進(jìn)劑的構(gòu)想，算出火箭所能達(dá)到的最高速度，并設(shè)計(jì)了長(zhǎng)橢圓形的液體動(dòng)力火箭，證實(shí)了火箭完全具備太空飛行的能力。1935年，齊奧爾科夫斯基去世，正是這位在業(yè)余時(shí)間研究航天技術(shù)的數(shù)學(xué)老師，為航天事業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

達(dá)德：為火箭加力

點(diǎn)亮“第三盞明燈”的是美國(guó)工程師羅伯特·戈達(dá)德?，F(xiàn)已不得而知，戈達(dá)德是否知道在同時(shí)代的大洋彼岸有一位名叫齊奧爾科夫斯基的人正在進(jìn)行火箭研究。但是與齊奧爾科夫斯基相似的是，戈達(dá)德也是在一部科幻小說(shuō)中確定了自己一生的事業(yè)。1898年，英國(guó)科幻作家喬治·威爾斯出版了著名的《世界大戰(zhàn)》，描述了地球人與火星人戰(zhàn)斗的故事。當(dāng)時(shí)16歲的戈達(dá)德因?yàn)檫@本書對(duì)宇宙產(chǎn)生了濃厚的興趣。與自學(xué)成才的齊奧爾科夫斯基不同的是，戈達(dá)德大學(xué)畢業(yè)后便進(jìn)入普林斯頓大學(xué)帕爾默物理實(shí)驗(yàn)室，后來(lái)因?yàn)樯眢w原因轉(zhuǎn)到克拉克大學(xué)繼續(xù)自己的火箭研究。在還是學(xué)生的時(shí)候，他就提出了一個(gè)讓飛行器自動(dòng)保持平衡的方法。當(dāng)時(shí)的火箭噪聲大、價(jià)格高，還有爆炸的危險(xiǎn)，因此戈達(dá)德不得不將他的實(shí)驗(yàn)室搬到荒郊野外。在對(duì)火箭的研究中，他提出了多級(jí)火箭的設(shè)想，也就是在火箭上裝備多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)都可以讓火箭飛得更快更高。不僅如此，他還用實(shí)驗(yàn)證明了固體燃料可以在真空中燃燒。而這些設(shè)想正是現(xiàn)代火箭的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

1919年，戈達(dá)德發(fā)表了論文《到達(dá)極高空的方法》。在文章中，他闡述了發(fā)展火箭的數(shù)學(xué)理論、如何讓火箭飛得更快的方法，同時(shí)還論述了火箭飛抵月球的可能性。但是當(dāng)時(shí)的媒體對(duì)他的想法做了夸大宣傳，一時(shí)間“月球火箭”成了社會(huì)熱點(diǎn)。但無(wú)論外界如何評(píng)論，戈達(dá)德“躲進(jìn)小樓成一統(tǒng)”，開(kāi)始進(jìn)行自己的液體火箭研究。在無(wú)數(shù)次的失敗后，1926年3月16日，由戈達(dá)德研制的人類歷史上第一枚液體火箭成功發(fā)射。雖然這枚火箭僅飛行了約2.5秒，飛了12.5米高，但是這證明戈達(dá)德的理論具備可行性，也宣告了現(xiàn)代火箭技術(shù)的誕生。在之后的實(shí)驗(yàn)中，戈達(dá)德首次使用了程序控制系統(tǒng)，首次解決了用陀螺儀控制火箭飛行姿態(tài)的問(wèn)題。從1930年至1942年，戈達(dá)德成功進(jìn)行了31次火箭發(fā)射，其中—枚火箭持續(xù)飛行了22.3秒，高度達(dá)到2700米。由此，戈達(dá)德也被譽(yù)為“現(xiàn)代火箭技術(shù)之父”。

1945年，戈達(dá)德去世。在他去世前不久，德國(guó)用V-2火箭空襲了英國(guó)，震驚世界。相比于大西洋彼岸馮·布勞恩舉全國(guó)之力研制的V-2火箭，戈達(dá)德的火箭研究幾乎一直都是靠自己籌措資金，而且與一開(kāi)始就作為武器研制的V-2火箭不同，戈達(dá)德研制的火箭是為了實(shí)現(xiàn)人類飛向宇宙的夢(mèng)想。

羅伯特·戈達(dá)德在1926年進(jìn)行首枚液體火箭試射

1969年7月17日，土星五號(hào)火箭搭載阿波羅11號(hào)奔向月球的第二天，曾經(jīng)諷刺戈達(dá)德懷抱“不切實(shí)際的妄想”的《紐約時(shí)報(bào)》，在醒目位置刊登了一篇標(biāo)題為《更正啟事》的簡(jiǎn)短文章，結(jié)尾是這樣寫的：進(jìn)一步的調(diào)查和實(shí)驗(yàn)確認(rèn)17世紀(jì)艾薩克·牛頓的發(fā)現(xiàn)絕對(duì)是成立的，火箭可在真空中跟在大氣層中一樣運(yùn)行。

在人類航天史上，像牛頓、齊奧爾科夫斯基、戈達(dá)德這樣的人還有很多，他們有的世人皆知，有的默默無(wú)聞，有的精于理論，有的專攻實(shí)驗(yàn)，他們點(diǎn)亮了航天史上的一盞盞明燈，在黑暗中為人類指明了方向。正如齊奧爾科夫斯基所說(shuō)：“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠(yuǎn)生活在搖籃之中?！倍鴰ьI(lǐng)我們走出搖籃的，正是這樣一批又一批的科學(xué)家。