万科长沙分公司:火箭的制造原理

从古到今，不知有多少人仰望着天空的闪烁繁星，向往着到天上去看一看，渴望 了解这宇宙的奥秘。现在，人造地球卫星在天空中与群星争艳，宇宙飞船也已将人送 上了月球，过去的梦想已经成为辉煌的现实。但是你们可知道，是靠着什么力量才能 将他们送入太空呢?这就是太空航行的唯一工具——火箭。 所谓火箭，精确地说，是依据牛顿力学第三定律，利用自身向后高速喷出的气流 而获得高速度前进的运载工具。中华民族祖先远在古代就发明了火箭的原始雏形。 根据南宋诗人杨万里在《海鳅赋后序》中的记载，中国至少在十二世纪中叶就已 掌握了火箭技术，那时它的名称叫火箭炮，是一种威力巨大的军事武器。据《金史》 记载，蒙古和金国之间的开封府战役(1223年)大量使用了飞龙枪，这是被广泛承认的 火箭始祖。更有大量的文献记载，蒙古军队西征时亦大量使用了火箭武器，使西方人 无可抵挡。西方人虽然战败，但从此学会了火药、火箭技术，从此进入新的文明时期。 宋代以后，中国的火箭断断续续地发展，如明代戚继光素重火器之用，明末《武 备志》一书更是集火箭技术之大成。但是火箭的制造原理和技术并无太多进步，对火 药的原理也同样不清晰，仍局限于用阴阳五行说来解释爆炸原理。相反，在西方火药 和火箭却得到迅速的研究和发展，促进了科学的进步，从而能制造出更强有力的火箭。 十九世纪初英国的康格雷夫设计了多种杀伤力极强的火箭用于战争，使各国纷纷重视 火箭的研究和使用。一时间火箭与大炮并重，后来由于大炮运用来福线后精度大为提 高，致使火箭作为武器备受冷落而停止发展。 但新的科技思想在慢慢形成。运用火箭作为宇宙航行基本运载工具的想法在先驱 者脑中酝酿。先后有三位科学家详细探索了火箭作为空间运载工具的可能性。这三位 勇敢的人是俄国的齐奥尔科夫斯基、美国的罗伯特·戈达德和罗马尼亚的赫尔曼·奥 伯特。

伟大的先驱者

齐奥尔科夫斯基生于1857年 9月17日。他的家乡在离莫斯科不远的卢加卡小镇。 他的父亲是一个守林人，家境贫寒，他在 2岁的时候就因猩红热而两耳失聪。虽然他 不能进一般的学校，但他的母亲玛丽亚·伊凡诺娃，在他 7岁时就教他读书。少年的 齐奥尔科夫斯基博览群书，又对数学和物理最感兴趣，有一段时间他热衷于飞行试验。 在他的自传中他写道：“我对热气球十分感兴趣，我甚至收集相当多的数据来计算由 金属框架制成的热气球的必要容量，以便能载人在空中飞行。从那时起我一直沉迷于 金属热气球中。”那时他才14岁。 1873年他的父亲送他去莫斯科著名的技术学院注册。虽然他没能通过入学考试， 但他留在莫斯科勤奋自学。三年多的时间里他频繁光顾公共图书馆，学习他所能获得 的所有数学、物理知识。1876年应父亲的要求，他回到了家乡，以做家庭教师为生， 但这个时候他已经钻研牛顿的运动定律了。 闲暇之时，齐奥尔科夫斯基制造各种各样的机械，甚至在他的家里开设了一个作 坊。这期间他写了两本理论著作，并因此被选入圣彼得堡物理化学学会。在《空虚空 间》一书中，他再次回到年轻时让他着迷的飞行问题。1903年在《用反作用装置探索 宇宙空间》一书中，他第一次阐述了火箭理论和液体燃料发动机的构想，并展望了宇 宙航行的前景。 齐奥尔科夫斯基是第一个提出使用液体燃料作火箭推进剂的人。他设想把液氢和 液氧分别贮存在两个舱中，作为燃料在燃烧室中产生反应，使生成的高热气体通过导 管从尾端高速喷出。宇航员将在舱中生活工作。火箭还设有喷气摩擦栓以调整火箭的 运行方向。 齐奥尔科夫斯基的设想具有切实的实用性。美国发射阿波罗飞船的火箭“土星V” 就是用的液氢、液氧推进剂。其实，他还提出了多种可供选择的燃料，如汽油、煤油、 酒精等。他提出了利用推进剂混合阀门来控制进入燃烧室的推进剂流量的设想，也指 出了可以用液体推进剂流过燃烧室和喷管的双重壳体来使其冷却的方法。在他的笔记 和著作中，还有许许多多奇异的设想，后来的研究者们总能从中得到许多启发。 他考虑了宇航员的生命保障问题，如二氧化碳的吸收问题。他还认真对待火箭离 开地面时巨大的加速度对宇航员的影响。为了抵御太空的高温和严寒，他提出飞船的 壳体应采用双层结构，并且可以防止陨石的袭击。 作为宇宙航行的先驱者，他试图用火箭作为航行工具。为此他计算了将一个物体 送入地球轨道的最小速度(第一宇宙速度)和使其脱离地球的最小速度(第二宇宙速度)。 他正确指出，要达到这种高速度，唯一切实可行的办法是使用多级火箭，也就是他所 称的“火箭列车”。 齐奥尔科夫斯基是认识到环绕地球轨道飞行的地球卫星和空间站可能实现的第一 人。在1911年一封给朋友的信中他写道：“人类不会永远呆在地球上，通过探索光和 空间，我们将会——起初可能有些小心翼翼，但终究会冲出大气层的界限而征服整个 太阳系。”这句话后来铭刻在他的墓碑上。 齐奥尔科夫斯基死于1935年 9月19日，终年78岁。他成就巨大，留下的著作给后 来者以充分启发，可以说现代火箭的产生奠基于他的构想之上。因此，他是当之无愧 的现代火箭之父。他的一生大部分时间却处于困境之中。他的天才构想被同时代的人 视为胡思乱想，或者是荒诞的科幻小说，得不到沙皇政府的资助来从事实验研究。但 是齐奥尔科夫斯基却能够忍受这一切，忍受身体的折磨，忍受他人的讥刺与冷漠，以 一颗不倦求知的伟大心灵，顽强地走自己的路。十月革命以后，苏联政府承认了齐奥 尔科夫斯基的伟大工作，并于1932年授予他劳动红旗勋章。在他的家乡，他曾经居住 的小木屋正成为一座博物馆。前苏联科学院还以他的名字颁布一种奖章，用来奖励那 些在星际航行领域中做出突出贡献的人。 在齐奥尔科夫斯基之后，美国人戈达德在他17岁的时候就向往火星之旅了。十年 以后戈达德认识到，唯一能达到这个目的的运载工具就是火箭。从那时起，他就决定 将自己献身于火箭事业。 但他的一生却是孤独而不被人理解的。在当时的美国，飞机刚刚开始被人接受， 设想火箭这一更为深远的产物就难免要遭到人们嗤之以鼻了。勇敢的戈达德毫不气馁， 在理论和实践上做了很多工作，向怀疑他的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”。 童年的时候，戈达德就显示出对科学幻想和机械的特殊兴趣和能力。那时候他常 迷恋于威尔士的科幻小说，如《星球大战》等，也醉心于阅读凡尔纳的《从地球到月 球》等作品。在他的自传中，他承认这些小说大大激发了他的热情和想象。他认为， 这些小说“完全抓住了我的想象力。威尔士的奇妙的真实的心理描写使事情变得十分 生动，而其所提出的面对奇迹的可能途径总是让我想个不停”。 戈达德生于1882年10月 5日，24岁从渥切斯特技术学院毕业后进入克拉克大学攻 读博士学位。这两所院校都在他的家乡马萨诸塞州。1911年他取得博士学位后留校任 教。在此期间，他认识到液氢和液氧是理想的火箭推进剂，在随后的几年里，他进一 步确信用他的方法一定会把人送入太空。 戈达德的研究极端缺少经费，而且挑剔的舆论界也不放过这位严谨的教授。《纽 约时报》的记者们嘲笑他甚至连高中的基本物理常识都不懂，而整天幻想着去月球旅 行。他们称戈达德为“月亮人”。为新闻界左右的公众也对这位科学家的工作表示怀 疑和不理解，但这都不能撼动顽强的戈达德。最好的办法是走自己的路，继续自己的 研究，而对公众的反应保持沉默，因为他很清楚这种讥讽是不会持久的。这时他的研 究也取得了重大进展。1926年 3月16日，在马萨诸塞州的奥本，冰雪覆盖的草原上， 戈达德发射了人类历史上第一枚液体火箭。火箭长约3.4米，发射时重量为4.6公斤， 空重为2.6公斤。飞行延续了约2.5秒，最大高度为12.5米，飞行距离为56米。这是一 次了不起的成功，它的意义正如戈达德所说：“昨日的梦的确是今天的希望，也将是 明天的现实。” 报界的注意力再次集中到他身上，至少这次有些赞扬的话语了。意想不到的是报 界的报导引起了美国航空界先驱人物之一林白的注意。在亲自考察了戈达德的试验和 计划之后，他立即设法从格根海姆基金会为戈达德筹得 5万美元。这对于极端缺少资 金而又迫切需要进行实验设计的戈达德真是雪中送炭。这时马萨诸塞州对于戈达德的 计划就显得太拥挤了，于是在1930年他的全家和四个助手迁到新墨西哥州的罗斯威尔 建立他的发射场。到1941年，除了短暂的中断之外，他在这里从事了在科技史上最令 人瞩目的个人研究计划。 戈达德的研究终于受到政府的重视。在他于1941年 8月10日死后，他获得的荣誉 达到了顶峰。他被追授了第一枚刘易斯·希尔航天勋章，而国家宇航总局的一个主要 基地以他的名字命名为戈达德航天中心。在1960年，美国政府授予格根海姆基金会和 戈达德夫人100万美元，以酬付政府所利用的200多项戈达德的专利。 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的工作的时候， 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。” 晚于戈达德12年的赫尔曼·奥伯特于1894年 6月25日出生于特兰西瓦亚，该地当 时属奥匈帝国，现在位于罗马尼亚境内。在他12岁的时候，就因凡尔纳的《从地球到 月球》的影响而迷上了星际旅行。1913年他到慕尼黑学医学，但第一次世界大战中断 了他的学业。 从1919年开始，奥伯特认真钻研物理，他阅读了所有他能找到的关于火箭和宇宙 航行的著作，其中包括齐奥尔科夫斯基的著作。1922年他向海德堡大学提交了题为《 飞往宇宙空间的火箭》的论文。虽然有粗糙的科学数据来显示其可能性，但论文被断 定是不切实际的。 从1924年到1938年，奥伯特在特兰西瓦亚的一所中学里教数学和物理。但他对火 箭的兴趣没有丝毫减退。当时有一部电影《月宫女郎》需要一架火箭，为此导演找到 奥伯特，希望他能制作一个。虽然这个计划最终没有完成，但它却激发起了一批天才 人物的想象力。1927年，一批热情的支持者成立了宇航协会。 协会在布雷斯劳的一家啤酒店里召开了具有历史意义的第一次会议。会议的宗旨 是要开展震惊世界的火箭研制工作，而协会本身则成了培养打开宇宙大门的人才的基 地。协会人才济济，第一任会长是谦虚诚恳的温克勒，还有克里斯·里迪尔。年轻的 天才冯·布劳恩在其18岁的时候也加入了该协会。 宇航协会的成员们在设备十分简陋的情况下开始了他们的火箭研究工作。早期的 试验很粗糙，也带有一定的危险性。冯·布劳恩曾对他们早期的一次发射有所描述： “里迪尔担当了这个颇有危险的任务，即把泡在水桶中的小喷管点燃。在火箭的冲力 达不到的地方设置了一个挡板，里迪尔需要把一块浸过汽油点燃后的布片扔到喷着气 体的锥形喷管上去。接着在发动机发出震耳的怒吼声前，就迅速隐蔽在挡板之后。这 需要相当的敏捷，但是对于里迪尔这样一位超过 196磅的大个子来说，他当时表现出 的敏捷简直是奇迹。” 火箭发射成功也是一个奇迹。1930年 8月，奥伯特成功地运转了他的锥形喷管发 动机。此后，协会致力于建造一枚最小型火箭，它被称为“米拉克”。米拉克并没让 人满意，协会会员于是设计了一系列“推力器式”火箭。1931年 5月，推力器式火箭 试飞成功。火箭升高61米，飞行距离为610米。 尽管获得这些成功，宇航协会的火箭飞行场却面临被关闭的危险。当时的德国陷 入经济萧条，协会成员的境遇也一落千丈。能使火箭研究得以继续的唯一出路就是依 靠军方的雄厚资本和独到条件，而陆军当局出于战争上的考虑对火箭表现出相当的兴 趣。从此，火箭研究逐步转于陆军控制之下，而宇航协会也就逐渐瓦解了。 奥伯特的工作并没有结束。虽然他没有直接参与发展后来的 A-4火箭发动机，也 就是著名的V-2火箭，但A-4火箭却完全是以他的理论框架为基础的。战后，奥伯特留 在德国，并回到他的家乡住了一段时间。1951年，他离开德国到美国与布劳恩合作， 共同为美国空间规划努力。这期间他写了两本书，一本是对十年内火箭发展的可能性 作出展望，另一本谈到了人类登月往返的可能性。1960年奥伯特退休后回到德国，大 部分时间用来思考哲学问题，这也许是许多德国科学家的习惯。奥伯特于1989年12月 去世，享年95岁。 奥伯特的主要贡献是理论上的。他建立了下列条件之间的理论关系：燃料消耗、 燃气消耗速度、火箭速度、发射阶段重力作用、飞行延续时间和飞行距离等。这些关 系对于火箭的设计是最基本的因素。 上面讲到A-4火箭发动机主要是奥伯特的构想，其中95%以上的发明和技术构造都 出自他的想法。A-4 是第一个现代意义上的、可操作的火箭，对后来所发展的大型运 载火箭有直接的影响。冯·布劳恩评价道：“(奥伯特)从星际飞行的可能性想法出发， 得出他的简单规则，并能将研究课题和抽象概念转化为数学计算。” 更多地作为一个理论家，而不是一个实验家，奥伯特影响了整整一代工程师。作 为航天事业的奠基人之一，他受到的称赞是当之无愧的。

现代火箭的迅速发展 现代火箭发展的开端源于德国。宇航协会解体后，在德国陆军协会资助下，冯· 布劳恩潜心于火箭研究。一开始他只有一名技师做助手，实验室也很简陋，但随着他 的研究成果的增多，条件亦逐渐改善。 布劳恩研制的一系列火箭中的第一种是 A-1。它采用再生冷却式火秀发动机，用 酒精和液氧作推进剂，但在一系列试验中因点火延迟导致发动机爆炸而失败。布劳恩 全面修改了 A-1方案，拿出新的A-2方案。两枚改进后的A-2火箭于1934年12月从北海 中的博尔库姆岛上发射，飞行高度达2.4公里。 A-2的成功导致了A-3的问世。新的火箭第一次配备了陀螺控制的排气舵和气动稳 定舵等，这些改进使火箭发射不必再利用发射平台，而可以依靠尾翼竖立发射。 布劳恩的研究小组迅速扩大，原宇航协会的一批老成员也加入了他的研究计划。 陆军当局要求制造能用于实战的火箭，布劳恩小组便着手研制A-5。他们不用A-4的称 号，因为他们正酝酿着一个宏伟的计划。不带制导系统的 A-5火箭于1938年夏首次发 射，第一枚全陀螺制导的 A-5火箭于1939年秋发射成功。这时正值第二次世界大战爆 发，在不安定的世界又引起了一次强烈反响。 A-5的杰出成就开辟了研究火炮火箭——A-4的道路，这也是陆军所要求的。其最 初技术指标是火箭能飞行 275公里，携带一吨重的弹头。但火箭的大小必须限制在能 通过欧洲的标准隧道这一要求之内，这实际上成了决定火箭性能的主要因素。当时并 没有用这种火箭作为进攻伦敦的武器的计划，只是由于希特勒的狂妄才使它派上如此 用场。 A-4发动机采用液氧——酒精推动剂，推力高达25吨。A-4的前两次试飞都以发动 机爆炸而告终，但于1942年10月 3日进行的第三次试飞却获得惊人的成功。火箭升高 至85公里，射程为 190公里。在现场的军方负责人多恩贝格将军兴奋地对布劳恩说： “你知道我们今天完成的工作有什么意义吗?今天，宇宙飞船诞生了。” 多恩贝格是个有眼光的将军，这在当时的德国军界是难得的。他的论断是正确的， A-4奠基了现代火箭的模型。也正是这样的火箭将人造卫星和宇宙飞船送上太空。 在V-2飞弹，也就是A-4火箭大规模袭击伦敦的时候，布劳恩的小组仍在继续向前 走。他们提出的 A-9/A-10计划，是利用A-10火箭作助推器，来使具有飞机机翼的A-9 火箭在高空大气层中飞行5000公里。这可以使导弹从法国西部的发射场直接攻击美国 大西洋沿岸的目标。但是让设计者们感兴趣的是用这种火箭作为探索外层空间的工具。 布劳恩说：“只要稍微改进一下质量比，使用更好的推进剂，我们就有可能轻易地把 A-9火箭的驾驶员射入一条绕地球运行的永久卫星轨道上去。” 但这一切在当时的德国是不可能实现的，甚至连这样的建议也是不允许的。战争 剥夺了自由发展的权利，虽然有时战争也会加速某些项目的开发，但首要的是为军事 目的，是为了人类之间的互相残杀而发展的。 德国战败后，美苏两国分享了德国的火箭技术。在美军到达火箭发射场之前，美 国特工人员就已经同布劳恩取得联系，达成了协议，让这批专家平安地到达美国。这 样，美国得到了100多名第一流的德国专家和全部的A-4资料和少量 V-2零件；而由于 苏军的迅速进攻，也使苏联得到了大量的 V-2飞弹及其零件，以及一部分二流专家。 出于政治和军事上的需要，两国都迅速在A-4的基础上将火箭技术继续向前推进。 苏联很早就开始了火箭的研制工作。在苏联，太空活动是同科罗廖夫这个光辉的 名字紧紧联系在一起的。每项重大事件的背后，都有着科罗廖天的心血。如第一次成 功发射人造地球卫星“旅行者 1号”、月球背面的第一张照片、第一次载人飞行、第 一次太空漫步，甚至第一名女宇航员上天等等，这些人类历史上杰出的成就这么紧密 地和他联系在一起，他是多么了不起啊! 科罗廖夫生于1907年 1月12日。少年时代迷恋于飞行和空中格斗，但在1930年他 离开了飞行学校，而将全部身心献给了火箭。从1932年始，科罗廖夫领导着莫斯科的 火箭推动原理研究小组，从事火箭研制工作。1933年8月17日，他们成功地发射了GIR D-09火箭，推动剂为液氧和胶状汽油。第一枚全液体火箭GIRD-X于1933年11月25日发 射成功，飞行高度约为80米，飞行 150米。这些早期的试验奠定了苏联火箭发展的道 路。 二战期间，科罗廖夫主要的工作是改进战斗机性能。他将火箭发动机装在飞机上， 也就是现在的喷气式战斗机，这样大大提高了飞机的速度和适应性。 战后，他受命研制远程战略导弹。1948年进行了第一次试验，但一直到1957年， 第一枚两级式洲际导弹才试验成功。这在军事上的直接意义就是核弹头现在可以在20 分钟内打到美国的任何一个地方。只是在两年之后美国才拥有了这种能力。 洲际导弹的成功带来了另一个更加深远的影响。实际上，在研制洲际导弹的同时， 计划向地球轨道发射卫星的工作也在进行着。如此，苏联才能很快于1957年10月 4日 发射了第一颗人造地球卫星。 洲际导弹的核心部分是RD-107和RD-108火箭发动机。他们使用液氧和煤油作为推 进剂，每个发动机有四个燃烧室。发射卫星的火箭是由一个RD-108主发动机和四个RD -107助推器组成的。 当然，科罗廖夫的梦想并不仅仅是一颗卫星，他要实现载人飞行。在尤里·加加 林升空的前一天晚上，总设计师科罗廖夫和加加林并肩站着，望着宁静的太空默默无 语。最后，科罗廖夫紧紧握住加加林的手说：“你真幸运，你将从那么高的地方观察 美丽的地球。” 1961年 4月29日，加加林成为第一个飞入太空的人。随后不久，季托夫又乘坐“ 东方二号”飞船在太空中逗留了25个小时。人类终于毫无疑问地踏入了太空。 科罗廖夫的梦还在继续。向月球发射探测器，在月球软着陆，向其它行星发射探 测器都一一实现了，但他却没有能看到人类在月球上首次旅行。他于1966年1月去世。 他的骨灰盒被置入红场，他的住宅成为纪念馆。 美国人在这场太空竞赛中，一开始是失败者，其原因是多方面的。对于发射人造 卫星有两个方案，一个是先锋火箭设计，这个方案由于屡次的失败而最终遭废弃。但 也由于优先发展了这个计划，结果“先锋号”卫星发射失败更加造成了苏联在空间科 技上优于美国的感觉。另一个是由布劳恩领导设计的“红石”中程导弹方案，这是在 A-4 基础上稍作改进而产生的。布劳恩很早就指出，利用改进了的“红石”导弹将有 可能将卫星送入地球轨道。1957年 5月31日“宇宙神-C”试验成功，这时已具备了发 射人造卫星的可能，但由于其它原因被搁置了。只是在先锋计划失败后，迫于公众的 强大压力，国防部命令布劳恩小组必须在1958年 5月前准备好发射。但布劳恩他们认 为并不需要这么多时间。结果在1958年1月31日，“探索者1号”顺利升空。发射所用 的火箭是“朱诺-1号”，它是在原有的“宇宙神-C”火箭上再加一级，即第四级固体 火箭推动器。发射的时候，布劳恩并不在现场，他只能在五角大楼里焦急地等待。因 为一旦发射成功，布劳恩就要对公众发表讲演。只是当收到从卫星上传来的无线电讯 号时，所有的人才都松了一口气。 布劳恩也是一个对太空怀有特殊感情的人，他于1912年 3月23日生于德国的一个 上层家庭。早年就表露出在科学和音乐上的才能。他得到了母亲的文化熏陶，而不是 他父亲的商业、财政和政治上的爱好和才能。早在18岁时，他就加入了宇航协会从事 火箭研究，而终生再没有放弃过。在人造地球卫星发射成功后，他着手设计推力更大 的火箭，以便能将人送往宇宙空间，但他的方案并没有受到应有的重视。只是到了肯 尼迪时期，情况才根本改变。此时的航天事业以登月为核心，而建造能把庞大的阿波 罗飞船送往月球的大型火箭就是不可缺少的。“土星-5”应时而生。“土星-5”的研 制是非常困难的，以至于布劳恩在1967年11月 9日火箭试验成功后说：“我从没有相 信过它能实现。”但事实证明“土星-5”是完美的设计，极好地完成了阿波罗计划。 关于月球之旅，一开始有两种观点。一种是采用月球轨道分离方式，另一种是采 用地球轨道分离方式。前者是由奥伯特提出的，也是后来实际采用的。后者是布劳恩 一开始坚持的。他设想用一枚“土星-5”将飞船送往地球轨道，然后再用另一枚火箭 以供给飞船充分的能源来进行月球旅行。但当仔细分析表明了前一方案的优越性后， 布劳恩愉快地放弃了自己的想法并专心于火箭研制。布劳恩是个心胸开阔的人，这也 是伟大的科学家应当具备的品格。 在1972年12月阿波罗17号结束飞行后，阿波罗计划就宣告结束了。布劳恩转到空 间站的研究上去。布劳恩也试图在其它方面有所突破，但他的健康情况却逐渐恶化， 导致他于1976年12月退休，于1977年1月16日死于弗吉尼亚。