2021-08-27 22:21
什么因素对现代航天火箭的发展影响最大呢?是我们人类无法抑制的探索欲望吗?还是火箭作为大规模杀伤性武器的致命力量呢?早期科幻小说作家那些牵强的幻想对早期的火箭科学家又有多大的启发呢？大家好，我是科学拓荒者，本期内容我们就一起来探索太空火箭的发展史。

早期火箭的发明
2500年前，古希腊人就了解了现代火箭技术的基本原理。但历史学家们一致认为，最早能正常使用的火箭是公元一世纪中国古代的烟花。中空的竹筒里塞满了由硝石、硫磺和木炭粉组成的基本燃料，本来可以用来在节日里点燃酷炫的炮弹进行炫耀。不久，一些可怕的坏蛋看到了它潜在的军事用途。从13世纪开荒之战的幸存记录来看，可怕的“飞火之箭”，基本上是宋朝的火箭，雨点般落在狂暴的蒙古游牧民族身上。这些粗糙的导弹十有八九很糟糕，但它们在蒙古人心中留下了足够的恐惧，之后游牧的马民模仿了他们自己对手的火箭武器。很可能就是这个想法最终进入欧洲的原因。


到了17世纪，人们对这个概念有了充分的了解，甚至还创造了“火箭”一词。这个词是由意大利单词“roquette”衍生而来的，roquette是一种用来固定老式纺车上的线的尖头。大约在同一时间，在英国，艾萨克·牛顿第一次发现了运动定律。牛顿第三定律——每个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力——很好地总结了火箭的运行方式。

回到亚洲，在18世纪晚期，现在印度南部的迈索尔王国发展了他们自己的火箭武器，使用坚固的铁管将炮弹发射到令人印象深刻的2公里左右。迈索尔火箭计划是如此成功，以至于一位名叫威廉·康格里夫的英国人窃取了这个想法，并在19世纪早期用他的克隆火箭在1812年的战争中愉快地轰炸了新兴的美国殖民地。在此之后，火箭作为战争武器的效用有所减弱，因为大炮的优越性能和准确性使得小型武器在战斗中更加有效。尽管如此，这些精巧的装置还是抓住了大众的想象力。

不久之后，大胆的梦想家们提出了一种完全不同的火箭应用。

梦想家们对火箭的构想
1861年，苏格兰牧师兼业余天文学家威廉·利奇(William Leitch)写了一本书，名为《上帝在天堂的荣耀》(God ' s Glory In the Heavens)。他在书中提出了一个激进的想法，即借助这项令人兴奋的技术，人类可以在星际间开辟新生活。

“让我们……试图逃离我们地球的狭窄界限……从一个不同的角度来看待它”，利奇赞美道。“可是我们用什么交通工具去旅行呢?”


我们能想到的唯一机器就是火箭的原理之一。在同一时期，科幻小说作家儒勒·凡尔纳（Jules Verne）发表了他的具有惊人先见之明的小说《从地球到月球》（From the Earth to the Moon）。顺便提一下，在这本写于阿波罗任务100年前的书中，凡尔纳正确地预测了20世纪太空发射的成本，控制了通货膨胀，并预见了一些巧妙的细节，比如可能会有3名宇航员。他甚至猜对了火箭将从佛罗里达发射。有趣的是，一位凡尔纳的粉丝甚至打算让艺术模仿生活。

1903年，一位性情温和的俄罗斯高中数学老师康斯坦丁•齐奥尔科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)在一本航空杂志上发表了一篇题为《用反应机器探索外太空》(Exploration of Outer Space with Reaction Machines)的文章，文章中提出了一个现在被称为“火箭方程”的早期版本。正如你想知道的，火箭方程列出了火箭速度和质量之间的关系，以及气体以多快的速度离开推进剂系统以获得升力。从康斯坦丁的工作中得到的一个重要见解是，燃料和速度之间的关系是指数级的。这意味着它是非线性的。如果你想让火箭的速度增加一倍，简单地增加一倍燃料是不行的。


齐奥尔科夫斯基做的不仅仅是数学，他生动地描述了未来宇宙飞船的最终样子。在1900年左右，他写道，“想象一下……一个细长的金属室，阻力最小的形状”。“配备了电灯、氧气以及吸收二氧化碳、门和其它动物分泌物的设备，在管子狭窄的一端。”他接着说，“炸药混合在一起:稠密的、燃烧着的气体……在管子张开的一端以巨大的相对速度向外太空爆炸。”显然，在一定的条件下，这种炮弹会像火箭一样上升。

康斯坦丁并不是唯一一个有这种想法的人。在美国，罗伯特·戈达德(Robert Goddard)受另一位科幻作家HG·威尔斯(HG Wells)的启发，独立开发了自己的火箭方程。1926年3月，戈达德在马萨诸塞州奥本发射了史上第一枚液体燃料火箭，创造了历史。戈达德对火箭技术的贡献不能被夸大，他开发了不少于214项专利的技术。在他的实验中，他得出的结论是，燃烧应该发生在与主燃料分离的小燃烧室内。他认为，这些燃料应该被放在两个独立的容器中——一个装有燃料(根据他的早期试验，通常是酒精)，另一个装有氧化剂。


他还意识到，太空火箭需要分期布置。早在16世纪，德国烟花制造商约翰·施米德莱普（Johann Schmidlap）就提出了“阶梯火箭”，即大型火箭在燃烧完所有燃料后，尽其所能前进，然后再发射自己的第二枚火箭，使其飞得更高——这是所有现代太空任务的原理。但戈达德真的做到了。他还确定，固体火箭燃料燃烧太不均匀，无法精确控制，所以使用液体更好。他还设计了一个巧妙的陀螺仪来保持物体在轨道上，降落伞将物体安全带回地球，以及德拉瓦尔喷管的使用。正如你所问的，德拉瓦尔喷管通过将一段管道缩小成一个不对称但精确校准的沙漏形状，加速了气体的流动。这听起来可能不多，但将热能转化为动能可以在不产生额外燃烧的情况下产生额外的升力。

1920年，戈达德教授因其将火箭送入太空的梦想而闻名，《纽约时报》发表了一篇嘲弄他的社论，指出他没有正确理解牛顿第三定律。“他……不知道作用和反作用的关系，”报纸怒斥道。“或者需要比真空更好的东西来进行反应。他似乎缺乏高中时每天学到的知识。”滑稽的是，《纽约时报》随后在戈达德去世40年后，也就是登月前一个月，向他道歉了。


该领域的另一位早期巨人是赫尔曼·奥伯斯(Hermann Oberth)。奥伯斯出生在现在的罗马尼亚，他一生的大部分时间都在德国度过。奥伯思并没有受到俄罗斯康斯坦丁和美国戈达德等人的启发，而实际上是科幻小说的灵感来源，他在传奇电影导演弗里茨·朗（Fritz Lang）1929年的电影《月亮上的女人》（the Woman in the Moon）中担任科学顾问。显然他已经是火箭领域的大人物了，同年他写了一本书叫《太空飞行之路》（Ways to Spaceflight），并聘请了一个名叫沃纳·冯·布劳恩（Werner Von Brau）的年轻人当学徒。

现代火箭的正式使用
冯·布劳恩接受了奥伯斯的教导，并继续开发了历史上最重要的火箭之一——德国Aggregat-4，更广为人知的名称是V2。V2是世界上第一枚弹道导弹，在第二次世界大战中对盟国造成了毁灭性的影响。以今天的标准来看，它是矮矮胖胖的，只有14米高，但不知怎么的，它获得了惊人的推力，燃烧液氧和酒精的速度约为每7秒一吨。它是第一个突破音障的人造物体，也是第一个到达外太空的物体。尽管如此，它还是无法为德国赢得战争。战争结束后，V2的高级工程师被吸引到美国或苏联，以推进他们自己的新兴火箭项目。


沃纳·冯·布劳恩一直倾向于制造用于太空旅行的火箭，而不是杀害平民。他的专业知识帮助推动了美国战后的火箭发展。美国国家航空航天顾问委员会(NACA)是美国国家航空航天局(NASA)的前身，负责监督火箭的基本结构部件、泵阀等机械部件、发动机冷却系统、巧妙的新方向控制系统等方面的进展。“钝体理论”(Blunt Body Theory)就是由 NACA开发的，从这个理论可以理解，钝体比气动力更强的物体在重返大气层时更容易燃烧。

阶段火箭试验是在捕获的德国V2火箭上进行的，升级后使用较小的火箭作为有效载荷，并在峰值高度发射。在开发更有活力、更稳定的固体燃料方面取得的进展被用于洲际弹道导弹(ICBM)。在冷战的狂热气氛下，洲际弹道导弹需要随时准备发射。


俄国人，对他们来说，并没有闲着。他们自己的前德国新兵赫尔穆特·格特鲁普（Helmut Gröttrup）帮助苏联首席设计师谢尔盖·科罗廖夫（Sergei Korolev）开发了R-1。这进而导致了R-7，一种两级弹道导弹，射程8000公里，成为俄罗斯太空计划的主力，长达半个世纪。1957年10月4日，R-7将第一颗人造卫星斯普特尼克一号（Sputnik）送入轨道，在所谓的太空竞赛中，R-7赢得了一些重要的早期战斗。一个月后，徕卡（Laika）也跟着来了。

在美国，艾森豪威尔总统因为被打得措手不及而愤怒，并于1958年7月迅速签署了《国家航空航天法》。尽管快速发展的水星-红石助推器（Mercury-Redstone）同样基于基于V-2研发，但俄罗斯再次取得了成功，在一个改进版的经典苏联R-7火箭里，他们发射了第一个载人宇宙飞船，将尤里·加加林（Yuri Gagarin）送进了太空。


20世纪60年代是火箭工程师的繁荣时期，美国肯尼迪总统承诺在这个十年结束时将人类送上月球。当时，美国投入的巨额资金推动了火箭技术的发展，冯·布劳恩的最终愿景在1969年的三级土星五号(Saturn V)火箭上实现了，它将人类一路送上了月球。俄国人则试图迎头赶上，但由于预算问题和神童谢尔盖·科罗列夫的离世，这对他们来说是毁灭性的打击。

与此同时，专横且资金充裕的美国开发了航天飞机，这是一种富有远见的可重复使用的飞行器，主要依靠两个固体燃料助推器进入轨道。第一架航天飞机被命名为“企业号”(Enterprise)——显然科幻小说又一次影响了真正的科学——如果它不是一种极其昂贵的往返太空的方式，这个想法可能会很受欢迎。更不用说1986年“挑战者号”（the Challenger）灾难的悲惨后果了，它导致了我们提到的那些固体燃料助推器的彻底重新设计，以及2003年的“哥伦比亚号”悲剧。


需要明确的是，并不是只有俄罗斯人和美国人在向太空发射火箭。受苏联从人造卫星开始取得的成功的启发，中国在50年代末发展了自己的火箭计划，这一计划一直延续到今天，即从热带岛屿海南定期发射长征火箭。

太空运载火箭的未来
2004年，美国小布什总统宣布航天飞机计划退役，但引入了两种新的月球火箭，“战神1号”（Ares I）和“战神5号”（Ares V）。这两种火箭都是两级的，想法是再一次用固体燃料助推器在第一级进入轨道，然后改用液态燃料的Rocketdyne J-2X发动机，以便登上月球，甚至更遥远的地方。然而在2010年，奥巴马以全球金融危机为由取消了战神计划。尽管如此，他们还是批准了太空发射系统(SLS)，该系统有望在2024年将第一位女性送上月球。


如果火箭的历史可以总结为漂亮的烟花，它在20世纪末成为了武器，成为了地缘政治姿态的工具，那么如今一切都与金钱有关。这不一定是坏的结果。在埃隆·马斯克(Elon Musk)的领导下，SpaceX正在进行的激进创新——尤其是可重复使用、可着陆的“猎鹰9号”（Falcon 9s）——都是由利润驱动的。让有效载荷，也就是现在的宇航员，以安全和经济有效的方式进入轨道。这反过来又推动了设计迭代的每一个更快的速度，比如从可节流的“梅林”到“猛禽”引擎的进展。后者使用的是Meth-Ox，这是一种基于甲烷的燃料，因为它燃烧干净。从可重用性的角度来看，这显然是很好的，这意味着引擎在飞行期间需要更少的维护。


还因为目前在德克萨斯州南部开发的星际飞船应该能够在火星上提取自己的甲烷作为燃料来源，这个概念几乎超出了科幻小说的梦想。如果马斯克如愿以偿，这些星际飞船不仅能将人类送往火星，还能以比任何传统飞机都快的速度将我们从一个地方送到另一个地方。未来又会怎样呢？

新西兰初创公司Rocket Lab正在开发一种卢瑟福发动机，它将3D打印元素与电动泵送发动机结合在一起，并将在2024年推出自己的重型中子火箭。展望未来，核聚变反应堆甚至可能在不需要燃烧的情况下提供更有效的燃料来源。


现在越来越多的国家参与太空探索了，我们人类不再互相扔火箭了，太空又变得很酷了。有一件事我们可以肯定的是，火箭的未来正在迎来最好的时代。你觉得呢？人类对科幻小说的热爱，或者说人类好战的本能，最应该为火箭技术的革命而受到赞扬吗？欢迎在留言区写下你的看法。返回搜狐，查看更多
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