宋宇：齐奥尔科夫斯基预言——人类进入星际航行时代

　　宋宇　2011年10月28日　前沿战略论坛

　　早在20世纪初，“火箭之父”齐奥尔科夫斯基就预言，总有一天“一吨重的火箭只要用一小撮镭，就足以挣断与太阳系的一切引力联系”。核动力火箭产生比化学火箭大得多的推力，如果使用化学火箭飞向火星，其初始质量是最终质量的5倍，而核火箭的初始质量仅是最终质量的1.15倍。换句话说，如果去火星探测，飞船的最终重量是1吨，则化学火箭的发射重量就要5吨，而核火箭只要1.15吨。

　　我们知道，核动力载人飞船关键技术之一就是核火箭的研制问题。目前广泛使用的技术是化学能火箭，而核火箭、电火箭以及太阳能火箭属于非化学能火箭，亦称非常规推进系统，其中有的已经付诸应用，有的尚处于研发之中。核火箭发动机是利用核反应或放射性衰变释放的能量加热工作介质，使工质通过喷管膨胀后高速排出产生反作用力，推动火箭高速飞行。这种发动机性能高、速度快、寿命长，但技术复杂，非常适用于长期飞行的航天器。研制中存在的主要问题是辐射防护、排气污染、反应堆的控制以及高效率换热器的设计等。由于这类问题不易攻克，从20世纪60年代就开始研究的核火箭发动机，至今仍处于试验阶段。

　　这里介绍一下“火箭之父”齐奥尔科夫斯基。齐奥尔科夫斯基（1857～1935）是俄国人，他的研究成果对苏联火箭技术的发展有深远影响。齐奥尔科夫斯基从小多病，曾经患猩红热，病后耳朵几乎聋了，被迫中途退学。但他顽强自学，22岁时参加中学数学教师的招考，考试合格，开始了中学教师生活，业余时间搞科学研究。1895年他写了一本科学幻想小说《奇异的地球和天空》。1898年，他写成《用火箭推进飞行器探索宇宙》一文，拖延5年以后才发表在俄国《科学评论》杂志上。这篇文章第一次阐述了火箭飞行和火箭发动机的基本原理，具体说明液体火箭的构造，认为可以用液氧和煤油做推进剂，提出了质量比（起飞质量和推进剂消耗完以后的质量的比值）概念，推导出计算火箭飞行最大速度的公式。它从科学上证明了太空旅行的可行性。齐奥尔科夫斯基总共发表论文、科普文章、科学幻想小说580篇，其中450篇是十月革命后发表的。1920年，列宁亲自下令支持齐奥尔科夫斯基的研究工作。1928年7月，在列宁格勒成立了空气动力实验室，这是苏联的第一个火箭研究机构，主要研究固体火箭。齐奥尔科夫斯基提出了燃气涡轮发动机的新方案，以及飞行器在行星表面着陆的理论，1929年提出了多级火箭构造设想。这一富有创见的构想，为研制克服地球引力的运载工具提供了依据。1931年，苏联又成立了喷气推进研究小组，重点研究液体火箭发动机，得到陆军装备部资助。1933年以后，这个小组由卡拉廖夫（1907～1966）负责。卡拉廖夫后来是苏联第一个人造卫星和宇宙飞船的总设计师。1933年8月，他们研制的第一枚液体火箭试飞成功，起飞重量只有19公斤，火箭全长2.4米，飞到400米高空。当时，苏联的火箭技术并不如德国，也不如美国。但是苏联远比美国重视这方面的工作。在苏联第一枚液体火箭发射以后一个月，苏共中央政治局决定把空气动力实验室和喷气推进研究小组合并，成立喷气推进研究院，卡拉廖夫任副院长。喷气推进研究院在二战期间，研究成功做飞机助推器的液体火箭发动机和固体火箭发动机，还研究成功威震敌胆的“喀秋莎”多管火箭炮（固体火箭）。“二战”后，苏联仿制了上千枚V-2导弹，进行了一系列实验。1957年10月，苏联成功发射世界上第一颗人造地球卫星，这颗卫星里的主要仪器设备是化学能电池和无线电发报机。美国于1958年1月发射了本国第一颗人造卫星，卫星携载探测放射性辐射的仪器，发现地球外围有一层辐射带（“范艾伦”带），被认为是地球物理年的最大科研成果。1958年3月，美国第二颗卫星首次使用了太阳能电池，并且发现地球是梨形的。

　　这里顺便介绍一下另两位火箭研究的鼻祖——奥伯特和哥达德。

　　奥伯特（1894～1989）出生于匈牙利，但他关于火箭的研究工作是在德国进行的。1923年，奥伯斯写成《从火箭到星际太空》一书并正式出版。他深入研究了许多技术问题，比如喷气速度、理想速度和火箭在大气层中上升的最佳速度等。奥伯斯的著作曾经由科普作家改写成通俗读物，有广泛的影响。1927年，德国成立了太空飞行协会，一年里就有3500余名会员。布劳恩（1912～1977）是太空飞行协会会员之一，他和军方密切合作，亲自领导了液体火箭的研制工作。1933年希特勒上台后，支持陆军研制导弹的设想。1934年，德国试验了两枚液体火箭，火箭重150公斤，推力300公斤，能够飞到2000米高空。1937年，德国投资3亿马克，在波罗的海沿岸的庇纳门德建立一个火箭研究中心，有发动机实验台、发射场地等设备。1942年10月，A-4火箭在庇纳门德试验成功，A-4火箭就是V-2导弹的运载火箭。

　　哥达德（1882～1945）是美国人，他被科学幻想小说描写的太空飞行所吸引，立志从事火箭研究。他把理论研究和实验结合起来。1926年3月，哥达德制造的用液氧和汽油做推进剂的第一枚火箭试飞成功。1929年，他又发射一枚装有气压计、温度计和照相机的火箭。从1930年至1935年，哥达德发射了多枚火箭，高度达到2500米左右。哥达德的研究工作没有得到美国政府的支持。

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