书城工业技术航天航空小百科-航天事业的希望
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第4章 太空新时代(1)

伟大的预言

1873年冬天的一个夜晚,在积雪覆盖的莫斯科城,有一位18岁的年轻人,正在一间低矮的木屋里,借着一盏小油灯的灯光,埋头读书,他沉浸在另一个幻梦的世界里。忽然,他站起来,踱到窗前,仰望雪后夜空上繁星点点的世界,不住地喃喃自语:“人不能永远蜗居在地球这个摇篮,应该到遥远的星星上去看看。那么用什么方法才能飞向遥远的星空呢?”这位充满幻想的年轻人,脑海里编织起在太空飞行的情景。他回到桌旁,拿起笔,铺开纸,绘出了一幅想象中的宇宙飞船草图。这位年轻人就是日后创立宇航理论的先驱者。

这位被誉为“宇航之父”的俄国人,1857年9月出生在梁赞州一个偏僻村庄的贫寒家庭里。父亲是护林员,母亲务农。他10岁时因患猩红热而失去听力,失去了上学机会。念完小学三年级就辍学了。两年后母亲去世,他只好在家自学,靠顽强的毅力,5年学完了中学课程。由于求知强烈,16岁时他只身到莫斯科,但由于耳聋又无中学毕业文凭,无法进入大学。齐奥尔科夫斯基只得租住一间简陋的屋子,开始图书馆的艰苦自学生活,直到学完了大学的课程。1878年由于年老多病的父亲退休,经济上更加困难。同年,齐奥尔科夫斯基回到家乡,考取中学教师资格,在教学之余醉心于研究宇宙航行问题,提出了关于人造卫星和宇宙飞船的最早构想。齐奥尔科夫斯基的思路有时异想天开,并且简直到了痴迷的程度。为了研究气流对飞行器的影响,他竟像孩子一样,迎着大风身披被单猛跑,或者拽着风筝在泥泞路上奔跑,因此往往招致一些人的嘲弄和冷遇,甚至有人把这位耳聋的中学教师视为精神不正常的怪人。但齐奥尔科夫斯基冲破世人的偏见,矢志不渝,执著追求,不断有所成就。

1883年,他把自己的研究成果写成《自由空间》论文手稿,断定在地球上可以研究遥远的星空,在地球之外要受到失重的考验,火箭能在太空中飞行,同时描述了征服宇宙空间的火箭发动机原理。齐奥尔科夫斯基还写了一本叫《在地球之外》的科幻作品,设想科学家制造出一种长100米、直径40米的纺锤形“火箭航天船”,靠一种“宇宙枪”喷出气体,推动航天船进入环绕地球的轨道飞行。航天船载20人,可在船内栽种蔬菜和水果,制造金属材料,携带足够的食品和用具,然后飞往月球。这艘航天船中有两人开动月球车游览月球,看到了使人眼花缭乱的多姿多彩景象。经过若干年后,航天船平安返航,溅落在大洋上,胜利结束了一次难忘的宇宙航行。这个构想与今天的载人飞行有惊人的相似之处。火箭之父齐奥尓科夫斯基1892年,齐奥尔科夫斯基到卡卢加定居下来,致力于宇航的理论研究与实践。1898年他写成《利用喷气装置探索宇宙空间》的著作,集中地反映了他对宇航科学的贡献。在这部划时代的著作中,齐奥尔科夫斯基提出了火箭在自由空间中运动的基本原理,推导出了描述火箭在重力场中运动时所能达到的最大速度的数学公式,这就是具有奠基意义的齐氏公式。这个著名的公式以最简捷的形式表明,提高火箭速度的关键不在于增大火箭的尺寸和质量,而在于提高发动机的喷气速度和火箭在一定条件下尽可能多地添加推进剂。这一公式为火箭和宇航的发展奠定了理论基础。此后,齐奥尔科夫斯基进一步提出研制宇宙火箭列车即多级液体火箭实现宇宙航行的构想,并且培养造就了一代功勋卓著的航天探索者。但是鉴于当时的工业水平和工艺条件,齐氏未能亲眼看到火箭升空的情景。即使如此,齐奥尔科夫斯基也没有丝毫犹豫,对自己毕生的奋斗目标充满信心。他在1933年发表的一篇讲话中说:“我始终都坚定地认为,在可预见的将来,人类将可能飞向火星。尽管时代在变,但星际飞行的理想总要继续下去。今天我确信,你们之中将有人到星际中航行。”早在1911年4月13日,齐奥尔科夫斯基在一封信中写道:“地球是人类的摇篮。但是,人不会永远生活在摇篮里,他们不断地争取着生存世界和空间,起初将小心翼翼地飞出大气层,然后便是征服整个太阳系。”经过将近一个世纪的努力,这一预言正在变成现实,人类终于飞出了自己的摇篮,开始了到太空去游历的新里程。

梦想成真1920年1月20日,美国华盛顿传出一条新闻:克拉克大学物理系教授罗伯特·戈达德设计成功探测高空大气的多级火箭,它能把探测仪器送到200英里的高度,甚至可以到达月球。戈达德及其火箭顿时名噪一时,成为美国街谈巷议的中心话题。在地球的另一端,由齐奥尔科夫斯基构思的液体火箭,后来确实在戈达德的手里实现了。

戈达德1882年10月5日生于美国马萨诸塞州的伍斯特城。他幼年体弱多病,但却喜好学习,充满幻想。在上小学时,有一次他好奇地拆开蓄电池,取出一对锌制电极,绑在自己的脚上,试图升空飞行。他中学时读完科幻小说《从地球到月球》,便爬上一棵樱桃树,极目远望辽阔的天空,不禁想发明一种工具,飞到天上旅游。1908年从伍斯特工学院毕业后,在攻读物理学硕士和博士的同时,他倾心于利用火箭推力实现宇宙航行的研究工作。

1919年,戈达德将自己多年的研究成果写成一篇题为《达到极限高度的一种方法》的著名论文。这篇著作描述了火箭运动的数学原理和计算方法,提出了利用火箭冲击月球的宇航原理。他还用示意图说明火箭如何可能抵达月球。当时这个结论不被人理解,嘲笑者攻击者大有人在,但这并未动摇戈达德的追求。他在给朋友的信中表达了自己的心迹:“生命如此之短暂,而世上又有那么多的事需要我们去做,这是令人着急的。我们应当冒点风险,去做那些我们力所能及的工作。”戈达德是第一个将火箭技术理论与实际的试制试验工作相结合的先驱者,他经过艰苦努力,在马萨诸塞州奥本郊外的沃德农场建起了一座液体火箭静态试验和发射基地。他一面在克拉克大学从事火箭理论研究,一面利用假日到沃德农场进行试验。1923年,经过多次失败,戈达德制成了世界上第一台供飞行试验用的液体火箭发动机样机。这台用汽油和液氧作燃料的液体火箭发动机在沃德农场进行地面静态试验。它被固定在试车台上,用泵把液氧和汽油注入发动机中,然后点火燃烧,测试发动机功率及其他数据,这次测试结果对发动机设计的改进具有重要参考作用。1925年11月戈达德造出了一台55千克的小型液体火箭发动机,成功地工作。

1926年3月16日,是世界火箭发展史上一个永不磨灭的日子。这一天下午2时30分,在大雪覆盖的沃德农场,世界上第一枚液体火箭竖在简陋的发射架上点火发射,火箭起飞,爬高12米,然后水平飞行56米,最后掉在一片菜地里,整个飞行时间仅25秒,但这却是划时代的一瞬。戈达德为试验成功兴奋不已,激动地喊道:“这一下我可创造了历史!”这确实是20世纪初叶创造的一大奇迹。

这枚花了戈达德20多年心血的火箭,高304米,由一台06米长的液体发动机和两个燃料贮箱组成。它的结构尽管简单,但却是火箭技术的一次飞跃,从此,火箭进入实际的试验阶段。1930年12月30日,戈达德又研制一种较大的液体火箭,发射高度610米,飞行距离300米,速度达到800公里/小时。这枚火箭的性能已大大提高了一步。

1930年以后,戈达德辞去了在克拉克大学的教职,在新墨西哥州罗斯韦尔沙漠建立起艾登火箭试验场。他把全部精力用于液体火箭的研究试验,到1940年,他先后设计了十种系列火箭,目的是探索加大发动机尺寸的可能;试验燃料的性能和混合比例;利用陀螺控制燃气舵稳定的飞行方向;研究小型离心泵喷注推进剂;提高发动机的功率等。后来,戈达德在改进火箭的研究中继续获得进展,他一生申请了212项有关火箭技术和航空技术的专利,为人类的航天事业作出了巨大贡献。

1945年8月10日戈达德病逝。他被誉为美国“火箭之父”。为纪念他的功绩,美国国家航空航天局的一座空间飞行中心以戈达德的名字命名。他的一位全力支持火箭研究的好友、曾经第一个成功驾机飞越大西洋的空中英雄林白,在1958年目睹美国第一颗卫星发射上天时,无限感慨地怀念说:“1929年,戈达德就在我面前展现了一幅多级火箭发展前景的蓝图。30年后的今天,我在卡纳维拉尔角空军基地亲眼看到一枚巨大的多级火箭腾空而起的动人情景。我真不知道,是他那时在做梦,还是我现在在做梦。”火箭的威力1944年6月13日凌晨,在英国伦敦上空突然响起可怕的爆炸声。随后,嗡嗡的呼啸声不断,一个个火球从天而降,城中立刻燃起大火,人们惊恐万状,不知发生了什么事情。原来这是德国法西斯发射的V-1飞航式火箭。9月8日傍晚,希特勒更加丧心病狂地向伦敦发动猛烈的空袭,发射了威力更大的V-2弹道式火箭。这是有史以来世界上投入战争的第一种火箭。人们发现,火箭作为战争工具,显示了惊人的威力。

德国研究火箭,是从赫尔曼·奥伯特发起成立宇宙旅行协会开始的,以后形成了一股热潮。这位1894年在罗马尼亚出生的德国科学家,少年时代就热衷于宇宙航行。他后来风趣地回忆说:“每年我有8至10个发明,想方设法使宇宙飞船能离开地球,飞向月球。”1923年,他完成了《飞向行星际空间的火箭》论文,描述了液体火箭、人造卫星以及空间站的设想。在奥伯特的影响下,涌现出了一批热衷于宇宙旅行的青年研究者。1927年奥伯特组织成立德国宇宙旅行协会,会员后来发展到1千多人,推动了火箭技术研究工作。在这个协会中,培养造就了一批出类拔萃的宇航科学家,包括后来V-2火箭的研制者冯·布劳恩教授。1930年,奥伯特主持设计了一种锥形喷嘴火箭发动机,把它装在液体火箭上点火发射,燃烧90秒,产生了7千克力(约为69牛)的推力,试验成功了。这是德国宇宙旅行协会研制的第一枚液体火箭。奥伯特的学生冯·布劳恩作为他的助手崭露才华,迅速成长为火箭技术领域的佼佼者。

冯·布劳恩1912年3月23日生于德国维尔锡茨的富豪官僚家庭。在中学时代,他阅读了许多介绍宇航的书籍,并给奥伯特写信,表示喜爱火箭研究工作。1930年18岁时他就被吸收为德国宇宙旅行协会会员。他在协会中参与设计完成米拉克1号和2号火箭。德国陆军看中了萌芽中的火箭技术,计划秘密发展火箭试验。而布劳恩清楚,发展火箭以及把它用于太空飞行的目的,是一项投资巨大、规模超常的工作,并不是个人或民间团体所能承担的任务,因此他想通过陆军的资金和设备,达到实现真正的宇宙航行。1932年布劳恩还在柏林大学深造时,就成为不穿军装的陆军火箭研制人员,着手设计一台小型火箭发动机。在试车台上进行静态试验时,火箭燃烧60秒,推力达到140千克力(约为1370牛)。虽然获得成功,但也暴露出许多技术问题。布劳恩意识到,研制火箭是技术十分复杂的尖端工程,不是几个人能把技术问题全部解决的,应当由各个方面的专家分工协作,才能使火箭工程顺利发展。于是,他建议把原来宇宙旅行协会的一批专家组织起来,集中到陆军库麦斯多夫试验场参加流体火箭研制工作。

1933年,布劳恩领导的库麦斯多夫液体火箭小组开始研制A系列火箭。

从1934年至1942年先后研制成4种A型液体火箭,其中A-4型火箭飞行速度接近2千米/秒,飞行距离达到1898千米。如果在此基础上研制多级火箭,人类也许可能会提前跨入太空的大门,然而法西斯德国却垂青于它的军用价值,下令把A-4型火箭改装成导弹,用作战争的武器。纳粹头目之一的戈培尔把A-4型火箭改名为V-2导弹,冠以“复仇”之名。V-2火箭全长14米,直径165米,装有十字形尾翼,采用酒精和液氧作推进剂,发动机推力为265吨力(约为260千牛),起飞质量13吨,能将1吨重的弹头发射到275至320公里的地方,飞行全程只用5分钟左右。这在当时是最先进、最重型的杀伤武器了。V-2火箭于1942年10月3日首次试射成功。从1944年9月至1945年3月,德国共制造了6000多枚V-2火箭,其中用了4320多枚袭击英国、法国和其他国家的目标,给这些国家造成巨大灾难,留下了战争的创伤。尽管V-2火箭被吹嘘为不可一世的“神奇武器”,但最终也未能挽救德国法西斯的覆灭命运。

V-2火箭在战争中扮演了极不光彩的角色,但它的技术上的成功却使人类向征服太空跨近了一步,在世界航天发展史上是一个重要的里程碑。V-2火箭的出现,为战后发展航天运载工具奠定了基础。