运载火箭的产生和发展
现代火箭的产生和发展是建立在大量的理论和实验研究基础上的。由于液体燃料燃烧的理论和技术问题都比固体燃料简单,所以现代火箭是从液体火箭开始的。苏联、德国、美国都有代表人物在研制火箭方面取得杰出成就。
齐奥尔科夫斯基
俄国中学教师齐奥尔科夫斯基对火箭理论的研究和发展做出了震古烁今的贡献。他首先敏锐地指出,巨大火箭的动力应当是液体火箭发动机。他设计了用液体火箭发动机作动力的飞行器草图,并设想用煤油和液氧作推进剂(燃料) 。
1857年9月5日,齐奥尔科夫斯基诞生于俄国的一户贫寒农家。9岁那年,由于患了严重的猩红热病,他的双耳丧失了听力,无法继续上学。从此,他在母亲的指导下学习功课。童年的不幸,使他整天呆在家里阅读书籍,再也无法与别的孩子一起玩。2年后,他的母亲去世了,这种不幸使他变得更加孤独,同时也使他开始沉醉在书本的海洋中。
16岁那年,父亲把他送到莫斯科学习。他住在一位贫苦洗衣妇女家里,每天忘我地自学,不论是炎热的夏天,还是寒冷的冬天,他都到附近图书馆里埋头读书,甚至常常忘记饥饿和寒冷。他认识到,刻苦自学,是猎取科学知识的唯一道路。尽管生活上很艰辛,只能用一点黑面包充饥,但在莫斯科的3年里,他自学完微积分、解析几何、球面三角、高等数学、物理学、化学、天文学等许多科学知识,其中飞行问题像吸铁石一样吸引着他,使他脑子里充满了各种幻想。
3年半后,他回到家乡,当了中学教师。后来,齐奥尔科夫斯基全力以赴地投身于火箭和宇宙航行问题的研究之中。他确信只有火箭才是实现宇宙航行的最理想的交通工具,并首先提出多级火箭理想速度的计算公式。这个公式就是著名的齐奥尔科夫斯基公式。
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。
1920年,列宁亲自下令支持齐奥尔科夫斯基的研究工作。他的研究成果对苏联火箭技术的发展产生了深远的影响。
世界上第一个制成液体火箭并投入试验的,是美国科学家戈达德。
1926年3月16日,在罗斯维尔的荒郊,架起了一座两米多高的发射架,上面竖着一枚高约3.9米的火箭,戈达德要在这里进行划时代的试验。
开始发射了,火箭下面喷出燃气,火箭直往上窜,可是只飞了12米高、56米远。这和现代的火箭相比,自然不可同日而语,但它毕竟是世界上第一枚发射成功的液体火箭。戈达德的贡献是把航天理论与火箭技术结合起来,使火箭进入实际的研制阶段。
戈达德不断地改进他的火箭,最终使火箭有了相当可观的高度和速度。
刚开始发射的火箭,由于没有控制设备,火箭不能按预定的方向飞行,1932年,戈达德开始用高速旋转的陀螺来解决火箭的稳定性。陀螺能绕某一个支点自由旋转。最简单的陀螺就是民间玩具“地转子”或称“地牛” 。当“地牛”在地面围绕自身轴线飞快转动时,你越使劲抽它,它就转得越欢,立得越稳;不使劲抽就转得慢,开始摇晃;如果不抽, “地牛”最终会倒地,这一特性就是旋转物体的定轴性。火箭装上这种陀螺就能扶摇直上了。
火箭上升到一定高度后,还要改变方向,这就需要操纵。为了解决这个问题,戈达德发明了燃气舵,它的功用有如飞机的方向舵,不过飞机的方向舵是靠外部气流的作用,使其偏转以改变飞机的航向,而燃气舵却是装在火箭发动机的内部靠近喷口的地方,它利用燃气流的作用使其偏转,从而达到改变火箭方向的目的。
1932年,戈达德完成了陀螺和燃气舵控制火箭飞行的试验。1935年,戈达德制造的火箭的速度超过音速,射程达到70千米,他的成功就使30年代一大批火箭研制者受到鼓舞,德国的奥伯特就是其中一个。
奥伯特提出许多关于火箭构造和飞行的新观点,1923年,他出版了《从火箭到星际太空》一书。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。奥伯特的著作曾经由科普作家改成写通俗读物,产生了广泛影响。他的名著《通向航天之路》激发了许多青少年对航天事业的兴趣,许多国家相继成立了火箭和航天爱好者的组织。1927年,德国创建了太空旅行协会,由奥伯特任会长,1928年,苏联成立了反作用运动研究会,随后英美等国也相继成立了星际旅行的学会或协会,这些组织中的不少成员后来都成为各国研究第一代火箭的领导者或技术骨干。
从20世纪30年代起,火箭研究在德、意、英、法、奥等许多国家开展起来。尤其是德国,它的开创性研究,是在其他欧洲国家的严密监视下进行的。从30年代开始,特别是希特勒上台之后,德国广泛网罗人才,充分提供研究经费,在极端保密的情况下,使火箭研究迅速发展。
1932年,德国陆军接管了火箭研究工作,并进行了大量基础性研究。1933年,在冯·布劳恩的主持下,开始设计火箭。通过反复试验,在空气动力学方面取得了重要成果,在制导与控制、发动机设计、弹道设计方面积累了大量经验。
在此基础上,1942年10月3日,在精心选择、严格保密的波罗的海沿岸佩内明德发射场,德国成功地发射了第一枚液体军用飞弹V -2,飞行190千米,横向偏差4千米,最大高度85千米。V -2飞弹全长14米,结构重量为3.99吨,携带8.96吨推进剂和1吨的弹头,最大射程300千米。
第二次世界大战以后,美苏两国成了德国V -2成就的继承者。美国俘获了包括冯·布劳恩在内的100多名德国一流的火箭专家、全部V -2资料;苏联俘获了一批二流专家和大量V -2及其零件。这为美苏发展火箭技术提供了有利条件。
在1945年以前,科学家们对距地表100千米以上高空的情况,只有通过间接手段得来的少得可怜的知识。战后,科学家们迫不及待地利用战争中发展起来的火箭,在头部安放仪器,对高空各方面的情况进行直接的探测。
1946年4月美国首次发射V - 2,这是一个探空火箭计划的开始,也是研究、仿制、改进V - 2直到研究全新火箭这个过程的开始。不久,V -2火箭头部装上科学仪器被发射到73~130千米的高空。1947年第一次成功地使用降落伞将火箭安全降落下来。
1947年10月,苏联发射了第一颗V - 2。1947~1949年还研制了几种探空火箭,一直用到20世纪50年代。
战后10年,火箭发动机技术、飞行控制、跟踪、遥测和遥控仪器都随着经验的积累和高空数据的获得而不断发展。1957~1958年是国际地球物理年,出现了利用探空火箭探测高空的高潮。在此期间,美国发射了210枚火箭,苏联发射了125枚,英、德、法、日等十几个国家也都制定了探空的合作项目。火箭最大高度已达470千米。在这些探测活动中,各国获得了关于地球大气层的物理和化学性质、地磁场、宇宙辐射和太阳辐射以及陨石等大量资料,火箭的科学价值也逐渐为人们所充分认识。