火龙出水与万户飞天
火龙出水与万户飞天
大型现代火箭是20世纪人类航天的运载工具，然而，火箭的发明历史可以追溯到古代，火箭的发源地是中国。
图1－5 古代火箭飞行原理
中国发明了火药后，便有了鞭炮，炮竹是火箭的鼻祖。自三国时期起我国史籍上便有了关于火箭的记载。但是，最初的“火箭”只是在箭头上附着油脂、松香、硫磺之类易燃物质，点燃发射出去以引起对方燃烧，实际上是一种带火的箭，是古代的一种纵火器。
由火药喷射推进的火箭的发明年代大约在唐末宋初。在唐代的烟火玩具中已经有了“烟火起轮，走绒流星”。宋代的唐福曾经把他所制造的火箭、火球、火蒺藜献给朝廷。不久，石普也制造出火药、火箭，宋真宗还把他召来，当众作了表演。
这时的火箭制作方法是把装有火药的竹筒绑在箭杆的中部。使用时，点燃导火线，火药急剧燃烧膨胀，从尾部猛烈向后喷出，在喷出烟雾的相反方向，火箭获得了向前的动力，箭体就不断加速，冒着烟向敌人阵地飞去。发射火箭不用借助任何机械力，推动火箭的动力是反作用推力。从这种古代火箭的结构来看，它和现代火箭的工作原理是一样的。绑在箭杆上的火药筒的空腔，相当于现代火箭发动机的燃烧室，火药就是推进剂。火箭比普通箭飞得快、飞得远，杀伤力大，在战场上屡建奇功。
图1－6 蒙古人使用火箭壁画
在宋代，守卫京都的宋兵曾经用火箭吓退了攻城的外族入侵者。火箭技术由我国经过商船的往来和战争的需求传入印度、阿拉伯国家和欧洲。据说，欧洲人最早使用的火箭是成吉思汗西征时传过去的。当时在欧洲战场上，还出现了多箭齐发的火箭筒，即一支筒内装几只甚至几十只火箭，通过一根引线同各个火箭的引线相连，点燃引线后，火箭即可同时发射。这种集束式火箭在战场上颇具威力，使欧洲人大为吃惊。成吉思汗的部队曾经打到现在波兰的利格尼兹地区，一幅描绘蒙古军队使用火箭作战的壁画就是在利格尼兹发现的。
明代是火箭发展的鼎盛时期，明代的军事家、技术家和工匠们把火箭技术推向了一个更高的水平，在著名的军事著作《武备志》中有许多火箭插图。明代的火箭种类繁多，除单只火箭外，发展了各种集束火箭、火箭弹和原始的多级火箭。同时，明代出现了许多讨论火攻技术的军事著作，对各种火箭的制造、应用和改进作了详尽的叙述。火箭在明代有广泛的使用，在水军、步兵和骑兵部队中都作为必备的武器，甚至有专业的火箭部队。
图1－7 神火飞鸦
《武备志》中记载的集束式火箭有10种之多。有一种称作“一窝蜂”的火箭制造非常巧妙，在一个木桶内盛着32支箭，可以一次发射，射程300步，杀伤力较大。还有一种“百虎齐奔”火箭，匣内装有100只串联火箭，射程300步，其势凶猛。
明代的火箭弹最著名的是“神火飞鸦”。它是用细竹条或芦苇编成像乌鸦身体外型的篓子，如斤余鸡大小。外用纸和线封固，内充满火药。鸦身上装有头、尾和翅膀，似鸦飞模样，起稳定飞行作用。鸦身下面安装4只火箭，对称插入鸦身两侧。鸦身背部开钻一孔，用4根引线把孔和火箭相连。当火箭点火时，鸦可以借助反作用推力起飞，在空中飞行距离可以达到100丈。当鸦将坠地时，火箭燃尽引燃药线，使鸦身内的火药发生爆炸，从而焚烧敌人阵地或船只。这种火箭弹同现代火箭弹的基本原理是一致的:喷气推进的运载工具和弹头部分，在远距离把炸弹发射到敌方。
《武备志》中还描述了一种叫做“火龙出水”的火箭:“水战，可离水三四尺燃火，即飞水面二三里去远，如火龙出于江面，筒药将完，腹内火箭飞出，人船俱焚。”说明在使用时，使火箭在离水面三四尺高的地方燃火，燃火所形成的喷气推进火箭可以达到二三里远的地方，好像火龙飞出水面一样。当筒内火药将要烧完时，筒腹内的“火箭”飞出来，使敌方的人和船一起燃烧起来。从这个记载来看，“火龙出水”的火箭原理和现代二级火箭是基本相同的。
图1－8 火龙出水
中国古代的这些新颖构思的火箭在抵御外族入侵的战争中发挥了很好的作用，当时国外的一些记载，将其称作“中国箭”。
图1－9 万户飞天
中国古代的火箭虽然主要用于战争，但是古人也没有忘记用火箭来实现飞天的梦想。明代有一个叫做“万户”的人，曾经做过一个重要试验。有人说万户是一个木匠，后来从军入伍，由于喜欢钻研，对刀、枪、车、船等进行过不少改进，后来被授予专司兵器之职;也有人说他是一个官吏，万户是官的名称。万户在一个坐椅的背后，背上47个当时他可能买到的最大的火箭，再把他自己捆在椅子的前边。万户两只手里各拿着一个大风筝，然后叫他的仆人用火同时将47个大火箭点着。他的目的是想借助火箭推进的力量和风筝上升的力量飞向前方。从史书的记载来看，万户的试验没有取得成功，这是非常遗憾的。万户探索飞行技术的想像力是十分丰富的，他的勇敢精神、他的创新勇气是令后人景仰的。后人对万户给予高度评价，称他是“第一个试图使用火箭作运输工具的人”，又说他是“第一次试图利用火箭作飞行的人”。
火药火箭是第一种实用的反作用推进装置。从古代的火箭飞行的分析，我们已经知道，推动火箭上升的力是反作用推力，只要火箭不断燃烧，在燃气喷射相反的方向就能获得反作用推力，如果这个反作用推力大于火箭自身重量的数值，火箭就可以不断加速前进。由于火箭飞行动力是反作用推力，它飞行不需要大气的浮力或气流的升力，这就使火箭有可能在地球大气层以外飞行。虽然固体火箭的许多局限证明它不是理想的太空运输工具，但它的基本飞行原理却与作为现代航天运载工具的大型多级液体火箭是一样的。现代的航天先驱者们正是通过对固体火箭的研究才认识到:要实现太空飞行，只有依赖反作用原理的火箭。
【注释】
[1]牛顿著，王克迪等译。《自然哲学之数学原理》。武汉出版社，1992年，3页。
[2]此当指地球表面经度，因剑桥地处径度0度。