现代火箭

牛顿作用反作用定律是和影响人类生活的高新技术，特别是和航天技术紧密联系在一起的。这不仅在我国，而且在世界各国都是如此。1957 年 10

月 4 日，前苏联成功地发射了第一颗人造地球卫星，震惊了全世界，开创了人类宇宙航行的新时代，就是最有力的证明。

宇宙航行要以现代火箭为基础，前苏联在航天技术方面的一度领先，不能不归功于俄国一位中学教师的影响，他就是齐奥尔科夫斯基。

齐奥尔科夫期基自幼家境贫困，9 岁时因患猩红热引起耳聋而被迫中途退学。面对这样的逆境，他努力克服生理上的困难，顽强自学。功夫不负有心人，22 岁时他参加中学数学教师的招考，考试一举合格。从此，齐奥尔科夫斯基开始中学教师的生涯。但在业余时间，他依然一如既往地坚持搞科学研究。恐怕是受了著名幻想小说家儒勒·凡尔纳的影响，这位年轻、勤奋、与众不同的中学教师竟然也步儒勒·凡尔纳的后尘，写了一个题为《奇异的地球和天空》的科幻小说。就在这本书里，齐奥尔科夫斯基以令人惊叹的想象力，对于如何战胜地球的引力而飞出地球去的问题，作了十分生动而具体的分析。

紧接着，他于 1898 年写成《用火箭推进飞行器探索宇宙》一文，可是被

拖延 5 年后才发表在俄国《科学评论》杂志上。这篇论文在人类历史上第一次把征服宇宙空间的问题，提到科学的基础上。然而他仍深情地把这归纳为： “著名幻想小说家儒勒·凡尔纳在我的脑子里播下了第一颗飞向宇宙空间去的思想种子。后来，我就在这种思想的引导下去进行工作了。”

根据牛顿力学定律，对于使用什么工具才能实现宇宙飞行，齐奥尔科夫斯基通过周密计算，得出的结论是：不能用气球和大炮，而只能用火箭，因为它可以在没有空气的大气层以外飞行。在此基础上，他又提出两个涉及火箭运动的颇为著名的问题并得出了解释。

齐奥尔科夫斯基的第一个问题，即火箭不受外力作用关以一定的相对速度 vr 将气体向后喷出而作加速直线运动的问题。设带有燃料的火箭的初始质量为 M1，全部燃料用毕时的质量为 M2，则齐奥尔科夫斯基第一问题的运动方程为

M dv = −v dM

dt r dt

由此可以解出当燃料用毕时火箭的速度 v2 是

v2=v1+vrlnM1-vrlnM2

其中 v1 是火箭的初速度。若 v1=0

则燃料用毕时火箭的速度 v2 为

v2 = vr

ln M1

M

2

其中 M1/M2 称为火箭的质量比。可见，火箭所达到的速度 v2 与燃料的燃烧时间无关而只与火箭喷气速度 vr 和火箭的质量比有关。

齐奥尔科夫斯基的第二个问题，即火箭在重力作用下以一定的速度 vr 将气体向下喷出而作垂直向上运动的问题。设带有燃料的火箭初始质量为 M1 ， 全部燃料用毕时的火箭质量为 M2，则齐奥科夫斯基第二问题的运动方程为

M dv = −v dM − Mg

dt r dt

由此可解出当燃料用毕时火箭的速度 v2 是

v2 = vr

ln M1 − gt M 2

2 + v1

其中 v1 是火箭的初速度，t2 是燃料用毕的时刻，即喷射气体所需的时间。若 v1=0

则燃料用毕时的速度 v2 为

v2 = vr

ln M1

M 2

  • gt 2

可见，与齐奥尔科夫斯基第一问题相比，火箭所能达到的速度 v2 由于重力作用而减小 gt2，一般称它为速度损失。速度损失与喷气时间 t2 成正比， 喷射时间越短，速度损失越小。

从上述两个问题的解中可知，当火箭喷气速度固定时，为了提高火箭的末速度，就应尽量提高火箭的质量比。为此，齐奥尔科夫斯基又提出两项重大的富有历史意义的建议。

一是建造多级火箭。齐奥尔科夫斯基通过计算后认为，由于当时火箭的速度难于超过 4 公里/秒，因此应用单级火箭是很难飞出地球去的，于是他建议使用多级火箭。

1929 年，在他著的《宇宙火箭列车》一书中指出，建造多级火箭可采用两种方法：①火箭列车法。就是几个火箭像列车那样一个接一个地连接起来。发射时首先开动最末一个，等它的燃料完后，就从列车上脱落，于是倒数第二个火箭就接着开动⋯⋯。这样，就可使最前的一个火箭达到可以飞出地球去的速度。②火箭中队法，就是几个火箭像中队那样并排安排着。发射时一齐开动，燃料烧去一半后，两边的两个火箭就把剩余的一部分燃料合并到相邻的中间火箭去，最外边的两个火箭就从中队中脱离。这样，中间的火箭也可以达到飞出地球去的速度。

二是建造液体火箭。齐奥尔科夫斯基认识到，火箭喷气速度取决于燃气的温度和气体分子的质量，因此用煤和火药作用火箭发动机的燃料显然是不行的。于是他建议使用液体燃料，特别提出使用液氧作为氧化剂，液氢作为

燃烧剂。

他设计的火箭是这样的：“飞行器的外部形状像没有翅膀的飞鸟。里面大部分容器盛着液态氢和氧。这两种液体用隔板隔开，它们不能一下子就化合完，而是被人操纵着化合的快慢。火箭内还装了各种仪器以及坐了观测和操纵火箭的人。氧和氢在火箭发动机的细小部分混合以后，就发生化合作用生成水蒸汽，并产生很高的温度，水蒸汽的压力很大，从圆管的宽口里以惊人的速度向后喷出去，飞行器就向前进了。”

对于飞向遥远的星球，齐奥尔科夫斯基认为火箭所需的燃料没有必要一次就从地球上带够。因为在他看来，可以通过建造一个个地球卫星，在空中给火箭添加燃料。这个设想又是十分卓越的，他写道：“我们先要在大气层以外飞行，然后就建造地球的卫星——飞到别的星球去的驿站。随着一个个驿站的建立，在宇宙空间就出现了利用太阳能的工厂。这些工厂利用取之不尽的太阳能，供给我们光和燃料，使我们能在温室里栽培出奇异的果子，推动我们的飞船前进。”

齐奥尔科夫斯基提出的著名问题、建议和设想，尽管在沙皇俄国得不到赏识，尽管经常要遭到贵族们的非议，然而科学的真理一旦被揭示，总是要顽强地影响人类的社会生活。

是十月革命的胜利，给齐奥尔科夫斯基的研究工作带来勃勃生气。1929 年，列宁亲自签署一项指令，决定给齐奥尔科夫斯基多方面的帮助。这时的齐奥尔科夫斯基虽已是 60 多岁的老人了，但为了祖国与人类的宇宙航行事业，他以更充沛的精力投入研究工作。有人曾统计，齐奥尔科斯基一生发表著作、论文、科普文章、科学幻想小说等近 600 项，其中 450 项是在十月革命后完成的，从而对火箭技术的发展产生了深远影响，因此齐奥尔科夫斯基被誉为“俄国的火箭之父”也是当之无愧的。