利用反作用裝置探索宇宙空間
一道方程證明:火箭能抵達太空——只要它幾乎全是燃料。
在俄國一座鄉間小城裡,一位失聰的小學教師,用一道方程算清了飛向太空究竟需要什麼——比任何人真正做到,早了半個世紀。
把這個想法拆開看
火箭是唯一能在太空裡工作的發動機,因為它不靠推抵自身之外的任何東西。它自帶燃料和用來助燃的氧氣,把熾熱的氣體朝後噴出,那一記反衝,便把火箭推向前——就像你握著消防水龍帶時感到的那股後座,又像你鬆開一隻氣球,它便滿屋亂竄。
齊奧爾科夫斯基找到了那條精確的規則。一枚火箭最終能跑多快,只取決於兩件事:它能把噴氣拋得多快,以及火箭裡有多少是燃料。而第二件,是不留情面的——想稍微快一點,你需要的不是多一點燃料,而是多得多。要入軌,火箭幾乎必須全是推進劑,只剩薄薄一層留給結構和酬載。
它從哪裡來
康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基十歲時因猩紅熱失去了大半聽力,離開了正規學校,靠書本自學數學與物理。他一生都是莫斯科以南卡盧加城的一名鄉村教師,靠一份教師薪水,在業餘時間做原創研究。在一篇寫於 1898、發表於 1903 的論文裡,他寫下了火箭方程,並用它冷靜而定量地論證:人類的太空飛行是可能的。
他走得比方程更遠。他點名液氫與液氧為理想燃料——正是後來土星五號與太空梭所燃燒的那種推進劑——並提出多級的「火箭列車」來攻克燃料難題。這一切大多是自費出版的,在他有生之年,於俄國之外幾乎無人留意。他於 1935 年去世,終於在蘇聯備受尊崇,而那時,別處的實用火箭學才剛剛開始萌動。
它為何重要
在齊奧爾科夫斯基之前,太空飛行是說書人的夢——儒勒·凡爾納用一門巨砲把他的旅人射向月球,可那一砲會當場把他們壓成肉泥。齊奧爾科夫斯基用算術取代了幻想。他的方程交給工程師一個精確的目標,和一組精確可撥的旋鈕,此後建造的每一枚火箭,都受它支配。
它也解釋了整個太空時代的模樣:為什麼一枚火箭是一個巨大的燃料箱、頂上頂著一個小小的艙,為什麼入軌是最難的一步,為什麼送往太空的每一千克都那麼昂貴。「火箭方程的暴政」,是今天的工程師仍掛在嘴邊的一句話——一半是敬畏,一半是抱怨。
一種想像的方式
想像一名溜冰者,靜止地站在一塊毫無摩擦的地面上,懷裡抱著一摞沉重的球。朝後扔出一隻球,你就向前滑一點。再扔一隻、又一隻,你越來越快——可每一次扔,幫的忙都更小,因為你抱著的那摞球越來越少。要跑得真快,你得有一大堆球,幾乎別無他物。那一堆,就是火箭的燃料;齊奧爾科夫斯基的方程,恰好告訴你它得有多大。
它落在何處
這是太空時代的理論發令槍。齊奧爾科夫斯基的方程立足於牛頓運動定律(見 newton-1687)與動量守恆;幾乎在同一時期,美國的羅伯特·戈達德與德國的赫爾曼·奧伯特也各自獨立地得到了它,又由科羅廖夫、馮·布朗這樣的工程師把它造成實物。這條線,從這幾頁紙筆直地通向史普尼克、阿波羅,以及頭頂上每一顆衛星。