利用反作用装置探索宇宙空间
一道方程证明:火箭能抵达太空——只要它几乎全是燃料。
在俄国一座乡间小城里,一位失聪的小学教师,用一道方程算清了飞向太空究竟需要什么——比任何人真正做到,早了半个世纪。
把这个想法拆开看
火箭是唯一能在太空里工作的发动机,因为它不靠推抵自身之外的任何东西。它自带燃料和用来助燃的氧气,把炽热的气体朝后喷出,那一记反冲,便把火箭推向前——就像你握着消防水龙带时感到的那股后坐,又像你松开一只气球,它便满屋乱窜。
齐奥尔科夫斯基找到了那条精确的规则。一枚火箭最终能跑多快,只取决于两件事:它能把喷气抛得多快,以及火箭里有多少是燃料。而第二件,是不留情面的——想稍微快一点,你需要的不是多一点燃料,而是多得多。要入轨,火箭几乎必须全是推进剂,只剩薄薄一层留给结构和有效载荷。
它从哪里来
康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基十岁时因猩红热失去了大半听力,离开了正规学校,靠书本自学数学与物理。他一生都是莫斯科以南卡卢加城的一名乡村教师,靠一份教师薪水,在业余时间做原创研究。在一篇写于 1898、发表于 1903 的论文里,他写下了火箭方程,并用它冷静而定量地论证:人类的太空飞行是可能的。
他走得比方程更远。他点名液氢与液氧为理想燃料——正是后来土星五号与航天飞机所燃烧的那种推进剂——并提出多级的「火箭列车」来攻克燃料难题。这一切大多是自费出版的,在他有生之年,于俄国之外几乎无人留意。他于 1935 年去世,终于在苏联备受尊崇,而那时,别处的实用火箭学才刚刚开始萌动。
它为何重要
在齐奥尔科夫斯基之前,太空飞行是说书人的梦——儒勒·凡尔纳用一门巨炮把他的旅人射向月球,可那一炮会当场把他们压成肉泥。齐奥尔科夫斯基用算术取代了幻想。他的方程交给工程师一个精确的目标,和一组精确可拨的旋钮,此后建造的每一枚火箭,都受它支配。
它也解释了整个太空时代的模样:为什么一枚火箭是一个巨大的燃料箱、顶上顶着一个小小的舱,为什么入轨是最难的一步,为什么送往太空的每一千克都那么昂贵。「火箭方程的暴政」,是今天的工程师仍挂在嘴边的一句话——一半是敬畏,一半是抱怨。
一种想象的方式
想象一名溜冰者,静止地站在一块毫无摩擦的地面上,怀里抱着一摞沉重的球。朝后扔出一只球,你就向前滑一点。再扔一只、又一只,你越来越快——可每一次扔,帮的忙都更小,因为你抱着的那摞球越来越少。要跑得真快,你得有一大堆球,几乎别无他物。那一堆,就是火箭的燃料;齐奥尔科夫斯基的方程,恰好告诉你它得有多大。
它落在何处
这是太空时代的理论发令枪。齐奥尔科夫斯基的方程立足于牛顿运动定律(见 newton-1687)与动量守恒;几乎在同一时期,美国的罗伯特·戈达德与德国的赫尔曼·奥伯特也各自独立地得到了它,又由科罗廖夫、冯·布劳恩这样的工程师把它造成实物。这条线,从这几页纸笔直地通向斯普特尼克、阿波罗,以及头顶上每一颗卫星。