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航天学 1903

利用反作用装置探索宇宙空间

康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基

一道方程证明:火箭能抵达太空——只要它几乎全是燃料。

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In depth · the introduction

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。

一个可交互的计算器:一个滑块设定燃料有多带劲,另一个设定火箭中有多少是燃料。一根条形显示推进剂占比,一把刻度尺把由此得到的加速,对照入轨与逃离地球所需的数值。

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。

The original document
Original source text
K. E. Tsiolkovsky · Nauchnoye Obozreniye (The Science Review), No. 5 (1903), 15–24 · written 1898
The problem
Tsiolkovsky asks whether any machine could truly leave the Earth. A cannon would crush its passengers; a balloon cannot rise where there is no air. Only a device that carries its own propellant and hurls it backward — a reaction device — can work in the vacuum of space, where there is nothing outside to push against.
The equation
From Newton's laws and the conservation of momentum he derives the relation between a rocket's velocity gain, the speed of its exhaust, and the ratio of its full and empty mass:
Δv = v_e · ln(m₀/m_f) — the speed a rocket gains equals its exhaust velocity times the natural logarithm of its mass full of fuel divided by its mass empty.
The logarithm is the merciless part: to go faster you must add propellant not linearly but exponentially. Tsiolkovsky concludes that practical spaceflight demands the highest possible exhaust velocity — and proposes burning liquid hydrogen with liquid oxygen — together with multistage 'rocket trains' to beat the mass-ratio limit.
[ … ]
The vision
The paper goes on to sketch the lived conditions of spaceflight: weightlessness and how a body would behave in it, steering a craft by the direction of its exhaust, and the use of the Sun's energy in space — a remarkably concrete picture of orbital life, drawn before a single rocket had flown.
Kaluga · written 1898, published 1903