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在香港城市大學入口處豎有兩幅巨大的壁畫,一幅名為《夫子思琴》、一幅名為《萬戶飛天》,其中萬戶飛天用寫意飄灑的技法,為我們描繪了一幅中國古人利用火箭追尋太空夢想的故事。
由袁運生教授為香港城市大學所繪的《萬戶飛天》 圖源:網絡
「萬戶」在中國科學史上被稱為第一個試圖乘坐火箭上天的人和噴射飛機的始祖,但遺憾的是,由於關鍵史料的缺乏,萬戶飛天的故事在很長一段時間內都屬於一種民間傳說,一直到1962年我國著名的機械工程學家「劉仙舟」院士,在其出版的《中國工程發明史》詳細記述了關於萬戶的事跡,我們才對這個故事有了深入了了解。
在如今這個幾乎家喻戶曉的故事裡,我們既看到了中國古人對太空夢想的追尋,也看到了火箭這一威力巨大的產物對人類的傷害。
而中國作為火箭的故鄉,早在《三國志》明帝紀裴松之注引的《魏略》裡就有對火箭的描述,不過那時期的火箭指的還是用箭頭綁縛可燃之物的「引火之箭」而已,遠不是我們現在廣義的「火箭」,中國真正的火箭起源,是在依附於火藥的誕生與使用之後。
在唐代中期,鄭思遠的《真元妙道要略》中就有原始火藥的明確記載,到了五代末北宋初年,中國已經有了真正的軍用火藥,在1044年成書的《武經總要》中,就有了火藥方的最早記載,在約12世紀初,中國已經研製出固體火藥用於製造煙火,後來又出現了利用反作用原理升空的煙火。
這些火藥的發明奠定了利用固體火藥技術製造真正「火箭」的基礎。
《真元妙道要略》中關於火藥的記載。
到了1161年宋金採石戰役中宋軍使用的「霹靂炮」,即為早期煙火技術製造的原始火箭,1232-1233年金蒙開封府戰中使用的飛火槍,其形制與構造原理可能和後世茅元儀編著的《武備志》中記載的飛槍箭相同,也就長杆火箭武器。
而「長杆火箭」的出現,則標誌著利用空氣動力學特點製造的「火箭」誕生——細長的導向杆不僅拉長了火箭的「長細比」利於高速飛行,還將火箭的「重心」置於火箭「壓心」前端利於箭體穩定。
而到了明代,中國的火箭在直接繼承宋金元火箭的基礎上,又發展到了一個新高度,不僅有了專業的火箭部隊「神機營」,而且還研製成功了多級火箭,但是隨著15世紀後期中國閉關鎖國的政策,讓中國的火箭發展逐步落後於世界的腳步。
早在13世紀末到14世紀初,中國的火藥與火箭等武器技術就隨著蒙古西徵與絲綢之路,沿著印度與阿拉伯傳入了西方,在經過數百年的仿製與技術改良後,逐步誕生了近代火箭的前身。
1805年,英國人「威廉·康格裡夫」利用對邁索爾戰役中繳獲的印度火箭進行技術改良,發明出了著名的「康格裡夫火箭」,而該火箭也常被人稱為近「代火箭的開端」。
威廉.康格裡夫(William Congreve,1772年5月20日–1828年5月16日)
18世紀英軍侵入印度,1792年到1799年的第三、第4次邁索爾戰役中,印度仿製改良的中國火箭對英軍造成了大量傷亡,在戰爭結束後,英軍將繳獲的火箭帶回國內,在伍爾維奇皇家兵工廠服役的炮兵上校威廉.康格裡以此發明了康格裡夫火箭,該火箭採用鐵或銅製外殼、新型固體黑火藥顆粒推進劑,擁有燃燒爆炸等多種彈頭。
康格裡夫火箭的尺寸和彈頭裝藥各不相同,彈頭裝藥也不一樣,最初裝備給海軍後又裝備了陸軍騎兵炮部隊,並組建了獨立火箭炮連。
由於康格裡夫火箭的尺寸和彈頭多種多樣,所以很難有一個廣泛的尺寸定義,大英百科全書的說法是——康格裡夫火箭重14.5千克、箭體長1.06米、直徑0.1米,配有一根4.6米長的導向杆,射程一般為1800米以上。圖源:大英百科全書
康格裡夫火箭服役後,參加了1812年的萊比錫戰役、美英戰爭和後來的兩次鴉片戰爭,在1812年的美英戰爭中,英軍在使用康格裡夫火箭攻擊巴爾的摩附近的麥克亨利要塞時,這一場面激發了美國詩人弗朗西斯.斯科特.基的創作靈感,在自己後來的詩篇《星條旗》中,寫下了「火箭的紅光閃耀」一詞,而該詩後來也成為美國國歌中的歌詞。
儘管康格裡夫火箭在誕生後的歷次戰爭中都有不錯的表現,但是過於原始的空氣動力學設計和近乎聽天由命的制導方式,導致其精度太差。著名的威靈頓公爵就曾對其評價說「相對於拿破崙的火炮來說,我們的火箭對我是的威脅更大」
有鑑於此,1844年英國發明家威廉.黑爾(William Hale)在康格裡夫火箭的基礎上,改進發明了海爾旋轉火箭。
黑爾火箭相較於康格裡布火箭最大的改變,是在取消了康格裡夫火箭長長的導向杆,通過安裝傾斜的穩定螺旋板方式,利用火箭飛行時尾部噴射出走高速氣流,是火箭本身產生自旋而達到穩定的方式,從而大大提高了精度和穩定性。
黑爾火箭增加彈道穩定性的方式與子彈非常相似。都是通過螺旋轉動飛行,利用陀螺儀效應來穩定彈道,不同的是黑爾火箭彈利用的是高速氣流和尾部螺旋板,而子彈利用的是膛線。圖源:大英百科全書
至此,近代火箭已經發展到了極致,想要更進一步,除了簡單的改進和設計之外,還需要天才的設想和偉大的技術變革。
1865年儒勒·加布裡埃爾·凡爾納(法語:Jules Gabriel Verne)的小說從《地球到月球》(法語:De la Terre à la Lune)出版。這部描寫美國內戰時期巴爾的摩大炮俱樂部主席巴比康和其競爭對手尼切爾船長利用大炮競爭登月的科幻小說影響了很多人,而有幾人對後世火箭和宇航技術的發展有著極其重要的影響。
其中之一便是現代宇宙航行學的奠基人,俄羅斯航天之父,齊奧爾科夫斯基;
康斯坦丁.齊奧爾科夫斯基(俄語:Константин Эдуардович Циолковский, 1957年9月17日–1935年9月19日),是現代宇宙航行學的奠基人,世界航天三大先驅之一,他最早從科學的角度論證了人能夠在宇宙中工作和生活,並利用火箭進行星際交通和製造人造地球衛星與近地軌道站的可能性,指出了發展宇航和製造火箭的合理途徑,找到了火箭和液體發動機結構的一系列重要工程技術解決方案,並建立了火箭運動和航天學的理論基礎。
這位曾說過「地球是人類的搖籃,但人類不可能永遠被樹在搖籃裡」的中學數學老師,在童年時因為猩紅熱而喪失了絕大部分聽力,又因為聽力受損和家庭貧困讓他青年時期所受的教育大都只能來自於自學,但就是這樣一個聽力受損沒有經過系統學習的人,卻一生撰寫了730多篇論著,並第一個提出液體火箭推進劑和多級火箭的構想。推導出了在不考慮空氣動力和地球引力的理想狀況下,計算火箭在發動機工作期間所獲得速度增量的公式,奠定了火箭在太空中飛行的理論基礎
使用原始助聽器的齊奧爾科夫斯基。
我們現在知道火箭要想要飛出大氣層需要極高的速度,但是這個速度是通過逐漸加速來實現的,如果加速太快那麼無論是火箭乘員還是火箭中的儀器都承受不了,如果加速時間太長火箭推進劑又消耗過大、飛行距離過遠,那麼用什麼方法才能計算出合理的速度增量呢?
齊奧爾科夫斯基根據《從地球到月球》中「超級大炮」所獲得的靈感,通過研究反推進理論在1903年發表了《用火箭推進器探索宇宙》(俄文:Исследованиемировыхпространствреактивными приборами)(也譯為《利用反作用裝置探索宇宙空間》這裡採用我國航天的普遍譯法),在該文中齊奧爾可夫斯基通過推導動量守恆原理,在不考慮空氣動力和地心引力的情況下,推導出理論上的火箭推進劑數量以及發動機參數對理想速度的影響證明;
V=wln(m0/mk)
V=火箭運動速度(單位:m/s)
w(比衝ln×標準重力加速度)=工質噴出火箭噴管時的速度/有效排氣速度(單位:m/s)
M0=火箭的初始/起飛質量(單位:kg)
Mk=火箭發動機熄火/推進劑、氧化劑燃盡時的質量(單位:kg)
M0/Mk=火箭的質量比/幹質比
這個公式就是後來大名鼎鼎的齊奧爾科夫斯基公式,齊奧爾科夫斯基通過這個公式表明:火箭的速度與火箭發動機的噴氣速度成正比;火箭自身的結構質量越小,火箭所獲得的速度越高。
所以要想讓火箭獲得飛出大氣層甚至進入宇宙深處的理想速度「V」,有兩種方法;
1,採用高能量推進劑即高比重推進劑,同時提升火箭發動機的性能。
2,減輕火箭的結構重量,儘可能的提高火箭的幹質比。
齊奧爾可夫斯基根據這兩種方法在該論文和1929年發表的《太空火箭列車》中都給出了詳細的解決方案;
在《用火箭推進器探索宇宙》中,齊奧爾科夫斯基認為:液體燃料的發熱量要比固體燃料大,因此從液體燃料火箭發動機噴氣管中噴出的氣流速度要比固體燃料火箭發動機噴漆管中噴出的氣流速度大,齊奧爾可夫斯基便在此基礎上首次提出了採用液體燃料為火箭發動機的構想,並在他的這篇論文中繪製出了世界上第一枚液體推進劑的火箭構造圖,從而為火箭的設計發展開闢了一條嶄新的道路。
這枚設想採用液氫液氧或液氧煤油組合的液體推進劑火箭,具備完整的推進劑供應系統和燃燒室,甚至還設想了一種以石墨為材料的火箭控制系統,已經具備現代液體火箭的必要元素了。(圖源:NASA官網)
但是正處於沙俄時期的俄羅斯,他只是個被人輕視的中學數老師,既不能與大學和科研機構交流合作,也很難獲得政府的科研資助,所以這就導致他的科研成果被長期埋沒,一直到十月革命後他的研究才被新生的蘇聯政府所重視,但可惜的是一生都醉心於理論研究的齊奧爾可夫斯基,始終都沒能親手製造出一枚液體推進劑火箭,世界火箭的技術變革還需要新的力量來推動——
在齊奧爾科夫斯基構想用火箭探索宇宙的時候,遠在大洋彼岸的一個美國人也在為同樣的夢想而努力;
1882年10月5日,出生於美國麻薩諸塞州烏斯特城的羅伯特.戈達德,在受到凡爾納科幻小說《從地球到月球》啟發後,萌發了遨遊太空的念頭。
羅伯特·哈金斯·戈達德(Robert Hutchings Goddard,1882年10月5日-1945年8月10日)這位美國航天之父,世界三大航天先驅之一,第一個將液體推進劑火箭變成了現實。
1907年還在伍斯特理工學院的戈達德,就在理工學院的地下室以火藥為推進劑的進行了固體火箭實驗,1909年秋到克拉克大學物理系攻讀博士學位的戈達德又展開了對火箭動力的系統理論研究工作,後又在普林斯頓大學的帕爾默物理學院獲得研究獎學金,1912年在實驗室證明了真空推力的存在後的戈達德,意識到利用火箭到達高空甚至月亮的可能,從此轉入了火箭的工程研究。
在先後嘗試了多種固體火箭發動機和用數學方法研究了多種燃料的能量重量比後,他得出了和齊奧爾可夫斯基相同的結論:使火箭達到宇宙航行所需要的速度,必須採用液氫和液氧為主的液體火箭發動機推進劑。
1915年-1916年間在克拉克大學校園內進行火箭實驗的戈達德。(圖源:NASA官網)
不得不說戈達德是幸運的,在那個幾乎所有人都認為「用火箭登陸月球」是瘋狂幻想的年代,他對火箭的研究得到了美國研究機構組織史密森學會與伍斯特理工學院的支持。
1916年年9月27日戈達德寄給史密森學會主席的求助信,在這封信裡戈達德詳細的闡述了他的火箭研究工作,以及目前所取得的四項火箭專利技術,並強調了這些技術在軍事領域的應用前景,從此他獲得了史密森學會的資金援助。(圖源:史密森國家航天航空博物館)
在信中戈達德提到的四項火箭專利中,有一個專利號為us1103503a的液體推進劑火箭裝置,該裝置是美國最早的液體火箭專利技術,而其後戈達德還取得了包括多級火箭推進技術在內的諸多火箭專利。
戈達德液體推進劑火箭專利書和結構草圖(圖源:美國國家檔案館官網)
1919年史密森尼會發表了戈達德關於火箭飛行的數學理論、固體燃料火箭實驗、探索及越過地球大氣層的可能性論文《達到超高空的方法》(A MethodofReachingExtremeAltitudes)
這篇論文人類宇航探索史上又一部具有裡程碑意義的經典著作,它透徹地闡述了火箭的數學原理和運動方法,並探討了用火箭將人和儀器送入月球的可能。
其在論文中還提出了一個將火箭發往月球的方案:「製造重598.2千克的火箭可以把0.9千克的鎂送到月球火箭,撞擊月球時將鎂點燃,燃燒的明亮閃光可持續幾秒鐘在地球用望遠鏡可以看到它」
關於該方案的繪圖插頁。
但是像另一個宇航先驅齊奧爾科夫斯基一樣,戈達德那種超前的科學思想受到了當時人們的嘲笑,甚至還有人為其取了個「月亮戈達德」的外號。
可是嘲諷並不能阻止人類對科學探索的腳步,在歷經數次失敗後的1926年3月16日,在麻薩諸塞州奧巴恩郊外的沃德農場,人類製造的第1枚液體推進劑火箭發射成功。
戈達德與全世界第一枚液體推進劑火箭。(圖源:NASA官網)
值得說明的是這張著名的圖片其實發射成功前的3月8日拍攝的,當時這枚火箭並沒有發射成功,而這枚採用液氧汽油組合推進劑的火箭高3.04米、重5.5千克,點火升空後飛行高度12米、飛行距離56.12米,飛行時長僅2.5秒。但就是這短短的2.5秒鐘卻打開了人類航天史新的篇章。
50年後的1976年,NASA為了紀念這人類航天史上特殊的一刻,在以戈達德為名的NASA第一座太空飛行中心前,NASA員工們重新複製放飛了枚具有特殊意義的火箭。
1976年的人類早已登上了月球,可以說這50年火箭的發展大大超過了人類數百年火箭技術的累積,而這裡面除了科學技術的爆炸性影響外,還因為火箭有了更高的應用平臺。
在劉慈欣的科幻小說《三體》中,有這樣一句話「軍事永遠都是科學技術的最終舞臺」;
在1916年戈達德在向史密森學會強調現代火箭在軍事領域的應用前景時,遠在歐洲的普魯士,也有人在向普魯士軍事部長「馮.施泰因」敘述同樣的話。
赫爾曼·朱利葉斯·奧伯特 (Hermann Julius Oberth ,1894年6月25日-1989年12月28日)這位歐洲火箭之父,世界三大航天先驅之一,他將現代火箭向實用軍事化邁出了關鍵的一步。
這個出生在奧匈帝國醫生家庭的的航天先驅,在國內的知名度遠沒有他的學生馮.不勞恩那麼有名,但正是他對德國航天科學的開創性研究和對航天人才的挖掘,把馮.布勞恩這樣的天才領進了現代火箭之門。
和俄羅斯航天之父齊奧爾可夫斯基一樣,1894年出生的奧伯特也是半路出家的「野和尚」,兩人有非常多相似的地方;
在奧匈帝國傳統醫生家庭裡長大的他本來的是被家人寄予厚望做一名醫生的,但同樣也是凡爾納的科幻小說改變了他,當他11歲生日時從母親手裡接過那本著名的《從地球到月球》時,就註定他要為人類的航天事業做出改變。
凡爾納的這本科幻小說在國人心裡恐怕遠沒有《海底兩萬裡》和《地心遊記》那麼著名,但是它的影響力則要遠超兩者。
也就是通過這本書,奧伯特發現在沒有合理速度增量情況下,以簡單火藥推進的超級大炮是不可能把人送上月球的,這為他後來的一系列火箭技術甚至獨立推導出火箭方程打下了基礎。
但在那個時候,年幼的奧伯特對火箭的暢想還僅停留在科幻小說裡那種對宇宙的探索階段,並沒有意識到火箭會對軍事領域帶來的革命性變革。
一直到一次世界大戰的爆發,已經遵循家族意志考入了慕尼黑大學醫學院的奧伯特,被奧匈帝國派往錫吉什瓦拉成了當地醫護中心的一名軍醫,在親身體會了戰場的殘酷後,奧伯特意識到了火箭對戰爭的巨大作用。
於是他在一戰中開始了火箭研究,並設計了一種射程約300公裡、有效載荷10噸,以液氫液氧為推進劑的液體推進劑火箭草圖,但他的研究並沒有引起奧匈帝國軍方的興趣,同時隨著戰爭臨近結束,奧博特的火箭計劃也沒有了施展的舞臺。
戰爭結束後,奧伯特徹底放棄了家族寄予希望的醫學事業,轉赴海德堡大學攻讀數學、物理和天文學,全心對火箭技術理論和宇宙航行進行研究。
青年時期的奧博特。
1922年,奧伯特完成了他那篇著名的博士論文《飛往星際空間的火箭》(德文:Rakete in den interstellaren Raum)
這篇獨立於齊奧爾可夫斯基理論的論文,提出了空間火箭點火的理論公式、火箭脫離地球引力的方法和要達到的速度要求,系統地論述了研製液體火箭,發射人造衛星和建立空間站等現代宇航思想。
論文中構想的火箭草圖(圖源:NASA官網)
但令人遺憾的是,傲慢的海德堡大學學術委員會以「過於脫離現實,充滿了天馬行空的想像」為由駁回了他的博士論文。
探索理想的道路總是艱難的,很多人都會在半途而廢,而奧伯特在當時做了個讓人看起來瘋狂的決定,他沒有放棄理想,而是拒絕了博士答辯與重寫論文,放棄了海德堡大學的博士學位,並1923年6月自費把這篇「充滿天馬行空想像」的論文發表了出來。
在當時沒有出版社願意出版這篇只有92頁的「小說」,最後在小出版社「奧爾登堡出版社」的幫助下,這篇論文才艱難出版。
奧伯特的堅持得到了回報,論文出版後引起了世界火箭愛好者們的普遍共鳴,交流的信件像雪片般像他飛來,奧伯特終於感覺到自己在理想的道路上找到了同伴,他在給齊奧爾可夫斯基回信中激動的說道:「您已經點燃了火炬,我們絕不會讓它熄滅,讓我們盡最大的努力,實現人類最偉大的夢想」
火箭技術發展的火種需要傳遞,一戰後百廢待興的德國,也有個愛好火箭的少年在等待著迎接現代火箭技術的火種。
韋恩赫爾·馬格努斯·馬克西米利安,馮·布勞恩(德語:Wernher Magnus Maximilian Freiherr von Braun,1912年-1977年)彈道飛彈之父,德/美國火箭設計師。
這個頗具爭議的天才,是德國乃至世界上最偉大的火箭設計師之一,主持設計的V2飛彈是全世界彈道飛彈的開端,而之後設計的土星系列火箭又是目前全世界唯一將人類送上月球的火箭,他一生幾乎經歷了現代火箭最重要的技術變革,而這一切的起源,都源自於布勞恩13歲時接觸到的那本《飛往星際空間的火箭》
1912年出生的布勞恩小時候就對火箭表現出了濃厚的興趣,11歲時就用滑板車綁上六支特大號煙花製作過一輛「火箭車」,不過點燃後的結果不是很好,在完全失控的情況下被燒了個乾淨,萬幸的是沒有讓人受傷,所以警察把他抓住後只是交給了他父親去管教。
1925年還在埃特爾斯堡寄宿學校學習的小布勞恩,讀了奧伯特那部《飛往星際空間的火箭》後大受啟發,對火箭的理解上升到了一個新高度,心中探索宇宙的種子開始發芽,但在這時他還缺乏一個理想道路上的「領路人」。
1927年已經是高中生的布勞恩,通過德國著名火箭研究者「威利.勒」給自己的科學偶像奧伯特寫了一封信,在信中布勞恩謙虛的寫道:「我知道您正在星際宇航學會研製火箭的消息,我也熱愛火箭,但我除了充裕的業餘時間和一腔熱情外,幾乎什麼都不會」而奧伯特回信非常的簡短:「來吧,年輕人,只要你保持興趣,一定會有所作為。」
後來布勞恩在奧伯特的引薦下,加入了星際航行學會並在奧伯特的帶領下學習了解液體推進劑火箭技術。
這張照片拍攝於1930年奧伯特加入星際航行學會後不久,照片右側手持長杆火箭的白衣人是德國火箭先驅之一勞斯·裡德爾(Klaus Riedel),而他右手邊正在講解的人是奧伯特,左手邊那個年輕人就是布勞恩。(圖源:NASA官網)
這裡要特別講一下這個德國「星際航行學會」;
該學會成立於1927年7月5日,是由奧伯特推動,沃爾特·霍曼、約翰內斯·溫克勒組織成立的全世界第一個宇航學會,這個學會不僅有自己的學術期刊《 Die Rakete》,還在柏林郊外的雷尼肯多夫擁有1.2平方公裡的實驗場地(以柏林市政廳的名義租借的一個廢棄軍火庫),該學會最初成立的目的是製造、研究能用於宇航飛行的火箭,以實現奧伯特書中對人類宇航飛行的設想,但是因為後來資金的缺乏和納粹軍方對火箭技術的重視,學會的發展開始偏離了原本的腳步,許多學會成員包括奧伯特和布勞恩自己,最後都成納粹火箭計劃的成員。
早期在簡易試驗場驗證火箭發動機的會學成員們。(圖源:NASA官網)
隨著上世紀30年代德國經濟危機的爆發,宇航學會也面臨經濟上的困難,1931年末宇航學會最大的資金援助之一被撤銷,許多成員也因為繳納不起8分錢的會費而退會,而面對當時的困境,宇航學會最終選擇向德國軍方尋求援助。
1932年初奧伯特的助手也是宇航學會的發言人「魯道夫.內貝兒」,向德國軍方撰寫了關於火箭在軍事發展的報告,主要解釋了「遠程火箭相比炮兵的優勢」,因此1932年4月23日時任德國陸軍武器測試部彈道與彈藥部門負責人「卡爾.貝克爾」與與「沃爾特.多恩伯格」前往學會雷尼肯多夫試驗場考察,同年11月1日已經是學會董事會成員的布勞恩,與德國聯邦國防軍籤署了陸軍火箭發展計劃的合同,並在德國軍方資助下進入柏林大學(柏林洪堡大學的前身)攻讀物理系博士學位,畢業後逐漸成為了德國火箭技術部的總負責人。
卡爾·海因裡希·埃米爾·貝克爾(德文:Karl Heinrich Emile Becker,1879年9月14日 –1940年4月8日)曾任德國陸軍軍械部門負責人、帝國研究委員會第一任主席、普魯士科學院第一任總幹事以及柏林大學和夏洛滕堡工學院(柏林工業大學前身)教授,他是德國彈道火箭武器發展的早期關鍵支持者,也是協助實施德國軍事核能計劃的關鍵人物之一,但最為關鍵的是……他還是布勞恩父親的好友,也是布勞恩在夏洛騰堡工學院讀大學時的導師
1935年已經取得柏林洪堡大學物理系博士學位的布勞恩,將納粹德國的火箭研究中心設在了德國東北部的「內佩明德」(Peenemünde),而這個佔地25平方公裡的研究中心,就是後來V-2火箭的誕生地。
如今已經已成為歷史博物館的內佩明德。(圖源:內佩明德歷史技術博物館)
1939年隨著二戰的全面爆發以及在希特勒的特別關注下,布勞恩的火箭研究開始進入快車道,1942年10月3日,歷史性的時刻終於到來了,在佩內明德研究中心的P7測試臺,編號「4004」號的V2飛彈首次發射成功。
第一枚試射成功的V-2飛彈,編號「4004」(那時還叫A-4)、發射經度13.80度、緯度54.17度,最大高度85千米、射程190千米、飛行時間296秒。(圖源:內佩明德歷史技術博物館)
V-2飛彈是德國液體推進劑火箭A-4型的別稱,命名方式來自於德文Vergeltung「報復」(命名者為德國火箭計劃負責人「羅伯特.多恩伯格」),V2彈長14.02米、彈徑1.651米、鰭片直徑3.55米,發射全重13噸、空重2.78噸(不含全部液體和彈頭),採用液體火箭發動機推動,燃燒工質為4.91噸液氧以及3.71噸75%酒精+25%水混合物,助燃劑為80%過氧化氫或66.6%高錳酸鈉與33.3%水的混合物、發動機工作一般為60秒、起飛推力24947千克、最大推力72574毫米,最大飛行速度約1600m /秒,可以將一噸重的彈頭投擲到320公裡以外的距離。
V-2飛彈在那個那個年代絕對可以說是劃時代的產物,它不僅是現代彈道飛彈的開端,而且證明了人類利用火箭進行宇航飛行是切實可行的。
事後,納粹火箭計劃主管羅伯特.多恩伯格回憶道:「1942年10月的第3天是人類的新時代,是太空旅行的時代。」
但遺憾的是,這個「太空旅行的開端」是從殺戮開始的,1944年5月16日納粹德國最高統帥部下達了使用V-2飛彈的作戰命令,9月8日在荷蘭海牙郊外發射的V-2飛彈成功命中了目標(在距倫敦很近的泰晤士河畔爆炸),這是V-2飛彈首次成功襲擊英國本土。
一枚隱藏在海牙郊外森林中準備發射的V-2飛彈(圖源:內佩明德歷史技術博物館)
而從首次襲擊算起,納粹德國在10天內就向英國發射了26枚V-2飛彈,而從1944年9月6日到1945年3月27日間,納粹德國僅向英國本土就發射了1115枚V-2飛彈,其餘還2050枚襲擊了比利時安特衛普、布魯塞爾、列日等地。
1945年3月8日,被V-2命中的倫敦法靈頓市場,當場造成380人死亡,事後從英國的統計的傷亡數字看;V-2飛彈共炸死了2742人、炸傷6467人,以殺傷比例來看,其遠不如轟炸機群密集轟炸的效果,但是作為現代火箭的開端,V-2飛彈沒能首先幫助人類進入太空,反而是製造了大量的殺戮與死亡,這的確讓人不免唏噓。(圖源:內佩明德歷史技術博物館)
1945年5月2日,包括布勞恩在內的一百多名與V-2飛彈直接相關的設計人員向盟軍投降,在接受了美國空軍考察團的審問後,1945年6月20日,根據美國國務卿科德爾·赫爾的批准,布勞恩和其他《奧森伯格名單》中的首批6名成員被轉移至美國境內。
美軍轉移布勞恩等科研人員的文件副本(圖源:NASA)
布勞恩等人到美國後被安排在了德克薩斯州布利斯堡軍事基地,為美國軍方、生產廠家培訓有關火箭設計和製造的技術人員,後來又在新墨西哥州的白沙飛彈靶場幫助組裝、測試美軍從德國運回來的V2飛彈。
在僅一年不到的時間裡,這些人就利用從德國運來的零件和圖紙成功裝配出了80枚V-2飛彈,而這些裝配出來的飛彈在白沙靶場進行了67次各種測試,其中包括;
在太空拍攝了第1張地球照片。
1946年10月24日,格林尼治標準時間19:15分(當地時間12:18分)在白沙靶場LC 33發射工位美國陸軍與霍普金斯應用物理實驗室利用一枚V-2運載火箭,在海拔高度104.8千米處拍攝了第一張地球圖片。
第一個將活體動物送入太空。
1947年2月20日,格林尼治標準時間18:16分(當地時間11:16分)在白沙靶場LC 33發射工位,美國陸軍與美國空軍利用一枚改裝的V-2運載火箭,將兩隻果蠅和一些種子送入了彈道高點109千米的太空。(遺憾沒有找到那兩隻果蠅跟發射時的記錄映像)
第一個將靈長類動物送入太空。
1949年6月14日,格林尼治標準時間22:35(當地時間15:35分)在白沙靶場LC 33發射工位,美國陸軍與美國空軍利用一枚改裝的V2運載火箭,將一隻名為阿爾伯特||的猴子送進了彈道高點133.9千米的太空。(圖源:NASA官網)
但是最為重要的是……以V2飛彈為基礎,成功實現了全世界第1枚進入太空的二級火箭;
1948年5月13日格林尼治標準時間13:43分(當地時間6:43分)在白沙靶場LC 33發射工位,美國陸軍利用一枚V-2火箭作為第一級、一枚WAC火箭作為第二級,實驗了世界第一枚二級火箭。(圖源:NASA官網)
其中V-2火箭彈最大飛行速度1220m/s、彈道最高點112.4千米,WAC最大飛行速度1345m/s、彈道最高點127.2千米。
還記得前文中,齊奧爾可夫斯基火箭方程所給出的關於解決火箭速度的兩個方案嗎?
一個是採用高比衝推進劑、一個就是減輕火箭的結構重量提高幹質比。
但是早期的火箭推進劑比衝很低,比如V-2所使用的液氧酒精混合物就是個典型,整個飛彈在塞了8噸多推進劑的情況下也只能飛300多千米,最大速度也只有1600m/s而已,儘管也能勉強飛過「卡門線」,但距離第一宇宙速度7.9千米/s還相距甚遠,所以想讓火箭真正飛進宇宙深處,單靠早期的低比衝推進劑是不行的,還要從減輕火箭結構重量下手。
但問題在於……在推進劑比衝不能大幅提高的情況下,想要把火箭加速到第一宇宙速度,就需要攜帶更多的推進劑,而推進劑多了必然要把燃料貯箱要造得更大、更厚、更重,這樣質量比還是不上去。
所以在這種情況下,多級火箭的思想應運而生,1929齊奧爾科夫斯基《太空火箭列車》(Космическиеракетныепоезда)發表,他在文中提出了一種解決方案,既建造被稱為「火箭列車」的多級火箭。
《太空火箭列車》論文封面(圖源:網絡)
當然,多級火箭並不是齊奧爾科夫斯基一個人的想法,包括我們的老祖宗在內很多人都有過這種想法,但是真正為其提供理論依據的,還是齊奧爾科夫斯基。
而V-2在1948年5月13日的多級火箭測試,則是將這個想法變成了現實,至此火箭探索太空的基礎障礙,都已經被人類掃清,浩瀚宇宙只等我們探索的腳步了。
而後面的事,大家都已經很清楚了;
1961年4月12日,蘇聯太空人尤裡·阿列克謝耶維奇·加加林(俄語:Юрий Алексеевич Гагарин,1934年3月9日-1968年3月27日)代表全人類第一次進入了太空。
1969年7月21日,尼爾·奧爾登·阿姆斯特朗(英語:Neil Alden Armstrong,1930年8月5日-2012年8月25日)在月球上邁出了那「一小步」
當然,這個腳印「巴茲·奧爾德林」的。
2003年10月15日,太空裡終於有了中國人的身影……
從萬戶飛天算起,人類用了數百年的時間才真正實現了探索宇宙的夢想,而這偉大而艱辛的歷程,絕不是短短萬餘字所能概括的,只希望大家通過這篇文章,看到那些不一樣的航天故事。