航天史上的先驅者：人類是如何徵服太空的？

這回我們開講一個新的系列，我們來講講航天史，講講人類是如何徵服太空的。提起航天，我們就不得不想到火箭。金政委常說，航天科技是「送人上天的」，航天科工是「送人上西天的」。我家就出身於航天科工，我老爸就是搞反艦飛彈的。不管是飛彈也好，火箭也罷，其實都是類似的，都離不開發動機，特別是離不開火箭發動機。

要說起來，這一點我們中國人是很自豪的，最早把火藥用作軍事用途也是我們中國人，世界上最早搞出火箭的也是我們中國人，這兩者是有密切關係的。因為能夠當做火箭燃料的東西，在古代也只有黑火藥這一種東西。大家都知道黑火藥是我國的四大發明之一，但是黑火藥究竟是什麼時候被發明的呢？其實時間並不確定，唐末五代時期有一本書叫《真元妙道要略》，一聽就知道是一部道家的典籍。裡面有一些記載，說雄黃、雌黃、硝石和蜂蜜放在一起煉製的時候一定小心，弄不好就會燒到手和臉，弄大了連屋子都能燒掉。

蜂蜜含有大量糖分，高溫下會發生炭化，變成炭，和硝石這種強氧化劑混在一起的確很不安全。後來有人做了測試，把硝石和雄黃以及松香混合在一起，加熱到 300 多度，就會發生爆炸。也就是說，那個時代的煉丹家一不留神就能弄出點兒爆炸物來。所以《真元妙道要略》裡面也提及，這些東西最好不要放在一起燒。由此可見，黑火藥是不太可能比這本書的年代早，否則煉丹家們應該是知道這就是某種火藥配方。

硝酸鉀的結晶

對煉丹家來講，硝石是個非常重要的東西。司馬遷的《史記》裡面就記錄過硝石。而且古代的醫生研究出了提純硝石的方法。那就是把硝石溶解在水裡，過濾掉雜質，然後加熱，讓硝石裡面的有效成分重結晶。這樣就比較純了。重結晶以後會出現細六稜柱的晶體，有點像遊戲裡的水晶礦，帶刺帶芒的。所以結晶以後的硝石被稱為「芒硝」。

硝石的主要成分是硝酸鉀。但是，古人可分不清楚那麼多種白花花的結晶體。他們管硫酸鈉也叫芒硝。這就出問題了，藥方上寫的是芒硝，到底指的是硝酸鉀還是硫酸鈉呢？南北朝時期的名醫陶宏景在《本草經集注》裡面特別說明了，「以火燒之，紫青煙起，雲是真硝石也」。他的藥方需要的就是這種能冒紫煙的硝石。這是因為高溫下，硝酸鉀發生了分解，鉀離子的火焰就是紫色的。

能夠辨別和提純硝酸鉀，這一點很重要。我國為什麼能搶先發明了火藥，因為只有純度比較高的硝酸鉀才能製作黑火藥。要是沒摸到這個竅門，那就只能在門外轉悠，這就是個運氣問題了。

《武經總要》裡的拋石機

到了宋代《武經總要》裡面就記錄了很多用火藥的配方。大概是 [ 60% 硝石+30% 的硫磺+10% 木炭 ] 這個配方比例。還要加上漆做粘合劑，摻雜進一些砒霜狼毒等等毒藥，出來都是膏狀的，不是粉狀。做成5斤重的一個大丸子,用燒熱的錐子插在中間點燃這個大球。然後用拋石機扔出去，砸向敵軍。這種火球哪怕強風也不會吹滅。由此可見，看古書上的火藥要分清楚，這個東西到底是幹什麼用的。有些就是個燃燒彈，爆炸的威力是有限的。關鍵是硫磺的比例太高，硝石比例太低了。好一些的黑火藥，硝石比例起碼達到 75%。

早期北宋開始使用這種火藥燃燒彈的時候，都是用燒的滾燙的鐵錐子引燃的。因為火藥的配比不合理，所以不像現在的鞭炮那麼容易點燃，後來解決了點火引燃的問題。這使得爆炸物可以輕鬆的走向民間，變成焰火和鞭炮。鞭炮被廣泛使用還是在兩宋時期實現的。反過來，焰火也促進了火藥本身的進步。

同樣，「火箭」這個詞在古書上也經常看到，但是還是要搞清楚到底是個什麼東西，有的就是在箭上綁一個「呲花」，會往出噴焰火。點著了以後，用弓射出去，引燃對方的易燃物，是放火用的。這玩意兒也被叫做「火箭」，其實就是「放火用的箭」。真正出現火藥推進的箭要到更晚的時代才出現。

完顏亮

北宋滅亡之後，南宋小朝廷偏安。就在這時候，金朝皇帝完顏亮進犯宋朝，和宋軍在采石磯大戰了一場。虞允文以少勝多，打敗完顏亮。在這次戰役之中動用了一種武器叫「霹靂炮」，有人分析，可能是一種火藥推進的爆炸物。能從船裡飛出去，炸敵軍。當然，我國古代文人在記錄這些武器的時候總是輕描淡寫，不夠細緻嚴謹。因此很多地方只能靠推測，不是特別準。如果真的像某些人分析的那樣，霹靂炮是自己飛出去炸敵人的，那就可以認為是原始的火箭彈。

金國後來面臨蒙古的打擊，中都城丟了，不得已，把國都搬到了過去北宋的首都開封府。窩闊臺派兵南下攻擊開封府。雙方都動用了大批的火器，也就是用拋石車發射火藥丸子。但是，金兵也有獨門武器，也就是飛火槍，他們靠著飛火槍打敗蒙古軍隊。飛火槍可能已經具有火藥推進武器的特點了。一根 2 米長的槍桿子上綁著一個長 60 釐米的火藥推進器。點著了以後，飛火槍自己飛出去。飛多遠，古人沒記載。明朝茅元儀的《武備志》上也記錄了類似的玩意兒，大概能飛 500 多步，大概是 3~4 百米吧。

火籠箭

到了明朝時期，火器就非常複雜了，比如著名的「火籠箭」，這是一種集束式火箭，一大把起發射。總之，各種火箭品種繁多。但是《武備志》這種書畢竟是文人寫的，有時候文人寫的你不能全信，他們會有各種 YY 夾雜在裡邊。這就是技術史研究不能光憑文獻考據的原因。

比如《武備志》裡面寫到了一種武器叫做「火龍出水」，插圖畫的還像那麼回事。一個筒子，前邊是個龍頭，下面插著 4 支火箭作為推進，飛到半空中，從龍嘴裡往出發射火箭。很多人認為這就是傳說中的二級火箭的雛形。其實這種東西飛起來不翻跟頭才怪呢，根本無法保持穩定性。現在 4 旋翼無人機都要靠電腦來控制四個螺旋槳的轉速。這個火龍出水可是完全沒有控制的，四支火箭的推力稍有偏差就亂翻跟頭，誰敢用啊？所以這事兒就屬於文獻上寫的信誓旦旦，實際上不能採信的案例。

有些事兒，可能大家覺得事情從邏輯上和可能性上都挺靠譜兒的，但是在史書文獻上就是查不到。萬戶的故事我們都聽說過，說是明朝初年有個人叫萬戶，坐在綁著一捆禮花彈的椅子上，手裡舉著兩個大風箏，然後就讓人點了火。他想飛上天，然後……就沒有然後了，最後可能連屍骨都沒找全。

這個故事在中文典籍裡是找不到的，最早出現在 1909 年的《科學美國人》雜誌上，主人公也不叫萬戶，而是叫「Wang Tu」，原文是英文，因此對應的是具體是哪個漢字，沒人知道。時間是公元前兩千年，那時候是傳說中的夏代，哪來的火藥啊？這個「Wang Tu」自己作死，被禮花彈炸的渾身是傷，但是沒死，還被皇帝打屁股。人都炸成這樣了，皇上還打屁股？這是什麼皇上啊？這都哪兒跟哪兒啊？所以這個記載是不靠譜的。

馬歇爾太空中心提供的萬戶圖片，漢字您就別認了，估計是畫圖的老外亂劃拉的

1944 年，威利·萊的一本講述火箭的書裡提到了萬戶這個名字。1945 年，赫伯特·齊姆在自己的書裡才提到了我們今天所知道這個萬戶的故事。到底萬戶是名字還是官職都很難說清楚。元朝是有萬戶這個職位的，到明朝都改了，改成了「都指揮使」。所以很多人都不認為這是個真實的故事。

明朝中後期，國家太平，因此對武器的發展沒了需求，發展速度就慢下來了。到後來清朝也是這種情況，著急要用的時候就買外國人的，一旦太平無事，就又鬆懈了。沒辦法，這是自然規律。歐洲在不斷打仗，火器進步非常快。

中央穩定杆版本的康格裡夫火箭

1805 年，康格裡夫發明了新的火箭，穩定性就比我國當時的火箭要好。鴉片戰爭時期，英國人用過這種火箭。洋務運動的時候，國內仿造過這種火箭，還仿造過性能更好的哈爾火箭。

為什麼總要把火藥筒子捆在箭杆上呢？因為箭杆可以提供穩定性。但是火藥筒並不在箭杆中心，而是偏移了一點。所以對穩定性有影響。康格裡夫火箭的改進就在於此，他把箭杆放在了尾噴口的中心，這樣就是完全對稱的，所以精確度比較高。

哈爾火箭更加先進，它是靠偏斜火箭噴射的氣體，引起了火箭的旋轉，靠陀螺效應看來穩定火箭姿態，不需要長長的箭杆，這就省事多了。去掉箭杆這是火箭演化歷史上很重要的一步，所以 2004 年哈爾入選了國際航天名人堂。

儘管如此，當時的火箭並不是一種非常主流的武器。主要的火器基本上不是槍就是炮。儒勒·凡爾納就寫過一本科幻小說叫《從地球到月亮》，裡面就描述了用一種超級大炮，把人裝在炮彈裡打到月球上去。當然凡爾納很"陰險"，在他的小說裡，這一炮打偏了。這顆炮彈成了環繞月球運轉的衛星。這說明凡爾納是很了解牛頓定律的，知道會有引力捕獲這種事兒發生。

《從地球到月亮》1872年版插圖

凡爾納的小說引發了一個人的興趣，他知道，靠大炮發射炮彈是根本無法載人的，因為短時間內劇烈的加速，人根本就受不了。加速度就等於受力，F=ma 對吧。要想去太空，只能靠不起眼的火箭。這個人就是俄國的齊奧爾科夫斯基，如今公認的航天之父。

1857 年 9 月 17 日，齊奧爾科夫斯基出生在俄國梁贊地區一個林業官員的家庭裡。但是這個孩子很不幸，10 歲的時候，他得了猩紅熱，喪失了聽力。所以他沒辦法聽課，也沒辦法和小夥伴們一起愉快的玩耍了。從此他就沒能再上學，不過這個孩子很刻苦，對各種知識有著強烈的興趣。他還特別喜歡自己動手做各種各樣的實驗，幻想有一天能像鳥一樣在天空自由自在地飛翔。這倒是跟我差不多，我小時候拿幾根竹子 + 報紙糊了個大翅膀，還想飛呢。在草地上跑了半裡地也沒飛起來，別提多丟人了。

總之，齊奧爾科夫斯基全靠自學，16 歲那年，他自己一個人來到了莫斯科，在莫斯科他讀了大量數學、物理、化學、機械以及天文方面的書，還去大學旁聽，估計聽是聽不見，靠眼睛看還是可以的。他一邊讀書，一邊自己做實驗。以後他可就沒有這麼好的條件了，後來他搬到了比較偏僻的地方，比較閉塞，重複發明輪子的事兒，他一點沒少幹。

光讀書沒用啊，總要掙錢活下去吧。他倒是考出了一個中學教師的資格，到了離莫斯科 100 公裡遠的博羅夫斯克當了中學老師。俄羅斯當時比較落後，你只要有點文化，到窮鄉僻壤當老師，還是能混口飯吃的。

齊奧爾科夫斯基白天上課， 晚上就繼續做他的實驗。自己悶頭鼓搗，1881 年他獨立的搞出了氣體動力學理論，是基於分子運動論的。其實這是典型的重複發明輪子，他並不知道類似的理論 25 年前就有了。第二篇論文題目是《動物機體的力學》，他轉了個方向，開始研究生物學。這篇論文得到了當時著名的生理學家謝切諾夫的支持，所以齊奧爾科夫斯基進入了俄國物理化學學會。所以人家也不是個民科。

齊奧爾科夫斯基

1884 年開始，他把注意力放在了熱氣球上。19 世紀末，人類飛上高空的唯一方式就是坐熱氣球。但是，當時的熱氣球是用塗滿了橡膠的布做的， 不怎麼結實， 還容易著火，最大的缺點是無法控制，全靠風吹。於是，齊奧爾科夫斯基就開始研究人可操縱的金屬氣球，也就是飛艇。

整個 19 世紀，發明家們都在想方設法增強氣球的操控性。有人給氣球安裝了人力驅動的螺旋槳，但是人能有多大力氣呢，這種飛艇做不大。當時蒸汽機太重了，要想帶上天很困難。只有等內燃機出現了，才有可能被裝到氣球上。果然 1879 年，有人把內燃機裝到了氣球上，1883 年又有人把電動機裝到氣球上。所以，齊奧爾科夫斯基有這種設想是順理成章的事情。

他設計的是一種全金屬的飛艇，因為金屬的有足夠的硬度來維持自己流線型的外形。還要能膨脹和收縮，這就難了。他花了不少心思完善細節，但是做實驗總要花錢，向俄國陸軍參謀部申請經費嗎，人家不批。最終，根據他的研究， 他寫成了《氣球原理》和《可操縱的金屬飛行器》這兩本書。給他點讚的粉絲都寥寥無幾。最後這事兒也就不了了之了。

1892 年，他搬家到了離莫斯科 200 公裡遠的卡盧加，越搬越遠了。職業還是中學教師。他的注意力又開始轉向飛機設計。他的飛機是用兩塊固定的平板當做翅膀， 裝有兩個推進器。根據這種設計，他寫了論文《論用翅膀飛行》， 但沒有引起關注。

1897 年，齊奧爾科夫斯基在自己家裡建造了俄羅斯第一個試驗風洞。當時風洞還是個新鮮玩意兒。該如何使用，大家也沒經驗。早期研究飛行器的人都是把飛機裝在一個旋轉木馬上，只要高速旋轉就能對飛行器進行空氣動力學研究。航空先驅李林塔爾就是用這種方法研究機翼的升力特性的。但是這個方法有個缺陷，那就是旋轉太快的話，氣流會往出甩，方向不對。而且飛機一直浸泡在自己製造的空氣旋渦裡，這跟在空中自由的飛行不是一碼事。

文納姆

1871 年，英國人文納姆首先發明了風洞，這一下，測量變得非常方便了。齊奧爾科夫斯基利用一個離心鼓風機建立了一個開放式風洞，算是風洞方面的先行者。1900 年他申請到一筆經費，用風洞測量了很多幾何形狀的氣動特性。方的圓的扁的都測量了一遍。他的研究給後來俄國著名空氣動力學家茹科夫斯基很大的幫助。然後，然後就沒有然後了。當時的俄國政府總是不肯為齊奧爾科夫斯基的研究花錢。

沒辦法，齊奧爾科夫斯基開始尋求下一個目標，這一次，他把眼光瞄向了沒人敢想的太空。我們下次再說……