1.2.2 火箭理论与实践

1.2.2.1 航天理论先驱

掌握了天体运行规律后，人们认识到，要想进行星际航行，就必须获得足够高的飞行速度。为了指导航天活动，为了获取星际航行的速度，许多航天先驱们着手进行基本理论研究和工程的实践，做出了重大贡献。这些先驱者中最著名的有康士坦丁·齐奥尔科夫斯基、罗伯特·戈达德和赫尔曼·奥伯特等人，如图1.3所示。

俄国科学家康士坦丁·齐奥尔科夫斯基（1857—1935年）是现代航天和火箭理论的奠基人。他研究了星际航行的运载工具，最早明确阐明了利用反作用装置作为太空飞行推进动力的思想，指明火箭是实现星际航行的理想工具。他以动量守恒来研究火箭运动，从理论上证明了火箭可以在无大气环境下产生动力实现航天飞行，并于1897年推导出了被誉为“宇宙航行第一公式”的火箭运动方程式。他还首先提出利用多级火箭可以获得第一宇宙速度，能够将人造地球卫星送上太空。他在后续的论文和著作中，确定了液体火箭发动机是航天器最适合的动力装置，为运载火箭的发展指出了方向；研究了卫星轨道和开发太空的设想，提出了为实现星际航行必须设置空间站的设想，以及航天器在地面起飞、在星际空间飞行和在没有大气层的星球表面着陆的条件。齐奥尔科夫斯基所建立的航天学理论基础指导着航天活动的实践。

罗伯特·戈达德（R.H.Goddart，1882—1945年）被尊称为“美国火箭之父”，他研究和阐述了宇宙航行学的理论和基本数学原理，提出了将火箭发射到月球的方案。他进行了火箭工作性能的实验，首先通过实验证明了火箭能在真空中工作，解答了当时许多人的疑虑。他研究了火箭发动机燃烧室和喷管形状对热效率的影响，得出火药火箭比液体燃料火箭效率低的结论，并着手研制液体火箭。1926年3月16日，戈达德进行了世界上第一枚液体火箭的发射试验，并取得了成功，成为液体燃料火箭创始人。1932年，他首次利用陀螺控制燃气舵操纵火箭飞行。1935年，他制造的火箭的飞行速度超过了声速，射程达到70km。戈达德的贡献是将航天理论与火箭技术结合起来，使火箭进入实际的研制阶段。他不断地改进火箭，最终使火箭达到了可观的高度和速度。他的成就启发和鼓舞了20世纪30年代一大批火箭研制者。

出生在罗马尼亚的德国籍物理、数学教授赫尔曼·奥伯特（1894—1989年）是德国火箭研制工作的发起者，他的经典理论著作《飞往星际空间的火箭》和《通向航天之路》论述了摆脱地球引力和载人飞向太空的原理，在德国建立了火箭和宇宙航行学的基本理论。他的著作引起了公众很大的反响，激发了许多青年的兴趣。1927年，德国创立星际航行协会，奥伯特担任会长。该协会成为航天人才基地，团结了一批欧洲航天爱好者，开展了液体火箭的研制和试验，进行了宇宙飞船的研究。通过交流与火箭研制活动，使布劳恩、瓦利尔、内贝尔等一批著名航天专家得到了锻炼和成长。1938年，奥伯特在维也纳工程学院开始从事固体火箭研究，并于1940年加入德国国籍。1941年，奥伯特参与了“V-2”火箭的研制工作。他的贡献主要在理论方面，对早期火箭技术和航天学的发展有较大的影响。

1.2.2.2 火箭研究组织的实践

20世纪20年代中期，齐奥尔科夫斯基等航天先驱者提出的理论和取得的非凡成就已逐渐被世人所知，并且在一定程度上得到了承认。在这些先驱者的卓越思想和伟大著作的影响和激励下，欧洲和美国等许多地区和国家都有不少热血青年自发组织起来，成立了有关火箭研究和太空飞行的研究协会或组织，使液体火箭得到了很大发展。可以说，从航天学理论创立到20世纪40年代达到德国液体火箭这一技术高峰的过程中，二三十年代的火箭研究组织是其中极其重要的承上启下的环节。

1.德国星际航行协会

德国星际航行协会创始人是温克勒（J.Winkler）和法利尔（M.Valier）。该协会于1927年6月5日成立，参加首次会议的只有12人，会议推举温克勒担任主席。会议确定协会的宗旨是：验证并应用奥伯特的理论，进行火箭与太空飞行的理论和试验研究。由于他们的最终目标是研制宇宙飞船，因此把座右铭定为“宇宙飞船万岁”。该协会还决定创办刊物《火箭》。为了扩大影响并在公众中宣传航天思想，该协会决定编辑出版一本介绍太空飞行知识的著作《太空飞行的可能性》。该书出版后得到热烈反响，吸引了一批年轻人加入协会，其中就有当时只有19岁，还在柏林工业大学学习的冯·布劳恩。

德国星际航行协会成立初期，经费筹措比较困难，所做的工作也很分散。为了尽早研制、发射一枚液体火箭，他们计划先从研制小火箭开始并取得了初步的成功。之后，他们决定研制新的液体火箭，取名“推进器”。该火箭取得了极大成功，也使协会名声远扬。德国星际航行协会在成立之初的5年内，做了大量开拓性的努力，共举办了23次火箭和太空飞行展览，进行了270次火箭发动机点火试验和87次火箭发射试验。

2.美国火箭协会（ARS）

美国火箭协会的发起人大多是职业作家或业余作家，这批人有一个共同的爱好，就是都喜欢阅读和创作科学幻想小说。1930年4月4日，在哈罗尔德论坛报记者爱德华·彭德利（E.Pendray）纽约的家中，12个人聚集在一起，发起成立了美国星际航行协会，后来更名为美国火箭协会。在成立大会上，《幻想故事》杂志的编辑戴维·拉舍（D.Lasser）被选为协会的第一任主席。1930年7月，该协会正式出版了刊物《会志》，后来改名为《航天学》，接着又改名为《美国火箭协会杂志》，最终演变成了《喷气推进》。

美国火箭协会成立了一个委员会，开展第一枚液体火箭的研制工作。彭德利和佩尔斯负责第一枚火箭的设计，并按照美国火箭协会的缩写命名为“ARS1号”。在“ARS4号”火箭取得成功后，协会决定将火箭和发动机研制工作分开，优先开展发动机和试验台的研制。与此同时，美国火箭协会其他成员分别进行火箭结构设计、冷却、火箭运动理论以及火箭应用方面的广泛研究。1936年，埃弗里科诺（A.Alfricano）基于协会所进行的大量研究和试验，设计了一枚高空火箭。这项设计为他和协会赢得了第二届REP-Hirsch航天学大奖，使美国火箭协会在世界范围内确立起了自己的地位。

3.苏联的火箭研究协会

苏联在20世纪二三十年代，也有几个火箭及太空飞行研究组织，包括1924年成立的星际交通协会、1925年成立的“乌克兰太空研究协会”等。1928年6月，列宁格勒气体动力学实验室开始研制助推火箭；1929年4月，该实验室成立第二分部，开始研究液体火箭发动机和电火箭发动机；1931年，又有两个研究小组成立，一是莫斯科喷气推进研究小组，二是列宁格勒喷气推进研究小组；1932年4月，莫斯科反作用研究小组创建了实验火箭工厂，并于1933年成功研制了苏联第一枚全液体火箭“GIRD-X号”。

为便于统一领导，莫斯科喷气推进研究小组和列宁格勒喷气推进研究小组与气体动力学实验室于1933年10月31日联合起来，成立喷气推进科学研究所，原气体动力学实验室主任、军事工程师克莱门诺夫被任命为研究所所长，科罗廖夫担任副所长。20世纪30年代后期，喷气推进科学研究所在火箭研究设计方面也取得了一定成绩。从1929年到1945年，苏联的火箭技术在各方面都取得了重大突破，特别重要的是，这一时期涌现出了一大批火箭专家，包括格鲁什科、科罗廖夫、吉洪拉沃夫等，他们为苏联发展火箭、导弹和航天技术做出了巨大贡献。

1.2.2.3 “V-2”火箭及其历史作用

从20世纪20年代到第二次世界大战之前的一段时间，欧洲各国、美国以及苏联涌现出了一大批火箭专家，而且他们在火箭技术方面都取得了重大的突破性成果，无论从理论上还是实践上都为人类制造火箭并最终克服地球引力做好了准备。然而世界各国当时并没有认识到火箭的价值，除了德国，美国、英国、法国和苏联都没有研制出实用的火箭武器。

从20世纪20年代末开始，德国陆军炮兵局抽调专人研究火箭的未来发展潜力和用于现代战争的可能性。刚刚取得工程硕土学位的年轻军官瓦尔特·罗伯特·多恩伯格（W.R.Dornberger，1895—1980年）上尉被指派负责具体研究工作。1932年年底，多恩伯格火箭研究小组的框架基本搭成，在冯·布劳恩（Wernher Von Braun，1912—1977年）的主持下开始研制A系列液体火箭。其中，1942年10月取得飞行成功的“A-4”火箭代表了A系列火箭的最高水平，推力高达约260kN，利用陀螺平台与石墨燃气舵和气动舵组成的系统，实现了火箭飞行的制导和控制。“A-4”火箭的成功是火箭及航天史上具有重要意义的事件，多恩伯格在庆祝会上激动地说：“我们利用火箭进入了太空，并且首次利用太空为地球上的两点架起了桥梁；我们证明了利用火箭原理进行太空飞行是切实可行的，这在科学技术史上有着非凡的意义。除了陆地交通、海洋交通和空中交通外，现在还可以加上无限广阔的宇宙空间作为未来洲际航行的一个中介。这是宇宙航行新纪元的曙光。今天，1942年10月3日，是人类旅行乃至太空飞行新时代的第一天。”

“A-4”火箭后改名为“V-2”火箭，如图1.4所示。纳粹德国将其用于袭击英国本土，先后向伦敦发射了约3000枚火箭，造成了英国巨大的人员和建筑物损失，引起了很大的恐慌，充分显示了火箭武器的威力。“V-2”火箭从工程上实现了航天先驱的技术设想，标志着现代大型火箭技术取得了突破，成为向地球引力挑战的工具，是航天史的一个重要里程碑。