點亮航天史的三盞明燈

于鵬翔

看向宇宙

讀過《兩個鐵球同時著地》這篇課文的同學，應該十分熟悉伽利略這個名字。作為現代物理學的祖師爺之一，伽利略用望遠鏡看向夜空的那一刻，人類的目光便從地球轉向了茫茫宇宙，開啟了科學觀察和研究太空的新時代。

當然，僅有觀察還遠遠不夠。所謂萬事開頭難，難就難在你并不知道要從何入手。外星人可不會千里迢迢跑來教會我們如何飛向太空。幸好，在伽利略之后，群星閃耀，人類的智慧在航天路上點亮了一盞盞明燈。

牛頓：離開地球的速度

點亮“第一盞明燈”的是英國科學家艾薩克·牛頓。牛頓用一個蘋果揭示了宇宙運行奧秘的冰山一角，但這一角已經是質的飛躍。小到蘋果落地，大到星球環繞都可以用萬有引力恰當地解釋。

知道了蘋果為什么會落地，自然也就可以推導出如何讓蘋果飛離地面永不落地的方法。在牛頓的著作《自然哲學的數學原理》中，他設想了一門放在山峰上的巨型大炮，如果沒有引力也沒有空氣阻力，發射出去的炮彈應該沿著發射的方向以一條直線形軌跡永久地飛下去。但如果加上地球引力，炮彈就會以一條弧線軌跡落向地面。在萬有引力的作用下，炮彈的速度越快，它就能飛得越遠，也就需要更長的時間才會落地。如此說來，只要速度夠快，這枚炮彈最終會沿著一個固定的環形軌道圍繞地球運動，成為地球的一顆衛星。那么，這個速度是多少呢？牛頓說是7.9千米/秒，即第一宇宙速度。那要是這枚炮彈的速度更快，會發生什么呢？這枚炮彈會以一個更加扁的橢圓形軌道圍繞地球飛行，直到突破11.2千米/秒的速度，此時這枚炮彈會脫離地球的引力束縛飛向宇宙，這就是第二宇宙速度，也叫“逃逸速度”。

牛頓的計算告訴人們，想要離開地球并不是天方夜譚，只要速度夠快就行。在那個年代的技術條件下，人類讓任何物體到達這個速度都是不可能的。牛頓去世一百多年后，法國科幻作家儒勒·凡爾納在他的小說《從地球到月球》中就幻想了用一門巨炮將三個人放進炮彈里送上月球的情景。

使用原始助聽器的齊奧爾科夫斯基

齊奧爾科夫斯基：乘火箭離去

點亮“第二盞明燈”的是蘇聯科學家康斯坦丁·埃杜阿爾多維奇·齊奧爾科夫斯基。他的一生充滿坎坷。10歲時因為一次感冒，他幾乎喪失了全部聽力。14歲時因為聽力原因，他離開了學校。16歲時，因為當時莫斯科沒有一個學校愿意接收聽力不好的學生，他只能在莫斯科的圖書館自學，這一學就是三年。三年間他學習了高等代數、解析幾何、物理、化學、力學、天文學。同時，他還讀了凡爾納的科幻小說。這部小說在他心里播下了一顆翱翔太空的種子。在莫斯科的三年里，齊奧爾科夫斯基一直省吃儉用，將節省下來的錢用來買書，這讓他的身體變得瘦弱不堪。后來，齊奧爾科夫斯基的父親通過熟人才得知他在莫斯科的處境，心疼兒子的父親要求齊奧爾科夫斯基返回家鄉。回到家鄉的齊奧爾科夫斯基后來做了一名數學老師，而這一教就是一輩子。

除教師的身份之外，他還是一位優秀的科學家。早在萊特兄弟成功試飛“飛行者1號”之前，他便設想了一種能高速飛行、機體是流線型的飛行器。齊奧爾科夫斯基運用反作用力原理，提出建造“金屬飛艇”的理論，而動力就是熱空氣。1895年，齊奧爾科夫斯基提出無須火箭發射即可將貨物送至宇宙空間的“太空升降梯”理論（簡稱“天梯理論”）。但在第二年，他在理論上研究星際航行問題，發現在當時的技術條件下建立太空升降梯并不可行，只有火箭才能實現宇航目的。1897年，他推導出著名的齊奧爾科夫斯基火箭方程式，揭示了火箭起飛前的質量與火箭燃料耗盡后的質量之比。

1898年，他完成航天學經典論文《利用反作用裝置探索宇宙空間》。他推導出火箭在太空中飛行的數學原理，提出液體推進劑的構想，算出火箭所能達到的最高速度，并設計了長橢圓形的液體動力火箭，證實了火箭完全具備太空飛行的能力。1935年，齊奧爾科夫斯基去世，正是這位在業余時間研究航天技術的數學老師，為航天事業的發展奠定了基礎。

達德：為火箭加力

點亮“第三盞明燈”的是美國工程師羅伯特·戈達德。現已不得而知，戈達德是否知道在同時代的大洋彼岸有一位名叫齊奧爾科夫斯基的人正在進行火箭研究。但是與齊奧爾科夫斯基相似的是，戈達德也是在一部科幻小說中確定了自己一生的事業。1898年，英國科幻作家喬治·威爾斯出版了著名的《世界大戰》，描述了地球人與火星人戰斗的故事。當時16歲的戈達德因為這本書對宇宙產生了濃厚的興趣。與自學成才的齊奧爾科夫斯基不同的是，戈達德大學畢業后便進入普林斯頓大學帕爾默物理實驗室，后來因為身體原因轉到克拉克大學繼續自己的火箭研究。在還是學生的時候，他就提出了一個讓飛行器自動保持平衡的方法。當時的火箭噪聲大、價格高，還有爆炸的危險，因此戈達德不得不將他的實驗室搬到荒郊野外。在對火箭的研究中，他提出了多級火箭的設想，也就是在火箭上裝備多個發動機，每個發動機都可以讓火箭飛得更快更高。不僅如此，他還用實驗證明了固體燃料可以在真空中燃燒。而這些設想正是現代火箭的設計基礎。

1919年，戈達德發表了論文《到達極高空的方法》。在文章中，他闡述了發展火箭的數學理論、如何讓火箭飛得更快的方法，同時還論述了火箭飛抵月球的可能性。但是當時的媒體對他的想法做了夸大宣傳，一時間“月球火箭”成了社會熱點。但無論外界如何評論，戈達德“躲進小樓成一統”，開始進行自己的液體火箭研究。在無數次的失敗后，1926年3月16日，由戈達德研制的人類歷史上第一枚液體火箭成功發射。雖然這枚火箭僅飛行了約2.5秒，飛了12.5米高，但是這證明戈達德的理論具備可行性，也宣告了現代火箭技術的誕生。在之后的實驗中，戈達德首次使用了程序控制系統，首次解決了用陀螺儀控制火箭飛行姿態的問題。從1930年至1942年，戈達德成功進行了31次火箭發射，其中—枚火箭持續飛行了22.3秒，高度達到2700米。由此，戈達德也被譽為“現代火箭技術之父”。

1945年，戈達德去世。在他去世前不久，德國用V-2火箭空襲了英國，震驚世界。相比于大西洋彼岸馮·布勞恩舉全國之力研制的V-2火箭，戈達德的火箭研究幾乎一直都是靠自己籌措資金，而且與一開始就作為武器研制的V-2火箭不同，戈達德研制的火箭是為了實現人類飛向宇宙的夢想。

羅伯特·戈達德在1926年進行首枚液體火箭試射

1969年7月17日，土星五號火箭搭載阿波羅11號奔向月球的第二天，曾經諷刺戈達德懷抱“不切實際的妄想”的《紐約時報》，在醒目位置刊登了一篇標題為《更正啟事》的簡短文章，結尾是這樣寫的：進一步的調查和實驗確認17世紀艾薩克·牛頓的發現絕對是成立的，火箭可在真空中跟在大氣層中一樣運行。

在人類航天史上，像牛頓、齊奧爾科夫斯基、戈達德這樣的人還有很多，他們有的世人皆知，有的默默無聞，有的精于理論，有的專攻實驗，他們點亮了航天史上的一盞盞明燈，在黑暗中為人類指明了方向。正如齊奧爾科夫斯基所說：“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠生活在搖籃之中。”而帶領我們走出搖籃的，正是這樣一批又一批的科學家。