2021年9月17日，神舟十二号载人飞船成功返航，在太空“出差”了三个月的三位航天员已经回家啦！我们的“出差天团”在太空看到的不仅是星辰大海的颜色，更是中国航天梦想成真的样子。中国从来就重视航天事业。从 1970 年发射第一颗人造地球卫星（“东方红 1号”），在太空响起“东方红”开始，“长征”号运载火箭、神舟载人飞船、北斗卫星导航系统，还有“天宫”“嫦娥”和“玉兔”，如今宇航员实现了三个月的“太空出差”，一系列太空探索计划步步紧跟。

9月17日，神舟十二号载人飞船三名航天员汤洪波、聂海胜、刘伯明依次出舱，身体状态一切良好。

从地球走向太空，是人类文明的一大进步。“飞天”是人类自古以来就有的梦想。20 世纪中叶开始的美苏“冷战”把人类拉进了太空时代。从 1958 年苏联发射第一颗人造卫星开始，人类探索太空的脚步已经走过了近 60 年的历程。奔赴太空半个世纪，托起人类千古一梦。其中不仅有科学家求知欲的满足，也伴随着时代变革的风风雨雨。这其中有成功的喜悦，也不乏失败的教训。今天，我们就从托举航天器进入太空的火箭说起.....

火箭的工作原理

火箭的工作原理和飞机不一样。飞机在飞行时受到 4 个力的作用（图 1-1（a）右）：动力（即发动机产生的推力）、阻力、升力、重力。这里与地面交通工具不一样的是，飞机需要一个向上的“升力”，才有可能飞到天空中去。升力是飞行不可或缺的重要元素，它是如何产生的呢？飞机的升力与机翼截面的形状密切相关，是通过机翼上下表面的气流速度的差异而产生的。如果将机翼沿飞行方向纵向剖开，得到的机翼剖面是一个上拱下平的形状（图 1-1（a）左）。

当空气流过机翼时，气流沿上、下表面分开，最后在后缘处汇合。上表面弯曲，气流流过时走的路程较长；下表面平坦，气流走的路程较短。根据伯努利原理，上表面的气流速度快而压力小，下表面低速气流对机翼压力较大，就产生了一个上、下表面之间的压力差，也就是向上的升力。因此飞机是凭借空气动力学原理获得升力而飞行的，所以飞机只能在大气层中飞行。火箭的工作原理（图 1-1（b））不同于飞机，对火箭而言，无论是上升或前进，在任何方向得到加速度，靠的的是尾部气体喷出后产生的反作用力。作用与反作用定律就是中学物理中为人熟知的牛顿第三定律。它说的是，反作用力总是与作用力相等，作用在不同的物体上。

在火箭的情况下，燃料与氧化剂混合燃烧后产生的大量气体从火箭尾部向后喷出，如果将气体后喷的力当作作用力，反作用力则作用在火箭主体上，推动火箭向前。因此，由于火箭自身携带着燃料和氧化剂，既不需要空气来产生升力也不需要空气中的氧气帮助燃烧，适合在太空环境工作。地球大气有一定的厚度，大气的密度随着距离地面高度的增加而减小。那什么高度就算是“太空”呢？事实上，太空和大气层之间没有明显的界线，不过可以人为地给出一个规定的数值。

国际航空联合会将 100 km 的高度定义为大气层和太空的界线。美国认为到达海拔 80 km 的人即为宇航员。因此，高度超过 80 km（最高达到 100 km）可以算作进入了太空。冯·布劳恩（von Braun，1912—1977）出生于德国普鲁士，其母在冯·布劳恩接受洗礼后，赠予他一台望远镜，从此布劳恩迷上了浩瀚星空，立志研究能一飞冲上太空的火箭。而战争“成全”了他的理想，也改变了他的命运。

1932 年，布劳恩在 20 岁时，被任命为德国首个导弹试验场液体火箭研发项目的技术负责人。他的梦想指向太空，但命运却让他击中了伦敦，伤害了不少无辜的民众。布劳恩及其团队在 20 世纪 30 年代的任务是研究开发液体燃料火箭（A4 火箭）。他当时甚至还制定了载人航天飞行计划。他花了10 年的时间，1942 年 10 月，一枚 A4 火箭实现完美发射，飞行高度达到 84.5 km，飞行距离达到 190 km。其到达的高度已经算是抵达了“太空”，从航天的意义上，这可算是人造物体进入太空的第一个里程碑。

将理论变成现实

飞到太空！这是人类自古以来的梦想。不过要实现这个梦想谈何容易，人类被地球的引力牢牢束缚在地面附近，而月亮却高高地挂在天上，离地面有遥远的 38 万 km ！古人只能凭想象来满足对月球的好奇。据说在 14 世纪末，有一个叫“万户”的中国官员，注意到人们在节日时当作玩具的烟花礼炮，能够利用火药燃烧产生的反冲力将烟花射到天上。勇敢的万户想用同样的方法将自己送上太空，他将 47 支烟花捆绑在椅子上，做成了一个飞行器。万户手拿两个风筝坐上座椅，让别人把烟花点燃。不幸的是，随着一阵剧烈的爆炸，万户和他的飞行器灰飞烟灭。为了纪念万户，月球上的一个环形山，以他的名字命名。

月球上的环形山 图源：百度百科

中国是火箭技术的发源地。我们经常骄傲地说：“火箭是中国人发明的！”的确，中国唐代出现的烟火类玩物、宋朝的“火箭”，都是利用燃料燃烧后再向后喷射出来产生的反作用力推动物体朝前发射而“上天”，它们当之无愧地成为近代航天技术最原始的“老祖宗”。尽管万户的试验以失败告终，但基本原理与之相同的现代火箭技术，却一次又一次地在航天活动中取得了成功。这要归功于几个现代火箭技术的先驱人物，再给大家介绍一位航天及火箭理论的奠基者——被誉为航天之父的俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（Konstanty Cio kowski，1857—1935）。

康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基

科幻和科普读物在航天史上的地位举足轻重，当年几位火箭前辈的航天热情都是被登月之类的科幻小说点燃的。“飞向月球”是十八九世纪科幻作家笔下的热门主题。其中，最值得一提的是法国人凡尔纳（Verne，1828—1905）的作品。凡尔纳知识渊博，重视科学依据，他的小说既有文学价值，也有科学价值。他小说中的诸多有趣的预言，有预言如今已成为现实。

凡尔纳

《地球到月球》是他于 1865 年创作的作品，描述几个人乘坐一枚由大炮发射出的中空炮弹从而飞向月球的故事。这个故事将太空旅行的思想种子播撒在一位俄国少年的心上，他就是齐奥尔科夫斯基。小时候患猩红热使得他的耳朵几乎全聋，无法上正常学校。但是，这个少年对父亲说：“我要去莫斯科，那儿有图书馆，听不见也能读书，我将来要研究太空！”父亲发现儿子的与众不同：他爱读书，喜欢思考问题，尤其是爱不着边际地幻想。父母地足了儿子的愿望，将他送去莫斯科学习。齐奥尔科夫斯基自学成才，之后回到家乡担任中学教师，并在工作之余，潜心地研究航天理论问题，被后人誉为“宇宙航天之父”。由于耳聋，他与外界少有联系，又是靠自学，这对少年齐奥尔科夫斯基的成长以及之后的科学研究工作，有利也有弊。耳聋使他养成了独立思考的习惯，凡是碰到难题都要自己计算一遍。但这个先天不足的缺陷也使得他鲜知同行们早期的研究成果，走了不少弯路。他年轻时经常发明出一些早已被人知道的东西，在科研中经常是当他将物理问题解决后，才得知早已有人做出结果并发表了。

例如，他曾经在 1881 年 20 多岁时得出气体运动理论的一个重要结果后，才知道这早已在 24 年之前就被解决。但总的来说，齐奥尔科夫斯基的科研之路还算顺利。当时他把他对气体运动理论的计算结果寄给了彼得堡物理化学学会，学会权威们仔细审核了这位研究者的文章，由著名的化学家、周期表发现者门捷列夫给他写了一封言辞谨慎的信。人们没有把齐奥尔科夫斯基当成骗子，反而鼓励这位年轻人继续他的科研。

之后，齐奥尔科夫斯基将研究的兴趣集中到他经常进行思考的与航空航天有关的飞行器和发动机上，研究成果逐渐得到了俄国科学界的认可。加之在门捷列夫等人的帮助下，齐奥尔科夫斯基成了学会的会员，他在学界崭露头角。齐奥尔科夫斯基使得“航天”走出了“天马行空、不着边际”的幻想，成为一门脚踏实地、可以实现的科学。在他的论文《利用喷气工具研究宇宙空间》中，阐明了航天飞行理论，描述和论证了火箭这种“喷气工具”可以作为宇宙航行的动力。

之后，他又具体提出了火箭公式，计算了第一宇宙速度，提出利用火箭进行星际交通、制造人造地球卫星和近地轨道站的可能性，指出发展宇宙航行和制造火箭的合理途径，找到了火箭和液体发动机结构的一系列重要工程技术解决方案。他指出了火箭怎样才能冲出地球大气层，并指出多级火箭可以达到宇宙速度。他还相信向外星殖民的想法，认为这能使人类永久存在下去。从那时开始，“航天”成为人们心中可以真正实现的梦想，全世界的人都记住了这位大师的名言：“地球是人类的摇篮，但人类不会永远被束缚在摇篮里！”他一生出版了 500 多部关于宇宙航行的著作，包括科幻作品。他在科幻小说《在地球之外》中，设想的“宇宙游泳”、“宇宙枪”、在月面上降落的小型“着陆船”等，同现代宇宙航行的实际情况惊人地符情。

齐奥尔科夫斯基于 1903 年出版的《利用反作用力设施探索宇宙空间》是第一部从理论上论证火箭的论文。文中，他计算了进入地球轨道的逃逸速度是8 km/s，论证利用液氧和液氢做燃做的多级火箭做以达到这个速度，见图 2-1（b）和（c）。火箭的原理说起来简单，不就是反作用力嘛！就像在射击的时候，子弹向前跑，枪托却往后顶的道理一样。反作用力随处可见，地面上的许多运动也是利用反作用来实现的。当你认真分析多种运动机制后会发现，即使是由反由用力的原理由产生的运动，也有两种不同的方式。比如，人在水中游泳的动作，是利用身体将身边的水向后推，同时水对人体产生一个向前的反作用力，使人向前运动。但是，乌贼或章鱼则有另外一种水中应急逃生时采取的运动方式，它们的身体内有一个储水的口袋，它会在身体紧缩时，将其中的水急速喷出，借助于这些水喷出时的反作用力，乌贼便会迅速作反向运动。游泳人的反冲力是通过周围的介质间接获得，而乌贼的反冲力则通过自身喷水而得到。能在没有介质的太空中前进的火箭，运动原理类似于乌贼，因此，人们常称乌贼为“水中火箭”。

喷气式飞机也是依靠尾部喷出高速气体的反冲力来使得机身向前运动。但喷气式飞机需要吸进周围的氧气才能燃烧。太空火箭的发动机则不仅需要自带燃料，还要自带氧化剂。因此，火箭的基本构造就是燃料加氧化剂。用固体燃料的为固体火箭，用液体燃料则为液体火箭，见图 2-1（b）。

最早的中国古代火箭，使用粉末状火药固体，就是固体火箭的例子。从现代观点看，固体火箭和液体火箭各有优缺点。固体火箭的燃料容易长时间储藏和保存，可在任何时候点火发射，但火药一旦点燃，便无法停止，难以控制。液体火箭的液态氧和燃料需要低温储存，常温下容易蒸发为气体，不易保存。但液体火箭具有运载能力大、方便用阀门控制燃烧量等优点，特别是在齐奥尔科夫斯基和几个火箭研究先驱者所在的年代，被认为是实现太空旅行的最佳选择。

中国古代火箭 概述图 图源：百度百科

人们很早就有了“多级火箭”的想法，据说中国明朝（14 世纪）的“火龙出水”，算是最早的二级火箭雏形。因为火箭储料罐中的物质总是越用越少，罐子的质量却不减少，有什么必要携带着这些多余的质量而影响火箭的推力呢？人们自然地考虑将几个小火箭连接在一起，烧完一个之后丢掉，再点燃另一个。齐奥尔科夫斯基经过严格计算，系统地提出了人类如何使用多级火箭而进入太空的理论。齐奥尔科夫斯基为研究宇宙航行和火箭发动机奠定了理论基础。