火箭技术的早期萌芽与技术初步:火箭回收技术

　　古典时代的落幕 　　 　　1814年9月7日，夜，雨。35岁的美国律师佛朗西斯·斯科特·基一夜无眠，忧心如焚。基律师作为谈判小组的一员，前往敌英军旗舰交涉释放被扣留的平民的。虽然白天的交涉获得了令人满意的结果，但由于英军将领在谈判时透露了当晚即将发动袭击的作战计划，为了避免泄密，他们仍然被英军扣押，不能离去。入夜后，英军如期发动了攻击，从英军战舰编队里，无数的火龙冲天而起，飞向夜幕中的麦克亨利堡。虽然看不清战场的细节，忧心忡忡的基律师仍然一直停留在甲板上守望着，直到拂晓晨光初现，他惊喜地发现，虽然麦克亨利堡已经遭受重创，但敌人的攻势并未得逞，一面美国国旗仍然在城头上飘扬。基律师无法抑制心中的喜悦之情，挥笔写下了一首著名的诗篇，其中写到：“and the rockets" red glare, the bombs bursting in air, gave proof thro" the night that our flag was still there.”（火箭映红了天空，爆炸声响彻空气，它们是此夜的见证，我们的旗帜依然无恙）。这首诗随后传遍了整个国家，并配上了乐曲。在100多年后的1931年3月3日，时任总统的赫伯特·胡佛签署法案，将这首已经成为国家象征的《星条旗之歌》定为美利坚合众国的国歌。这是世界上唯一一首在歌词中出现了“火箭”的国歌，也是“火箭”在历史上留下的最深的印痕。而当时英军用来攻击麦克亨利堡的火箭，就是古典时代的火箭里最著名的康格里夫火箭。
　　历史学家们公认，得益于黑火药的发明，火箭的最早起源是在中国。1233年，蒙古大军攻破金国国都汴京，尽俘城内制造火器的工匠，从而掌握了火箭这种新型武器。在随后发动的蒙古第二次西征中，蒙古大军横扫欧亚大陆，一直攻到现今德国境内。1241年在莱格尼兹城附近平原大败当时西里西亚与波兰联军，据西方史料记载，蒙古军当时就使用了中国火箭，这也是有史可据的火箭在欧洲的第一次使用。蒙古大军的铁蹄虽然给占领区的各族人民带来了深重的灾难，但火药和火箭却由此从中土传到了遥远的西方。然而，当时的欧洲仍然处于中世纪的“黑暗时代”，教会垄断了知识和科学，也阻碍了先进技术和思想在欧洲的传播，意大利得益于其在东西方交流中的特殊地理位置，成为欧洲最早装备、应用火箭的地区，意大利语“火箭”的单词“rochette”，也成为其他欧洲国家对“火箭”的称呼的词源，例如英语单词“rocket”。到14世纪末，欧洲大陆的主要国家都普遍装备了与中国传统式样相近的火箭。
　　然而，由于英吉利海峡的阻隔，以及岛国建军方略与大陆国家的着重点不同，英国直到16世纪才开始装备火箭，而且因为火炮、火枪技术的发展，应用并不广泛，使得英国的火箭技术明显落后于其他欧洲国家。然而，18世纪末，英国殖民军在印度南部遭到了抵抗力量的大规模火箭袭击，损失惨重，这促使英国军械部决定研制军用火箭。在炮兵军官威廉·康格里夫的主持下，1805年，研制成功了古典火箭的巅峰——康格里夫火箭，并被英军采用为制式装备。与传统的中国式火箭相比，康格里夫火箭有两项重要的改进，其一，是使用了铁制的药筒（也就是发动机壳体），强度远远大于中国式火箭使用的纸筒，不仅火药量可以显著增加，其燃烧稳定性和燃烧压力也明显提高，射程也大幅度增加，可以达到2 000米以上；其二，是设置了专门的弹头，以爆炸型弹头为主，其次是纵火型弹头，这使得康格里夫火箭的毁伤能力有了质的提高。1807年，英军向丹麦首都哥本哈根发射了4万支（一说为3万支）康格里夫火箭，使该城遭受了严重破坏，大部分城区被烧为平地。然而，真正令康格里夫火箭名扬后世的，还是本文一开始就讲到的第二次美英战争中英军围攻麦克亨利堡的战斗。康格里夫火箭作为制式装备，一直使用到了19世纪中期，由于这种火箭仍然沿用了中国式火箭长长的发射杆，在实际使用时仍较为不便。1844年，另一个英国人威廉·赫尔在此基础上发明了一种改进型的火箭。赫尔火箭取消了笨重的发射杆，使用铁制的发射管发射，为了保证取消发射杆之后火箭的飞行稳定性，在喷口处装设了一个三瓣半圆形的挡板，利用喷口燃气的压力产生推动火箭旋转的扭力矩，赫尔火箭可以说是现代火箭的始祖，但由于沿用了落后的古典火箭结构，与已经出现的近代线膛火炮相比，赫尔火箭处于绝对的劣势，到1867年，英军做出了终止赫尔火箭改进的官方决定，持续了7个世纪的古典火箭时代终于落下了帷幕。
　　
　　古典火箭与现代火箭的重要区别
　　
　　古典火箭之所以在近代火器装备的竞争中落败，其主要原因有两个，其一，是射程较小，其二，是精度较低。然而究其根源，可以说是其火箭发动机的性能已经不能满足近代战争的需求，而这正是古典火箭与现代火箭的重要区别。
　　古典火箭使用的推进剂是黑火药，其能量密度小，燃烧速度慢，用现代术语来讲，“比冲”太小，只有50~140秒左右，而现代先进固体火箭可以达到300秒。由于有了近代发展起来的现代科学体系，为高能量密度的先进推进剂研制和发展指明了技术方向，无论是使用液体推进剂还是固体推进剂，现代火箭都具有远远优于古典火箭的推进性能。
　　然而，推进剂能量密度的提升，只是现代火箭优越性能的其中一个方面。导致现代火箭明显区别于古典火箭的特征，是拉瓦尔喷管的发明和应用。在古典火箭中，喷管是一个圆柱形的管型通道，当高温高压的燃气冲出这种喷管时，会出现向侧面的突然膨胀，这使得燃气的能量并不能完全用于推进火箭飞行，而是有很大一部分向四周分散浪费掉了；而且，从这种喷管喷出的燃气最大速度只能达到声速，而根据动量守恒定律，火箭的飞行速度取决于喷气速度（其实表征了发动机推力）的大小，这进一步导致了燃气能量的浪费，限制了火箭飞行速度的提高。幸运的是，在提高另一种热机——蒸汽轮机工作效率的研究中，为了更加有效地提高对高压蒸汽所含能量的利用率，在已经发展成型的流体力学理论基础上，瑞典工程师古斯塔夫·德·拉瓦尔经过长达8年的研究，于1890年发明了一种能够使得高压喷流尽量膨胀、加速的喷管，被后人命名为拉瓦尔喷管，不仅应用在蒸汽轮机中，还成为现代火箭应用的标准喷管形式。
　　拉瓦尔喷管可以看作由两个锥形管构成，其中一个为收缩管，另一个为扩张管，二者之间通过曲线圆滑过渡，连接部分直径最小之处称为喉部。在火箭发动机工作时，高温高压的燃气首先从收缩管流向喉部，此时燃气流速低于声速，遵循“流体在管中运动时，截面小处流速大，截面大处流速小”的原理，不断加速，到达最窄的喉部时，已经达到了声速。而超声速气流的运动规律恰好与亚声速气流相反，是流道截面越大，气流膨胀越充分，流速越快，冲过喉部的气流在扩张管中继续加速，成为超声速气流。理论上，在燃气压力高于大气压力时，喷管扩张段越长、截面积越大，燃气膨胀、加速越充分，推进效率越高，但是受到实际情况的限制，火箭发动机喷管长度只能在允许的有限空间范围内尽量延长。当燃气最终从喷管流出时，气流速度可以达到每秒1 500~5 000米，相当于声速的约4.5到15倍，其动量得到了极大的提升，发动机的推力也大大增加了。现代的近距格斗空空导弹发动机可以使得导弹在短短的一两秒中内加速至2~3倍声速、甚至更高的速度，拉瓦尔喷管带来的大推力功不可没。拉瓦尔喷管还为火箭带来了一个鲜明的附加特征，就是排气的尖锐呼啸噪音——超声速气流造成的激波噪音。
　　
　　现代火箭的早期发展
　　
　　从十九世纪末开始，随着现代科技的爆发性发展，开始有科学家将目光展望至无垠的宇宙，并认为火箭是未来人类星际旅行的唯一可用的交通工具，为此，在欧美都出现了研制运载火箭的热潮。而第一次世界大战之后，几个主要军事大国都深切感到现代战争条件下快速高强度火力打击的重要性，并推动了军用固体火箭和火箭炮的发展，使得火箭武器在沉寂了半个多世纪之后，重新在战场上占据了一席之地。最终，火箭武器和运载火箭在第三帝国的末日武器计划中得到了完美的结合，V-2火箭成为了世界上第一种用于实战的弹道导弹，并成为战后各大国发展弹道导弹和运载火箭的基础。
　　
　　早期俄罗斯/苏联火箭发展
　　在火箭和航天发展史上，人们永远不会忘记三位科学先驱的名字，他们分别是：俄罗斯的康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基、美国的罗伯特·戈达德和德国的赫尔曼·奥伯特。其中，齐奥尔科夫斯基被称为现代宇宙航行学的奠基人。他最先论证了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，指出发展宇航和制造火箭的合理途径，找到了火箭和液体火箭发动机结构的一系列重要工程技术解决方案。
　　康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基1857年9月5日生于俄国伊热夫斯科耶镇，童年因听觉几乎完全丧失而辍学，14岁以后主要靠自学，读完中学和大学数理课程。1880年开始，齐奥尔科夫斯基在卡卢加省博罗夫斯克县立学校任教并开始研究工作，其陆续进行的研究课题有：金属飞艇、流线型飞机、气垫火车和星际火箭的基本原理等。
　　1883年，齐奥尔科夫斯基在一篇名为《自由空间》的论文中，正式提出利用反作用装置作为太空旅行工具的推进动力，并提出，火箭运动的理论基础是牛顿第三定律和能量守衡定律。这些思想在1893年发表的科幻小说《月球上》和1895年写的《地月现象和万有引力效应》中得到了进一步发展。1896年，他开始从理论上研究星际航行的有关问题，进一步明确了只有火箭才能达到这个目的。1897年，他推导出著名的火箭运动方程式。
　　在这些工作的基础上，齐奥尔科夫斯基于1898年完成了航天学经典性的研究论文《利用喷气工具研究宇宙空间》，接着，他又于1910年、1911年、1912年和1914年在《科学报告》上发表了多篇关于火箭理论和太空飞行的论文。这些出色的著作系统地建立起了航天学的理论基础。1903年，齐奥尔科夫斯基发表了世界上第一部喷气运动理论著作《利用喷气工具研究宇宙空间》，提出了液体推进剂火箭的构思和原理图，并推导出在不考虑空气动力和地球引力的理想情况下，计算火箭在发动机工作期间获得速度增量的公式，为研究火箭和液体火箭发动机奠定了理论基础。
　　在一篇名为《太空火箭工作：1903-1927年》的文章中，齐奥尔科夫斯基系统地总结了他在火箭和航天学研究过程中所做的工作和取得的成就。然后，他对航天的未来发展阶段进行了展望。这些阶段包括：火箭汽车、火箭飞机、人造卫星、载人飞船、空间工厂、空间基地、太阳能的充分利用、外太空旅行、行星基地，以及恒星星际飞行等。他在文章中提出的在飞船中利用植物生产食物和氧气、依靠旋转产生重力、更好地利用太阳能等思想至今仍是航天领域的研究方向。
　　在齐奥尔科夫斯基的论文和著作的影响下，一批火箭和航天爱好者走上了航天探索的道路。他的成就也被欧美广泛承认，德国火箭先驱奥伯特曾在致齐奥尔科夫斯基的信中说：“您已经点燃了火炬，我们绝不会让它熄灭。让我们尽最大的努力，以实现人类最伟大的梦想。”
　　遗憾的是，直到1935年因病去世，齐奥尔科夫斯基并没有活着看到俄罗斯的火箭冲向宇宙。苏联建立后，军方为了战备，支持了用于战争的火箭武器的研制，未来苏联火箭的总设计师谢尔盖·科罗廖夫也参与其中，并在1933年8月试射了第一枚被称为“09”号的液体火箭。
　　但是，由于肃反扩大化，上世纪30年代末，大部分苏联火箭研究人员和他们的支持者——图哈切夫斯基元帅一样，都遭到了清洗，1938年6月，科罗廖夫被逮捕，送进了集中营，幸运的是，在死于非命之前，他被一个新的命令挽救了。1940年，由于被逮捕的优秀专业技术人员数量太多，他们被命令按照专业组成设计团队，在监狱中继续进行设计。著名的轰炸机设计师图波列夫也受命组成自己的犯人队伍，并及时地想起了自己的优秀学生科罗廖夫，将他从地狱边缘拉了回来。
　　二战结束之前，苏联在火箭研究领域的最重要成就，只是为了应对即将到来的第二次世界大战，研制了使用固体火箭发动机的机载火箭和车载火箭，前者在哈勒欣河冲突中首开空对空火箭武器命中纪录，击落了数架日军战斗机，后者则以德军官兵闻风丧胆的“喀秋莎”之名著称于世。
　　
　　早期美国火箭发展
　　1882年10月5日，罗伯特·戈达德出生于美国马萨诸塞州的伍斯特。16岁时，他阅读了威尔斯的科幻小说《星际战争》后，开始对太空产生兴趣。1899年10月19日，他做出了一个重大决定，把自己未来的生涯定位在火箭的研究上。
　　1904年，戈达德进入伍斯特理工学院学习，并于1908年获得物理学学士学位；1910年，从克拉克大学获得硕士学位，一年后获博士学位；1912年，戈达德成为普林斯顿大学的研究员。1919年，他发表了广为流传的论文《到达极高空之方法》。
　　1926年，戈达德在马萨诸塞州的奥本发射了美国历史上首枚液体火箭，这也是世界上第一枚进行稳定飞行的液体火箭，发射地点后来成为了美国政府官方指定的国家历史地标。与其他火箭研制先驱不同，戈达德为了保证试验的成功，没有采用燃料箱在上、发动机在下的传统习惯布局，而是改用发动机在上、燃料箱在下的非常规布局，为了避免发动机喷流烧毁燃料箱，还装设了保护燃料箱的折流板。由于这种布局重心在推力中心之下，是自然稳定的，所以不需要复杂的控制系统，这就避免了其他研究者费尽心血来研究火箭自动稳定系统的尴尬局面，得以专注于对发动机的研制工作，并一举获得了成功。
　　然而不幸的是，戈达德的研究没有得到官方的关注和支持，而其本人也不善于社交，没有像其他几位火箭先驱一样拉到充分的赞助，只有美国著名的航空先驱林白在1930年为戈达德筹到了5万美元的捐助。此后，戈达德一直坚持为自己的理想继续探索和研究。美国加入第二次世界大战之后，戈达德参加了一个海军的火箭工程，但由于军方当时注重于固体火箭的发展，除了用作传统的远程投射武器之外，还计划用作飞机的助推器，以在战时机场被破坏时仍能起飞战机，这使得戈达德潜心研制的液体火箭依然没有得到重视，实际上，戈达德的新火箭已经达到甚至超过了V-2火箭的水平。1950年，冯·布劳恩曾宣称：“实际上，我对戈达德工作的完整性感到震惊，并发现V-2火箭的许多设计方法都被戈达德的专利所涵盖。”
　　1945年8月10日，美国火箭之父戈达德因喉癌去世。然而，他所留下的报告、文章和大量笔记，却是火箭技术发展的一笔巨大财富。戈达德生前获得了93项火箭专利，其中薄膜冷却、陀螺稳定和适用于液氧的涡轮泵等都是领先于V-2火箭的关键技术；去世后，他的遗孀整理、发表了他的手稿，申请保护了130多项附加专利，其中最后一项直到1957年才获得批准。对于他的工作，冯·布劳恩曾这样评价过：“在火箭发展史上，戈达德博士是无所匹敌的，在液体火箭的设计、建造和发射上，他走在了每一个人的前面，而正是液体火箭铺平了探索空间的道路。当戈达德在完成他那些最伟大的工作的时候，我们这些火箭和空间事业上的后来者，才仅仅开始蹒跚学步。”
　　
　　早期的德国火箭发展
　　在德国，赫尔曼·奥伯特也是现代火箭理论的奠基者之一。1894年6月25日，奥伯特出生于奥匈帝国的特兰西瓦亚。1913年，赫尔曼·奥伯特到慕尼黑学医学，在第一次世界大战中被奥匈帝国军队征召，中断了医学学习，但他一直专注于宇宙航行的基础理论研究，并阅读了所有能找到的关于火箭和宇宙航行的著作，其中包括齐奥尔科夫斯基的著作。
　　一战结束之后的1919年，奥伯特重新回到德国，改学物理。1923年6月，他发表了经典著作《飞往星际空间的火箭》（1929年经过修改和充实改名《通向航天之路》），详细地阐述了关于火箭的数学理论系统，并提出了许多关于火箭构造的新设计，对早期火箭技术的发展和航天先驱者有较大影响。其中“冷却型”燃烧室的设计是在燃烧室外边设有一个冷却套，液体推进剂在进入燃烧室之前，先经过冷却套对燃烧室进行冷却，这样不但可以降低燃烧室温度，以确保其高温下的工作寿命，还能预热推进剂，提高其随后的燃烧效率，是一个十分巧妙的设计，现代液体火箭发动机普遍采用了各种改良设计的“冷却型”燃烧室，可见奥伯特的先见之明。除此之外，他还研究过二级火箭。
　　从1924年到1938年，奥伯特在特兰西瓦亚的一所中学里担任数学和物理教师。但他对火箭的兴趣没有丝毫减退。值得一提的是，1929年，奥伯特为一部名为《月亮上的姑娘》的科幻片担任了技术顾问，而该片剧本的内容则大量来自奥伯特的论文。奥伯特甚至“假公济私”，说服了影片的投资者出钱制造一枚“真正的火箭”。 但是不走运的是，奥伯特籍此机会自制试验型火箭的努力却没有成功。影片的票房也乏善可陈，因为这一部描绘未来高新技术蓝图的大作，不幸地采用了落后的技术——在代表了世界新潮流的有声电影成为小市民们的新宠时，此片却依然是一部无声电影！但是，这部影片还是留下了一点历史无法磨灭的痕迹，火箭发射的倒计时方式，就是此片首创的，现在已经被所有发射过火箭的国家所沿用。
　　然而，随着纳粹的上台，德国一步一步滑向战争的深渊，奥伯特在历史滚滚前进的车轮前无能为力。1938年他转入维也纳工程学院从事火箭研究，后又在德累斯顿大学研制液体火箭的燃料泵。1941年，奥伯特进入佩内明德研究中心，参与了著名的V-2火箭的研制工作。虽然他没有直接参与发展后来的A-4火箭（V-2火箭的研发名称）的液体火箭发动机，但A-4火箭却完全是以他建立的理论框架为基础研制成功的。
　　提到V-2火箭，就不能不提另一个火箭发展史上承前启后、继往开来的天才人物，同为德国人的沃纳·冯·布劳恩。此人出身于一个古老的普鲁士贵族家庭，由于爱好天文学的母亲的影响，很早就成为奥伯特的忠实读者之一，迷上了火箭技术，为此他选择了在柏林工学校学习工程学，并加入了奥伯特设立的“宇航协会”，参与试验火箭的研制。由于宇航协会的负责人从军方拉来了一笔5 000马克的赞助，该协会得以生存下来，并在1931年5月成功进行了试验火箭的发射，而冯·布劳恩是协会中的佼佼者。1932年，德国陆军决定启动军方的火箭计划，将冯·布劳恩招揽于麾下，委以重任。1933年初，A-1火箭设计成功，但是失败了，进行重大改进之后，冯·布劳恩设计出了A-2火箭，1934年12月，两枚A-2火箭试射成功，表明冯·布劳恩和纳粹德国的火箭计划已经走上了发展的坦途。
　　1936年3月，冯·布劳恩开始着手进行A-3火箭的试验工作，并决定下一个型号A-4将作为实用武器研制，研制目标为战斗部重1 000千克，射程约250千米。1942年6月，佩内明德研究中心进行的第一枚A-4火箭试射失败了，直到10月初，第三枚A-4火箭才进行了第一次成功试射，在接下来的半年中，又陆续进行了11次发射，A-4火箭的质量终于稳定下来，可以用于实战了。1943年7月，希特勒在与包括冯·布劳恩在内的A-4火箭负责人交流时，明确要求将这种前所未有的新式武器立即投入战场。A-4火箭将作为第三帝国的第二号复仇武器（V-2）投入实战。然而，此时德军已经在各个战场上节节败退，战争资源日渐匮乏，V-2火箭直到1944年9月才真正开始了第一次实战发射，在战争剩下来的几个月中，德国人成功地发射了大约4 300枚V-2。不幸的是，根据丘吉尔首相（可能有所夸大）的说法：“平均误差超过10英里（约16千米）。”换句话说，希特勒寄予厚望的复仇武器效能并不太高，非但无法挽救帝国覆灭的命运，其消耗的大量资源反倒促进了纳粹的倒台，这实在是莫大的讽刺。
　　正当第二次世界大战不可逆转地向终点推进的同时，大洋彼岸的美国已经将冯·布劳恩的名字列入战后搜罗的科学家名单之中。到达美国后，冯·布劳恩以他的卓越才智和工作热情，在战后的和平年代，为美国的火箭发展和人类的航天事业做出了不可磨灭的贡献。
　　责任编辑：王鑫邦