每一次人类的重大科技革命,都有一个共同的特点:它们创造出了更强大的交通工具,把脆弱的人类四肢触及范围延展到更广泛的空间。
航海时代,轮船将人类带到大洋每个角落;陆地时代,汽车将人类带到大地每个角落;航空时代,飞机将人类带到天空每个角落;而到了航天时代,则需要依靠火箭要将人类带到宇宙每个角落。
现役世界最强火箭猎鹰重型(图源:SpaceX)
火箭的原理说起来并不复杂,仅需找教科书借用几个基本原理即可。
1.氧化剂和还原剂能产生氧化还原反应,释放自身储存的化学能;
2.能量守恒定律:化学能被释放后,能转化为火箭和排出废气/工质的动能;
3.牛顿第三定律和动量守恒定律:工质朝一个方向被快速排出时,火箭发动机会沿着另一方向加速。
如果把火箭的基本原理再简化好懂一些,它就是个超级复杂的大型烟花。
说起现代火箭,就不得不提一个人叫做齐奥尔科夫斯基,以及以他名字命名的著名公式。他曾在幼年时因患猩红热导致听力退化,不得不退学回家,但他通过坚持去图书馆自学,还是在16岁时因为数学天赋重新参加中考并被录取。期间他一直努力研究各种航天相关的数学问题,其中最著名的便是这个简单的公式,
简单翻译而来便是:火箭的速度改变与两个因素成正比:燃料/工质的喷射速度,及火箭初始与最终质量之比。这个公式看似只有速度和质量变化两个变量,却奠定了火箭技术的核心理论:
火箭从静止发射时,当速度改变(最终速度)达到第一宇宙速度7.9千米/秒时,便能脱离地表引力环绕地球转动;燃料的燃烧产物相对发动机离开时的喷射速度越大,航天器/火箭获得的速度改变就越大;火箭初始重量与最终质量比重越大,航天器/火箭获得的速度改变就越大;因此,多级火箭的概念被提出(不断被扔掉的部分减少了最终质量,提高了这个比例);但由于对数函数的限制,意味着这个比例不能无限增大,超过一定比例后盲目增大火箭重量和体积已经毫无意义了。
人类这几十年来研究的所有火箭,无论推力达到3000吨级别的巨兽土星五号,还是新时代微牛顿级别的等离子发动机,几乎都在这几大原则的框架内进行不断改进。
在这个过程中,有三位人类历史上最为伟大的火箭专家完美践行了这一伟大理论,他们的贡献几乎见证了现阶段全人类的航天探索发展。
自左向右:罗伯特·戈达德(1882-1945):美国科学家,液体火箭之父。