返回上一页 发布人:patent
我要发布信息
| 中外科学家发明家丛书：齐奥尔科夫斯基 （七） | 发布于:2013/08/16 | |
| 七、星际航行理论的奠基者 对飞行在地球大气层内的飞行器进行了深入研究之后，齐奥尔科夫斯基 的研究领域扩展到了火箭技术与星际航行理论方面，并开创性地提出了远程 火箭的飞行图解公式与星际航行火箭的运行公式，从而为人类的航天科学作 出了更加卓越的贡献。 如前所述，早在 1883 年，齐奥尔科夫斯基就在《自由空间》一文中提出 了关于宇宙飞船的最初设计方案，显示了他对宇宙航行的天才设想。 19 世 纪 90 年代，他又发表了两篇科学幻想小说，在小说中，他生动地描绘了人 类飞往其他行星球的雄伟构想。 1903 年，齐奥尔科夫斯基发表了《利用火箭喷射仪器研究宇宙空间》一 文，这篇论文的发表，在人类的航天科学史上起到了划时代的重要作用。 在我们已经知道在宇宙空间的空气极为稀薄，几乎接近真空，所以靠空气浮 力为力源的气球与气艇都无法飞出大气层。齐奥尔科夫斯基也意识到了这一 点，所以在他的论文一开始就写道：“装有自动观察仪的无人操纵的小型气 球，直到现在它的升限也未能超过 22 公里。很明显，利用气球飞往更高空间 的困难将随着高度的增大而不断增加，要利用气球或飞艇飞到大气层范围之 外是完全不可能的。” 随后，齐奥尔科夫斯基又认真地研究了利用大炮炮弹飞向宇宙的可能 性。他通过仔细的计算，最终认为利用炮弹飞往星际空间也是不可能的。这 是因为炮弹由大炮发射出时的初速度非常高，这就会在极短的时间内产生极 大的动力加速度，但这种加速度将会造成宇航员的突然死亡以及仪器的彻底 损坏。很显然，大炮的炮弹根本不能用于星际航行。最后他得出了自己的结 论：“我建议使用喷气装置，也就是火箭之类的飞行器去研究外层空间用以 代替气球和大炮炮弹。” 喷气式火箭，离开地面的初始速度并不是需要太高，而是在飞行过程中 逐渐加速的，最终达到足以摆脱地球引力，从而飞出地球大气层的速度。因 为宇航火箭的速度是逐渐提升的，加速度远比炮弹小得多，所以就能够保证 火箭内乘员的生命安全以及工作仪器的正常运转。但是，宇宙火箭在宇宙空 间是如何飞行的呢？它的构造又应是怎样的呢？通过什么办法才能够计算出 宇宙火箭的飞行速度与高度呢？这些都是当时未解决的问题。为了解决这些 问题，齐奥尔科夫斯基在物体运动力学理论方面进行了新的探索。他根据已 知的力学原理全面地研究了火箭的运动过程，从而创立了牛顿古典力学中新 的一章——变质量力学。他通过自己的研究，提出了著名的火箭推进速度的 计算公式——齐奥尔科夫斯基公式： V＝Cln Mi Mk 式中： “V”表示火箭运动的速度； “C”表示火箭燃料的燃烧产物从喷气管喷出的速度； “Mi”表示火箭起飞前的原始质量； “Mk”表示燃料与氧化剂燃烧完之后的火箭最终质量。 这一公式表明，在外层空间，火箭的飞行速度是由发动机喷气管喷出气 流的速度以及火箭的起始质量与发动机最终停止工作后火箭的质量比所决定 的。要想提高火箭的飞行速度，就需要提高火箭发动机喷出气流的速度并增 大火箭的最初质量与最终质量的比值。 那么，究竟怎样才能增加这两个数值呢？齐奥尔科夫斯基认为：决定火 箭喷出气流速度快慢的是火箭燃料燃烧的性质，燃烧后释放热量大的推进剂 喷出的速度就大；而液体燃料的发热量要比固体燃料（火药）大，因此从流 体燃料火箭发动机喷气管中喷出的气流速度要比固体燃料火箭发动机喷气管 中喷出的气流速度大。因此，他在人类科学史上首次提出了采用液体燃烧为 火箭发动机的思想，并在他的这篇论文中绘出了世界上第一枚液体动力火箭 的构造图，从而为火箭的设计与发展开辟了一条崭新的道路。 齐奥尔科夫斯基所设计的火箭外形犹如一支雪茄烟，因为这样的外形可 以使火箭飞行时所受到的阻力最小。在火箭的前仓是宇航员的控制室；火箭 的后仓则被分为两个相互隔离的储藏室，储藏室中分别放置液态氢（作为燃 料）与液态氧（作助燃剂），这两种物质在燃烧室内混合后就会燃烧起来， 燃气从喇叭形的喷气管内高速喷出。 为了更好地控制火箭的飞行方向，齐奥尔科夫斯基还在论文中提出了在 星际空间高速航行的火箭操纵问题。他设想在火箭喷气管的出口处安装石墨 舵（因为石墨能耐高温），利用石墨舵在燃气流中的转动所引起燃气流的偏 转来改变火箭的运动方向。 从齐奥尔科夫斯基的这些设计中，我们可以看出虽然他的喷气式火箭设 计还相当原始，考虑也不够周全，但这确实是现代火箭的雏形，他的研究工 作，为以后火箭研制奠定了基础。 在此之后，齐奥尔科夫斯基在火箭设计及宇宙航行领域中继续深入研 究。1915 年，他又发表了《论外层空间的航行》一文，在这篇论文中，他探 讨了火箭发射升空后如何返回地面的问题。此时，他已预见到火箭返回地球 的困难——这是因为火箭返回地球时的速度极快；因此，高速运动的火箭在 降落过程中就会与周围大气的摩擦而产生高温，所以不采取任何防护措施的 火箭就难免如同流星一样被烧毁。为了避免这种灾难性的后果发生，他提出 了利用低温液态氧循环冷却火箭外壳的方法，这样就能使火箭安全地返回地 球。 通过不断的深入研究，齐奥尔科夫斯基发现，仅仅依靠提高火箭发动机 喷出燃气的速度，无法解决火箭进入宇宙飞行的问题，因为当时还无法提供 一种能使火箭摆脱地球引力而飞行的液体燃料，这样火箭就无法以宇宙飞行 速度飞行。 我们所说的宇宙飞行速度有三个。第一宇宙速度也称为环绕速度，即当 物体以这一速度环绕地球运动时，所产生的离心力恰好等于在这一高度时物 体的重力。这个速度同物体所处的高度有关，物体在地球表面的环绕速度为 7.91 公里/秒，在离地面 200 公里处为 7.79 公里/秒，具有这样速度的物体 就会环绕地球飞行，而成为地球的卫星。第二宇宙速度也称逃逸速度，即物 体脱离地球的引力而成为太阳的卫星所要达到的速度，其数值为 11.2 公里/ 秒。第三宇宙速度即物体脱离太阳引力的速度，其数值为 16.5 公里/秒；一 旦物体运行速度超过这一数，就会脱离太阳系而进入其他恒星系。 齐奥尔科夫斯基以为，必须设法提高火箭的原始质量与发动机终止工作 针对这个问题，齐奥尔科夫斯基在 1929 年发表的《火箭列车》的论文中， 首次提出了多级火箭的新颖构想。这样就大大增加了火箭的质量比，使人类 可以利用已经掌握的液体燃料实现飞往星际空间的美好愿望。 那么，齐奥尔科夫斯基设计的“火箭列车”是如何提高火箭质量比的呢？ 下面就举一个简单的例子解释这个问题：假设单级空火箭的重量为 500 公 斤，其中装有 1500 公斤的推进剂，也就是说火箭在起飞前的总重量为 2000 公斤，因此这时火箭的质量比就是 2000/500=4。现在我们再来看一看“火箭 列车”（两级火箭）的质量比。“火箭列车”起飞前的总重量还是 2000 公斤； 不过这时，因为它是由两级同样的火箭组成的，所以每一级空火箭的重量为 250 公斤，其中装有的推进剂为 750 公斤。在第二级火箭最终进入飞行轨道 后，“火箭列车”的质量比就是：起飞前火箭的总质量与第二级空火箭（即 宇宙飞行物）的质量之比（因为第一级火箭在燃料燃尽后已脱离），即 2000/250=8，这就比单级火箭的质量比增加了一倍。因此，火箭的飞行速度 就会大幅度提高。以上是以两级火箭组成的“火箭列车”为例，如果要是更 多级火箭组成的“火箭列车”，根据同样的道理可以推算出它的质量比会更 大，它的飞行速度也将有更大的提高。 齐奥尔科夫斯基对于多级火箭设计原理的探讨，是火箭技术研究过程中 剂来实现宇宙航行的运载工具问题，从而使宇宙航行具备了可能性。今天， 人类已经向太空轨道发射了 2000 多颗人造地球卫星与多艘宇宙飞船，这些都 是依靠多级火箭发射升空的。这一事实的成功源泉就是来自齐奥尔科夫斯基 的“火箭列车”的技术性设计。仅凭这一点，人们不能不承认齐奥尔科夫斯 基是现代航天飞行的卓越奠基者。 另外，在星际航行的问题上，齐奥尔科夫斯基还首次提出了建立空间站 的卓越设想。早在 1883 年发表的《自由空间》一文中，他就谈到了人造地球 卫星：“我所想像中的人造地球卫星就象月亮一样，不停地围绕地球运转； 但它只是在浓密的大气层之外，可以非常靠近地球，即大约离地球表面 300 公里之外。”从此以后，他进行了许多计算，并指出发射人造卫星是人类进 的物资补给。因此，宇宙飞行中空间站的建立，可视为人类跃进宇宙的跳板。 实验室以作为人类日后更深远地进入宇宙空间的基地。 令人钦佩的是，早在 80 多年前，人类最简单的飞机刚刚上天之时，齐奥 |
||
