人类航天史是怎么开始的？

源济

人类航天史是怎么开始的？

作者 / 作者无敌AA

谢邀。

航天史是怎么开始的！这个问题问得好，我们得倒转一下时间，去拜访三位伟大的先人。

以下解答基于真正的“航天”概念出现，也就是在短时间内不再需要落回地面的情况，不包括连来源都很可疑的万户飞天这样的故事。部分引用资料来自 Wikipedia。

• 牛顿的地球大炮

说到第一个阐述扔出去的物体能不落回地面或者落到什么地方的人，那当然就是我们著名的艾萨克·牛顿爵士了。谁如果不认识下面这个人请自行去百度或者去翻初中物理书。

虽然在此之前就有不少人阐述过天体的运动，但是牛顿是第一个用引力的观点去解释它们的人——当然了万有引力这玩意都是这位先生因为看到苹果落地发现的，之前哪里还来的先人呢。

牛顿在 1686 年写成了足以让他名垂青史的《自然哲学的数学原理》一书，在书中的第三卷“论宇宙的系统”（英语：On the system of the world），他提出了这样的一个思想实验：

设想有一门加农炮架在一座非常高的山的山顶上。如果在没有任何引力和空气阻力条件下，炮弹应该沿着发射的方向以一条直线的轨迹远离地球。如果有一个吸引力存在的话，炮弹会沿着一条不同的轨道运动，轨道的形状取决于炮弹的初始速度。如果速度低的话，炮弹就会直接掉在地球上。如下图所示的运行轨迹的初始水平速度分别在 0 到 7000 米 / 秒之间。

0m/s 初速度

6000m/s 初速度

如果速度达到了所在海拔的第一宇宙速度，即约 7300 米 / 秒，炮弹将会沿着一个固定的环形轨道环绕地球，就像月球一样。（图片过大无法上传，下同）
如果速度大于轨道速度，但小于第二宇宙速度的话，炮弹会沿着一个椭圆轨道环绕地球。如果速度非常快，炮弹将会沿着一个抛物线（当速度恰好为第二宇宙速度）或者双曲线（当速度大于第二宇宙速度）轨道逃离地球。

牛顿大炮的各种情况

这一思想实验，就是最早的关于人造卫星的科学设想，也能算是航天史的正式起点。有了科学的理论，人们开始在各种奇思妙想中实现牛顿的大炮，比如儒勒·凡尔纳的《从地球到月球》一书中就提到了，从佛罗里达州的一门巨炮中发射的炮弹，带着三个人抵达了月球。

不知道是巧合还是刻意的安排，几十年之后，当佛罗里达州卡纳维拉尔角成为 NASA 的主要发射场，人们才会惊叹这惊人的巧合。但是大炮发射瞬间的巨大过载绝非人所能承受的，用大炮到达月球也显然并不现实，于是我们需要一个更现实的解决方案。

• 齐奥尔科夫斯基的球形飞船

康斯坦丁·埃杜阿尔多维奇·齐奥尔科夫斯基，这位名字很长的俄罗斯教师，成为了迈出关键一步的那个人。

从小因病休学，没有受过高等教育，一直到 16 岁都全靠自学的他，凭着在莫斯科图书馆磨出来的知识底子，成为了一名中学数学教师。如果就这样也就罢了，但是凭着自己巨大的知识储备量，齐奥尔科夫斯基在教书的过程中开始对自然科学产生兴趣，尤其是气体和反作用力方面的理论。

1880 年，23 岁的他开始写自己的第一篇研究论文《气体的理论》，论述了适用于气体的动能定理，然而在投稿给俄罗斯物理化学学会后，他被告知这些理论早在 25 年前就被发现了。这个人的思路也十分神奇，他改学了生物学，重写了一篇关于动物生理学理论的论文投稿，这一次大受好评，他才得以加入学会。笔者以为，齐奥尔科夫斯基要是就此改弦更张，可能我们现在提到他的头衔就是俄国著名生物学家了，当然他最后并没有。

那这个人既然没有改学生物而是继续研究他的爱好，那他之后干了什么牛逼的事情呢？

1892 年，他调了一个稍微闲一点的教学岗位，开始试图制造一艘可折叠的硬式飞艇；

1894 年，他写了一篇论文《飞机或类似鸟形状的飞行器》，设想了金属骨架、带有蒙皮的固定单翼飞行器（注意是单翼），绘制了相关的概念图，并且预言其将在 15 到 18 年后被制造出来。这东西在九年多后的 1903 年 12 月 17 日，被莱特兄弟真正制造出来并一飞冲天；

1897 年，他建造了俄罗斯的第一个风洞，并独立设计出了使用其进行实验的全部规程。

但是这不是最大的重点，重点在于他在这期间的 1896 年，开始对火箭产生了兴趣。

自从中国人在 7 世纪正式发明了火药，气体膨胀产生的反作用力能让各种各样的东西飞上天这一事实就已经广为人知。齐奥尔科夫斯基当时正好在研究飞行器，而他当时需要计算飞行器的最理想油耗情况。基于之前的各种相关研究，他于 1896 年推导出了一条被他称为“航空学方程”的公式：

被齐奥尔科夫斯基称为“速度变化量”，指的是理想状态下飞行器改变自身速度的总能力；指的是飞行器向后喷出气体的速率——这个数值现在被称为“比冲量”，也可以等效为单位质量推进剂单位时间内产生的冲量；和则分别是满载和空载状态下飞行器的质量。

学界在后来给这条方程起了一个更加响亮的名字：齐奥尔科夫斯基火箭方程。

如果读者对火箭和航天足够了解，应该不难看出这等式有多么伟大。根据万有引力定律和向心力原理，火箭或者飞船的运动状况完全取决于其速度，于是

也就代表了火箭改变自身轨道的能力；比冲量代表的是发动机的排气速率，是发动机效率的最直观指标之一；而最后的对数则明确地表明，除了发动机本身，火箭的能力只与其满载质量与空质量之比有关，数值越大，能力越强。所以 KSP 玩家新人常有的误区之一，即推力是火箭的一切，是完全错误的，从这里看就一目了然了。

这是现代航天真正迈出的第一步。齐奥尔科夫斯基，作为后世称为的“宇宙航行之父”，为后人铺下了通向太空的天梯（他自己也确实设想过太空电梯）的第一块铺路石。并没有能看到他的火箭，更不用说他后来提出的多级火箭，真正飞向无垠的深空。但是他把自己的梦想，全都画在了他 1929 年的著作《宇宙航行》之中：

陀螺仪控制姿态，通过不同方向的发动机控制速度，宇航员利用重物的反作用力来移动。说实话笔者作为一个老 KSP 玩家和科普爱好者，当年看到老先生的这幅画大半夜热泪盈眶，一点不夸张。

“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远生活在摇篮中。”

齐奥尔科夫斯基的伟大蓝图，最终将由工程师们来添砖加瓦。

• 戈达德的月亮火箭

罗伯特·戈达德作为一个在当时完全典型的美国人，因为一次因缘巧合，无意间走上了和大洋彼岸的齐奥尔科夫斯基殊途同归的道路。

著名的科幻作家 H.G.威尔斯，在 1898 年发表了一部科幻小说，名叫《世界大战》。对这就是大家熟悉的那个世界大战，长腿火星人机甲暴打英国军队的那个。后来该书被改编成广播剧，播出的时候因为不少人听半截，没听到前面的“本故事纯属虚构”，以及音效过于逼真，还一度引起了恐慌。

但是当时的首批读者里面，就有一个戈达德，他当时 16 岁，自此便对太空产生了浓厚的兴趣。这情节颇有些让人想起《宇宙兄弟》里，南波家两兄弟看到 UFO 之后立志成为宇航员登上月球的故事，不过那年代没有 NASA 没有 JAXA 更没有登月计划，戈达德只是从此对飞行和宇宙着了迷。

他在之后的几年里作为学生，不断地给各种杂志社投稿，阐述他对于飞行器的构想——正好也是关于飞机的，结论多半基于其对飞鸟的观察。根据戈达德本人后来的回忆，自己很可能是“在人类历史上首次提出方法来‘让飞行中的航空器自动保持稳定’”的人，那篇关于飞行器平衡的论文 1907 年在《科学美国人》上刊载，当时全世界都痴迷于四年前莱特兄弟的创举，各种奇特设计、五花八门的飞机，争先恐后，蹒跚地爬向刚刚印上人类足迹的天空。

1912 年，戈达德硕士毕业，进入普林斯顿大学帕尔默物理实验室，成为了一名研究员，在此期间他利用闲暇时间发明了世界上第一个真空管无线电放大器。但是天有不测风云，在此之后的 1913 年，戈达德被诊断出患有肺结核，于是被迫辞职。1914 年他痊愈之后回到了母校克拉克大学任教，在这里他正式开始了火箭的研究。

当然了大家现在都知道，火箭有两个非常重要的负面特征：发射动静很大，而且死贵。

戈达德当时就是面临了这两个问题的困扰。在学校里面试射火箭导致全校拉警报，不得不转移到荒郊野外去进行；随着研究进行，研发经费也越来越高了，不得不四处拉赞助。不过好在东奔西走几年总算有点成就，赞助他的史密森学会同意审阅他的研究成果，并在 1919 年发表了戈达德的研究集大成之作《到达超高空的方法》，其在论文中还提出将火箭发往月球的方案：“制造重 598.2 千克的火箭，可以把 0.9 千克的镁送到月球。火箭撞月时将镁点燃，燃烧的明亮闪光可持续几秒钟，在地球上用望远镜就可以看到它。”

因为史密森学会的影响力，社会公众也因此逐渐开始了解了有这么一个蜗居在乡间农场，整天往天上发射窜天猴的大学教授。但是因为想法太过超前，加上社会并不了解其研究，戈达德的论文几乎招来了一片一边倒的嘲讽，认为他的设想完全是无稽之谈，火箭根本不可能在真空中工作。

1920 年 1 月 12 日，纽约时报甚至开了大专栏“多级火箭可以到达月球”，加了个特长的副标题“史密森学会授权宣布克拉克大学物理系罗伯特·戈达德教授探索高空大气的新发明——多级火箭能把探测仪器送到 200 英里高度，更大的火箭可以在月球上着陆”，用来讽刺这个“乡下来的怪人”：

这位先生甚至连高中的基本物理常识都不懂，就开始整天幻想着去月球旅行了。

现在我们都知道了，这个“连高中的基本物理常识都不懂”的人做的一切都是对的。1921 年，他觉得之前一直在做的固体燃料火箭实在是效率低下，于是开始转向液体燃料火箭的研究，并于 1923 年 11 月成功测试了自己的第一台液氧汽油发动机。

根据上一节我们知道，火箭的效率很大程度上是由发动机排气的速度来决定的。当时的固体火箭还是基于黑火药，其产生气体的比例相对较低，产生的燃烧室室压自然也就较低，于是排气速度上不去；而按照戈达德的理论，液氧和汽油这两种液体燃烧之后几乎会完全变成气体，膨胀倍率大大增加，比冲自然也就更高，比之前的固体火箭更有效率了。

1926 年 1 月，马萨诸塞州的奥本，隆冬的严寒依然在肆虐。戈达德的第一枚液体火箭，经过台架测试之后，矗立在他做实验的农场上，这位年轻教授非常有雅兴地给自己和火箭来了个合影：

他的，也是人类发射的第一枚液体火箭“尼尔”，总共飞行了 2.5 秒，掉在 184 英尺外的菜地里。媒体当然是例行嘲讽了他，甚至一直到 1929 年，他的家乡马萨诸塞州伍斯特的当地报纸，还在用大标题“月球火箭错过目标

英里”来讽刺戈达德的火箭试验。

戈达德的第一枚液体火箭的部分残骸

这位伟大的火箭科学家，奠定了至今为止人类液体燃料火箭技术的基础。30 年代他试图进入美国陆军工作遭拒，军方完全没有重视火箭的潜在用途（直到战后冯·布劳恩到美国之后还是这样），一直到二战后期因为海陆军之争，海军才开始从他和他的研究同伴手里购买液体火箭专利的授权；倒是纳粹德国和苏联在这期间，还通过间谍关注着他的研究。

戈达德的研究生前始终未能得以实用，他于日本投降前夕的 1945 年 8 月 10 日，因喉癌在马里兰州去世，一天前原子弹刚刚在长崎落下。他的绝大多数发明专利在死后才由其遗孀取得。

多年以后，在 1969 年 7 月 17 日，阿波罗 11 号乘着土星五号奔向月球的第二天，曾经讽刺过戈达德“不切实际的妄想”的纽约时报，在醒目位置刊出了一篇标题为《更正启事》的简短文章。该文章非常简洁，用三个段落总结了 1920 年的那篇社论，最后的结论是这样的：

进一步的调查和实验确认 17 世纪艾萨克·牛顿的发现绝对是成立的。火箭可以在真空中跟在大气层中一样运作。纽约时报承认错误。

人类的航天史短短几十年，算是说得上波澜壮阔，也涌现了无数伟大的身影。但这些人背后，必然会有这三个人的影子，他们每个人都以自己的方式，为航天史的开端落下了浓墨重彩的一笔。

谢谢你们给我们翅膀，让我们有希望离开摇篮，迈向星辰。

顺便各位，咱都写了这么些了，真的不来玩 KSP 感受一下么（最后的安利）？