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翻译 | 萧如珀 杨信男 来源 | APS News，2001年3月 人类使用最先由中国人在13 世纪发明的固体火药火箭已有好几百年，但却一直有着瞄不准的缺点，因此在19 世纪末，随着大炮的改良而逐渐少见使用。有一个人突破限制，他就是戈达德博士(Dr. R. Goddard)，是新英格兰的物理教授，也是美国火箭先驱者，以现代火箭推进之父闻名。他开创性的研究为军事导弹学和太空科学探测中重要性日增的火箭推进奠定了基础。 1882 年，戈达德出生在美国马萨诸塞州伍斯特，1899 年10 月19 日，他和家人居住在友人靠近伍斯特近郊的屋子时，他爬上一棵老的樱桃树，要去修剪枯死的树枝，但他却突然注视起天空，开始幻想着有一天可以到火星去的可能装备。戈达德有一次说：“当我爬下树后，我完全改变了。”他标记那一天是他往后一生的周年纪念日，也是他私人的假日，因为在那一刻他即致力要实现太空飞行。 戈达德最先于1907 年吸引大家对他研究火箭的注意，他在伍斯特理工学院物理馆的地下室发射火药火箭，产生一阵惊人的烟雾。应该肯定学校行政人员的是，他们并没赶走戈达德，之后还让他请了几次假来继续他一生的兴趣，以及对火箭推进的热爱。 早在1909 年，戈达德就考虑利用氢和氧作为火箭的液态燃料。他接受在伍斯特的克拉克大学(Clark University)教职后，继续做研究。他发现固体燃料排出气体的速度比使用液态燃料所能得到的小；然而，液态燃料需要持续有氧化剂的来源，这样燃烧的速度才能产生所需要的火箭推力。因此，必须要发展在燃烧室以适当比例结合燃料和氧化剂的方法。由于燃烧所产生的高压，则需要以更高压将燃料和氧化剂投入燃烧室。 试过几次的设计后，戈达德终于选定汽油当作燃料，液态氧(lox)作为氧化剂。低于-297℉的氧在常压下是液体，温度增高时，氧会蒸发，在密闭的容器中产生极大的压力。戈达德利用这氧气的压力同时将两种液体从它们的储存槽打出去，经过不同的管子，进入燃烧室混合燃烧。为了加速液态氧蒸发，戈达德用一个酒精炉将其加热。 在液态氧储存槽和汽油储存槽之间有一个挤压气体的连接管子，这需要有安全机制，以免液体在进入燃烧室之前会经过此管子去和另一液体混合。一旦火箭离开地面，这个气体的压力是将燃料和氧化剂打出去的唯一方法，然而，在发射前，必须从离火箭约30 英尺处的氧气瓶将系统加压。厚橡胶管将氧装入火箭压力管，当火箭开始升空，需要拉开橡胶管，再迅速关上开口处的止回阀(单向阀)，避免压力流失。燃烧室装备有一个点火器系统，包含火柴头和黑火药，当液态氧和汽油被推进燃料室时，可用以点燃它们。 最后的倒计时和发射只需几个步骤，首先，助理使用长竿上的小型火焰器伸手去加热点火器的盒子，直到里面的火柴头着火，点燃黑火药。之后他关上液态氧储存槽的减压排气孔，很快地点燃火炉上的酒精棉。其次，戈达德以每平方英寸90 磅的压力从汽缸将氧输送到推进燃料槽。这将汽油和液态氧推进燃料室，在那里点火器还正燃烧。一声巨响，火箭的引擎发动。当火箭引擎的推力超过重量时，只用软管拴住的火箭从地面上升几英寸。戈达德用一条长绳拉铰炼杆把软管猛力拉开，火箭就自由飞出去了。铰炼杆的摇动使得装有弹簧的阀掉下来，液态氧就滴进已加热、围绕着液态氧槽的燃料室。液态氧很快蒸发成蒸汽，因而产生的气压就助推液体进入燃料室。 因此，经过17 年的理论和实验研究，戈达德终于在1926 年3 月16 日，在他姑姑艾菲(Effie)位于马萨诸塞州奥本的农场，成功地发射液体燃料火箭。戈达德在他的日记中记录下这一刻：“它上升时看起来几乎像是魔幻般的，没任何明显的大噪音或火焰，它好像在说：‘我在这里已经待够久了，如果大家不介意的话，我要去别的地方。’”接着他又补充道：“很令人惊奇的是，它没有烟雾，也没巨大轰隆声，火焰也是小小的。” 飞行2 秒半后，燃料耗尽了，巨响嘎然停止，火箭在184 英尺外掉落地上。估计它的时速达到60英里，高度41 英尺。虽然设计还在初步阶段，谈不上实用，但戈达德的基本概念证实有效，它的重要性被认为可和莱特兄弟在北卡罗来纳州小鹰镇载人的飞行成就相比拟。在接下来的几年间，戈达德继续研发火箭，以回转仪控制火箭的飞行，再以小叶片放入喷气口来操纵，建造更大、更快的火箭。 然而，还是靠了别人才完全实现了他的梦想。在戈达德于奥本成功示范的18 年后，他开创性的成就成功地应用在德国V-2 弹道飞弹中，而他也持续在火箭研究中获得了214 种不同的专利。可惜的是，这位1920 年就预想火箭飞抵月球的人并未在有生之年看到现代太空时代的到来。他于1945 年辞世。1959 年，为了纪念他，美国航空暨太空总署在马里兰州建立了戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)，而他也被全世界认为是不仅了解导弹和太空飞行的潜在力，更直接做出让它实际实现的贡献之首位科学家。借用戈达德自己的话说：“很难说什么事是不可能的，因为昨日的梦想是今日的希望，更是明日的事实。” （本文转载自台湾大学教育发展中心“CASE 报科学”，网址 http://case./blog/?cat=3145） 来源：《现代物理知识》第30卷第2期 《1926年3月16日：戈达德和液体燃料火箭的首次发射》 |
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