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钱学森的名著。1963年出版的名著。 在那个还有同胞吃不饱饭的年代，我们也依然不缺想象力与实现能力，更不缺人才。 开宗明义，钱老写这个本子是为了相对全面而概要地介绍星际航行技术，面向的对象是现代力学工作者。 钱老说得非常清楚——星际航行技术，也就是我们当代说的宇宙航行技术，并非基础研究，并非基础型技术，而是一种综合性极强的工程技术——记住，是工程技术，与我们所想象的科学技术还不是一码事。 他强调，星际航行并不神秘，不过就是一般自然规律的具体应用，所有的技术基础其实也都来源于众所周知的基础学科。总的来说，这就是一个综合技术应用工程。 工程技术是把既有的技术和发明综合起来运用到特定目的，像星际航行这样高度复杂的工程，需要的是庞大的组织，巨量的资源投入和工业基础。 这就是为什么科学技术能力高度发达的一些欧洲国家，没有投入去做星际航行的根本原因——他们没有大国所拥有的规模体量，更没有大国体制，可以投入巨量资源去做巨大工程。 正像瑞典的科学家回答施一公对他们的提问“为什么你们没有开展航天工程”——如果我们有你们那样的决策机制和体量，我们已经把500个人送上月球了。 没有开展星际航行，不代表这些国家就不具备尖端科研和技术能力，而能开展星际航行，也并不能说明这个国家科研能力就是顶级——恰如我们国家，空间航行已经实现了，可在关键科研和技术领域，仍然被“卡脖子”。 工程实力与科研实力，仍然是两个领域。 由于本子里几乎都是数学公式和物理学原理，所以这里只是对其中重要的观点和结论进行简评。 一是宇宙航行概论。 从早期火箭来看，最重要的代表当然是纳粹德国冯·布朗博士领衔造出来的V2导弹。其主要燃料为酒精+液氧，炸药量在980公斤，总重13吨。总推力在27.2吨，最大高度80公里，最大速度1.5公里/秒。 这是对齐奥尔科夫斯基火箭理论的第一次实践，而且成为了现代火箭的样本。 记得是在初中时，从科罗列夫的《火箭发动机》上读到了齐奥尔科夫斯基，当时可谓敬佩不已、激动不已。 后来的苏联从1957年10月第一次发射卫星开始，只用了4年时间，到1961年4月就把人送上了太空。实在是太猛了。 从太阳系构成来看，钱老认为我们要飞到火星以外是一件非常难的事，原因是火星和土星之间有好几个小行星带，大约有4.4万颗小行星。飞船要穿越这个小行星带，困难其实很大。 也就是说，从火星以外看火星以内的太阳系，就跟一个密密麻麻被小行星包裹的蜂巢一般。 地面情况来看，海平面大气密度1.2255×10^-3克/厘米^3，平均温度15℃，到10公里以上同温层，温度下降到零下56度。 地球被内外两个辐射带包裹，只有两极没有辐射带覆盖。内辐射带的范围在离地600公里到6000公里，主要粒子为质子；外辐射带离地2万公里到6万公里，主要粒子为电子。 由于内辐射带的质子能量大，辐射已经足够对人引起危害，所以，没有特殊防护的载人飞船不应到离地300公里以外。 这个问题倒是此前没有想到过的，其实不少行星都有极强的辐射带，穿越这些辐射带非常危险。比如木星周围32万公里高空，辐射带的强度远高于地球，目前而言，人是无法实现木星本地登陆的。 第一宇宙速度V1是指物体绕地球旋转，半径等于地球的半径，不落地的速度。这个速度为7.91公里/秒。此时物体旋转地球的周期是84.5分钟。 一般卫星离地高度是200-300公里，所以它们的绕地周期一般是在90分钟左右。 如果要让旋转周期为24小时，也就是所谓的同步卫星，那么卫星离地的高度就须在3.58万公里高处，已经到了外辐射带范围。 一个有趣的想象，是所谓第一宇宙速度，就是我们扔出去一块石头，这个石头的速度要达到这样一种程度——石头受重力吸引会下坠，那么石头向前飞行的速度，就必须达到，石头每下落一点，飞出去的距离远到地面也同时又离开石头相应的距离——因为地球是圆的嘛。 第二宇宙速度V2是能永远离开地球引力场的速度。这个速度要用到积分来计算，因为涉及要计算飞到无限远处。结果是11.18公里/秒。 把卫星发射到前面说的同步轨道上去，所需要的离地速度为10.74公里/秒。 第三宇宙速度V3是指脱离太阳系引力所需的速度。计算起来麻烦一些，结果是16.63公里/秒。 这个速度还有一些限制条件，其一是火箭对太阳的方向与地球公转运动方向一致，如果不一致，速度还会要更大一些；其二是火箭一开始就加速到第三宇宙速度，而不是先到第二宇宙速度，再加速到第三宇宙速度，分两级加速耗费的能量更大。 齐奥尔科夫斯基公式是用于计算火箭在一定速度下所须携带的推进剂，及其与结构重量之比。这个公式说明，喷气速度越快，则火箭起飞时的质量和飞行结束时的质量之比越小。也就是说，只要加大喷气速度，那么火箭的载荷量就可以更大。 钱老开始说星际航行，现有的第三宇宙速度是远远不够的，必须要使用接近光速的速度。这就会产生一系列问题——牛顿力学不够用，要用相对论力学，同时，还得创造新的动力。 钱老做了一个有趣的测算：比如用接近光速的速度从地球到半人马座α星，距离我们有4.3光年。使用最高速度0.8倍光速，喷气速度为0.6倍光速，使用两级火箭，一级是用来加速的，一级是用来减速的。最大加速度为2g，那么加速和减速对飞船而言都需要1年时间，0.8倍光速飞行时间为2.5年，共需4.5年。 纸面上的想象力。
再算到天狼星，距离我们8.7光年，使用0.94倍光速，同样的加速度，加速和减速对飞船而言需要0.8年，0.94被光速飞行2.5年，共需4.1年。 之所以更远的天狼星飞行时间还短一些，除了速度更快0.94光年这个假设以外，还有相对论效应——速度越接近光速，时间的进程就相对要更慢一些。 这就引出来了阿克莱公式，这个公式是对齐奥尔科夫斯基公式的相对论修正。 仔细研究了推导过程，主要是把相对论因子考虑了进去，质量会发生变化，因而要使用积分和级数。 按照齐奥尔科夫斯基公式的结论，要接近光速，喷气速度必须要达到光速的一半以上，否则质量比就会太大。 喷气速度达到光速的一半是个什么概念？钱老用了热核反应来说明——让氘聚变为氦，释放能量来做动力，假设能效达到70%，那么喷气速度就是1.5万公里/秒。这个速度还只有光速的5%。 从目前可设想的动力来看，接近光速的一半，是不可能的。 第二部分是火箭发动机原理。 首先说，空气喷气发动机无法适用于宇宙航行，因为真空中没有空气。火箭发动机必须是自行携带燃料和氧化剂，分成固体推进剂发动机和液体推进剂发动机。 固体发动机相对来说结构简单，少了很多调节系统和阀门系统，也就是药柱、燃烧室、支撑装置和喷管，大多使用于小尺寸的火箭弹上。 固体发动机点火启动也简单——药柱中空处加入小火药包，电火花引燃，激发药柱燃烧，气体喷出获得推力。 由于无法像液体发动机一样控制流量来控制推力，固体发动机的推力控制主要通过药柱燃烧面来控制，所以药柱的形状和推进剂的反应速度是控制推力的关键。 液体发动机复杂很多，也正因为可以通过复杂系统对推进剂流量进行控制，所以液体火箭发动机的功能就更多，运载火箭都采用液体发动机。 液体推进剂在燃烧之前必须雾化，主要靠氧化剂和燃料通过喷嘴来实现，由于燃烧室本身压力很大，所以要顺利地把雾化的推进剂压进燃烧室，还需要更大的压力。 推进剂的输送方式分为挤压式和涡轮泵式。 挤压式就是用高压气体来把推进剂推进喷嘴雾化，进入燃烧室。高压气体一般使用惰性气体。挤压式的发动机结构又相对简单一些。 涡轮泵式也就是通过涡轮把推进剂抽取，压入喷嘴雾化燃烧。当然结构要复杂一些，按照涡轮动力来源分为蒸汽涡轮和燃气涡轮。 蒸汽涡轮是用蒸汽推动涡轮旋转，关键组建是蒸汽发生器。蒸汽发生器一般是采用过氧化氢分解，产生400度高温水蒸汽和氧来推动涡轮旋转。 燃气涡轮则是直接从泵的出口取得燃料和氧化剂，形成高压燃气去推动涡轮，这是与火箭的燃烧室并行的一套辅助燃烧装置。启动燃气涡轮时，还需要附带的临时火药来助燃启动。 大部分现代火箭发动机采用的是燃气涡轮。 |
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