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看向宇宙
读过《两个铁球同时着地》这篇课文的同学,应该十分熟悉伽利略这个名字.作为现代物理学的祖师爷之一,伽利略用望远镜看向夜空的那一刻,人类的目光便从地球转向了茫茫宇宙,开启了科学观察和研究太空的新时代.
当然,仅有观察还远远不够.所谓万事开头难,难就难在你并不知道要从何入手.外星人可不会千里迢迢跑来教会我们如何飞向太空.幸好,在伽利略之后,群星闪耀,人类的智慧在航天路上点亮了一盏盏明灯.
牛顿：离开地球的速度
点亮“第一盏明灯”的是英国科学家艾萨克·牛顿.牛顿用一个苹果揭示了宇宙运行奥秘的冰山一角,但这一角已经是质的飞跃.小到苹果落地,大到星球环绕都可以用万有引力恰当地解释.
知道了苹果为什么会落地,自然也就可以推导出如何让苹果飞离地面永不落地的方法.在牛顿的著作《自然哲学的数学原理》中,他设想了一门放在山峰上的巨型大炮,如果没有引力也没有空气阻力,发射出去的炮弹应该沿着发射的方向以一条直线形轨迹永久地飞下去.但如果加上地球引力,炮弹就会以一条弧线轨迹落向地面.在万有引力的作用下,炮弹的速度越快,它就能飞得越远,也就需要更长的时间才会落地.如此说来,只要速度够快,这枚炮弹最终会沿着一个固定的环形轨道围绕地球运动,成为地球的一颗卫星.那么,这个速度是多少呢?牛顿说是7.9千米/秒,即第一宇宙速度.那要是这枚炮弹的速度更快,会发生什么呢?这枚炮弹会以一个更加扁的椭圆形轨道围绕地球飞行,直到突破11.2千米/秒的速度,此时这枚炮弹会脱离地球的引力束缚飞向宇宙,这就是第二宇宙速度,也叫“逃逸速度”.
牛顿的计算告诉人们,想要离开地球并不是天方夜谭,只要速度够快就行.在那个年代的技术条件下,人类让任何物体到达这个速度都是不可能的.牛顿去世一百多年后,法国科幻作家儒勒·凡尔纳在他的小说《从地球到月球》中就幻想了用一门巨炮将三个人放进炮弹里送上月球的情景.
使用原始助听器的齐奥尔科夫斯基
齐奥尔科夫斯基：乘火箭离去
点亮“第二盏明灯”的是苏联科学家康斯坦丁·埃杜阿尔多维奇·齐奥尔科夫斯基.他的一生充满坎坷.10岁时因为一次感冒,他几乎丧失了全部听力.14岁时因为听力原因,他离开了学校.16岁时,因为当时莫斯科没有一个学校愿意接收听力不好的学生,他只能在莫斯科的图书馆自学,这一学就是三年.三年间他学习了高等代数、解析几何、物理、化学、力学、天文学.同时,他还读了凡尔纳的科幻小说.这部小说在他心里播下了一颗翱翔太空的种子.在莫斯科的三年里,齐奥尔科夫斯基一直省吃俭用,将节省下来的钱用来买书,这让他的身体变得瘦弱不堪.后来,齐奥尔科夫斯基的父亲通过熟人才得知他在莫斯科的处境,心疼儿子的父亲要求齐奥尔科夫斯基返回家乡.回到家乡的齐奥尔科夫斯基后来做了一名数学老师,而这一教就是一辈子.
除教师的身份之外,他还是一位优秀的科学家.早在莱特兄弟成功试飞“飞行者1号”之前,他便设想了一种能高速飞行、机体是流线型的飞行器.齐奥尔科夫斯基运用反作用力原理,提出建造“金属飞艇”的理论,而动力就是热空气.1895年,齐奥尔科夫斯基提出无须火箭发射即可将货物送至宇宙空间的“太空升降梯”理论（简称“天梯理论”）.但在第二年,他在理论上研究星际航行问题,发现在当时的技术条件下建立太空升降梯并不可行,只有火箭才能实现宇航目的.1897年,他推导出著名的齐奥尔科夫斯基火箭方程式,揭示了火箭起飞前的质量与火箭燃料耗尽后的质量之比.
1898年,他完成航天学经典论文《利用反作用装置探索宇宙空间》.他推导出火箭在太空中飞行的数学原理,提出液体推进剂的构想,算出火箭所能达到的最高速度,并设计了长椭圆形的液体动力火箭,证实了火箭完全具备太空飞行的能力.1935年,齐奥尔科夫斯基去世,正是这位在业余时间研究航天技术的数学老师,为航天事业的发展奠定了基础.
达德：为火箭加力
点亮“第三盏明灯”的是美国工程师罗伯特·戈达德.现已不得而知,戈达德是否知道在同时代的大洋彼岸有一位名叫齐奥尔科夫斯基的人正在进行火箭研究.但是与齐奥尔科夫斯基相似的是,戈达德也是在一部科幻小说中确定了自己一生的事业.1898年,英國科幻作家乔治·威尔斯出版了著名的《世界大战》,描述了地球人与火星人战斗的故事.当时16岁的戈达德因为这本书对宇宙产生了浓厚的兴趣.与自学成才的齐奥尔科夫斯基不同的是,戈达德大学毕业后便进入普林斯顿大学帕尔默物理实验室,后来因为身体原因转到大学继续自己的火箭研究.在还是学生的时候,他就提出了一个让飞行器自动保持平衡的方法.当时的火箭噪声大、高,还有爆炸的危险,因此戈达德不得不将他的实验室搬到荒郊野外.在对火箭的研究中,他提出了多级火箭的设想,也就是在火箭上装备多个发动机,每个发动机都可以让火箭飞得更快更高.不仅如此,他还用实验证明了固体燃料可以在真空中燃烧.而这些设想正是现代火箭的设计基础.
1919年,戈达德发表了论文《到达极高空的方法》.在文章中,他阐述了发展火箭的数学理论、如何让火箭飞得更快的方法,同时还论述了火箭飞抵月球的可能性.但是当时的媒体对他的想法做了夸大宣传,一时间“月球火箭”成了社会热点.但无论外界如何评论,戈达德“躲进小楼成一统”,开始进行自己的液体火箭研究.在无数次的失败后,1926年3月16日,由戈达德研制的人类历史上第一枚液体火箭成功发射.虽然这枚火箭仅飞行了约2.5秒,飞了12.5米高,但是这证明戈达德的理论具备可行性,也宣告了现代火箭技术的诞生.在之后的实验中,戈达德首次使用了程序控制系统,首次解决了用陀螺仪控制火箭飞行姿态的问题.从1930年至1942年,戈达德成功进行了31次火箭发射,其中—枚火箭持续飞行了22.3秒,高度达到2700米.由此,戈达德也被誉为“现代火箭技术之父”.
1945年,戈达德去世.在他去世前不久,德国用V-2火箭空袭了英国,震惊世界.相比于大西洋彼岸冯·布劳恩举全国之力研制的V-2火箭,戈达德的火箭研究几乎一直都是靠自己筹措资金,而且与一开始就作为武器研制的V-2火箭不同,戈达德研制的火箭是为了实现人类飞向宇宙的梦想.
罗伯特·戈达德在1926年进行首枚液体火箭试射
1969年7月17日,土星五号火箭搭载阿波罗11号奔向月球的第二天,曾经讽刺戈达德怀抱“不切实际的妄想”的《纽约时报》,在醒目位置刊登了一篇标题为《更正启事》的简短文章,结尾是这样写的：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,火箭可在真空中跟在大气层中一样运行.
在人类航天史上,像牛顿、齐奥尔科夫斯基、戈达德这样的人还有很多,他们有的世人皆知,有的默默无闻,有的精于理论,有的专攻实验,他们点亮了航天史上的一盏盏明灯,在黑暗中为人类指明了方向.正如齐奥尔科夫斯基所说：“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远生活在摇篮之中.”而带领我们走出摇篮的,正是这样一批又一批的科学家.
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