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 后的最终质量之比,才能用现有的液体燃料使火箭达到应有的速度,但是实 际上,单级火箭增加质量比的可能性并不大,这是因为贮藏液体燃料与氧化 剂必须要有足够的空间,而随着液体燃料与氧化剂数量的增加,它们占用的 空间也就会增加,这样火箭的整体重量也会不可避免地加大。因此,质量比 就无法提高了。
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。
在这篇论文中,齐奥尔科夫斯基提出了两种多级火箭的方案。
第一种是串联多级火箭,它是由好几枚火箭一枚接一枚地串连起来的。 火箭发射时,第一级火箭点火,推动整个火箭升空,在它的燃料用完后,就 自动脱离“火箭列车”;接着第二级发动机又开始了工作,推动剩下的几级 火箭继续飞行,一直到燃料用完后也与“火箭列车”脱离;……就这样,到 了最后只有最前面的一级才成为真正在宇宙中遨游的飞行物,它实际上是依 靠其余火箭的不断推动而最终飞行在空间轨道上的。
第二种是并联多级火箭,齐奥尔科夫斯基称之为“飞行中队型火箭”。 在起飞时,并联着的多级火箭同时启动,当各级火箭的燃料同时燃烧得只剩 下一半时,旁边的火箭就将燃料灌入相邻火箭的燃料舱中,并脱离“火箭列 车”。就这样几次重复后,最终的一级火箭就将进入预定的飞行轨道。
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 的一个巨大飞跃,因为他对火箭技术的研究,解决了使用化学燃料作为推进 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 入星际空间的第一步。
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