探秘中国航天史：从黑火药到火箭发动机的传奇之旅

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这次我们开始一个新的系列。我们来谈谈太空的历史以及人类如何征服太空。说到航天，我们就不得不想到火箭。金灿荣老师常说，航天科技“送人上天”，航天科工“送人西天”。我家是航天科工行业的，我爸爸是搞反舰导弹的。无论是导弹还是火箭，它们的相似之处都在于都离不开发动机，尤其是火箭发动机。

说起来，我们中国人对此感到非常自豪。我们是最先将火药用于军事目的的中国人。我们是世界上第一个研制火箭的中国人。两者密切相关，因为在古代唯一可以用作火箭燃料的就是黑火药。大家都知道黑火药是我国四大发明之一，但是黑火药是什么时候发明的呢？事实上，具体日期并不确定。晚唐五朝时，有一本书，名叫《镇远妙道概要》。一听就知道是道家经典。里面有记载，说雄黄、雌黄、硝石、蜂蜜一起炼制时一定要小心。如果做得不对，手和脸都会被烫伤。如果它变得太大，你甚至可以烧毁房子。

蜂蜜中含有大量糖分，在高温下会炭化，变成木炭。与硝石等强氧化剂混合确实不安全。后来有人做了一个试验，将硝石与雄黄、松香混合，加热到300多度，就会爆炸。也就是说，那个时代的炼金术士一不小心，就可以制造出一些炸药。所以《真元妙道概要》中也提到，这些东西最好不要一起烧。由此可见，《黑火药》不可能比这本书更老。否则的话，炼金师们应该都知道，这是某种火药配方。

硝酸钾晶体

对于炼金术士来说，硝石是非常重要的东西。司马迁《史记》中对硝石有记载。此外，古代医生还开发了提纯硝石的方法。即将硝石溶解在水中，过滤掉杂质，然后加热，使硝石中的有效成分重结晶。这个是比较纯净的。重结晶后会出现细细的六棱柱晶体，有点像游戏中的水晶矿，有刺有芒。因此，结晶后的硝石被称为“芒硝”。

硝石的主要成分是硝酸钾。然而，古人无法区分这么多种类的白水晶。他们称硫酸钠也称为芒硝。这就产生了一个问题。处方上写的是芒硝，但它指的是硝酸钾还是硫酸钠呢？南北朝名医陶弘景在《本草纲目》中明确指出“用火焚烧，会升起紫绿烟雾，云是真硝石”。他的处方需要的就是这种散发出紫色烟雾的硝石。这是因为硝酸钾在高温下分解，钾离子的火焰变成紫色。

能够识别和纯化硝酸钾非常重要。我国为什么首先发明火药？因为只有纯度比较高的硝酸钾才能制造黑色火药。如果不懂这一招，就只能在门外混了。这只是运气问题。

《武经总耀》中的投石机

到了宋代，《武经总要》记载了许多火药的配方。大概是[60%硝石+30%硫磺+10%木炭]的配方比例。漆中还添加了粘合剂，并混入了砷、狼毒等一些毒物。它以糊状形式出现，而不是粉末状。制作一个重5磅的大球，在中间插入一把烧热的锥子，点燃大球。然后用投石机扔出去，击中敌人。这种火球即使是强风也不会被吹灭。由此可见，在阅读古书中的火药时，一定要分清楚这个东西是用来做什么的。有的只是燃烧弹，爆炸威力有限。关键是硫的比例太高，硝石的比例太低。较好的黑火药硝石比例至少为75%。

这种火药燃烧弹在北宋初期开始使用时，是用烧热的铁锥点燃的。由于火药配比不合理，它不像现在的鞭炮那么容易点燃。后来点火的问题就解决了。这使得爆炸物很容易到达公众并变成烟花和鞭炮。宋代时鞭炮的使用十分广泛。反过来，烟花又促进了火药本身的进步。

同样，古书中也经常见到“火箭”这个词，但你还是要弄清楚它是什么。有人在箭上系一朵“花”，这样就会吐出烟花。点燃后，用弓射出去，引燃对方的可燃物，用来放火。这东西又叫“火箭”，其实就是“用来放火的箭”。火药箭直到很久以后才出现。

万彦良

北宋灭亡后，南宋小朝廷相对平静。此时，金朝皇帝完颜亮入侵宋朝，在采石矶与宋军大战。于允文以少胜败完颜良。这场战斗中使用了一种名为“雷电炮”的武器。有人分析，这可能是火药推进的炸药。可以飞出船并炸毁敌军。当然，中国古代文人在记录这些兵器时总是轻描淡写，不够细致。所以很多地方只能靠猜测，并不是特别准确。如果真像有人分析的那样，雷电炮自己飞出去炸敌人，那么它就可以算是一种原始火箭了。

后来金国遭到蒙古的进攻，失去了中都。不得已，才迁都北宋都城开封。窝阔台发兵南下，攻打开封府。双方都使用了大量的枪械，即使用投石机发射火药弹丸。不过，金兵还有一种独特的武器，那就是飞枪。他们依靠飞行火枪打败了蒙古军。燧发枪可能具有火药推进武器的特征。 60厘米长的火药螺旋桨系在2米长的枪管上。点燃后，飞枪自行飞了出去。它飞了多远，古人没有记载。明代毛元仪的《军备志》中也有类似的记载。大概可以飞五百多步，大约三四百米。

火笼箭头

到了明代，火器已经变得非常复杂，比如著名的“火笼箭”，就是大量发射的集束火箭。简而言之，火箭有很多种类型。但《军事备志》这样的书毕竟是文人写的。有时候你不能相信文人写的一切。里面会夹杂着各种各样的废话。这就是为什么技术史的研究不能仅仅依靠文献研究。

比如《世界末日》中写的有一把名为“火龙出久”的武器，插画也还是那个样子。前面有一个龙头的管子，下面插入四枚火箭以提供推进力。它飞到空中，从龙口中发射火箭。很多人认为，这就是传说中的两级火箭的原型。其实这种东西飞行时不翻筋斗才奇怪。根本无法维持稳定。如今，四旋翼无人机依靠计算机来控制四个螺旋桨的速度。这条火龙已经彻底失控了。如果四枚火箭的推力稍有偏差，就会随机转向。谁敢用？因此，这件事是文献中所写的誓言实际上不能被接受的情况。

有些人可能认为事情很合乎逻辑、可行，但在历史文献中却找不到。万户的故事我们都听说过。据说，明朝初期，一个名叫万户的人坐在椅子上，椅子上绑着一捆烟花弹，手里拿着两只大风筝，​​然后让人把它们点燃。 。他想要飞上天空，然后……就没有了，到最后可能连骨头都找不到了。

这个故事在中国经典中找不到。最早出现在1909年的《科学美国人》杂志上，主角不叫万户，而是“王图”。原文是英文，所以对应具体是哪个汉字，没人知道。时间是公元前2000年，也就是传说中的夏朝。火药从哪里来？这个“王土”自杀了，被烟花弹炸得全身受伤，但他活了下来，还被皇帝打了屁股。人都炸成这样了，皇帝还打屁股？这是一个什么样的皇帝？这是要去哪里？所以这个记录是不可靠的。

马歇尔航天中心提供的万户图片中，请不要认出汉字。它们可能是画画的外国人随机画的。

1944年，威利·雷在一本关于火箭的书中提到了万户这个名字。 1945年，赫伯特·齐姆（ Zim）在他的书中提到了我们今天所知的“万户家庭”的故事。很难说万户是一个名字还是一个官职。元代有“万户”之职，明代改为“都帅”。很多人认为这不是一个真实的故事。

明代中后期，国家太平，没有发展武器的必要，发展速度减慢。后来的清朝也是如此。当他们着急的时候，他们会买外国人的。一旦一切安全，他们就会再次放松。没办法，这就是自然规律。欧洲不断处于战争状态，火器发展非常迅速。

  中央稳定杆版本

1805年，康格里夫发明了一种新型火箭，比我国当时的火箭更加稳定。鸦片战争期间，英国人就使用过这种火箭。洋务运动期间，中国仿制了这种火箭，性能更好的HAL火箭也被仿制。

为什么总是要把火药管绑在箭杆上？因为箭杆提供了稳定性。但火药筒并不是在箭杆的中心，而是偏移了一点。所以对稳定性有影响。这是康格里夫火箭的改进。他把箭轴放在尾喷口的中央，完全对称，所以精度比较高。

HAL火箭更先进。它依靠从偏转的火箭中喷出的气体来引起火箭旋转。它依靠陀螺效应来稳定火箭的姿态。不需要很长的箭杆，省事多了。去掉箭轴是火箭发展史上的重要一步，因此哈尔在 2004 年入选国际航空航天名人堂。

尽管如此，火箭在当时并不是非常主流的武器。主要枪械基本上要么是枪，要么是大炮。儒勒·凡尔纳写了一本科幻小说，名叫《从地球到月球》，描述用超级大炮把人装进炮弹里，打到月球上。当然，凡尔纳是非常“阴险”的。在他的小说中，这个镜头没有击中目标。炮弹变成了绕月球运行的卫星。这表明凡尔纳非常了解牛顿定律，并且知道引力捕获会发生。

1872年版《从地球到月球》插图

凡尔纳的小说引起了一个人的兴趣，他知道用大炮发射炮弹是不可能载人的，因为人根本无法忍受短时间内的剧烈加速。加速度等于力，F=ma，对。想要遨游太空，只能依靠简陋的火箭。这个人就是俄罗斯的齐奥尔科夫斯基，现在被公认为航空航天之父。

1857年9月17日，齐奥尔科夫斯基出生于俄罗斯梁赞地区的一个林业官员家庭。但这孩子却是不幸的。 10岁时，他感染了猩红热，失去了听力。所以他不能上课，也不能和朋友们愉快地玩耍。从那以后他就再也不能上学了，但是这个孩子非常勤奋，对各种知识都有着浓厚的兴趣。他还特别喜欢自己做各种实验，梦想有一天自己能像小鸟一样在天空中自由飞翔。这一点和我很相似。小时候，我拿了一些竹子和报纸，做了一个大翅膀，我还想飞。他在草地上跑了半里，却没有飞起来，别提有多狼狈了。

简而言之，齐奥尔科夫斯基完全是自学成才。 16岁时，他只身来到莫斯科。在莫斯科，他读了很多数学、物理、化学、力学和天文学的书籍，还去大学旁听了。我猜你听不到，但你仍然可以用眼睛看到。他一边读书，一边自己做实验。以后他就不会有这么好的条件了。后来他搬到了一个比较偏僻的地方，比较孤立。他根本没有停止重新发明轮子。

光读书是没有用的，必须赚钱才能生存。他确实通过了中学教师考试，成为了距离莫斯科100公里的博罗夫斯克的一名中学教师。当时的俄罗斯比较落后。只要你受过一些教育，到边远地区当老师，还是可以谋生的。

齐奥尔科夫斯基白天上课，晚上继续实验。 1881年，他以分子动力学理论为基础，独立发展了气体动力学理论。其实，这是典型的轮子再发明。他并不知道25年前就存在类似的理论。他的第二篇论文的题目是《动物有机体力学》，他改变了方向，开始研究生物学。这篇论文得到了当时著名生理学家谢切诺夫的支持，齐奥尔科夫斯基因此进入了俄罗斯物理化学学会。所以我也不是公务员。

齐奥尔科夫斯基

从 1884 年开始，他专注于热气球。 19世纪末，人类飞向天空的唯一方式是乘坐热气球。不过，当时的热气球是用布做的，上面覆盖着橡胶，强度不是很大，很容易着火。最大的缺点就是不可控，完全依靠风的吹动。于是齐奥尔科夫斯基开始研究可以由人类控制的金属气球，即飞艇。

整个 19 世纪，发明家们一直在寻找让气球更具机动性的方法。有人在气球上安装了人力驱动的螺旋桨，但人的力量能有多大呢？这种飞艇不能做得很大。那时的蒸汽机太重，很难搬上天。只有当内燃机出现后，才有可能将其安装在气球上。果然，1879年，有人在气球上安装了内燃机，1883年，有人在气球上安装了电动机。所以，齐奥尔科夫斯基有这个想法也是很自然的。

他设计的是全金属飞艇，因为金属的硬度足以保持其流线型形状。它还需要能够扩展和收缩，这是很困难的。他花了很多时间完善细节，但实验总是要花钱的。他向俄罗斯陆军参谋部申请资金，但他们没有批准。最终，根据他的研究，他写了《气球原理》和《可操纵金属飞行器》两本书。喜欢他的粉丝很少。最终，事情得到了解决。

1892年，他搬到距莫斯科200公里的卡卢加州，距离越来越远。我的职业仍然是一名中学教师。他的注意力再次转向飞机设计。他的飞机使用两个固定平板作为机翼，并配备两个螺旋桨。根据这个设计，他写了一篇论文《论带着翅膀飞翔》，但并没有引起人们的注意。

1897年，齐奥尔科夫斯基在他的家中建造了俄罗斯第一座实验风洞。风洞在当时还是一个新鲜事物。没有人有如何使用它的经验。早期研究飞机的人们将飞机安装在旋转木马上，只要飞机高速旋转就可以对飞机进行空气动力学研究。航空先驱李林塔尔利用这种方法研究了机翼的升力特性。但这种方法有一个缺陷，那就是如果旋转太快，气流就会向错误的方向抛出。而且，飞机已经沉浸在自己制造的空气漩涡之中，这和在空中自由飞行并不是一回事。

韦纳姆

1871年，英国人温纳姆首先发明了风洞，使测量变得非常方便。齐奥尔科夫斯基利用离心式鼓风机建造了开放式风洞，被认为是风洞领域的先驱。 1900年，他申请了一笔资助，利用风洞测量了许多几何形状的空气动力特性。方的、圆的、扁的都测量了。他的研究极大地帮助了俄罗斯著名空气动力学家茹科夫斯基。然后，然后就没有了。当时的俄罗斯政府始​​终不愿意花钱在齐奥尔科夫斯基的研究上。

无奈之下，齐奥尔科夫斯基开始寻找下一个目标。这一次，他把目光投向了无人敢想象的太空。我们下次再说吧……