航天史：01.先驱者

这回我们开讲一个新的系列，我们来讲讲航天史，讲讲人类是如何征服太空的。提起航天呢，我们就不得不想到火箭。金政委常说，航天科技是“送人上天的”，航天科工是“送人上西天的”。我家呢，就出身于航天科工，我老爸就是搞反舰导弹的。不管是导弹也好，火箭也罢，其实都是类似的，都离不开发动机，特别是离不开火箭发动机。

要说起来，这一点我们中国人是很自豪的，最早把火药用作军事用途也是我们中国人。世界上最早搞出火箭的也是我们中国人。这两者是有密切关系的，因为能够当做火箭燃料的东西，在古代也只有黑火药这一种东西。大家都知道黑火药是我国的四大发明之一，但是黑火药究竟是什么时候被发明的呢？其实时间并不确定，唐末五代时期有一本书叫《真元妙道要略》，一听就知道是一部道家的典籍。里面有一些记载，说雄黄、雌黄、硝石和蜂蜜放在一起炼制的时候一定小心，弄不好就会烧到手和脸，弄大了连屋子都能烧掉。

蜂蜜含有大量糖分，高温下会发生炭化，变成炭，和硝石这种强氧化剂混在一起的确很不安全。后来有人做了测试，把硝石和雄黄以及松香混合在一起，加热到300多度，就会发生爆炸。也就是说，那个时代的炼丹家一不留神就能弄出点儿爆炸物来。所以《真元妙道要略》里面也提及，这些东西最好不要放在一起烧。由此可见，黑火药是不太可能比这本书的年代早。否则炼丹家们应该是知道这就是某种火药配方。

硝酸钾的结晶

对炼丹家来讲，硝石是个非常重要的东西。司马迁的《史记》里面就记录过硝石。而且古代的医生研究出了提纯硝石的方法。那就是把硝石溶解在水里，过滤掉杂质，然后加热，让硝石里面的有效成分重结晶。这样就比较纯了。重结晶以后会出现细六棱柱的晶体，有点像游戏里的水晶矿，带刺带芒的。所以结晶以后的硝石被称为“芒硝”。

硝石的主要成分是硝酸钾。但是，古人可分不清楚那么多种白花花的结晶体。他们管硫酸钠也叫芒硝。这就出问题了，药方上写的是芒硝，到底指的是硝酸钾还是硫酸钠呢？南北朝时期的名医陶宏景在《本草经集注》里面特别说明了，“以火烧之，紫青烟起，云是真硝石也”。他的药方需要的就是这种能冒紫烟的硝石。这是因为高温下，硝酸钾发生了分解，钾离子的火焰就是紫色的。

能够辨别和提纯硝酸钾，这一点很重要。我国为什么能抢先发明了火药，因为只有纯度比较高的硝酸钾才能制作黑火药。要是没摸到这个窍门，那就只能在门外转悠，这就是个运气问题了。

《武经总要》里的抛石机

到了宋代《武经总要》里面就记录了很多用火药的配方。大概是 [ 60%硝石+30%的硫磺+10%木炭 ] 这个配方比例。还要加上漆做粘合剂，掺杂进一些砒霜狼毒等等毒药，出来都是膏状的，不是粉状。做成5斤重的一个大丸子,用烧热的锥子插在中间点燃这个大球。然后用抛石机扔出去，砸向敌军。这种火球哪怕强风也不会吹灭。由此可见，看古书上的火药要分清楚，这个东西到底是干什么用的。有些就是个燃烧弹，爆炸的威力是有限的。关键是硫磺的比例太高，硝石比例太低了。好一些的黑火药，硝石比例起码达到75%。

早期北宋开始使用这种火药燃烧弹的时候，都是用烧的滚烫的铁锥子引燃的。因为火药的配比不合理，所以不像现在的鞭炮那么容易点燃，后来解决了点火引燃的问题。这使得爆炸物可以轻松的走向民间，变成焰火和鞭炮。鞭炮被广泛使用还是在两宋时期实现的。反过来，焰火也促进了火药本身的进步。

同样，“火箭”这个词在古书上也经常看到，但是还是要搞清楚到底是个什么东西，有的就是在箭上绑一个“呲花”，会往出喷焰火。点着了以后，用弓射出去，引燃对方的易燃物，是放火用的。这玩意儿也被叫做“火箭”，其实就是“放火用的箭”。真正出现火药推进的箭要到更晚的时代才出现。

完颜亮

北宋灭亡之后，南宋小朝廷偏安。就在这时候，金朝皇帝完颜亮进犯宋朝，和宋军在采石矶大战了一场。虞允文以少胜多，打败完颜亮。在这次战役之中动用了一种武器叫“霹雳炮”，有人分析，可能是一种火药推进的爆炸物。能从船里飞出去，炸敌军。当然，我国古代文人在记录这些武器的时候总是轻描淡写，不够细致严谨。因此很多地方只能靠推测，不是特别准。如果真的像某些人分析的那样，霹雳炮是自己飞出去炸敌人的，那就可以认为是原始的火箭弹。

金国后来面临蒙古的打击，中都城丢了，不得已，把国都搬到了过去北宋的首都开封府。窝阔台派兵南下攻击开封府。双方都动用了大批的火器，也就是用抛石车发射火药丸子。但是，金兵也有独门武器，也就是飞火枪，他们靠着飞火枪打败蒙古军队。飞火枪可能已经具有火药推进武器的特点了。一根2米长的枪杆子上绑着一个长60厘米的火药推进器。点着了以后，飞火枪自己飞出去。飞多远，古人没记载。明朝茅元仪的《武备志》上也记录了类似的玩意儿，大概能飞500多步，大概是3~4百米吧。

火笼箭

到了明朝时期，火器就非常复杂了，比如著名的“火笼箭”，这是一种集束式火箭，一大把起发射。总之，各种火箭品种繁多。但是《武备志》这种书毕竟是文人写的，有时候文人写的你不能全信，他们会有各种YY夹杂在里边。这就是技术史研究不能光凭文献考据的原因。

比如《武备志》里面写到了一种武器叫做“火龙出水”，插图画的还像那么回事。一个筒子，前边是个龙头，下面插着4支火箭作为推进，飞到半空中，从龙嘴里往出发射火箭。很多人认为这就是传说中的二级火箭的雏形。其实这种东西飞起来不翻跟头才怪呢，根本无法保持稳定性。现在4旋翼无人机都要靠电脑来控制四个螺旋桨的转速。这个火龙出水可是完全没有控制的，四支火箭的推力稍有偏差就乱翻跟头，谁敢用啊？所以这事儿就属于文献上写的信誓旦旦，实际上不能采信的案例。

有些事儿，可能大家觉得事情从逻辑上和可能性上都挺靠谱儿的，但是在史书文献上就是查不到。万户的故事我们都听说过，说是明朝初年有个人叫万户，坐在绑着一捆礼花弹的椅子上，手里举着两个大风筝，然后就让人点了火。他想飞上天，然后……就没有然后了，最后可能连尸骨都没找全。

这个故事在中文典籍里是找不到的，最早出现在1909年的《科学美国人》杂志上，主人公也不叫万户，而是叫“Wang Tu”，原文是英文，因此对应的是具体是哪个汉字，没人知道。时间是公元前两千年，那时候是传说中的夏代，哪来的火药啊？这个“Wang Tu”自己作死，被礼花弹炸的浑身是伤，但是没死，还被皇帝打屁股。人都炸成这样了，皇上还打屁股？这是什么皇上啊？这都哪儿跟哪儿啊？所以这个记载是不靠谱的。

马歇尔太空中心提供的万户图片，汉字您就别认了，估计是画图的老外乱划拉的

1944年，威利·莱的一本讲述火箭的书里提到了万户这个名字。1945年，赫伯特·齐姆在自己的书里才提到了我们今天所知道这个万户的故事。到底万户是名字还是官职都很难说清楚。元朝是有万户这个职位的，到明朝都改了，改成了“都指挥使”。所以很多人都不认为这是个真实的故事。

明朝中后期，国家太平，因此对武器的发展没了需求，发展速度就慢下来了。到后来清朝也是这种情况，着急要用的时候就买外国人的，一旦太平无事，就又松懈了。没办法，这是自然规律。欧洲在不断打仗，火器进步非常快。

中央稳定杆版本的康格里夫火箭

1805年，康格里夫发明了新的火箭，稳定性就比我国当时的火箭要好。鸦片战争时期，英国人用过这种火箭。洋务运动的时候，国内仿造过这种火箭，还仿造过性能更好的哈尔火箭。

为什么总要把火药筒子捆在箭杆上呢？因为箭杆可以提供稳定性。但是火药筒并不在箭杆中心，而是偏移了一点。所以对稳定性有影响。康格里夫火箭的改进就在于此，他把箭杆放在了尾喷口的中心，这样就是完全对称的，所以精确度比较高。

哈尔火箭更加先进，它是靠偏斜火箭喷射的气体，引起了火箭的旋转，靠陀螺效应看来稳定火箭姿态，不需要长长的箭杆，这就省事多了。去掉箭杆这是火箭演化历史上很重要的一步，所以2004年哈尔入选了国际航天名人堂。

尽管如此，当时的火箭并不是一种非常主流的武器。主要的火器基本上不是枪就是炮。儒勒·凡尔纳就写过一本科幻小说叫《从地球到月亮》，里面就描述了用一种超级大炮，把人装在炮弹里打到月球上去。当然凡尔纳很"阴险"，在他的小说里，这一炮打偏了。这颗炮弹成了环绕月球运转的卫星。这说明凡尔纳是很了解牛顿定律的，知道会有引力捕获这种事儿发生。

《从地球到月亮》1872年版插图

凡尔纳的小说引发了一个人的兴趣，他知道，靠大炮发射炮弹是根本无法载人的，因为短时间内剧烈的加速，人根本就受不了。加速度就等于受力，F=ma对吧。要想去太空，只能靠不起眼的火箭。这个人就是俄国的齐奥尔科夫斯基，如今公认的航天之父。

1857年9月17日，齐奥尔科夫斯基出生在俄国梁赞地区一个林业官员的家庭里。但是这个孩子很不幸，10岁的时候，他得了猩红热，丧失了听力。所以他没办法听课，也没办法和小伙伴们一起愉快的玩耍了。从此他就没能再上学，不过这个孩子很刻苦，对各种知识有着强烈的兴趣。他还特别喜欢自己动手做各种各样的实验，幻想有一天能像鸟一样在天空自由自在地飞翔。这倒是跟我差不多，我小时候拿几根竹子+报纸糊了个大翅膀，还想飞呢。在草地上跑了半里地也没飞起来，别提多丢人了。

总之，齐奥尔科夫斯基全靠自学，16岁那年，他自己一个人来到了莫斯科，在莫斯科他读了大量数学、物理、化学、机械以及天文方面的书，还去大学旁听，估计听是听不见，靠眼睛看还是可以的。他一边读书，一边自己做实验。以后他可就没有这么好的条件了，后来他搬到了比较偏僻的地方，比较闭塞，重复发明轮子的事儿，他一点没少干。

光读书没用啊，总要挣钱活下去吧。他倒是考出了一个中学教师的资格，到了离莫斯科100公里远的博罗夫斯克当了中学老师。俄罗斯当时比较落后，你只要有点文化，到穷乡僻壤当老师，还是能混口饭吃的。

齐奥尔科夫斯基白天上课， 晚上就继续做他的实验。自己闷头鼓捣，1881年他独立的搞出了气体动力学理论，是基于分子运动论的。其实这是典型的重复发明轮子，他并不知道类似的理论25年前就有了。第二篇论文题目是《动物机体的力学》，他转了个方向，开始研究生物学。这篇论文得到了当时著名的生理学家谢切诺夫的支持，所以齐奥尔科夫斯基进入了俄国物理化学学会。所以人家也不是个民科。

齐奥尔科夫斯基

1884年开始，他把注意力放在了热气球上。19世纪末，人类飞上高空的唯一方式就是坐热气球。但是，当时的热气球是用涂满了橡胶的布做的， 不怎么结实， 还容易着火，最大的缺点是无法控制，全靠风吹。于是，齐奥尔科夫斯基就开始研究人可操纵的金属气球，也就是飞艇。

整个19世纪，发明家们都在想方设法增强气球的操控性。有人给气球安装了人力驱动的螺旋桨，但是人能有多大力气呢，这种飞艇做不大。当时蒸汽机太重了，要想带上天很困难。只有等内燃机出现了，才有可能被装到气球上。果然1879年，有人把内燃机装到了气球上，1883年又有人把电动机装到气球上。所以，齐奥尔科夫斯基有这种设想是顺理成章的事情。

他设计的是一种全金属的飞艇，因为金属的有足够的硬度来维持自己流线型的外形。还要能膨胀和收缩，这就难了。他花了不少心思完善细节，但是做实验总要花钱，向俄国陆军参谋部申请经费吗，人家不批。最终，根据他的研究， 他写成了《气球原理》和《可操纵的金属飞行器》这两本书。给他点赞的粉丝都寥寥无几。最后这事儿也就不了了之了。

1892年，他搬家到了离莫斯科200公里远的卡卢加，越搬越远了。职业还是中学教师。他的注意力又开始转向飞机设计。他的飞机是用两块固定的平板当做翅膀， 装有两个推进器。根据这种设计，他写了论文《论用翅膀飞行》， 但没有引起关注。

1897年，齐奥尔科夫斯基在自己家里建造了俄罗斯第一个试验风洞。当时风洞还是个新鲜玩意儿。该如何使用，大家也没经验。早期研究飞行器的人都是把飞机装在一个旋转木马上，只要高速旋转就能对飞行器进行空气动力学研究。航空先驱李林塔尔就是用这种方法研究机翼的升力特性的。但是这个方法有个缺陷，那就是旋转太快的话，气流会往出甩，方向不对。而且飞机一直浸泡在自己制造的空气旋涡里，这跟在空中自由的飞行不是一码事。

文纳姆

1871年，英国人文纳姆首先发明了风洞，这一下，测量变得非常方便了。齐奥尔科夫斯基利用一个离心鼓风机建立了一个开放式风洞，算是风洞方面的先行者。1900年他申请到一笔经费，用风洞测量了很多几何形状的气动特性。方的圆的扁的都测量了一遍。他的研究给后来俄国著名空气动力学家茹科夫斯基很大的帮助。然后，然后就没有然后了。当时的俄国政府总是不肯为齐奥尔科夫斯基的研究花钱。

没办法，齐奥尔科夫斯基开始寻求下一个目标，这一次，他把眼光瞄向了没人敢想的太空。我们下次再说……