錢學(xué)森的名著。1963年出版的名著。

在那個(gè)還有同胞吃不飽飯的年代，我們也依然不缺想象力與實(shí)現(xiàn)能力，更不缺人才。

開宗明義，錢老寫這個(gè)本子是為了相對全面而概要地介紹星際航行技術(shù)，面向的對象是現(xiàn)代力學(xué)工作者。

錢老說得非常清楚——星際航行技術(shù)，也就是我們當(dāng)代說的宇宙航行技術(shù)，并非基礎(chǔ)研究，并非基礎(chǔ)型技術(shù)，而是一種綜合性極強(qiáng)的工程技術(shù)——記住，是工程技術(shù)，與我們所想象的科學(xué)技術(shù)還不是一碼事。

他強(qiáng)調(diào)，星際航行并不神秘，不過就是一般自然規(guī)律的具體應(yīng)用，所有的技術(shù)基礎(chǔ)其實(shí)也都來源于眾所周知的基礎(chǔ)學(xué)科?？偟膩碚f，這就是一個(gè)綜合技術(shù)應(yīng)用工程。

工程技術(shù)是把既有的技術(shù)和發(fā)明綜合起來運(yùn)用到特定目的，像星際航行這樣高度復(fù)雜的工程，需要的是龐大的組織，巨量的資源投入和工業(yè)基礎(chǔ)。

這就是為什么科學(xué)技術(shù)能力高度發(fā)達(dá)的一些歐洲國家，沒有投入去做星際航行的根本原因——他們沒有大國所擁有的規(guī)模體量，更沒有大國體制，可以投入巨量資源去做巨大工程。

正像瑞典的科學(xué)家回答施一公對他們的提問“為什么你們沒有開展航天工程”——如果我們有你們那樣的決策機(jī)制和體量，我們已經(jīng)把500個(gè)人送上月球了。

沒有開展星際航行，不代表這些國家就不具備尖端科研和技術(shù)能力，而能開展星際航行，也并不能說明這個(gè)國家科研能力就是頂級——恰如我們國家，空間航行已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，可在關(guān)鍵科研和技術(shù)領(lǐng)域，仍然被“卡脖子”。

工程實(shí)力與科研實(shí)力，仍然是兩個(gè)領(lǐng)域。

由于本子里幾乎都是數(shù)學(xué)公式和物理學(xué)原理，所以這里只是對其中重要的觀點(diǎn)和結(jié)論進(jìn)行簡評。

一是宇宙航行概論。

從早期火箭來看，最重要的代表當(dāng)然是納粹德國馮·布朗博士領(lǐng)銜造出來的V2導(dǎo)彈。其主要燃料為酒精+液氧，炸藥量在980公斤，總重13噸。總推力在27.2噸，最大高度80公里，最大速度1.5公里/秒。

這是對齊奧爾科夫斯基火箭理論的第一次實(shí)踐，而且成為了現(xiàn)代火箭的樣本。

記得是在初中時(shí)，從科羅列夫的《火箭發(fā)動機(jī)》上讀到了齊奧爾科夫斯基，當(dāng)時(shí)可謂敬佩不已、激動不已。

后來的蘇聯(lián)從1957年10月第一次發(fā)射衛(wèi)星開始，只用了4年時(shí)間，到1961年4月就把人送上了太空。實(shí)在是太猛了。

從太陽系構(gòu)成來看，錢老認(rèn)為我們要飛到火星以外是一件非常難的事，原因是火星和土星之間有好幾個(gè)小行星帶，大約有4.4萬顆小行星。飛船要穿越這個(gè)小行星帶，困難其實(shí)很大。

也就是說，從火星以外看火星以內(nèi)的太陽系，就跟一個(gè)密密麻麻被小行星包裹的蜂巢一般。

地面情況來看，海平面大氣密度1.2255×10^-3克/厘米^3，平均溫度15℃，到10公里以上同溫層，溫度下降到零下56度。

地球被內(nèi)外兩個(gè)輻射帶包裹，只有兩極沒有輻射帶覆蓋。內(nèi)輻射帶的范圍在離地600公里到6000公里，主要粒子為質(zhì)子；外輻射帶離地2萬公里到6萬公里，主要粒子為電子。

由于內(nèi)輻射帶的質(zhì)子能量大，輻射已經(jīng)足夠?qū)θ艘鹞：Γ?/span>所以，沒有特殊防護(hù)的載人飛船不應(yīng)到離地300公里以外。

這個(gè)問題倒是此前沒有想到過的，其實(shí)不少行星都有極強(qiáng)的輻射帶，穿越這些輻射帶非常危險(xiǎn)。比如木星周圍32萬公里高空，輻射帶的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于地球，目前而言，人是無法實(shí)現(xiàn)木星本地登陸的。

第一宇宙速度V1是指物體繞地球旋轉(zhuǎn)，半徑等于地球的半徑，不落地的速度。這個(gè)速度為7.91公里/秒。此時(shí)物體旋轉(zhuǎn)地球的周期是84.5分鐘。

一般衛(wèi)星離地高度是200-300公里，所以它們的繞地周期一般是在90分鐘左右。

如果要讓旋轉(zhuǎn)周期為24小時(shí)，也就是所謂的同步衛(wèi)星，那么衛(wèi)星離地的高度就須在3.58萬公里高處，已經(jīng)到了外輻射帶范圍。

一個(gè)有趣的想象，是所謂第一宇宙速度，就是我們?nèi)映鋈ヒ粔K石頭，這個(gè)石頭的速度要達(dá)到這樣一種程度——石頭受重力吸引會下墜，那么石頭向前飛行的速度，就必須達(dá)到，石頭每下落一點(diǎn)，飛出去的距離遠(yuǎn)到地面也同時(shí)又離開石頭相應(yīng)的距離——因?yàn)榈厍蚴菆A的嘛。

第二宇宙速度V2是能永遠(yuǎn)離開地球引力場的速度。這個(gè)速度要用到積分來計(jì)算，因?yàn)樯婕耙?jì)算飛到無限遠(yuǎn)處。結(jié)果是11.18公里/秒。

把衛(wèi)星發(fā)射到前面說的同步軌道上去，所需要的離地速度為10.74公里/秒。

第三宇宙速度V3是指脫離太陽系引力所需的速度。計(jì)算起來麻煩一些，結(jié)果是16.63公里/秒。

這個(gè)速度還有一些限制條件，其一是火箭對太陽的方向與地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動方向一致，如果不一致，速度還會要更大一些；其二是火箭一開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，分兩級加速耗費(fèi)的能量更大。

齊奧爾科夫斯基公式是用于計(jì)算火箭在一定速度下所須攜帶的推進(jìn)劑，及其與結(jié)構(gòu)重量之比。這個(gè)公式說明，噴氣速度越快，則火箭起飛時(shí)的質(zhì)量和飛行結(jié)束時(shí)的質(zhì)量之比越小。也就是說，只要加大噴氣速度，那么火箭的載荷量就可以更大。

錢老開始說星際航行，現(xiàn)有的第三宇宙速度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須要使用接近光速的速度。這就會產(chǎn)生一系列問題——牛頓力學(xué)不夠用，要用相對論力學(xué)，同時(shí)，還得創(chuàng)造新的動力。

錢老做了一個(gè)有趣的測算：比如用接近光速的速度從地球到半人馬座α星，距離我們有4.3光年。使用最高速度0.8倍光速，噴氣速度為0.6倍光速，使用兩級火箭，一級是用來加速的，一級是用來減速的。最大加速度為2g，那么加速和減速對飛船而言都需要1年時(shí)間，0.8倍光速飛行時(shí)間為2.5年，共需4.5年。

紙面上的想象力。

再算到天狼星，距離我們8.7光年，使用0.94倍光速，同樣的加速度，加速和減速對飛船而言需要0.8年，0.94被光速飛行2.5年，共需4.1年。

之所以更遠(yuǎn)的天狼星飛行時(shí)間還短一些，除了速度更快0.94光年這個(gè)假設(shè)以外，還有相對論效應(yīng)——速度越接近光速，時(shí)間的進(jìn)程就相對要更慢一些。

這就引出來了阿克萊公式，這個(gè)公式是對齊奧爾科夫斯基公式的相對論修正。

仔細(xì)研究了推導(dǎo)過程，主要是把相對論因子考慮了進(jìn)去，質(zhì)量會發(fā)生變化，因而要使用積分和級數(shù)。

按照齊奧爾科夫斯基公式的結(jié)論，要接近光速，噴氣速度必須要達(dá)到光速的一半以上，否則質(zhì)量比就會太大。

噴氣速度達(dá)到光速的一半是個(gè)什么概念？錢老用了熱核反應(yīng)來說明——讓氘聚變?yōu)楹ぃ尫拍芰縼碜鰟恿Γ?/span>假設(shè)能效達(dá)到70%，那么噴氣速度就是1.5萬公里/秒。這個(gè)速度還只有光速的5%。

從目前可設(shè)想的動力來看，接近光速的一半，是不可能的。

第二部分是火箭發(fā)動機(jī)原理。

首先說，空氣噴氣發(fā)動機(jī)無法適用于宇宙航行，因?yàn)檎婵罩袥]有空氣?；鸺l(fā)動機(jī)必須是自行攜帶燃料和氧化劑，分成固體推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)和液體推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)。

固體發(fā)動機(jī)相對來說結(jié)構(gòu)簡單，少了很多調(diào)節(jié)系統(tǒng)和閥門系統(tǒng)，也就是藥柱、燃燒室、支撐裝置和噴管，大多使用于小尺寸的火箭彈上。

固體發(fā)動機(jī)點(diǎn)火啟動也簡單——藥柱中空處加入小火藥包，電火花引燃，激發(fā)藥柱燃燒，氣體噴出獲得推力。

由于無法像液體發(fā)動機(jī)一樣控制流量來控制推力，固體發(fā)動機(jī)的推力控制主要通過藥柱燃燒面來控制，所以藥柱的形狀和推進(jìn)劑的反應(yīng)速度是控制推力的關(guān)鍵。

液體發(fā)動機(jī)復(fù)雜很多，也正因?yàn)榭梢酝ㄟ^復(fù)雜系統(tǒng)對推進(jìn)劑流量進(jìn)行控制，所以液體火箭發(fā)動機(jī)的功能就更多，運(yùn)載火箭都采用液體發(fā)動機(jī)。

液體推進(jìn)劑在燃燒之前必須霧化，主要靠氧化劑和燃料通過噴嘴來實(shí)現(xiàn)，由于燃燒室本身壓力很大，所以要順利地把霧化的推進(jìn)劑壓進(jìn)燃燒室，還需要更大的壓力。

推進(jìn)劑的輸送方式分為擠壓式和渦輪泵式。

擠壓式就是用高壓氣體來把推進(jìn)劑推進(jìn)噴嘴霧化，進(jìn)入燃燒室。高壓氣體一般使用惰性氣體。擠壓式的發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)又相對簡單一些。

渦輪泵式也就是通過渦輪把推進(jìn)劑抽取，壓入噴嘴霧化燃燒。當(dāng)然結(jié)構(gòu)要復(fù)雜一些，按照渦輪動力來源分為蒸汽渦輪和燃?xì)鉁u輪。

蒸汽渦輪是用蒸汽推動渦輪旋轉(zhuǎn)，關(guān)鍵組建是蒸汽發(fā)生器。蒸汽發(fā)生器一般是采用過氧化氫分解，產(chǎn)生400度高溫水蒸汽和氧來推動渦輪旋轉(zhuǎn)。

燃?xì)鉁u輪則是直接從泵的出口取得燃料和氧化劑，形成高壓燃?xì)馊ネ苿訙u輪，這是與火箭的燃燒室并行的一套輔助燃燒裝置。啟動燃?xì)鉁u輪時(shí)，還需要附帶的臨時(shí)火藥來助燃啟動。

大部分現(xiàn)代火箭發(fā)動機(jī)采用的是燃?xì)鉁u輪。