人类能发射火箭,多亏了这个只上过3年小学的失聪小镇教师
2019-12-09 13:55

人类能发射火箭,多亏了这个只上过3年小学的失聪小镇教师

本文来自公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:七君,题图来自:东方IC


在汽车和飞机都还没有出现的时代,一个只上过3年小学,自学成才的失聪小镇教师就计算出了火箭升空的基本公式,并预言了人类的太空时代的到来。现在,国际空间站里就贴着他的照片。


在1932年,苏联社会的各界名人参加了一个退休小镇教师的75岁生日轰趴。在轰趴上,这名只上过3年小学,没有任何学位的老人获得了劳动红旗勋章这个苏联的平民荣誉。


这老人是谁,他为什么能够得到苏联政府的这般重视呢?因为这个老人,就是提出了航天学基石——火箭方程的康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基。


康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基


康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基出生于1857年,和柴可夫斯基以及托尔斯泰是同代人。他的爸爸是被放逐到西伯利亚的波兰人,妈妈是俄国人。


他是十几个兄弟姐妹中的老五,但是和兄弟姐妹不同,他的好奇心特别强,而且小时候记性和学习成绩都很好。



可惜的是,他一生只上了3年小学。9岁的时候,他在一次溺水事故后感染了猩红热,并因此失去了大部分听力。因为失聪,他不得不从小学退学,爸爸只能在家教他。而后来因为母亲的死,他开始不愿意和人交往,整日沉浸在书本中。齐奥尔科夫斯基曾说:“我没有书本以外的老师。”


1873年,16岁的齐奥尔科夫斯基被送到莫斯科学习。不过,他在莫斯科并没有接受正规教育,而是开始了蹲图书馆自学的生涯。


在图书馆的3年里,他自学数学、力学、化学、古典文学和哲学,完成了难度等同于高中,以及大一和大二课程的自我教育。耳聋反而变成了一件好事,可以让他专心在图书馆学习。



在莫斯科的3年里,为了能省钱买书,他主要靠吃廉价的黑面包为生。为了和人交流,齐奥尔科夫斯基还发明了一个长得像小号的助听器。利用助听器,他时不时地去大学旁听公开课程,还会勇敢地和教授们辩论。教授们对这个没有任何学位的年轻人的勇气和知识深感惊讶。


齐奥尔科夫斯基设计的助听器


但是贫困和过于勤奋的学习让齐奥尔科夫斯基的身体变差。担心不能儿子无法养活自己,1876年,爸爸把齐奥尔科夫斯基接回了家。回到家后,凭借自学的知识,齐奥尔科夫斯基考取了教师证。21岁时,他开始在小镇博罗夫斯克教数学和物理。1892年,他和家人搬到了小城卡卢加,并在那里教了30年的书。    


不过,当地的居民不愿意同他说话,也会回避他家,因为他家常常会传出爆炸的声音。原来,这个没有任何学位的怪人教师在教书期间还在家做起了研究。



来看看这个19世纪的中学教师只靠低配天文望远镜和自己计算,对月球做出的观察和预测:


在月球上,尘埃会在空中漂浮数天。月球上没有风,没有声音,也没有植物。月球的山峰高耸,但是上面没有雪覆盖,因为月球没有水。太阳风带走了月球上的水汽。


月球没有大气层,月球的山峰投下了又深又长的影子,月球上日夜的转换是快速的。月球虽然因为没有大气层而不适宜人类居住,但是阳光在月球上不会被大气层阻挡,人类可以在上面建设发电站,收集阳光。



在教书期间,他还创造了许多依然在被使用的概念和技术:陀螺稳定器、逃逸速度...他还在家里倒腾出了后来另世界刮目相看的发明。即使在退休后,他还在坚持科研,他一生发表了500多篇航空航天相关的论文。


比如,1894年,37岁的齐奥尔科夫斯基发明了一种单翼机,长这样——



他为这个单翼机设计了2个用燃气发动机驱动的螺旋桨。这个飞机还有水平和竖直的舵面。



为了让飞机能从地表升空,他还设计了可收缩的起落架。你可以从齐奥尔科夫斯基的设计上看到现代飞机的影子。


可惜的是,因为缺乏资金,齐奥尔科夫斯基并不能立刻将自己的设计制造出来。


1903年,莱特兄弟发明了飞机,不过他们采用了现在基本被淘汰的双翼机设计。


莱特兄弟和他们发明的双翼机


而齐奥尔科夫斯基的更接近现代飞机的单翼飞机直到12年后的1915年才被制造出来,真正实现升空。就这样,发明飞机的就成了莱特兄弟,而不是齐奥尔科夫斯基。



与此同时,齐奥尔科夫斯基还在研究如何控制飞艇的飞行。


当时制造飞艇的材料是类似橡胶的物质,它很难在不同海拔的不同气压环境下保持固定的形态,因此控制飞艇的运动就成了一个难题。


不过飞艇是非常受重视的发明,被视为未来的交通工具,因此有很多人也在研究这个问题。门捷列夫就曾说,谁能控制飞艇,谁就能青史留名。


为了解决飞艇运动控制的问题,齐奥尔科夫斯基设计了下面图中这种全金属飞艇。他用热气替代了容易爆炸的氢气,并让充气的部分变得可伸缩折叠,以适应不同海拔的不同气压。



1892年,他把自己的设计发表了出来。他还把相关计算发送给了俄国理化学会(Russian Physico-Chemical Society),希望学会能拨款给他制造这种飞艇。但是,学会拒绝了他的申请,并认为这个飞艇并没有任何实用性。


讽刺的是,1900年7月2日,世界第一个硬式飞艇齐柏林 Zeppelin LZ-1在德国起飞。这一回硬式飞艇倒是得到了学会的赞赏。



由于两次错过世界第一,而科学研究一直没有为他带来任何荣誉或经济上的好处,陷入贫困的家人也开始渐渐不赞同齐奥尔科夫斯基的研究。但是这并没有让他退缩,反而让他的思想逼近了一个临界点。


1897年5月10日,他独立发现了火箭方程。


火箭方程


是火箭初始总质量


是火箭加速后的纯质量的总和


是火箭排气速度(火箭喷射速度)


是火箭加速后速度与加速前速度的差值


这个被后人称为齐奥尔科夫斯基方程(Tsiolkovsky formula)的公式理清了火箭速度、喷射物速度,和火箭质量以及推进剂质量之间的关系。NASA 在官网写道,这个公式是航天器设计的基础,直到现在还在被使用。


火箭方程证明,火箭的速度可以超过喷射物的速度。这点非常重要,因为它说明,较低的喷射速度也能达到火箭所需的高速。火箭方程让人类飞出地球成为了可能。


对数函数的增速逐渐放缓


但是,齐奥尔科夫斯基也注意到,由于火箭方程里燃料质量对火箭速度的贡献是对数式的,增长比较缓慢,而火箭不可能携带大量燃料上天,因此需要其他方式来推进火箭。


这个难题伴随着20世纪不幸的头十年向他袭来。就在1902年,齐奥尔科夫斯基的爱子 Ignaty 在圣彼得堡求学的过程中自杀;而1908年的奥卡河河水泛滥,冲毁了他的小木屋以及里面收集的科研资料。1911年,他的女儿 Lyubov 因为参与革命活动被捕。


但是就在这十年里,他的思想逼近了另一个临界点。


印有康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基头像的俄国邮票


1903年,齐奥尔科夫斯基发表了《用火箭推进器探索宇宙》(the exploration of cosmic space by means of reaction devices)


在这篇著名论文中,齐奥尔科夫斯基找到了突破对数函数限制的方法,提出了分级火箭、太空站、人造卫星的思想。他还计算出,环绕地球做圆周运动所需的最小速度,也就是第一宇宙速度是每秒7900米。



齐奥尔科夫斯基的解法是这样的:火箭应该包括3级,随着第一级火箭燃料逐渐耗尽,它应该脱落;根据动量守恒,脱落的部分可以为剩下的火箭提供速度,接着后面的火箭依次使用这个方法分级前进,最后一级火箭获得最大的速度。


他还提出,人造火箭应当使用液体推进剂。他认为液氢和液氧是最有效的候选者。他还通过计算得出,火箭升空的最佳角度是垂直于地面。



熟悉现代火箭技术的人应该了解,现代火箭正是采用分级的方式达到第一宇宙速度的,液体推进剂也被航天工程普遍采用,火箭升空时的确垂直于地面。你可以看到,在人类还没有用上飞机和汽车的年代,齐奥尔科夫斯基已经准确预言了未来。


他还想到,人类或许无法承受巨大的加速度。为此,他也做了实验。


他把一些小强放到了自制的手动离心机里,然后逐渐加速到小强体重的300倍。然后他又用小老鼠做实验。他发现小老鼠能够承受10倍的重力加速度。他通过这些实验得出了一个结论:只要逐渐增加加速度,人体是能够适应火箭发射的。


这一次,他的成果没有被别人赶超。


20多年后,罗马尼亚裔德国物理学家赫尔曼·奥伯特(Hermann Oberth)才独立提出了类似的构想。而美国物理学家罗伯特·戈达德(Robert Goddard)在24年后的1926年3月16日才发射了人类历史上第一枚液体燃料火箭。


不过,齐奥尔科夫斯基的思想并没有立刻引起轰动。在奥伯特之后人们才注意到这个寂寂无名的俄国中学教师。NASA 在官网写道,直到死后,齐奥尔科夫斯基的研究成果才真正受到重视。


齐奥尔科夫斯基155岁诞辰时谷歌的涂鸦


1942年,人类发射了第一枚航天器——纳粹德国的V-2火箭。而V-2火箭的主要研发者、美国国家航空航天局空间研究开发项目的德裔主设计师沃纳·冯·布劳恩(Wernher von Braun)极为看重齐奥尔科夫斯基的研究。


苏联后来在布劳恩曾经进行V-2火箭研发的德国佩内明德发现了一本每一页都标注了布劳恩笔记的书,这本书就是德语版的齐奥尔科夫斯基的著作。


1961年,第一个进入太空的人类加加林第一次升空后的2个月,就提出要见见齐奥尔科夫斯基的家人。


首个进入太空的人类尤里·加加林 (Yuri Gagarin)

@NASA


设计了第一颗人造卫星斯普特尼克1号(Sputnik)的苏联科学家米哈伊尔·吉洪拉沃夫(Mikhail Tikhonravov)本打算在齐奥尔科夫斯基的100岁诞辰时发射这颗人造卫星。


1989年,他的名字进入了国际航空航天名人堂(International Aerospace Hall of Fame)。现在,月球背面的一个大型撞击坑被命名为“齐奥尔科夫斯基环形山”。


STS-113任务时拍摄的国际空间站的星辰号服务舱里齐奥尔科夫斯基的照片(左一)

@NASA


国际空间站的星辰号服务舱(俄罗斯轨道段)里就挂着齐奥尔科夫斯基和加加林的照片。


NASA在官网写着,罗马尼亚人奥伯特,发射了第一个液态燃料火箭的美国人罗伯特·戈达德(Robert H. Goddard),以及俄国人齐奥尔科夫斯基三人应当被视为火箭学之父。


机动战士高达00里的 Aeolia Schenberg 的原型就是齐奥尔科夫斯基


齐奥尔科夫斯基在30年代曾说:“我非常确信,星际旅行是可行的,因为我找到了它的理论基础...地球是人类的摇篮,但是人类不能永远停留在摇篮里。你们中的很多人将要见证人类的第一次太空飞行。”


直到现在,我们才意识到一个被同代人视为怪胎的中学教师,是一位多么伟大的先贤。


说学习苦学习累的同学们你们想想,乔哥蹲3年图书馆就学了高中+大一大二一共五年的知识,这说明了什么?


这说明...剩下的两年都是考试啊!


本文来自公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:七君

本内容为作者独立观点,不代表虎嗅立场。

未经允许不得转载,授权事宜请联系hezuo@huxiu.com
正在改变与想要改变世界的人,都在 虎嗅APP

相关推荐

回顶部
收藏
评论5
点赞22