錢學森的名著。1963年出版的名著。

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

開宗明義，錢老寫這個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)代力學工作者。

錢老說得非常清楚——星際航行技術(shù)，也就是我們當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的工程技術(shù)——記住，是工程技術(shù)，與我們所想象的科學技術(shù)還不是一碼事。

他強調(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)其實也都來源于眾所周知的基礎(chǔ)學科?？偟膩碚f，這就是一個綜合技術(shù)應(yīng)用工程。

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

這就是為什么科學技術(shù)能力高度發(fā)達的一些歐洲國家，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制和體量，我們已經(jīng)把500個人送上月球了。

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，也并不能說明這個國家科研能力就是頂級——恰如我們國家，空間航行已經(jīng)實現(xiàn)了，可在關(guān)鍵科研和技術(shù)領(lǐng)域，仍然被“卡脖子”。

工程實力與科研實力，仍然是兩個領(lǐng)域。

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

一是宇宙航行概論。

從早期火箭來看，最重要的代表當然是納粹德國馮·布朗博士領(lǐng)銜造出來的V2導彈。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踐，而且成為了現(xiàn)代火箭的樣本。

記得是在初中時，從科羅列夫的《火箭發(fā)動機》上讀到了齊奧爾科夫斯基，當時可謂敬佩不已、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年時間，到1961年4月就把人送上了太空。實在是太猛了。

從太陽系構(gòu)成來看，錢老認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小行星帶，大約有4.4萬顆小行星。飛船要穿越這個小行星帶，困難其實很大。

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，沒有特殊防護的載人飛船不應(yīng)到離地300公里以外。

這個問題倒是此前沒有想到過的，其實不少行星都有極強的輻射帶，穿越這些輻射帶非常危險。比如木星周圍32萬公里高空，輻射帶的強度遠高于地球，目前而言，人是無法實現(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。這個速度為7.91公里/秒。此時物體旋轉(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，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，這個石頭的速度要達到這樣一種程度——石頭受重力吸引會下墜，那么石頭向前飛行的速度，就必須達到，石頭每下落一點，飛出去的距離遠到地面也同時又離開石頭相應(yīng)的距離——因為地球是圓的嘛。

第二宇宙速度V2是能永遠離開地球引力場的速度。這個速度要用到積分來計算，因為涉及要計算飛到無限遠處。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。計算起來麻煩一些，結(jié)果是16.63公里/秒。

這個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，分兩級加速耗費的能量更大。

齊奧爾科夫斯基公式是用于計算火箭在一定速度下所須攜帶的推進劑，及其與結(jié)構(gòu)重量之比。這個公式說明，噴氣速度越快，則火箭起飛時的質(zhì)量和飛行結(jié)束時的質(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遠不夠的，必須要使用接近光速的速度。這就會產(chǎn)生一系列問題——牛頓力學不夠用，要用相對論力學，同時，還得創(chuàng)造新的動力。

錢老做了一個有趣的測算：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年時間，0.8倍光速飛行時間為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。

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

這就引出來了阿克萊公式，這個公式是對齊奧爾科夫斯基公式的相對論修正。

仔細研究了推導過程，主要是把相對論因子考慮了進去，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，噴氣速度必須要達到光速的一半以上，否則質(zhì)量比就會太大。

噴氣速度達到光速的一半是個什么概念？錢老用了熱核反應(yīng)來說明——讓氘聚變?yōu)楹?，釋放能量來做動力?/span>假設(shè)能效達到70%，那么噴氣速度就是1.5萬公里/秒。這個速度還只有光速的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)動機原理。

首先說，空氣噴氣發(fā)動機無法適用于宇宙航行，因為真空中沒有空氣?；鸺l(fā)動機必須是自行攜帶燃料和氧化劑，分成固體推進劑發(fā)動機和液體推進劑發(fā)動機。

固體發(fā)動機相對來說結(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)動機點火啟動也簡單——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)動機一樣控制流量來控制推力，固體發(fā)動機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劑的反應(yīng)速度是控制推力的關(guān)鍵。

液體發(fā)動機復雜很多，也正因為可以通過復雜系統(tǒng)對推進劑流量進行控制，所以液體火箭發(fā)動機的功能就更多，運載火箭都采用液體發(fā)動機。

液體推進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劑壓進燃燒室，還需要更大的壓力。

推進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劑推進噴嘴霧化，進入燃燒室。高壓氣體一般使用惰性氣體。擠壓式的發(fā)動機結(jié)構(gòu)又相對簡單一些。

渦輪泵式也就是通過渦輪把推進劑抽取，壓入噴嘴霧化燃燒。當然結(jié)構(gòu)要復雜一些，按照渦輪動力來源分為蒸汽渦輪和燃氣渦輪。

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)。

燃氣渦輪則是直接從泵的出口取得燃料和氧化劑，形成高壓燃氣去推動渦輪，這是與火箭的燃燒室并行的一套輔助燃燒裝置。啟動燃氣渦輪時，還需要附帶的臨時火藥來助燃啟動。

大部分現(xiàn)代火箭發(fā)動機采用的是燃氣渦輪。