《钱学森文集》（卷一 007）

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火箭*

* 刊载于《浙江青年》1935年第1卷第9期。

记得两个多月前，在《东南日报》上看到一段引人注意的新闻。大意是说：近来欧洲无线电台，接到一种不知何方发来的异奇无线电信号。其电波波长非常大，当非现在地球上的人类所能拍发，所以必定是从地球以外拍来的。

因此有人疑心是从火星来的。现在欧洲的科学家正在通力合作，研究这种无线

电信号的真正来源。并且说：据最近的研究，火星上有生物，是可以确定的了。而且这种生物，其智慧必远高于地球上的人类;必会以无线电信号向地球拍来。最近还发现火星上面，突然有一个大十字形，横于一圆形的黑色背景之上，这个大概是火星上的生物，故意做成来引起地球上人类的注意的。但我们人类的能力比较起来，实在可怜得很，我们只有装傻，我们现在是无法和火星通信的。

我们会能有那么一天，和火星通信吗?

我们在最近两个世纪以来，科学方面的成就，的确不少了。我们在动力方面，控制了几十万匹马力的大发动机;在建筑方面，造成了2000多英尺的摩天大楼;在农艺方面，我们把一亩田上的产量，增加了十几倍;把热带、温带的植物，移植到了差不多大半年有冰雪的亚寒带去。最足以自豪的，是我们在交通器具上的发展：我们由一天走不到六七十里路的牛车，到一小时飞奔二三百里的流线型火车。我们由橹摇的渡船到7万多吨、每小时走100里的法国邮船“诺曼底”号(Normandie)。现在又是天空的时代了，中国航空公司的道格拉斯(Douglas)飞机可以在一小时中飞行600里。所以人们喊出：“我们征服天空了!”

但是，朋友，飞机是靠着空气才能飞的。我们的空气层有多厚呢?大概不出600英里!火星和地球的距离呢?最少3500万英里，多则6500万英里!太阳和地球的距离呢?9290万英里!换句话说，我们现在认为超特的交通工具，充其量也只能走到火星的旅程中六万分之一，到太阳的旅程中之十五万分之一。呵!这使你在一个清朗的夏夜，望着繁密的、闪闪的群星感一种“可望而不可接”的失望吧!

我们真是如此可怜吗?不，决不，我们必须征服宇宙!

我们有办法吗?

有的，火箭!

火箭?火箭不是我们在新年玩的一种焰火吗?不是一个苇秆头上有一像火炮样的东西?当你把药线点着的时候，就是一道火花向下喷出，同时火箭也就上升，直升到火药烧完，没有火花喷出了，才慢慢地落下来。但是，这个小玩意就是征服空间、征服宇宙的开端呢!

一、火箭怎么会上升

火箭怎么会上升呢?这道理说起来，实在十分简单，是我们每天、每刻碰得到的。先说踢球吧，当你把球从脚面抛出去的时候，你必觉得脚面上有点痛——虽然这是畅快的痛。这痛觉从何而来?当他人打你一下的时候，你会觉得痛：所以当你踢球的时候，球也在踢你，它在打你的脚面，所以你会觉得痛。好，再举个例：当我们身体歪了的时候，为防止跌下去，我们会自然而然地把手向墙或桌子推一下，这就可以使你恢复直立。这又是什么缘故?当你在推墙或桌子的时候，你是把墙或桌子顺着你倒去的方向推的，但同时墙或桌子也在推你，它向着反面推你，它不让人倒下去，它把你扶正了 。再举个走路的例。这真是再普通不过了，你总得会走路吧!当你迈步的时候，你用力的方向实在是向后的，你向后蹬得越用力，你就越走得快。原来推动你前进的，并不是你自己的足力，而是因你的足力而生的地面反应力。你蹬地向后，地面也推你向前。这些道理在物理学中，就结成一条非常重要的法则—牛顿第三定律：

一个物体加力于另一个物体，另一个物体也加力于第一物体;两个力是相等的，但其方向则相反。

我们把它应用到火箭上去：当我们把药线点着的时候，不久也把火药引着了。火药烧起来，发生很多的气体。这些气体决非那小小的厚纸筒所能容纳，就向筒下方的小孔喷出来，也就是我们所看到的一道火花。这就是说火箭把这些气体推出去，向下面推出去。但我们应用上面的定律，知道同时这些气体也在推火箭，把火箭推上去——力的方向相反。所以你一放手，火箭就会升上去了。等到火药烧完，再没有气体发生了，火花再不见了，火箭也没有气体可排出去了，自然再没有气体来推火箭，火箭也就渐渐升不上去，落下来。

二、用什么火药

我们玩的火箭不是只能飞到二三十尺高吗?这不是比飞机还差得远，怎么能说它是征服星球的工具呢?不错，但我们用来飞到星球的火箭，决不能和我们玩的火箭一样，它必须是能飞越数千万英里空间的怪物;但它在原理上却和我们玩的火箭一般无二。就如现在杭州闸口发电厂中1万匹马力的蒸汽涡轮，是由跳跃着开水壶盖子似的，我们可以从非常渺小的事物，研究改进到伟大的成就!

我们已经说过，火箭是靠着气体的推力上升的，我们要火箭跑得远，自然要想办法加大这个推进力不可。现在姑且把这个伟大的问题放一放，再来说一件极平常的事：譬如这里有两块石头，一块大些、重些，另一块小些、轻些，现在只要你把其中任何一块抛6尺远，那么谁都知道：为省力起见，以取小些、轻些为妙;为练习气力起见，才可取大些、重些的。所以可见用力大小和重量成正比例。但我们根据反应力的定律，知道你推东西的力量越大，东西推你的力量也越大。应用到火箭上去，要推火箭的力量大，必须排出的气体重，那么当排出这种气体的时候，要用较大的力量，所以反应力也加大了。但加大火箭的推进力，还要排出气体的速度也大才可以。你知道快快地抛出去，是比慢慢地抛出去费力的。所以火箭气体流出的速度越大，推进力也就越大。总起来说：推进力和气体的重量及流出速度成正比例的。因此，如果你还没有把复比例定律忘记的话，你会说：推进力是和气体重量乘流出速度之积成正比例的。这一个乘积，物理学家叫它做“冲动量”——你现在可以知道物理学家是如何喜欢拿高深的名词来吓人的。

表1列出的是各种爆烈药品在点着后自火箭冲出的速度(这是理论上计算来的，实际上因为有孔口的摩擦等损失，只表列数目之84%)和每一千克药品所能发生的冲动量。我们由这一个表可以看到，最不济事的是黑色火药，其实黑色火药比烟火中的火药已经改进不少了。最好的自然是原子氢，这东西当结合成分子氢的时候，能发生21000m/s的速度和每千克2140kg.s的冲动量。但原子氢我们现在是没有办法大量生产。目前讲起来，最有希望的火药是液体臭氧和液体氢、液体臭氧和汽油、液体氧和液体氢、液体氧和汽油等四种东西。在其中，液体臭氧的混合物冲动量大些，而且液体臭氧的沸点高一点(-112℃，液体氧之沸点为-183℃)，密度也大一点，所以比较容易保存。但是臭氧气本身非常容易分解而起爆炸，所以为安全起见，不能用于作为宇宙交通工具的大火箭上。所以剩下可用的两种火药是液体氧和液体氢的混合物及液体氧和汽油的混合物。可是因为：

(1)汽油的性质我们是非常熟悉的：汽车、飞机等都用它，我们可以保证决无危险。液体氢就不然了，它的性质，我们知道得太少，而且一点经验也没有，所以要用它，就不免有点冒险。

(2)如果用液体氧和液体氢的混合物，则虽其所含的能量(就是推进力)相等，其储存箱的体积要比用液体氧和汽油混合物时大4倍多;这是因为液体氢的比重小的缘故。因储存箱的体积大，同时箱子的重量也大了，火箭也必加大，所以飞行时的抵抗也大了。

(3)不但储存箱大了、重了，而且因为液体氢的沸点非常低(-253℃)，我们必须用特别的构造，像热水瓶样的罐子，方才能防止它气化。但这种储存瓶，必定很重，而且容易弄坏。如果用汽油呢?油箱可以用轻金属，如铝或镁做成，重量很小，容易做，不会常常弄坏。

(4)因为液体氢的沸点太低了，所以无论如何小心，总不免有一部分气化逃去，这部分损失也不可小算。

(5)也因为液体氢的沸点太低了，储存它的器具也必在非常低的温度下。在这种温度之下，铝和镁都变成薄得像玻璃样的东西。所以免除危险起见，我们必须用铜或甚至用铅这种柔软的金属来作储存器具。但铜或铅都是很重的东西，所以材料的选择十分困难。

(6)液体氢的温度为-253℃，而氢氧混合物点着了，火焰的温度约在3000℃。从-253℃到3000℃，温度的差别如此之大，制造方面实在太难了。

表1 各种爆烈药品自火箭冲出的速度

(7)液体氢的价钱比汽油要高，经济上也不上算。

(8)世界上汽油的仓库很多，如果用了液体氢，非另建仓库不可，这也须

花一大笔钱。

而且到了说起来，用液体氢比用汽油冲动量也大不了多少，既然有如此多的困难，我们自然应该选用汽油。所以将来交通工具的大火箭必是用液体氧和汽油来推动的。

三、到星球去!

说了半天，我们还没有谈到火箭本身的构造。我们的大火箭——到星球去的船——毕竟成什么样子呢!好，我们看一看图1。图中的①是驾驶室和客室，必须安置在最前端，以便瞭望。②是液体氧和汽油混合的地方，也就在这个地方点着，此地的温度在3000℃左右，所以要做得十分坚固，四围都得用很厚的最耐火的材料做成。③是一个很长的膨胀管，汽油和氧气烧着了之后，变成二氧化碳和水蒸气，同时发生非常高的热度和压力，我们必得设法使这个热度和压力变成速度，因为我们在前面说过，只有速度——向下冲出的速度，才是我们所需要的。膨胀管的效用就在此，它使气体的温度和压力降下而速度增加。理想上，在管口时，气体的温度和压力应该同外面的温度和压力一样，而速度达到4450m/s。在燃烧室②的两旁有两根管子，一根通液体氧的储存室④，一根通汽油储存室⑤。液体氧略得温度，自己就会挥发冲入燃烧室②;但汽油则非借压力不能打入燃烧室②。这必须的压力就由一根联通管⑥而来，汽油借着氧气的压力压入燃烧室②，和氧气混合而发生燃烧。现在我们把推进机关讲完了。但是只会一直向前，不能控制改变方向是很危险的。你想，由地球上望去，一粒星是那么小，假如出发的时候方向弄错了一点点，你若无力改正，你也许会没有希望达到你的目的，你将永远作一个宇宙的旅行者吧!⑦就是四个控制器就像鱼的尾和鳍，这控制器，可以在驾驶室自由操纵。

图1 火箭的构造

你看了这一个断面图，也许要问，怎么驾驶室和旅客室会那么小呢?那只是火箭尖端的一点点地方呵!那么大的火箭只能载那么少的一点东西?对了，这就是整个困难之所在。因为火箭这样东西，其燃料的消费量是很大的!你如果要产生15t的推进力，就是说要发射一个15t重的大火箭，每秒就得用去77kg的燃料。每秒就77kg!但还有讨厌的，地球引力，它总是拖住火箭不让它离开地球的。据物理学计算，我们必须把火箭的速度加到10.72km/s才能飞出地球的引力范围。10.72km/s的速度!从杭州到上海只要20s!朋友，把火箭加到这种速度，要用多少燃料，真是“天晓得”!

可是科学家是最经济不过的，他不能忍耐如此的浪费，他想出一个“脱壳的火箭”。怎么叫“脱壳”的火箭呢(图2)?就是在第一最小的火箭中，燃料以外还载有各种操纵仪器和旅客。在这个火箭外面，再套上第二个火箭，这个火箭比第一个大，只带燃料。在这个火箭外面，再套上第三个火箭。这个比第二个又大些，也是只带燃料。放射的时候，先点第三个最大的火箭，这三个东西就一齐升起，等到第三个火箭的燃料用完，驾驶员就把这个火箭和第二个火箭的连结放松，舍弃这个空火箭;同时把第二个火箭点着，续前进。等到第二个火箭的燃料又用完了，又把它舍弃;同时将第一个火箭点着继续前进。如此就可以免去空火箭的累赘，节省不少燃料。这三个套成的火箭已够跑出地球引力范围之外了;但如果到月球旅行，还得加上一个以备从月球回到地球用。

因为月球的引力比地球小得多，所以加上一个就够。如果到火星去呢，须加上两个;到水星去呢，须加上三个才行。现在我们假设到星球去的有4个人，这4个人的重量和他们必带的食物、氧气、仪器等等一共算它10t重。载这10t重的火箭本身空重也算它10t，再带上60t燃料，一共是80t。这是第一个火箭，套在外面的第二个火箭呢?它必须能载这个80t重的东西，所以本身也有80t重，外加燃料480t，一共640t。我们用同样的算法，这一套的3个火箭共重5120t(算法见表2)。

图2 “脱壳”的火箭

表2 三级火箭之重量

如果再加入第四套火箭，则总重量竟达40960t了。朋友，这简直是一只大主力战舰的重量了。

四、火箭飞机

虽然这么一个40960t的到月球去的大火箭，也许比主力战舰便宜些(因为没有那些值钱的武装大炮)。但是现在我们就去做如此大规模试验未免太性急了;而且因为毫无经验，也必失败。我们必须从小的地方，慢慢做起来。我们可以先把火箭应用到飞机上去。我们可以见到火箭比其他任何动力机关都要简单，它不像汽油机和蒸汽机等有转动的部分，所以重量轻，制造容易。理论上讲起来，只要火箭飞得和它排出气体的速度一样快，它的效率就有100%。虽然实际上，因为有摩擦、燃烧不完全等等损失，但也在70%左右;而今日飞机上的汽油机至多不过20%。这就是说火箭的效率比汽油机大3倍至4倍。但问题就在如何达到同排出气体一样大的速度——3740km/s，这速度比声波在空气中的速度大11倍!在从前有些热心于火箭的人，想把火箭应用到汽车、火车上去，但是因为这种车子根本不会快的，火箭在这种低速度下，其效率低得可怕，只要算算它的燃料消费量，就可知决不能成功了。用到飞机上去呢?假如我们仍在低空中飞行，那么我们也毫无解决的办法：但是我们知道空气的密度愈高愈稀，在海面，每立方米重1.293kg，在20km的高空中只0.0885kg了;在40km高的空中，只0.00403kg了;在60km高的空中，小得几乎可以说没有了。密度越小，自然飞起来抵抗也愈小，譬如我们在水中走路比在地面走要费力得多，因为水的密度比空气大的缘故。但抵抗大小又依速度而定，速度大，抵抗也大。我们如果在高空中飞行，那么我们省下的气力，就可以用于增加速度。计算起来，在地面附近每小时飞200km的飞机和50km高空中每小时飞5280km的飞机的抵抗相等。但普通飞机是飞不到这样高，因为普通汽油发动机不到这样高已经因为空气稀薄而不能活动了。火箭的运用偏能不靠外界的空气，所以在高空中作高速飞行正是火箭飞机之所长。

据航空工程家研究的结果，这种高速度的飞机，它的外形必与今日的飞机不同(图3)，机身像一颗大炮弹，两翼的断面也不是普通飞机那样(图4a)，而变成图4(b)那种刀锋式，这都无非想减少抵抗而已。计算起来，以现在我们已有的工程技术可以造一架一气飞5 0 0 0 k m 的火箭飞机。其平均速度为1000km/s，1小时23分钟就可以飞完全程。朋友，这样大的速度会把我们的世界变成什么样子呢?我们的地图会缩得多小呢(图5)?麦哲伦用了可怕的几个月才渡了太平洋，现在美国船只要两礼拜，快了。今年秋天，讯美航空公司的“东方”号来了，4天就够了。但是火箭飞机只要1.5h!这才是真正的、现实的缩地法，这不是做梦，不是神话!

图3 火箭飞机

图4 机身的式样

图5 太平洋的缩图

五、研究者的工作

把理论上东西实现出来，是要一步一步的，在未造到月球上去的火箭前，我们必要先试验火箭飞机;在未造火箭飞机之前，我们还试验火箭的特性和操纵方法。现在工程家和科学家造的就是最后的一种。他们把火箭固定在一个坚固的架子上，测验用何种的燃烧室、何种的膨胀管才能得到最大的速度。他们制造小的火箭来试放，看液体氧气和汽油的储存方法，何种最安全，看看理论上的计算，实际上能否实现。报纸上常常见到的火箭消息，就是在报告他们的努力。他们的火箭有时半途就坏了、炸了，但一次失败是一次经验，他们不会气馁的。其中最拼命的自然又是德国人，他们有火箭研究会的组织，会员有1000多人，有定期刊物《新交通器》(Das Neue Farzeug)出版。美国也有火箭社，研究刊物为《星球航行学》(Astronautics);会员也有300多人。英国也有类似的组织，其会员有100人左右，有《英国星际会刊》(Journal of BritishInterplanetary Society)出版。法国、苏联自然也不甘落后，国家奖励研究。日本也鼓吹宣传。朋友，全世界都热心于火箭了，工程家和科学家都动员了，他们努力地、忍耐地、一步一步地走向征服宇宙的路。朋友，他们每一步都是坚实的!