本文想跟大家聊一聊，人類在發(fā)展過程中，是如何征服天空，到踏上月球的，這里面科學(xué)都起到了哪些作用？

歷史回顧

一、緣起火藥

火藥是中國的四大發(fā)明之一，不過火藥發(fā)明之初，主要是用于研制爆竹。世界上最早的火箭出現(xiàn)在三國時期，火燒赤壁的故事是家喻戶曉的，那時候的人們把火把纏繞在箭桿上射出去，點燃對方的戰(zhàn)船。到了北宋，這種靠弓弦的機(jī)械力量發(fā)射的火箭演變成了靠火藥動力推進(jìn)的火藥箭，并投入到戰(zhàn)爭當(dāng)中，隨著古絲綢之路傳入歐洲。

二、萬戶飛天

美國火箭學(xué)家把Wan Hoo評價為“試圖利用火箭作為交通工具的第一人”。他的努力雖然失敗了，但他借助火箭推力升空的創(chuàng)想是世界上第一個，因此他被世界公認(rèn)為“真正的航天始祖”，為了紀(jì)念這位世界航天始祖，世界科學(xué)家將月球上的一座環(huán)形火山命名為“萬戶山”。

其實這里需要澄清一下的是，是不是有萬戶這個人還是不確定的，史書上并沒有記載過萬戶這個人的故事。我也是中國人，當(dāng)然也會為自己的民族驕傲，但是科學(xué)來不得半點虛假，有一說一，有二說二，應(yīng)該是每個科普人應(yīng)該具備的基本素質(zhì)。

圖2 月球上的萬戶坑

三、天文學(xué)的發(fā)展

人類一直對浩瀚的宇宙星空充滿了好奇和向往，天文學(xué)發(fā)展得雖然緩慢，但是卻積累了大量的數(shù)據(jù)。這里不得不說一下，中國古代天文記錄是全世界最詳實的，沒有之一。考古天文學(xué)，中國的貢獻(xiàn)最大。人類對于我們地球這個唯一的衛(wèi)星（月球）的研究更是重點中的重點。除了各種美麗的傳說，更是各民族都根據(jù)月球的運動，制定了自己的歷法（陰歷）。

隨著伽利略發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡，開普勒提出了行星三大定律，牛頓經(jīng)典力學(xué)的成功，萬有引力定律的推出。天文學(xué)的發(fā)展走向了快車道。這一切都為人類最后成功登月，做好了理論和觀測上的鋪墊。

圖3 太陽系的行星

四、人類技術(shù)能力的快速發(fā)展

上世紀(jì)的兩次世界大戰(zhàn)，無疑是人類歷史上的悲劇。但是正是這兩次世界大戰(zhàn)，極大地促進(jìn)了人類的技術(shù)革命，更帶來了工業(yè)革命。把人類200年間在科學(xué)上的成就，轉(zhuǎn)化成了工業(yè)生產(chǎn)能力，并成功應(yīng)用到軍事行動當(dāng)中。戰(zhàn)后，這種能力開始轉(zhuǎn)化成民用，尤其是二戰(zhàn)后期德國研制的V2導(dǎo)彈技術(shù)，使人類看到了通往月球的交通工具的雛形。

圖4 V2導(dǎo)彈

登月火箭背后的科學(xué)原理

一、人造地球衛(wèi)星為什么不會掉下來

載人航天、衛(wèi)星發(fā)射其實都跟我們向上斜拋石子一樣，如果石子不受力，按照牛頓第一定律，應(yīng)該做勻速直線運動離我們遠(yuǎn)去，可是由于地球的吸引力，它又落回到地面，但離開拋出的位置有一段距離，拋出的速度大一些，落地的距離就大一些，當(dāng)拋出的速度大到一定的程度，石子就會沿著圓形或者是橢圓軌道繞地球轉(zhuǎn)動而不掉落地面了。

圖5 圓周運動示意圖

我們分析勻速圓周運動可以知道，衛(wèi)星在軌道上的速率相同，但速度的方向發(fā)生變化。其向心加速度a=v^2/r=ω^2r。根據(jù)牛頓第二定律F=ma=mv^2/r=mω^2r，地球?qū)πl(wèi)星的引力為F=GMm/r^2，代入前面的式子得到v=（GM/r）^(1/2)。M為地球質(zhì)量，G為萬有引力常數(shù)。

從上式子我們可以看出，只要r，v配合好了，衛(wèi)星就不會掉下來，如果我們可以讓火箭提供更高的速度，就能達(dá)到更高的軌道，包括到達(dá)月球軌道，實現(xiàn)月球著陸。如果您想詳細(xì)了解勻速圓周運動，可以翻看一下我以前寫的文章《生活中的小現(xiàn)象、物理學(xué)中的大問題，探討圓周運動掌握科研方法》

圖6 人造地球衛(wèi)星的軌道示意圖

二、鉆天猴與動量守恒定律，火箭推力的來源

爆竹是我們中國人在喜慶的節(jié)日中最喜歡的東西之一，幾千年來，雖然爆竹的花樣不斷翻新，但是有兩樣?xùn)|西一直沒有太大的變化。其一是鉆天猴，其二是二踢腳。這兩樣?xùn)|西都是爆竹中，能攜帶著物質(zhì)（爆竹本身）飛上天空的。我們今天已經(jīng)知道了他們的原理，那就是動量守恒定律。其實，我們今天的登月火箭的推進(jìn)原理跟鉆天猴的道理是一樣的，都是利用燃料燃燒的化學(xué)能，向后噴射物質(zhì)獲得向前的推力。

圖7 鉆天猴

與碰撞的過程類似，噴氣前系統(tǒng)的動量為mv，噴出氣體后系統(tǒng)的動量為（m-△m）(v+△v)+(-△mu)，噴射前后的動量守恒，即mv=（m-△m）(v+△v)+(-△mu)。忽略△m、△v，得到m△v=△m(u+△v)，兩邊同時除以△t，左邊對火箭應(yīng)用牛頓第二定律得到火箭受到的推力為F=ur(△m/△t)。

式子中ur=u+v，稱為△m相對火箭的噴射速度。可見每秒噴出的質(zhì)量越多，相對火箭噴出的速度越大，給火箭的推力越大。這樣的微過程多次反復(fù)進(jìn)行，將成噸的燃料燃燒后的高溫氣體噴射出去，就產(chǎn)生了巨大的推力。

圖8 中國長征三號乙火箭發(fā)射

在目前的技術(shù)條件下，一般火箭發(fā)動機(jī)的噴氣速度最大只能是2.5公里/秒，相應(yīng)地，火箭前進(jìn)的最大速度是4.5公里/秒。很明顯，要把衛(wèi)星送上幾百公里的高空，具有環(huán)繞速度，甚至是達(dá)到更高的月球軌道，用單級火箭是無法達(dá)到的。所以在目前技術(shù)條件下，單級火箭無法完成發(fā)射衛(wèi)星和載人登月的任務(wù)。

一般來說，現(xiàn)在發(fā)射衛(wèi)星和載人登月這樣的任務(wù)都要使用多級火箭。多級火箭在航行過程中，可以工作完成后變得無用的火箭殼體和發(fā)動機(jī)拋掉，以達(dá)到提高速度的目的。目前，發(fā)射衛(wèi)星只要用二級或三級火箭就足夠了。

圖7 火箭拋掉燃料用盡的發(fā)動機(jī)殼

但是作為載人登月，需要攜帶更大的質(zhì)量，同時還要攜帶返回艙和更多的燃料。所以，只有三級火箭也是不夠用的。一般都是采用捆綁式火箭加多級的辦法，進(jìn)一步提高運載能力，通過這種辦法，甚至可以實現(xiàn)太陽系內(nèi)的宇宙航行。現(xiàn)在眾多的行星探測器的火箭推進(jìn)，都是采用后面這種辦法。

本文關(guān)于，人類登月50周年的歷史回顧和登月火箭的發(fā)射原理，就介紹到這里。近幾天，我將陸續(xù)發(fā)布更多有關(guān)登月技術(shù)的文章，屆時，歡迎您再次回來。