齐奥尔科夫斯基:人类宇航之父
2017/09/15 | 文/陈安 | 收藏本文
摘要:聋子齐奥尔科夫斯基在科研中取得丰功伟绩 ,可科学生涯并不美满,尝尽了他人无法感受的苦楚。
地球是人类的摇篮,但人类不可能永远生活在摇篮中。”这句名言出自俄国大的科学家、现代宇宙航行学创始人康斯坦丁·埃杜阿尔多维奇·齐奥尔科夫斯基(1857-1935)。早在1880年代,他大胆提出摆脱“摇篮”太空旅行的设想,然后一步步研究实现这一理想的方法。从设计火箭及其启动器、推进器,到设想用液氧和液氢作燃料;从设计提供氧气和食品的密封舱,到考虑建立在太空中停歇的空间站,他都周密构想、创建理论、指出原理、列出方程式、画出设计图、写出论文。后来的事实证明,他的许多理念、公式、计算都是正确的,他的研究成果对人类宇航学有着极为重大的贡献。
齐奥尔科夫斯基还有比太空旅行更雄伟的展望:人类将不断争取新的生存空间,起初是小心翼翼飞出地球大气层,然后探索整个太阳系,从“其他的太阳”那里“寻找新的能源”,以替代我们“已经老化的太阳”。从“新太阳”那里找到新能源,显然为时尚早,可正是有了美国的罗伯特·戈达德(1882-1945)、德国的赫尔曼·奥博特(1894-1989)、苏联的谢尔盖·科罗廖夫(1907-1966)和瓦连京·格鲁施克(1908-1989)、中国的钱学森(1911-2009),有了这些“航天先驱”、“火箭之父”及其创想、研究、发明,人类才在1950年代进入宇航开拓时代:
1957年,苏联第一颗人造地球卫星上天。1961年,苏联发射第一艘载人飞船“东方一号”,加加林成为第一个遨游太空的宇航员。1966年,美国“阿波罗十一号”飞船驾驶长阿姆斯特朗成为第一个踏上月球的人。1981年,美国发射“哥伦比亚号”航天飞机。1986年,苏联发射“和平号”空间站。1998年,16国国际空间站发射成功。2003年,杨利伟乘“神舟五号”,成为中国第一个进入太空的航天员。
一个“不幸的遭难者”
1934年,使用原始助听器的齐奥尔科夫斯基。
齐奥尔科夫斯基几乎是个聋子。他生在梁赞省齐奥尔科夫斯基小镇,10岁滑雪时感冒,接着是严重的猩红热病,几乎完全失去听觉,14岁时就不再上学,再也没有得到过正规教育。“我的耳朵几乎全聋了,成了邻居小孩们的取笑对象。这个生理缺陷使我跟人疏远,可也使我发奋读书,用冥想来忘却烦恼。”他承认。
父母亲自然为不幸遭难的儿子心疼、着急,感到安慰的是儿子喜爱读书,读得专心和高兴。母亲辅导他两年,不幸因病早逝。当林务官的波兰裔父亲爱好建筑,常带孩子们玩“造房子”,发现老五即齐奥尔科夫斯基最有想象力,心灵手巧,所做的楼房、宫殿模型常常别出心裁。齐奥尔科夫斯基也爱用父亲带回家的木料做玩具,从简单小动物、小木屋一直做到复杂小马车、小火车。他觉得自己总有很多奇思妙想:“我幻想我膂力过人,幻想自己像猫一样,顺着绳子、竿子爬得很高,看得很远。”
耳朵失聪是无法改变的事实,父亲希望这个心灵聪慧的儿子有新学习环境。16岁那年,父亲送他去莫斯科求学,没有一个学校愿意接受一个“聋学生”。结果,父亲就把他留在莫斯科自学。图书馆成了齐奥尔科夫斯基的自习课堂,他常用的一个图书馆正是宗教哲学家、宇宙主义者尼古拉·费奥多罗夫(1829-1903)工作的地方。齐奥尔科夫斯基对费奥多罗夫的“外星殖民”观点很感兴趣,也认为开拓太空将使人类生活完善并永远无虑地生存下去,就自己动手写科幻小说《在地球之外》,描绘想象中的太空奇妙景象,提出“太空移民”想法。加加林后来说,他在太空中所见景色与齐奥尔科夫斯基在小说中所写的极为相似。
齐奥尔科夫斯基在图书馆自学3年多,高等代数、解析几何、物理、化学、力学、天文学都是他的必修科目。他也爱看期刊和小说,法国作家儒勒·凡尔纳(1829-1903)的科幻小说使他喜出望外,除了《海洋三部曲》,他还读过《从地球到月球》《八十天环游地球》《气球上的五星期》。显然,正是这些书让这个孤独的俄国自学生浮想联翩,幻想着人类遨游太空的那一天。他后来回忆道:“对我来说,第一颗太空飞行思想的种子是由儒勒·凡尔纳的科幻小说播下的,它们在我的头脑里形成了明确的方向。” 不过,他当时就觉得,《从地球到月球》里用一尊大炮把太空船发射到月球上去的方法不妥当,产生的加速度会把登月之旅的乘客统统害死。后经研究,他知道炮弹的初速度不能超过第一宇宙速度,根本飞不出地球,也就不再担心有人真会把大炮用作发射器。
主业是中学教师,副业是科学家
当时,齐奥尔科夫斯基借住在一个贫苦洗衣妇的小屋里,父亲每月给他寄15卢布,他省吃俭用,有黑面包和蔬菜即可,用剩下的钱买书和实验用品,结果造成营养不良、身体羸弱。父亲的一个熟人在莫斯科偶然见到他,把疲弱模样告诉了他父亲,父亲心酸难过,便逼他回家。1877年,也即回到老家的第二年,齐奥尔科夫斯基通过乡村中学教师资格考试,去任教前也没有忘记登月之旅,为探讨地球引力作用、了解升空对人体的影响,他制作了一个离心机,把家里的几只鸡当成实验品。
齐奥尔科夫斯基先在离莫斯科70公里的南部小镇波洛科夫斯克中学教算术和几何,并在那里与房东女儿索科洛娃结婚。自1892年开始,他一直在卡卢加省一所中学教物理和数学,直至1920年退休,在业余时间从事太空学研究。他一生是个中学教师,作为科学家,他是业余的,把自家的小木屋底层当实验室(曾遭洪水和火焰侵袭)。他长期孤身一人,默默无闻,直至晚年,研究成果才真正受到重视,他有机会进入国家科学院液体动力研究所,他作为科学家的名声得以显赫。
19世纪的世界尚无飞机,20世纪初才出现美国莱特兄弟发明的第一架“重于空气的飞行器”。正是在尚无飞机的时候,齐奥尔科夫斯基已在设想一种空中交通工具,那种飞行器应是“肢体僵硬却能滑翔的飞鸟”,为能高速飞行,机体应是流线型的。更为奇特的是,在尚无飞机、航空的时候,齐奥尔科夫斯基还想着“航天”,要去太空中遨游。凡尔纳可以任意玄想,可以随时开炮,齐奥尔科夫斯基可不行,究竟该怎样升上天去,怎样飞向浩渺无际的宇宙,一年又一年苦思、计算、设计、实验,他一步一个脚印跋涉在以太空为方向、以月球为目标的漫长路途上。
1883年,受牛顿的作用与反作用原理启发,齐奥尔科夫斯基设想:在一只充满高压气体的桶的一端开一个口,气体通过这个口喷射出来可产生反冲力,将桶推向前去。他在《自由空间》手稿中首次提出利用反作用装置推进太空飞行器的可能性,并画出太空船草图。1885年,他提出建造“金属飞艇”的理论,推动力应是热空气,而不用有爆炸危险的氢气。
1895年,受巴黎埃菲尔铁塔的启发,齐奥尔科夫斯基提出无需火箭发射的“太空升降梯”(也称“天梯”)理论。1896年,他开始从理论上研究星际航行问题,知道“天梯”难于上青天,确定只有火箭才能达到宇航目的,并画出载人宇宙飞船草图,第二年更推导出著名的火箭运动方程式,建立了火箭起飞前的质量与火箭燃料耗尽后的质量之比。
1898年,他完成航天学经典论文《利用反作用装置探索宇宙空间》,在1903年发表。所谓“反作用装置”,即喷气式火箭。他算出火箭在太空中飞行的数学原理,提出液体推进剂的构想,推导出火箭所能达到的最高速度,并设计了长椭圆形的液体动力火箭,用液氧和液氢当燃料。正是在这篇论文中,他最有力地证实了火箭具有完成太空飞行的能力。1911年,他发表《利用反作用装置探索宇宙空间》的下半部分,提出火箭冲出地球引力圈所必需的速度,并描述载人宇宙飞船从发射到进入轨道的全过程,内容涉及飞船起飞时的壮观景象,失重状态对人和生物的影响,不同高度看天空和地球的迷人景色,给人以亲临其境的奇妙感觉。1929年,齐奥尔科夫斯基在《太空火箭列车》一书中提出多级火箭的设想,使火箭获得更高的速度,飞更远的距离。
1919年,齐奥尔科夫斯基在他的工作室中。
名字被永远标注在月球上
齐奥尔科夫斯基在科研中取得丰功伟绩 ,可科学生涯并不美满,尝尽了他人无法感受的苦楚。首先,他基本上是个聋子,由此形成的性格不同于常人,他的科学幻想让别人更无法理解,常被人视为“怪人”和“疯子”。如他滑冰时会打一把伞,为的是用伞来借助风力,可以滑得更快,结果使农民的马受惊,农民对他破口大骂,幸好他是聋子。
他当然是科学家,可在许多人看来,他是个空想家、梦想家。见他靠着树干枯坐地上,大家都觉得他在做“白日梦”,哪知他在苦思如何确定火箭进入地球轨道的“逃逸速度”。他其实很早就是个发明家,造出高空气球、太阳能热水器、星际报警器等,申请专利成功,却无人付钱给他,因为他没有写清楚他家邮址。他也会说大话,对妻子说自己是“伟人”,对学生说自己是“天使”,别人笑他自吹,可事实证明他确实是伟大科学家,是一心想让人类飞上天的“天使”。
齐奥尔科夫斯基时常觉得苦闷、沮丧。沙皇时期,他只是个被人轻视的中学教师,不能与大学和科研机构交流合作,科学实验得不到政府资助,科研成果被长期埋没。1899年,他为一个研究项目向圣彼得堡科学院恳请捐款。今天我们读他当年写给科学院副院长利加乔夫的信函,可察觉其哀求语调:“我不能将我计划的每一个项目及其需要的时间和费用一一列出,但我想1000卢布似已足够。不过,科学院如若愿意捐助,哪怕是最小的数目,我也会感激不尽。请别漠视我的谦卑请求,这项计划并非我一人之事,此念赐予我道德力量,从而能加快我预期的工作进程,在上帝佑助下于1900年秋季完成此项计划。照片、草图和所有科研资料,将在我得出实验结论后寄给您。”科学院给了他470卢布,虽然远少于1000卢布,他可是“感激不尽”了。
他是作家柯罗连科、契诃夫的同时代人,他远离政治,没有像柯罗连科那样因从事反沙皇统治的活动而被流放西伯利亚,也没有像契诃夫那样远访萨哈林岛并写出针对专制暴政的檄书。他毕竟是一个纯粹的科学家,可他的家庭在那个时代也屡遭厄境:女儿柳博芙因参加革命活动被抓捕,两个儿子自杀,一个儿子在俄国内战时期死于营养不良,另一个儿子死于百日咳,做父亲的饱尝了白发人送黑发人的悲恸。
1917年十月革命的成功改变了他的命运,使他的科研工作能深入开展,一篇篇论文陆续问世(一生共撰730余篇),一项项实验踏实进行,一个个成果相继而得。1932年,苏联政府授予他劳动红旗勋章。他不愧为科学界的“劳动模范”,宇宙主义者费奥多罗夫称赞:“齐奥尔科夫斯基的科研成就显然是他扎扎实实工作的成果,即使他的反对者也倍加赞赏。”著名化学家门捷列夫知道齐奥尔科夫斯基的科研成绩后,曾写信鼓励他,也给他忠告。如今,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”,其西北部的小型撞击坑是“门捷列夫链坑”,其东侧则有“加加林环形山”。
齐奥尔科夫斯基后继有人。德国的奥博特曾写信给他说:“您已经点燃了火炬,我们绝不会让它熄灭。让我们尽最大的努力,以实现我们最伟大的梦想。”奥博特后来被誉为“欧洲火箭之父”,其著述《飞往星际空间的火箭》《通向航天之路》被视为宇航界的《圣经》。
苏联杰出的火箭设计工程师科罗廖夫,于1957年设计出世界上第一枚多级火箭,并发射成功,实现了齐奥尔科夫斯基的夙愿。如今,在莫斯科有一座航天纪念碑,也可说是齐奥尔科夫斯基纪念碑,状如一枚火箭,巍然耸立,直插云霄,碑座上有齐奥尔科夫斯基的塑像。他安详地坐在那里,头微仰,目远望,向往着他多么想去而未能去、后人因他而能去的苍茫无垠太空。
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