从“火箭”到火箭——中国飞天之路 | 王安轶
今天我想跟大家来聊一聊 ，火箭火箭在中国的火箭发展历程 。我将题目定为从“火箭”到“火箭”——中国飞天之路，中国之路你可能会感到奇怪，飞天为什么这里出现了两个“火箭” ？它们分别代表了什么不同的王安意思吗 ？我们姑且先把这个问题留在这里 ，先来重温一下我国科技领域最近发生的火箭两件比较重要的事情。第一件事情，火箭5月8日 ，中国之路我国由长征二号F运载火箭搭载的飞天可重复使用试验航天器 ，在轨飞行276天后成功返回预定着陆场 。王安第二件事情 ，火箭5月10日 ，火箭搭载天舟六号货运飞船的中国之路长征七号遥七运载火箭 ，在我国文昌航天发射场点火发射成功，飞天随后它与在轨运行的王安空间站组合体进行了交会对接，为空间站运输生活和实验物资，同时它还搭载了一颗大连理工大学的试验卫星 。如果你对航天有一些了解，可以发现这几年来我国在航天科技领域的突破非常大 ，很多公开的新闻都与航天相关 ，在这些新闻里，总少不了一个重要的身影——运载火箭 。简单的说，运载火箭就是交通工具 ，它与汽车 、轮船 、飞机等都一样 ，是连接两地 、在两地之间运送人和货物的工具 ，唯一的不同在于，运载火箭是空天之间的运输工具 。纵观整个人类交通工具的发展史，我们可以看到 ，工业革命以来 ，人类的移动和运输的能力得到了跨越式的发展，而到了20世纪初期至20世纪中叶 ，这种跨越式的发展已经超越了地理上海洋和高山的阻碍 ，甚至到达了星际空间 ，这一步跨越不能不归功于火箭的诞生 。这就引出了今天的问题，火箭是什么时候发明的 ？中国古代有没有火箭 ？如果中国古代有传统的火箭的话，它是现代火箭的鼻祖吗 ？让我们带着这些问题展开今天的讨论。中国古代真的有火箭吗 ？首先 ，中国古代真的有火箭吗？其实 ，中国古代是有关于火箭的记载的，不管是在《二十四史》 ，还是在《续资治通鉴》 ，还有包括《武备志》在内的很多兵书 ，都有关于火箭的记载 。以明代综合性兵书《武备志》为例 ，它介绍了29种各种各样的火箭 。这些古书里 ，各种各样的形式和构型的火箭都有。比如 ，三根火箭并联的神机箭 ，三个火药桶串联的空砂筒 ，还有三捷神机箭 、火弩、流星剑、仿生学的火禽、神火箭屏等，可以看出来，在我们一直认为的冷兵器时代 ，中国的古人已经在火箭的设计上面玩得很嗨了 。但是 ，我们想 ，这些火箭真的就是我们现代意义上的火箭吗？它跟我们现代意义上火箭有什么渊源或者不同吗 ？要回答这个问题，首先要看火箭的基本原理 。火箭的底层逻辑就是,按照流体力学原理 ，当定量的流体以高速从压力较高的地方向低压区喷射 ，会产生相当的反作用力 ，如果这种反作用力作用在一个能发生运动的物体上 ，那么这个物体就会沿着反作用的方向发生运动 。简单来说就是我们要推动一个物体 ，让他运动 ，需要给它一个力 ，在火箭上面 ，我们给它的力就是火药产生的反作用力 。这就是中国传统火箭的工作原理。这同近代火箭发动机原理是一致的 。有了底层的逻辑 ，我们来再来看古代的火箭到底分为哪些类 。著名的科技史学家潘吉星先生在他的《中国火箭技术史稿：古代火箭技术的起源和发展》里面提到了三种类型的火箭：第一种火箭叫做古典纵火箭，它是由沥青 、油脂 、松香等易燃的纵火剂涂于箭头，然后用弓弩拉射的机械力把它给投射出去 ，对敌人造成纵火和燃烧的打击效果；第二种火箭叫火药纵火箭 ，它看上去与古典纵火箭比较相似 ，也是用弓弩的机械力把火箭投射出去 ，但它箭头的火药是我们传统所说的黑火药 ，也就是由硝石 、硫酸 、硫磺和木炭组成 ，火箭投射到敌方后，火药爆炸 ，也对敌方产生一个纵火和燃烧的效果 。这两种所谓的火箭，在力的使用形式和作战作用上，其实跟所谓的现代的火箭有一些不同 。古典纵火箭火药纵火箭传统火箭我们再看来看第三种——传统火箭 ，这种火箭与前面两种又有点不一样了 ，它有一个火药桶 ，绑于箭矢上，火药桶里面充斥着含硝量比较高的火药 ，两边涂上薄泥 ，最后留有药引和一个小孔 ，当火药被点燃的时候 ，里面产生的爆压力会冲破小孔 ，产生一个推力 ，箭矢就会被推出去 。这就与上面讲的现代的火箭有一点点相似了 。火龙出水真的能飞吗 ？中国的古人在这种传统的火箭的基础上 ，进行了特别多的设计和改良 。下面可以看两种 。第一种叫“神火飞鸦”，记录在《火龙经》上 ，它是这样记述的 ，先用细竹片编成一只乌鸦的模样，再用火药填充乌鸦的腹部；在乌鸦的腹部两侧各安装有一个装满火药的竹筒用于起飞 ，待它飞入城中 ，发生爆炸，火光蔽天 ，即可趁乱攻城。据说它“在路烧人 ，在水烧船 ，战无不胜矣” ，听起来非常有威力 。第二种叫“火龙出水” ，也是出自《火龙经》，你在博物馆可能会看到它的复原 。《火龙经》上说它“药线俱总一处 。水战可离水三四尺燃火 ，即飞水面二三里去远” ，就是说离水面一米多处燃火，然后可以飞出水面大概一公里多 。然后还说“如火龙出于水面，筒药将完 ，腹内火箭飞出 ，人船俱焚 。”听上去可以造成对敌人的巨大打击 ，似乎威力也非常大 。甚至 ，著名的世界科技史学家李约瑟将它誉为最早的二级火箭 ，说它是原始的阿波罗火箭 ，这个评价非常之高 。但是 ，火龙出水真的能飞的吗 ？真的可以对敌人造成打击吗 ？要回答这个问题 ，我们首先来分析一下它的结构 。它是由一个龙身 、一个木雕龙头 、还有4根火箭绑在一起 ，同时它的龙嘴可以射出火箭，这就是它所谓“二级火箭”的意思 。它靠4个火箭的助推 ，点燃之后喷出 ，等到它的药引燃到里面的时候 ，二级火箭就会再喷出来 ，对敌人产生打击 ，大概是这样的过程 。那么 ，我们再来分析它到底能不能用 。《武备志》上面关于它的记载比《火龙经》更详细一些，我们就根据这些记载 ，把这些信息做一个汇总 ，再把这些信息化作参数。首先 ，它的雕饰——龙头，是木质的；龙身“身长五尺” ，也就是1米6左右；身体部分是一个大竹筒，是毛竹，最多直径20公分左右 ，空心；两侧各挂两个火箭筒 ，一共是300克 ，黑火药一共大约600克；龙尾是一个单片垂尾雕饰 。分析完这样的构成之后，我们再来看影响飞行的要素有哪些 。我们知道 ，如果要让这样东西飞起来的话，首先要给他一个初速度，在飞行过程中，它会产生一个角速度，它的火药会让它产生加速度 ，等到火药燃尽之后 ，这两个速度就没有了 ，只剩下空气阻力和它的自重 ，它就会掉下来了，这是一个理想状态的飞行轨迹。但是 ，它真的能这样飞吗 ？中国科大科技史系的石云里教授带着学生做了一个关于火龙出水的稳定性的测试模拟。它的模拟过程还是比较复杂的，他主要考察了火龙出水的三个参数 ，包括偏航轴 、俯仰轴 、滚转轴 。实验的过程我不赘述 ，实验的结果表明，它的稳定性很差 。同时，还有很多军事爱好者也对火龙出水进行了实物的复原 ，根据实物的实验 ，得到的结果依然表明 ，它的稳定性差 。所以 ，我们基本上能得到一个结论 ：火龙出水是一个不精确的设计 ，它有很多的不确定性 ，比如说 ，作为一个系统工程 ，4个火箭筒的对称性是不确定的；此外 ，它的尾翼是一垂直尾翼，相对而言 ，一般是水平的尾翼更容易保持姿态的平衡；另外 ，它的龙头是木雕的，而它的身体是毛竹做的，头重脚轻的设计难以控制飞行姿态；最后 ，它的二级点火很难实现 ，原因与刚刚说到的火箭筒问题类似 ，作为系统工程 ，4个火箭合并串联 ，引线连到里面 ，最后让二级火箭燃烧起来 ，这也是非常难控制的 。所以 ，尽管火龙出水的想象非常精妙 ，但作为一个非常系统的工程 ，当时的工艺水平能不能实现这样精密的设计 ，要打一个问号 。所以，通过这些我们可以看出来 ，其实火龙出水本身的震慑作用大于它的实战作用，事实上 ，除了小说《明朝那些事儿》 ，真正的关于实际战争中使用了火龙出水的记录，我现在还没有看到。可以得到结论 ，火龙出水是基于经验性的想象 ，而很少有精密的参数设计 。当然 ，对于中国古人来说，以当时的科学和技术水平，我们这些要求可能都有一些苛求了 。现代火箭是由古代火箭发展而来的吗 ？现代火箭是到底是如何发端的呢 ？在中国人记载完火龙出水之后大约300至400年 ，俄国人齐奥尔科夫斯基(Konstantin E.Tsiolkovsky)发表《利用喷气工具研究宇宙空间》 ，提出火箭公式和液体火箭理论，并推导出了著名的齐奥尔科夫斯基火箭方程 。在这样的理论先行的基础上 ，20世纪初开始 ，世界上的很多国家就展开了对火箭的设计和实验 。1957年 ，由苏联发射的世界上第一颗人造卫星 “斯普特尼克1号” ，由“卫星号”运载火箭搭载 ，发射升空，开创了我们整个世界的探索太空的旅程。而就在这件事的两个月前,苏联发射了人类第一枚洲际弹道导弹 ，后来 ，人们在它的外侧并联了四台助推器,使其推力大增,摇身一变成了“斯普特尼克1号”的座驾——“卫星号”运载火箭 。在这之后 ，全世界范围内各个国家都开始了对火箭的设计和实践之路。中国火箭家族都是用来做什么的 ？仅仅从工业设计的角度 ，其实每个国家都有各自对火箭的工业美学设计 。比如 ，俄罗斯的火箭助推器都是锥形的，苏联的N-1运载火箭、美国的最著名的土星5号运载火箭等都各具特色 。那么 ，在这样一个全世界范围内制造火箭 、设计火箭、运用火箭的征途中 ，中国在干什么？我们中国从上世纪50年代 ，也开始了火箭的设计和制造之路 ，迄今为止 ，我们已经有了一个庞大的火箭家族 。从1970年 ，我们的第一颗人造卫星“东方红一号”发射升空开始 ，我国的火箭家族就日渐繁荣 。其中 ，比较出名的长征二号F，主要用于发射神舟载人飞船和大型目标飞行器到近地轨道 ，还有被我们叫作“胖五”的长征五号 ，主要用于执行近地轨道卫星 、地球同步转移轨道卫星 、太阳同步轨道卫星 、空间站、月球探测器和火星探测器等各类航天器的发射任务 。还有为满足中国空间站工程发射货运飞船而研制的长征7号 、用于运载小卫星的长征6号 、以及我们现在最期待的长征9号 ，都在现在的整个中国的火箭家族谱系图中熠熠生辉 。好了 ，再回到今天的主题——中国传统上到底有没有火箭 ？以出火龙出水为例 ，它更多的是一种大胆的想象和经验性的实践 。而现在的火箭更多的是科学和技术的结合 ，是在大胆的想象的基础上做了小心的求证 。最后 ，我想到20世纪40年代国人的一句话 ：“月球旅行 ，在科学家的努力之下 ，将由神话而进于事实了，从此人类的活动领域也将渐渐地扩展到地球以外的宇宙其他部分去了……预料不久的将来一定可以成为事实 ，只是时间的问题罢了 。”现在 ，通过一代又一代科学家 、工程师的不断努力 ，我们都能见证到航天科技的成果 ，我们的征途是星辰大海 。本文内容来自“墨子沙龙 X 2023年科技节”（2023年5月20日） ，演讲者是中国科学技术大学科技史与科技考古系王安轶副教授 。文字由林梅整理 ，经王安轶审核 。文章2023年8月14日发表于微信公众号 墨子沙龙 （从“火箭”到火箭——中国飞天之路） ，风云之声获授权转载 。■ 扩展阅读火龙出水 、流体力学与独山县 | 袁岚峰钱学森与中国科大近代力学系的建立与初期发展 | 王安轶如何看待美国登月阴谋论？| 科技袁人美国50年前就能载人登月 ，中国为什么现在还不行 ？| 科技袁人中国至今没赶上美国50年前的登月技术，只有一个原因 | 科技袁人Lite第85期美国登月 ：举国体制 ，政治挂帅 ，技术大跃进…… | 科技袁人美国登月造假的说法，被黑最惨的其实是苏联和中国…… | 科技袁人中国将如何载人登月 ？美国登月是真是假？| 袁岚峰见证历史！2030年载人登月 ，中国将如何实现 ？| 袁岚峰中国将在2030年前后载人登月 ！你看明白流程了吗 ？| 袁岚峰长征五号复飞成功 | 袁岚峰从长征五号复飞看世界航天格局 | 袁岚峰■ 作者简介王安轶科学技术史博士，中国科学技术大学科技史与科技考古系副教授。研究方向为中国近现代工程师史，中西科技交流史 。主持国家社科基金 、教育部哲学社科青年基金等课题 。