1.1 火箭的飞行原理

1.1.1 中国古代火箭

火药是中国古代四大发明之一。秦汉的炼丹术士们把五金、八石、硝石、三黄等混合共炼，发明了火药。南宋时期，人们利用火药燃烧进行喷气推进的方式制作爆竹和烟火，其原理已接近火箭制造的原理。而唐末宋初至明朝初期，火箭还只是作为燃烧物，其结构多是在火药筒上捆一根细竹竿，这叫“起火”，如在“起火”前端加一个箭头，尾端装上箭羽，就是“火箭”了。

经过配方和工艺的改进，明代成为中国古代火箭技术运用的全盛时期。火箭的种类繁多，如“一窝蜂”、“火龙出水”、“神火飞鸦”等，最神奇的当属“火龙出水”，它已经在原理上接近现代的二级火箭。“火龙”有龙身、龙头和龙尾。龙体内装有神机火箭数枚，龙体外周装有四个火药筒。发射时，先点燃龙体外的四个火药筒，推进“火龙”飞行，继而点燃龙体内的数枚火箭再度加速。通过多枚火箭联用和“两级”火箭接力，火龙可在水面上飞行数里远。我国古代这种“多能”火箭的设计思想，是很富有创意的。图1.1～图1.3分别是“一窝蜂”、“多火药筒并联火箭”和“火龙出水”的复原图。图1.4是西昌卫星发射场中的“火龙出水”。

1.1.2 现代火箭飞行原理

看似复杂的火箭，飞行原理其实非常简单。简单地说就是利用反冲运动的原理，将热气流高速向后喷出，利用产生的反作用力驱动箭体向前运动。图1.5～图1.7分别是固体火箭发动机剖面示意图、试车点火图与液体火箭发动机原理图。

火箭在飞行时，燃料和氧化剂在燃烧室中燃烧，背向飞行方向不断地喷出大量速度很高的气体，使火箭在飞行方向上获取很大的动量，从而获得巨大的前进速度。当飞行的火箭减速或着陆时，则向其飞行方向喷气使其减速。因为火箭不依靠空气的作用，所以可以在空气稀薄的高空或宇宙空间飞行。

1.1.3 现代火箭的先驱

（1）康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基

齐奥尔科夫斯基（见图1.8）是现代宇宙航行学的奠基人。他最先论证了利用火箭进行星际交通、制造人造地球卫星和近地轨道站的可能性，指出了发展航天事业和制造火箭的合理途径，找到了火箭和液体发动机结构的一系列重要工程技术解决方案。他有一句名言：“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。”

1903年，齐奥尔科夫斯基发表了世界上第一部喷气运动理论著作《利用喷气工具研究宇宙空间》，提出了液体推进剂火箭的构思并画出了其原理图，推导出在不考虑空气动力和地球引力的理想情况下，计算火箭在发动机工作期间获得速度增量的公式，为研究火箭和液体火箭发动机奠定了理论基础。十月革命后，齐奥尔科夫斯基的才智得以充分发挥。在研究喷气飞行原理方面卓有建树：提出了燃气涡轮发动机方案，解决了航天器在行星表面着陆的理论问题，研究了大气层对火箭飞行的影响，首次探讨了从火箭到人造地球卫星等问题。齐奥尔科夫斯基一生撰写了730多篇论著。1932年苏联政府授予他劳动红旗勋章。1935年9月19日齐奥尔科夫斯基在卡卢加逝世。

（2）埃斯诺·贝尔特利

埃斯诺·贝尔特利（1881～1957）（见图1.9）出生于巴黎。他于1912年2月和11月分别在俄国彼得堡和法国巴黎物理学会发表演讲，宣传他的航天学理论。他的演讲定性地描述了火箭的工作和飞行原理，推导出了火箭在真空中运动的方程，求出了火箭摆脱地球引力所需的速度为11.28km/s。他的演讲在当时引起很大的轰动，同齐奥尔科夫斯基1903年发表的著作具有同等伟大的意义，被看作是航天学诞生的标志。1957年12月6日，埃斯诺·贝尔特利在法国去世，享年76岁。