中外科学家发明家丛书:齐奥尔科夫斯基-第3章
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行掠夺、扩张自己的势力范围，所以对于齐奥尔科夫斯基的这种先进科学设
计根本不感兴趣，他们不愿花费大量的财力认真研制在当时看来没有太大用
途的飞机。
看到自己的科研工作如此地不受重视，齐奥尔科夫斯基感到极为苦闷，
在工作日志中他记下了自己在这一时期的心情：“在实验中我得出了许多新
的结论，但是这些新结论却往往受到政府的怀疑。这些结论可以在任何实验
中重演，但什么时候才能进行这些实验并且将其应用到实践之中呢？我不知
道，真不知道。这许多年来，我都是在不顺利的条件下紧张地工作着，没有
任何希望和任何支持。”
令齐奥尔科夫斯基感到欣慰的是，他按气体力学原理所设计的单翼飞机
的构造原理，终于在十多年之后得到了实际应用。他对单翼飞机设计的独特
构想，对后来的飞机设计产生了重大影响。
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六、建成俄国第一座风洞
在全金属飞艇和飞机的设计过程中，齐奥尔科夫斯基需要不断地研究空
气动力现象，以便对它们的阻力值进行测试。与此，他就大量地采用了实验
方法。例如，在他自己制造的测量风阻的简单仪器的基础上，他又进一步加
以改造，在房子顶上，他安置了两根直径为25厘米，长为75厘米的管子，
一根管子中放置一块平板，而另一根管中放着准备进行阻力值测量的模型；
然后再用细杆将模型与平板连接起来；这时，在有风的条件下，平板就会迎
风旋转。于是他一面仔细观测，一面不断改变平板的尺寸大小，使整个装置
重新获得平衡，然后，再依据平板的大小计算出不同的阻力。虽然通过这种
方法求得的阻力不够精确，但同实标的误差已经不大了。然而对科学研究一
丝不苟的齐奥尔科夫斯基并不满足，他需要的是完全接近实际的数值。
显然，采取以往的实验方法是无法精确地研究空气动力现象的，因为自
然空气气流的原动力——风，是难以控制和变幻莫测的。所以，齐奥尔科夫
斯基就希望能制造一台人工造风的机器以产生理想中的稳定气流。但是，要
制造这样的一台“送风机”，需要几百卢布的费用，身为中学教师的他根本
无力拿出这么多的钱，于是他抱着一线希望给俄罗斯物理化学协会写了一封
信，请求协会给予帮助，然而协会却以“试验计划太简单”为借口拒绝给齐
奥尔科夫斯基拨款。
尽管无法得到外界的支持，齐奥尔科夫斯基却没有因此而放弃自己的计
划，他依靠自己那微薄的薪水，在妻子的支持下省吃俭用，积攒了一笔钱；
他又向朋友们借了一些钱，终于筹措到了足够的经费。1897年，他成功地制
成了自己理想中的“送风机”——俄国航空史上的第一座实验风洞。
用现代科学术语来解释，风洞就是产生人工气流的管道装置，用以研究
空气或其他气体绕物体的流动情况和物体的空气动力特性。试验时，把需要
测试的模型或实物置于风洞之中，就可以测量并研究空气在物体周围流动时
所产生的动力及其作用。
齐奥尔科夫斯基所制造的第一座风洞的实物现已不复存在，但他的设计
草图却保存到了今天，从这份原始草图中，可以了解到这座风洞是如何运作
的：在蜗牛形的喇叭口里安放一只靠重锤的牵动来转动的轮子，轮子的叶片
转动后，就会产生气流从喇叭口里冲出来，并吹到喇叭口前面的模型上。为
了测定模型受到的阻力值，齐奥尔科夫斯基将模型放置在一个木架上，并使
它在装满了水的铁容器的水面上处于飘浮状态；再用一条细线将模型与木支
架上的可移动金属摆连接在一起，于是，根据金属摆的倾斜度，就可以判断
出所产生的阻力值了。为了能够从风洞出口处得到均匀的气流（即要求出口
截面上每点的气流速度值均等），齐奥尔科夫斯基还首创了在喇叭口的出口
处安装整流格栅的方法。这样，当气流通过出口处的这种蜂窝状的小格子后，
速度就变得十分均匀了。
从以上的介绍可以看出，齐奥尔科夫斯基所设计的“送风机”结构虽然
很简单，但在原理上已经与现代的大型风洞完全一致。在科学技术高度发展
的今天，风洞技术在进行空气动力学的实验研究中得到了极为广泛的应用，
比如：在飞机、火箭以及其它飞行器的研制过程中，寻求最完善的外形设计；
分析运动员在运动过程中各方面所受到的作用力，以便进一步提高运动成
绩；在高层建筑的设计中，许多地方都要考虑到飓风的影响，风洞就是模拟
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风力大小的最佳工具。
齐奥尔科夫斯基利用他自制的风洞，研究了各种形状的物体模型，并在
不断的研究中得出了一些重要的结论。然而，一个长期存在的问题依然困扰
着他，这就是经费问题，由于实验经费不足，他无力进行更大规模的研究。
鉴于上次的教训，所以他这次向俄国科学院发出了求援信，希望科学院的权
威们能够对他所进行的工作进行审查与评估，然后伸出援助之手以帮助他继
续进行新的科学试验。他在信中诚恳地写道：“诸位尊敬的先生们，如果您
对我所进行的工作评估良好，我是否能够得到科学院物质方面的帮助，以制
造一个功率更大的风洞？这样，我就可使用更大的气流来进行有关空气阻力
的新试验。我可以保证，所有的这些试验都是内容丰富、数据精确的新试验。”
科学院接到齐奥尔科夫斯基的来信后，就向他索取了详细的试验计划、
设计图纸以及其他的有关资料。在严格的审查之后，认可了齐奥尔科夫斯基
的创造性研究，并答应资助他一千卢布的实验经费。
不久，齐奥尔科夫斯基收到了这笔经费，这令他欣喜万分，这也是他在
十月革命以前唯一的一次得到官方组织的资助。利用这笔钱，在1900年12
月，他制造了一座新的风洞，这座风洞的口部是方形的，截面尺寸为 71×71
平方厘米；利用这个新风洞，他又进行了更大量的研究，得到了许多新数据。
1901年春天，科学院收到了他的详细的实验报告。
随后，在儒柯夫斯基的亲自参加下，俄国科学院按照齐奥尔科夫斯基的
设计方案制造了风洞，并进行了飞艇模型与飞机机翼的研究。
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七、星际航行理论的奠基者
对飞行在地球大气层内的飞行器进行了深入研究之后，齐奥尔科夫斯基
的研究领域扩展到了火箭技术与星际航行理论方面，并开创性地提出了远程
火箭的飞行图解公式与星际航行火箭的运行公式，从而为人类的航天科学作
出了更加卓越的贡献。
如前所述，早在1883年，齐奥尔科夫斯基就在《自由空间》一文中提出
了关于宇宙飞船的最初设计方案，显示了他对宇宙航行的天才设想。 19世
纪 90年代，他又发表了两篇科学幻想小说，在小说中，他生动地描绘了人
类飞往其他行星球的雄伟构想。
1903年，齐奥尔科夫斯基发表了《利用火箭喷射仪器研究宇宙空间》一
文，这篇论文的发表，在人类的航天科学史上起到了划时代的重要作用。
首先，作者在论文中提出了用什么样的飞行器进入宇宙空间的问题。现
在我们已经知道在宇宙空间的空气极为稀薄，几乎接近真空，所以靠空气浮
力为力源的气球与气艇都无法飞出大气层。齐奥尔科夫斯基也意识到了这一
点，所以在他的论文一开始就写道：“装有自动观察仪的无人操纵的小型气
球，直到现在它的升限也未能超过22公里。很明显，利用气球飞往更高空间
的困难将随着高度的增大而不断增加，要利用气球或飞艇飞到大气层范围之
外是完全不可能的。”
随后，齐奥尔科夫斯基又认真地研究了利用大炮炮弹飞向宇宙的可能
性。他通过仔细的计算，最终认为利用炮弹飞往星际空间也是不可能的。这
是因为炮弹由大炮发射出时的初速度非常高，这就会在极短的时间内产生极
大的动力加速度，但这种加速度将会造成宇航员的突然死亡以及仪器的彻底
损坏。很显然，大炮的炮弹根本不能用于星际航行。最后他得出了自己的结
论：“我建议使用喷气装置，也就是火箭之类的飞行器去研究外层空间用以
代替气球和大炮炮弹。”
喷气式火箭，离开地面的初始速度并不是需要太高，而是在飞行过程中
逐渐加速的，最终达到足以摆脱地球引力，从而飞出地球大气层的速度。因
为宇航火箭的速度是逐渐提升的，加速度远比炮弹小得多，所以就能够保证
火箭内乘员的生命安全以及工作仪器的正常运转。但是，宇宙火箭在宇宙空
间是如何飞行的呢？它的构造又应是怎样的呢？通过什么办法才能够计算出
宇宙火箭的飞行速度与高度呢？这些都是当时未解决的问题。为了解决这些
问题，齐奥尔科夫斯基在物体运动力学理论方面进行了新的探索。他根据已
知的力学原理全面地研究了火箭的运动过程，从而创立了牛顿古典力学中新
的一章——变质量力学。他通过自己的研究，提出了著名的火箭推进速度的
计算公式——齐奥尔科夫斯基公式：
M
V＝Cl i
n M
k
式中：
“V”表示火箭运动的速度；
“C”表示火箭燃料的燃烧产物从喷气管喷出的速度；
“M”表示火箭起飞前的原始质量；
i
“M”表示燃料与氧化剂燃烧完之后的火箭最终质量。
k
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这一公式表明，在外层空间，火箭的飞行速度是由发动机喷气管喷出气
流的速度以及火箭的起始质量与发动机最终停止工作后火箭的质量比所决定
的。要想提高火箭的飞行速度，就需要提高火箭发动机喷出气流的速度并增
大火箭的最初质量与最终质量的比值。
那么，究竟怎样才能增加这两个数值呢？齐奥尔科夫斯基认为：决定火
箭喷出气流速度快慢的是火箭燃料燃烧的性质，燃烧后释放热量大的推进剂
喷出的速度就大；而液体燃料的发热量要比固体燃料（火药）大，因此从流
体燃料火箭发动机喷气管中喷出的气流速度要比固体燃料火箭发动机喷气管
中喷出的气流速度大。因此，他在人类科学史上首次提出了采用液体燃烧为
火箭发动机的思想，并在他的这篇论文中绘出了世界上第一枚液体动力火箭
的构造图，从而为火箭的设计与发展开辟了一条崭新的道路。
齐奥尔科夫斯基所设计的火箭外形犹如一支雪茄烟，因为这样的外形可
以使火箭飞行时所受到的阻力最小。在火箭的前仓是宇航员的控制室；火箭
的后仓则被分为两个相互隔离的储藏室，储藏室中分别放置液态氢（作为燃
料）与液态氧 （作助燃剂），这两种物质在燃烧室内混合后就会燃烧起来，
燃气从喇叭形的喷气管内高速喷出。
为了更好地控制火箭的飞行方向，齐奥尔科夫斯基还在论文中提出了在
星际空间高速航行的火箭操纵问题。他设想在火箭喷气管的出口处安装石墨
舵 （因为石墨能耐高温），利用石墨舵在燃气流中的转动所引起燃气流的偏
转来改变火箭的运动方向。
从齐奥尔科夫斯基的这些设计中，我们可以看出虽然他的喷气式火箭设
计还相当原始，考虑也不够周全，但这确实是现代火箭的雏形，他的研究工
作，为以后火箭研制奠定了基础。
在此之后，齐奥尔科夫斯基在火箭设计及宇宙航行领域中继续深入研
究。1915年，他又发表了《论外层空间的航行》一文，在这篇论文中，他探
讨了火箭发射升空后如何返回地面的问题。此时，他已预见到火箭返回地球
的困难——这是因为火箭返回地球时的速度极快；因此，高速运动的火箭在
降落过程中就会与周围大气的摩擦而产生高温，所以不采取任何防护措施的
火箭就难免如同流星一样被烧毁。为了避免这种灾难性的后果发生，他提出
了利用低温液态氧循环冷却火箭外壳的方法，这样就能使火箭安全地返回地
球。
通过不断的深入研究，齐奥尔科夫斯基发现，仅仅依靠提高火箭发动机
喷出燃气的速度，无法解决火箭进入宇宙飞行的问题，因为当时还无法提供
一种能使火箭摆脱地球引力而飞行的液体燃料，这样火箭就无法以宇宙飞行
速度飞行。
我们所说的宇宙飞行速度有三个。第一宇宙速度也称为环绕速度，即当
物体以这一速度环绕地球运动时，所产生的离心力恰好等于在这一高度时物
体的重力。这个速度同物体所处的高度有关，物体在地球表面的环绕速度为
7。91公里/秒，在离地面200公里处为7。79公里/秒，具有这样速度的物体
就会环绕地球飞行，而成为地球的卫星。第二宇宙速度也称逃逸速度，即物
体脱离地球的引力而成为太阳的卫星所要达到的速度，其数值为11。2公里/
秒。第三宇宙速度即物体脱离太阳引力的速度，其数值为16。5公里/秒；一
旦物体运行速度超过这一数，就会脱离太阳系而进入其他恒星系。
齐奥尔科夫斯基以为，必须设法提高火箭的原始质量与发动机终止工作
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后的最终质量之比，才能用现有的液体燃料使火箭达到应有的速度，但是实
际上，单级火箭增加质量比的可能性并不大，这是因为贮藏液体燃料与氧化
剂必须要有足够的空间，而随着液体燃料与氧化剂数量的增加，它们占用的
空间也就会增加，这样火箭的整体重量也会不可避免地加大。因此，质量比
就无法提高了。
针对这个问题，齐奥尔科夫斯基在1929年发表的《火箭列车》的论文中，
首次提出了多级火箭的新颖构想。这样就大大增加了火箭的质量比，使人类
可以利用已经掌握的液体燃料实现飞往星际空间的美好愿望。
在这篇论文中，齐奥尔科夫斯基提出了两种多级火箭的方案。
第一种是串联多级火箭，它是由好几枚火箭一枚接一枚地串连起来的。
火箭发射时，第一级火箭点火，推动整个火箭升空，在它的燃料用完后，就
自动脱离“火箭列车”；接着第二级发动机又开始了工作，推动剩下的几级
火箭继续飞行，一直到燃料用完后也与“火箭列车”脱离；……就这样，到
了最后只有最前面的一级才成为真正在宇�
