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夢想飛上青天(二)
在大氣層中的飛行可以借助空氣,但想要飛到大氣層外那就完全沒有這樣的輔助。還好有人想到利用反作用力原理讓飛行器前進,但這原理雖然有希望,但要能達到足夠的速度衝破大氣層仍是不容易。然而在戰爭的催化下,還是有驚人的進步。
 
 
 

突破大氣層的飛行方式

 

地球的引力讓靠近地表的地方聚集了濃密的大氣,這是飛行的阻力,也是飛行的助力,想要翱翔其中可以有多元的選項,例如熱氣球、螺旋槳、機翼等等來獲得升力。但如果想要突破大氣層,到達外太空,一定得找出不同的運動方式。

 

根據牛頓的第三運動定律,一物體施加作用力於另一物時,另一物也會回施一個大小相等、方向相反的反作用力於原本物體上。因此當你往一方丟出物體時,該物體也會往相反方向對你施同樣大小的力。我們在日常生活中察覺不到反作用力,是因為還有摩擦力的關係,但如果在滑冰時因摩擦力小就很容易看到這個現象。此外把一個充滿空氣的氣球和進氣口放開,它會在空中亂竄也是因為氣球往後排出氣體,氣體也把它往前推,那有無可能利用這個方式,往後面排出物質讓飛行器得以衝破大氣層飛往外太空呢?

 

首先提出這樣想法的是一位俄國的高中老師,齊奧爾科夫斯基(1857-1935),他在1903年發表了〈利用反作用力裝置探索宇宙太空〉這篇論文,推導出火箭在真空中運動的方程式,對火箭發動機也有了規劃的雛形,甚至還主張以液態氫和液態氧做為燃料的多節火箭才可獲得夠快的速度,不過這就僅止於理論。

 
 

失敗中的進步

 

真正在實務上去製造火箭的是美國科學家戈達德(1882-1945),他在1919年發表了一篇著作《達到超高空的方法》,說明如何利用火箭穿過大氣層,飛到外太空,甚至到達月亮上去。到了1926年他製做出全世界第一枚液體火箭,然而當時僅飛了2.5秒,高度才12.5公尺,就墜落到56.1公尺外的菜園當中。這地方在美國東方的麻塞諸塞州之奧本,現在已被標記為美國的「國家歷史地標」,留做永久紀念。但當時輿論對他的第一次試飛成果多是嘲笑與不屑,當地人甚至還對這種危險舉動感到恐慌,因此反對聲浪日漸高漲。

 
 
 

然而他卻沒有空來回應這些嘲笑與批評,而是更加謹慎,僅對特殊的飛行同好介紹自己的想法與設計,同時也爭取更多的研究經費。為了避開公眾的注目,他在1930年離開人煙聚集的美國東部,遷徙到人煙較少的西部新墨西哥州去進行研究。

 

戈達德在有生之年試飛的火箭最高僅達2.7公里,但同一時期的飛機飛行高度已是15公里,熱氣球甚至還能達到22公里,許多人都拿這數據來取笑他號稱「超高空」實在過於誇大。然而戈達德卻從理論分析了解這是可能的,只是當時還有太多其他的問題必須一一解決才能達成。

 

即使戈達德的研究並不是一直很順利,但他卻始終能從失敗中學習,不斷找出原因加以改進,累積了許多知識,並制定了些標準作業程序。雖然多數美國人當時對他的想法不肯定,但德國與俄國都派出間諜竊取他的研究成果,然後再盡國家之力去加速發展。

 

在1920年代歐美研究火箭的人還很多,很多都是業餘的組織,但因為所面臨的挑戰太大,需要龐大的研究經費,因此最後還是以國家支持的研究才能有持續的進展。俄國在列寧格勒的氣體動力實驗室在1931年到1937年曾經製造出多枚實驗性火箭,測試火箭發射時所需的許多系統功能,然而這卻在1938年史達林大清洗時,許多重要科學家被整肅迫害,研究的功能也受到嚴重的限縮。

 

1932年德國的威瑪防衛軍也開始對火箭技術感興趣,號召許多有理想抱人加入研究團隊,然而此時的目標是以長程武器為重點,發展出A系列的火箭,後來這被稱為V2火箭,射程可達300公里,其設備結構已經非常接近現代火箭,然而此時火箭瞄準的精準程度並不高,因此雖然這讓同盟國感到惶恐,但實際造成的傷亡人數並不高,也沒有對戰爭產生決定性的影響。

 
V2 火箭 (圖片來源:維基百科)
▲V2 火箭 (圖片來源:維基百科)
 

二戰結束德國失敗投降,美俄等國競相從德國原本的火箭計畫取得火箭技術與專業人員,美俄雙方也從戰時的盟友關係,因為意識形態的不同到戰後轉變為敵對關係,但雙方不敢輕易直接向對方挑起戰爭,而是把太空科技的發展當作競技場,究竟誰會贏呢?

 

(本文由科技部「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰寫)

責任編輯:張志立/國家太空中心、傅麗玉/國立清華大學

審校:品保組 型管小組/國家太空中心

 
 
 
延伸閱讀:
羅伯特·戈達德
火箭
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熱氣球(5)火箭(11)
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