《钱学森文集》_卷一_020

原编者按：为满足广大钱老现代科学技术体系研究者需要，即日起，转发《钱学森文集(1-6卷)》中的文章，按照原书编排顺序，每次转发一篇文集文章，供大家学习参考。

注：相关资料仅供研究学习用，不得用于商业目的。

关于现代火箭和导弹问题*

*钱学森 1956 年作火箭导弹专题报告的讲稿。

一、 火箭发展的历史

火箭是我们中国人最先发明的。大概在宋朝真宗咸平三年(公元1000年)已有了用火药燃烧推进的火箭。后来逐渐传到西方。在近代的火箭研究里，俄国的著名科学家齐奥尔科夫斯基是一个重要的先驱者。他从1896年到1930年进行了大量的火箭研究工作。

德国科学家欧薄斯在火箭研究中有很多贡献，他在1923年出版的《利用火箭到星际空间中去》的著作中提出了很多杰出的意见。1927年在德国首先成立了星际航行协会，从此火箭的研究便在更广泛的基础上进行了。我在这里打算只讲一些我所知道的美国的火箭研究的发展情况。苏联在火箭的研究上是非常先进的，我们在报上知道：苏联武装部队现在已经拥有远距离火箭。可是因为我对这方面的情况不清楚，不能在这里讲。美国的火箭研究比较有组织地进行是在1932年，那时成立了美国火箭协会，推动火箭研究工作。在美国西部的加利福尼亚理工学院中在1936年成立了一个火箭研究小组，这是研究火箭的一个开始点。这个学校在美国的火箭研究中一直到现在都占有很重要的位置。在加利福尼亚理工学院的火箭研究小组刚成立时，小组成员都是一些年轻人。那时候这些人对于火箭的看法都是很理想的。想到现在航空已经走了一个阶段了，第二阶段就应考虑到我们人类怎样飞出大气层。那时候这几个年轻人对火箭的兴趣完全没想到军事应用，只是想到这是有兴趣的问题。这个小组的领导人名叫马里那(这个人现在我特别提起他的名字来，是想说明美国科学家的命运。他这个人因为很有理想，当然不仅是对火箭问题有兴趣，关于人类的问题也想一想。那个时候美国闹经济恐慌，他想这个经济恐慌到底是怎样来的，由于这个缘故，当然对共产主义思想很有兴趣，他也参加共产主义的讨论，后来参加了美国共产党。正因为这个原因，这个人就不能在美国立足，现在他在法国流浪，也不能做科学家，也不能继续进行他的火箭试验，在法国画画过日子)。马里那这个人是有组织领导天才的，在小组里由他作领导。那个时候我们根本没有实验经费。在资本主义国家里只有靠自己，主要是很多友人凑点钱拿出来做小规模的试验。这个时候是1936年。过几年以后，欧洲战争就开始了。到了1938年的时候，美国军队开始对这个问题发生了相当兴趣，就跟这个小组人讨论了，说是在美国空军里有一个问题就是关于飞机起飞的时候，有时载重很大，本身发动机动力不够。还有一小问题是飞机发动机坏了，只好降到陆地或水面上来进行修理，有时修理好后动力损失了一部分，这样要起飞是办不到了，所以在这种救急情况下和载重负荷过大的时候，要起飞的时候都需要另外加上足够的推动力，那时就认为火箭是有这个可能性的。因为火箭可以在短时间内产生很大推动力，短时间就可以满足这个条件，因为起飞时间是不长的，有30秒或20秒钟甚至最短15秒钟加一股劲它就可以飞起来。所以当时就让这个小组扩大火箭研究，进行作为飞机辅助推动力的空军使用火箭的研究。这一研究工作由马里那领导。因为火箭不便在学校实验，就到学院临近比较空旷的地方山边上，开始把这一研究机构扩大。据后来我所知道，这个机构扩大后，改变了用燃料的办法。我们开始实验的时候也是用汽油与四氧化二氮液体作为燃料，当实验不久即发现这个燃料有些麻烦，点火时很难点着。要是不能点着，燃料箱里头已经把燃料喷嘴打开，它已经逐渐注射许多燃料，你没有把它点着，它就聚结起来，一旦点着了，里头燃料太多就容易爆炸，所以这个问题觉得相当困难。在一次偶然的机会里，马里那听到一位化学工程师说：浓发烟硝酸与苯胺在一起自然就点火，这个就是现代火箭用这个燃料的开始。后来有关火箭研究就注重在找什么样两个东西配合起来可以自己点火。关于固体火箭的研究也同时进行，在这个小组研究机构里他们就用沥青加上过氯酸钾的混合物，过氯酸钾供给氧气，沥青是碳氢化合物就是燃料。这两方面同时进行研究，差不多到1943年这些问题都完全解决了，可以到工厂去制造。也就是说从没有到摸索一直到工厂制造差不多是5年工夫。那个时候美国空军海军就运用了这些东西。同时在加利福尼亚理工学院还另外成立了一个由物理系来领导的火箭研究小组，他们研究炮兵所用的火箭。关于这个研究没有什么特别，就是用无烟火药作火箭固体燃料，主要研究如何把无烟火药作成火箭药力，如何把它点着。关于这类问题，由于那种火箭燃烧时间是很短的，大约在五分之一秒，所以在这样短时间一切问题都很小。比如燃烧箱和喷嘴用不着顾虑冷却问题，因此发展是比较快的，大概有一年的研究就把火箭制造出来了。这个火箭是炮兵用的。据我后来知道与苏联发展的“喀秋莎”差不多一样。就在那时，英美军队情报听说德国有长距离火箭，当时不敢相信这个事情有没有，一直到当德国火箭实验所放一个大火箭因控制系统没搞好走歪了，走到瑞典去了。那时瑞典是所谓中立国家，就让英国把炸坏的火箭看了一遍，从这个零碎破片上也可以看出这个火箭大概有多大，这使得英美很吃惊。认为这个火箭的确是很大，而且是从德国跑出来也可知道射程有多大，一查大概是300公里，这就使得他们很着急。当时美国炮兵司令就请加利福尼亚理工学院航空系研究长距离火箭。那个时候我也参加这个研究了。因为当时关于空军火箭应用里头需要理论成分不多，而在长距离火箭中，关于空气动力学问题却很多，火箭道程的计算也需要理论分析，那时开始做了些理论上的研究。据理论上研究火箭可以跑多远，从当时已经知道的火箭资料就可以设计制造出一个大火箭来，它的射程大概在50公里，有了这个结果，就可知道再改进是可以达到300公里或者更远距离。根据理论，原则上长距离火箭是可能的，有这个可能性就继续研究发展。首要解决的问题就是火箭要做得更轻，火箭的燃烧系统、供给燃料系统要做得轻，同时要注意到如何设计推力很大的火箭。空军用辅助动力的火箭，推力大概在1000公斤到2000公斤。而要是300公里射程火箭，重量就要很大，差不多到15吨的样子，15吨火箭的推力普通算法大约是重量的2倍，就是大概要用30吨推力。但是那个时候我们知道的火箭只有2000公斤推力，30吨推力的火箭那当然是大得多，关于怎样做大火箭是一个很严重的问题。这些问题都在进行，还未得到大的进展，而伦敦已经开始受到德国长距离火箭(就是V-2火箭)的攻击。因此那个时候就得到很多资料，显然德国火箭那时比英国美国火箭的发展跑在前面多得多，因为他们长距离火箭已大批生产而且军事上运用。一直到第二次世界大战终了，那时候英国美国火箭和德国比起来那是差得很远。在德国从法西斯政府成立起就注意火箭问题，1935年就开始研究长距离火箭问题，后来在潘乃孟德成立了火箭实验所，这里包括火箭专家、技术工程师、空气动力学专家，他们有自己的风洞，还有自动控制、电工学、电子学、无线电学等方面的工程师。后来V-2火箭就是在那里研究的。V-2本身设计是在1940年开始，因为他们从1935年一直到1940年有5年实验的结果，所以进行就很快。在1942年就放了头一个V-2的火箭。大概据统计在第二次世界大战终了以前有3000个这种火箭制造出来。他们这一方面之所以跑得很快，是因为他们有以前多年的实验，有这些资料可以利用。现在我把V-2火箭的性能说一下：V-2的有用负载(就是炸药)差不多不到1吨，火箭外壳重量1750公斤，泵重(即燃料泵和转动泵的透平重量)450公斤，燃烧箱和喷嘴室是550公斤，操纵系统300公斤，燃料8750公斤，透平燃料是200公斤，总共重量(就是开始起飞的重量)是12900公斤，差不多13吨。推力差不多是重量的2倍即27.2吨重。所用燃料是酒精和液体氧气，酒精不是纯的酒精，里面有25%水分。第二次世界大战以后，美国人就把许多抢得来的V-2式火箭，抢到美国做实验。不但如此，而且把潘乃孟德大部分人抢到美国去，给他们做这个实验。美国关于长距离火箭的研究，真正开始可以说还是在第二次世界大战以后。以后的发展还是以德国V-2火箭作出发点，设计方面许多工作是在加利福尼亚理工学院附设的喷射火箭推进研究所里面进行的。这个喷射推进研究所，后来用V-2的资料和美国所得资料合并，制作一个大火箭的设计，叫作“下士”。为什么要起这个名字，也有个道理，“下士”在美国军队来说是很低的衔级，意思是说将来还可制作更大的。这个火箭已开始设计了，它的性能大概炸药负荷约四分之三吨的样子，射程300公里。“下士”比V-2火箭好的地方是自动控制系统改进得很多。关于这一点我要说明一下，V-2火箭本身工程还不错，就是自动控制差得很远，德国用V-2打伦敦的时候很不准，真正打到城里的很少，打到市郊的很多，可以说德国人解决了推进和弹道的问题，但没有解决自动控制的问题。所以如把普通炸药1吨用在V-2上很不合算，因为这个火箭相当的复杂，很贵，放了后又没有准确性，1吨炸药也不知道打到哪个地方去了，实际作用等于刨土坑子，没有打到要害，不能发挥多大的威力。另一面，德国人在第二次世界大战末期，因为国内被炸得很厉害，急得不得了，当时想办法抵制英美的轰炸机，采取两个办法，一个是代替高射炮的火箭，就是所谓飞弹。一个是用喷气推进的驱逐战斗机。喷气推进战斗机出现迟了一点。喷气战斗机可以把轰炸机扫下来，可是因为数量太少，没有发挥到原计划的可能性。德国在第二次世界大战时，军队上是长远计划，他以为准备非常之好，打仗一定可以赢，而且是短时间可以赢，所以他们军事工程准备很远，并不准备在第二次世界大战时要用。航空研究的目标都是摆得很远的，很大力量摆在发展超声速飞机和超声速飞行的问题上。在大战后期发现关于研究飞弹任务非常紧迫，研究飞弹正好利用超声速飞行空气动力学中已经得到的很多资料，空气动力学和飞弹问题他仍是完全可以解决，就是不能解决自动控制问题，急得那个时候什么都想，可是没有一个系统可以做出来。第二次世界大战后，美国人把这些材料完全接过来，德国工程师也找去，要研究的问题就是自动控制的问题。他们估计再花3年也就可以解决，可是估计太低了，虽然美国是一个工业条件很好的国家，关于自动控制的电话系统电信系统也发展很多，可是运用到对长距离火箭和飞弹的控制要麻烦得多、困难很多。这些问题前两年才解决，一共用了9年时间。美国关于长距离火箭和飞弹的工厂制造还是在去年才开始，长距离火箭问题到现在还未完全解决，现在的主要问题是在洲际轰炸，火箭射程希望能到5000公里~6000公里，这样长射程的火箭中，关于自动控制的问题没有能够解决，这一点以后再讲。

二、 关于喷射推进机的原理和性能

现在来讲喷射推进的原理、喷射推进机的几种类型以及它们性能的比较。实际上，喷射推进原理我们日常生活中是常常遇到的。举一个例子：小孩玩的气球，假如我们把它吹起来，可是不把吹口封起来，只要一松手，气球就会跑得很快。这里面的原理是，要把气球吹大而又把吹口放开，因为表面张力的缘故有一个倾向把气球压小，那么气球里面的空气就要从吹口压出来，而且它朝一定的方向走，气球就向相反方向走：气朝下出来球就朝上跑。这个就是喷射推进的原理。气走的方向和推进的方向是正相反的。我们再举例，也很简单：假若说有一个小车，很光滑的车轮在钢轨上走着，车上站个人，人从小车上拿一块砖往外扔。他要是朝后扔，小车就朝前走。扔得越快推进力越大，小车朝前跑得也就越快。同时他若有力量拿一块更大的石头去朝后扔，推进力也就更大些。这里面是有一个牛顿的动量定律帮助我们计算的。假若朝后扔的速度是V，每秒钟朝后扔的质量是M(我们要注意的是质量，不是重量)，朝前推的力量是F，那么，F等于每秒质量M乘上朝后扔的速度，F=M×V。这个就是推进的原理公式。照这公式看，跟刚才说的一样，朝后扔的速度越大，推动力量就越大。另一方面，假如说速度不变，我们扔的不是小石子，而是大石子，M就更大，推进的力量也就更大。我们也可以把这原理应用在飞机螺旋桨的作用上。飞机螺旋桨的作用是把空气朝后推，它推的速度比火箭往后喷的速度小得多了，所以V在螺旋推进机是比较小的。可是M就是每秒经过螺旋桨的空气质量，通常这个数量不小，所以它得出的力量也相当大。在火箭情形就恰好相反：速度V是很大的，可是朝后每秒钟的质量是小的，也可以得出很大的推力来。上面说的是一般的原则，运用起来还有一点变化。假设人站在车子上不是扔出去而是接，假若扔一个球让他接，这个球的速度是V，当他接着这个球也受到球的冲击，这个冲击就给他一个朝后推的力量。假若一直继续扔球给他，每秒接到手里的质量是M，朝后推的力量F也是M×V。这也就是同样原则另外一种用法。人将石子或球扔出去，得到的力量方向和扔去速度方向相反。反过来若不是扔出去，而是接到球，他得到的力量是和进来的速度是同样的方向。在许多喷射推进机里，这两个情况都有。现在我画这个图(图1)中间像筒子式的就算它是推进机，每秒钟从前面吸进去的空气质量是m，吸进的空气经过推进机，里面加进些燃料，燃烧过后，出来的和进去的每秒钟并不完全一样，假设出来的每秒钟质量是M，出来的速度是V。进去的速度是很容易得到的：假设推进机在空气里朝前飞行，朝前推进的速度是U，空气进来相对速度也就是U，不过是朝后的。在这种情况下，方才说的两个原则都运用了。一面朝后扔出去，扔出去每秒钟质量是M，速度是V，得到向前推进的力量就是M×V。同时在推进机的前面是接受，每秒钟接受m，同时空气进来的速度是U，从这一点看出有一个力量是和进来的速度平行的，所以进来是从前朝后，力量也是从前朝后。假若算推进的力量是朝前的力量，那么朝后的力量就是负的，第二项是负的m×U。一面吸收空气加以燃烧，另一面从尾部又放出去，推进力量算起来是M×V-m×U。一般计算可简单一些。因为出去的气体里由于燃烧燃料而引起的质量增加并不是很大的。比如我们用汽油，汽油跟空气在燃烧中质量的比是1∶15，就是说15份空气燃烧1份汽油(这是大约的数目)。15斤的空气加上1斤燃料16斤，所以这个说放出的M是多一点，但多得很少，所以说M跟m差不多一样相等，所以我们可以把M提出来。推进的力量就等于M×(V-U)。这是个简单计算的办法，有了这个公式可以运用到各式各样不同的推进机上面去。

图 1 冲击式喷射推进机

喷射推进机中最简单的当然是火箭推进机，火箭不吸收空气，它自己燃烧所需要的氧气就完全由自己带在里面，并不用外界的空气。所以在火箭情况我们没有第二项，只有头一项。每秒钟用去多少质量乘上火箭朝后排出去经过火嘴的速度，这就等于推进的力量。第二种推进机就是冲击式喷射推进机(图1)。这个冲击式喷射推进机很简单，可以说就是一个空的管子，这个空管子前面也开口，当管子或冲击式喷射推进机朝前走得很快的时候，它迎着空气，空气进去有很大的速度。空气气流在管子里，减低了速度同时增加了它的压力。这道理可以用一个比喻说明，假若一只船在水上走，我们看船头，船头的水一定比一般水面要高。道理是这样的：假若以船头人作标准看起来，船头是没有速度的，远的地方水是朝后走，它是有速度的，那么水到船头由于碰上船头就要把速度减到零，而加大它的压力。水的压力一高，由于没有地方走它都要朝上升。所以船在走的时候，船头水总是要升起来，比远处水面要高。这说明任何气流或水流，如果有相当的速度，要是把速度减少，压力就必然增加。在冲击式喷气推进机里，空气进来的速度很大，要是经过进口把它的速度减小后，当然它的压力就增加了。冲击式喷射推进机就利用这些压力。这个压力在小的飞行速度情况下是很小的。但如果飞行得很快，假设飞行的速度是声速(就是声音传达的速度，普通情况下约等于330米/秒)，从这样速度要减到零，就可以得到2倍的压力。在压力大的时候，把燃料喷进去点着了加热，加热之后这个压力还是差不多(有点损失)。最后气体经过后面的喷嘴喷出来，喷出的速度比进来的速度要大，就是说空管子中间加上燃烧室，它就能够让喷出去的速度比吸进来的速度要大。按照前面的公式计算，推进力等于出去的速度减去进来的速度乘上每秒抛出的质量。出去的要比进来的速度大，结果是一个正的数。这个正数乘上每秒钟经过管子的质量就给出推进力。这种由简单的一个空管子构成的一种喷射推进机，利用的是空气冲击的力量，所以叫冲击式喷射推进机。要注意这种推进机在高的速度才能发挥它的作用，要是低速就根本没有什么压力增加，如果压力增加小，虽然点着燃料，最后喷出的速度比进来的速度大不了多少，这样推进力较小燃料就白费了。所以冲击式喷射推进机要在高的速度才能运用。还有一种跟冲击式喷射推进机相近的推进机，可以叫它是脉动式喷射推进机(图2)。这个脉动式喷射推进机有一个燃烧箱，这个箱后面接着一个较小的管子。燃烧室前面有许多弹簧片，这些弹簧片把进气口顶住。假设燃烧箱的压力是低的话，外面空气就冲击弹簧片，使空气能够冲到燃烧箱里去。空气冲到燃烧箱的同时就有燃料喷到燃烧箱里，用火花把它点着了，燃烧箱压力即增加。燃烧箱压力一增加弹簧就退回去，进口的空气就被堵塞了，不让空气进来。这样子外边空气不进来了，可是燃烧箱里压力还是相当大，它自然就朝后边走，就把燃烧箱废气从后面吹出去。这吹出去的速度就相当的大。这个脉动式喷射推进机比冲击式喷射推进机稍为复杂些，可是有一个好处，冲击式喷射推进机不动时根本就没有推力，因为空气无法吸进去。脉动式在不动情况下也可产生推力。这是因为当废气排出去，而前面进气口还关着的时候，由于空气流的惰性的关系，排气过度，有一个时期燃烧箱本身里的压力在大气压之下，那么弹簧就吹开了，就可以进气。这样有时开有时关，即使不动也可以得到力量。这种发动机是德国人在第二次世界大战末了时候发明的，V-1那种小飞机就用这种推进机。

图 2 脉动式喷射推进机

以上是比较简单的喷射推进机，还有各式各样更复杂的，再复杂一些的就是现在飞机所用喷射推进机，这里头包含东西要多一些。空气进去以后，头一步，要经过空气压缩机。经过空气压缩机，把空气压力增加了。再经过燃烧箱，再经过涡轮机，最后从喷嘴喷出去。这里面多了压缩机和涡轮机，而压缩机转动是由涡轮机带动的，涡轮机所产生的动力完全是被压缩机所吸收的。和以前一样，我们所得的推进力还是由牛顿动量原则来得到的。这种涡轮式的推进机即使在飞机不动的时候，也可以得到推力。我们知道燃气涡轮机本身也是飞行动力的重大来源。这时，燃气涡轮机所发出的动力并不是直接的推力，得出来是一个转动的力量。这个转动力量转动螺旋桨，而由螺旋桨产生推力。另外用汽油的内燃机作动力则更古老些，内燃机转动螺旋桨，得到推动力。因此加上这三种，就是现在飞机用的涡轮喷射推进机，燃气涡轮转动螺旋桨的推进机，还有最古老的内燃机转动螺旋桨推进机，一共有六种方法在空气中推进。到底用哪种好?这里有一个选择问题。我们得看有没有如此生产的设备，要设立多少厂来制造，拿使用的燃料来说，在涡轮式推进机、燃气涡轮推进机、普通的内燃机情况，都是燃烧石油里炼出来的东西。火箭推进机就不同了，也许可用汽油，不过至少要加一个另外氧化剂。这氧化剂也许是液体氧气，或者是发烟硝酸或者是过氧化氢，也许可以用过氧化二氮，那么就得考虑有没有能力制造这些东西。但是另外还要有一般性的原则性的考虑。在工程设计方面，最着重的问题是重量问题。这个重量不只是空的机件本身重量，还包括里面须携带的燃料的重量。可是这两个重量性质基本上有点不同，机件本身重量是固定的，不因为使用时间长短而变。而所需燃料的重量就要看使用的时间而定，像短距离的火箭只用一分钟或甚至五分之一秒，而飞机要用上几小时。使用时间不同，所需要的燃料也就不同，时间越长需要的燃料就越多，这是成正比例的。所以我们在考虑机件本身重量加上燃料重量，同时要考虑用多少时间。最容易用一个图来表示这种关系(图3)。这个图的纵坐标轴是总重量，就是机件本身重量再加上所需要燃料的重量。横坐标轴代表运用的时间。纵坐标轴原来就有一个重量，就是说即使没有运用时间，不用它，就不需要燃料，但还是有机件本身的重量，所以重量并不等于零，等于一个相当数目。运用时间越长，总重量就会增加。因为所需要的燃料与运用时间是成正比例的，运用时间越长，需要加上的燃料就越多。每一根线代表不同运用时间的总重量，时间越长，横坐标越朝右走，纵坐标就越大，重量就越大，不同类型的喷射推进机，就有不同直线来表示它的总重量和运用时间的关系。假设对于同样的推力，比较各种推进机的重量，火箭推进机本身机件最轻(例如V-2火箭的总共重量差不多是27吨，可是火箭本身燃烧箱只有半吨重)，要获得1吨重的推力，火箭所有的重量最小。所以火箭特点就是要获得一样的推力要算它的机件最轻。比它再重一点的是冲击式喷射推进机，再重的就是涡轮式喷射推进机(就是现在喷气飞机用的)，更重的就是燃气涡轮式加螺旋桨的这种推进机，这个与涡轮式喷射推进机的分别就是它要加上一个螺旋桨和一个齿轮，而齿轮和螺旋桨是比较重的。最重的就是内燃机加螺旋桨这种推进机。所以以机件本身来说，最轻的是火箭，最重的是内燃机加螺旋桨。可是要以用燃料的经济来说，情形就不一样。以普通办法来说，要有1公斤推力用1小时，需要多少公斤的燃料这是一个因素。我大致举一数字：火箭推进机数字是18，就是说假设需要1公斤的推力，每小时要用去18公斤的燃料。对于冲击式喷射推进机，这数字要小得多，在超声速情况下，这个数字大概是2.5~3，就是说要产生1公斤推力，每小时要用2.5公斤~3公斤的燃料。现在普通用在喷气飞机上的涡轮式喷射推进机数目比这个数目还要少，在涡轮式喷射推进机发展的早年差不多是1稍微多一点，就是要发生1公斤的推力，每小时需用差不多1公斤的油，现在这些都可以改进。美国现在用的推进机这个数的大概是0.7，就是1公斤的推力，每小时需要0.7公斤的油。至于内燃机，就看各种速度而不同，不过在低速度时候，内燃机所需要的汽油就更少。图3中第一条直线，提高最显著的是火箭推进机，为什么呢?因火箭所需燃料最多，所以有一定量的推力，它虽然本身重量是很小;可是它需要的燃料很大，在图上代表它的直线跑上去最快。第二条的直线是代表冲击式喷射推进机。这个它本身重量大一点，比火箭要高，可是这条直线的倾斜度就小一点，当时间增加时因它所需燃料比火箭要小，所以增加的速度要慢。第三条直线是代表涡轮喷射推进机，它本身重量更重了(包含空气压缩机、涡轮机在里面，重量更大)，可是它用的燃料是比较少的。这三种东西在一般的刚才所说速度下，火箭用燃料是18，冲击式是3，涡轮式不到1。这样可以看出，若目的是为了得到最轻的总的重量，在运用时间较短的情况，火箭推进机是最轻，运用时间较长了些时，冲击式喷射推进机最轻;若运用时间更长些涡轮式喷射推进机就是最轻，选择哪种喷射推进机即用这个法子来解决。但是还要加一附带条件，我们计算直线时定要选择一定高度和一定速度。火箭推进机速度没有关系，本来自己可以来燃烧，可是冲击式喷射推进机与速度很有关系，涡轮式也与速度没有关系。高度对于火箭推进机是没有影响的，可是对冲击式的和涡轮式的都有影响。这影响在于，高度增加空气密度就减小，同样的机器就不能产生同一样的推力。跑得越高空气压力越低，空气压力越小推进力越小。这样，同一机体重量是不能改了，可是推力减小了，每1公斤的推力就需要更重的机件。所以画这个图的时候，应注意选择哪一个速度和哪一个高度。在速度、高度固定了以后，就能画出一张图(图3)，其目的是决

图 3 各种推进机总重量和运用时间关系

定分界运用时间(就是直线的一些交叉点所代表的时间)。我仍可以对同样高度但不同的速度画出许多张这种图。我们可以挑选出分界时间，然后把这些结果标示在一张图(图4)上，这张图横坐标是运用的时间，纵坐标就是飞行的速

图 4 固定高度下各种推进机适用范围划分

度，固定一高度(这个高度是挑选的高度，比如说是海面)。这张图代表什么?画几条线在上面，把运用的领域划分一下，在左边领域Ⅰ是火箭推进机的领域，因为用火箭的重量(本身重量加上燃料重量)最轻，在运用时间与速度的这个领域里最好运用火箭推进机。如果速度比较低，运用时间比较长即领域Ⅱ里面就运用内燃机。如果速度比较高(就是现在喷气飞机所用的)，就是涡轮喷射推进机的领域Ⅲ。当速度超过了声速，而运用时间又比较短的时候，那时冲击式喷射推进机(领域Ⅳ)就是最好。这样就解决问题了：要是有一定的高度飞行，就可以根据运用时间和速度照图上点，如果落到内燃机领域上，那内燃机最轻，如果落到火箭推进机领域上，那火箭推进机最轻。但是这张图还是固定在一定的高度，我们还要考虑到在不同的高度怎样。我们的做法是：在每一高度都画这样一张图，把这些图叠起来，把海平面这张图叠在最底下，上面再叠上一张图，比如说是5000米，再叠上一张是10000米，就成了一种立体的图。这就是一种选择各式各样不同形式的喷射推进机的办法。我们可以决定在某种情况下应该用哪种形状、哪种喷射推进机最合适。不成疑问，火箭推进机与冲击式喷射推进机都是要在运用时间很短，才是最好最轻的推进的机件。可以自然想到，当高度很大的时候，火箭推进机就称王独霸了。因为别的机件都要用空气，而在高的地方根本就没有什么空气。在稍低一些有稀薄空气的高空里，因为空气稀薄，质量就小，也就是说得到的推力就很小。得出来推力很小而机件重量又不能改变，那样在高空之下，所有用空气喷射推进机的重量就过大，而火箭推进机最轻。在增加高度情况下，在平面图上看出来的这一系列的曲线，都要朝右移，就是说朝运用时间提长的方向移，所以火箭运用的领域就越来越扩大。如果空气很稀薄根本没有什么东西在里头，在那时只有火箭可以产生推力，别的都不行。从刚才的观点看出来，可得到结论：如果需要很短期间的推力(像防空飞弹我们需要的推力只是1分钟左右，要是长距离的火箭，需要的运用时间也是1分钟到2分钟)，所要考虑的只有两种推进机，也许可以考虑用冲击式喷射推进机，也许用火箭最好，别的式样喷射推进机用不着考虑。这是因为运用时间很短速度很大的缘故。那么，当我们考虑火箭问题、防空飞弹问题时，只考虑这两种喷射推进机。至于长距离火箭，因为它要飞到没有空气的高空去，所以完全要用火箭推进机，根本考虑不到冲击式喷射推进机。而在防空飞弹可以用冲击式喷射推进机，因为防空飞弹多半飞行的高度还是在空气里面，所以可以考虑用冲击式喷射推进机作原动力。以后考虑的问题若是长距离轰炸与防御敌人飞机，那么只要考虑两种喷射推进机，就是火箭推进机与冲击式喷射推进机。

三、 火箭的构造和分类

关于火箭的构造、火箭发动机本身燃烧燃料的问题，我们想谈一下，现在发展到什么水平?将来可以有什么进展?最后再讲冲击式喷射推进机的一些构造，以及设计方面有什么问题。现在讲德国V-2火箭一般构造(图5)：V-2火箭长14米，直径1.65米，最前的尖端部分是炸药。第二部分是自动控制仪表，下面两部分是燃料储藏箱，现在画的竖线是代表燃料，斜线是代表氧化剂。在V-2火箭里头燃料是酒精和水的混合物，75%的酒精，25%的水。氧化剂是液体氧气;酒精从储藏箱出来，到燃料泵，氧化剂从储藏箱出来到另外一个泵，这两个泵用中间的涡轮机来转动。涡轮机是用蒸汽来转动的。这个蒸汽是从分解过氧化氢得来的。办法是把过氧化氢用高压压到分散管中，分散管中注射了过锰酸钾，过锰酸钾和过氧化氢一碰到就分解成水蒸气和氧气，分解的热就自然而然地把分解出来的蒸汽和氧气加热到400℃，这样的热蒸汽就用来转动涡轮机。酒精从泵出来后并不直接到燃烧箱，而是先到燃烧箱的夹层，从夹层流过去可以把燃烧箱冷却下来，经过夹层流过去流到头上，然后再喷到燃烧箱里，因为有泵所以压力是高的，大概有15个大气压。液体氧气不能用它来作冷却剂，因为液体氧气碰到热很容易就蒸发，容易把孔道堵起来，所以不能用它来作冷却剂。液体氧气从泵出来就直接到喷嘴上。控制系统是控制下面几部分，控制火箭运动有两个系统，一个是空气动力学系统，一个是与飞机上舵差不多的平衡器(有上下和左右共4面)，一部分可以活动的就是舵。

图 5 V-2 示意图

V-2火箭是竖着放的。在竖起来之后，底下有个下空，火箭喷嘴直冲着地，就在地面埋一个火把，同时逐渐开动涡轮机。液体氧气、酒精就是没有东西压它也就直流下到燃烧箱，火把一点着就把阀门开开，里面即燃烧起来，当燃烧开始再把涡轮机转动，转动以后就把压力加大了，火箭就发出它本来设计的推力。这个推力是27吨，火箭本身重量差不多有它一半，13吨的样子，所以推力要比它的重量大，就朝上加速度。当火箭升起来的时候是没有初速度的，要升起来后加速度。你看起来很慢，慢慢地升起来，当起初的10秒钟左右的时候，速度是很低的，这时空气动力学的力量(风吹在尾部的力量)很小，转动4个稳定器是没有用处的，得不到多大力量。要解决这个问题，另外又加了4个可以转动的叶片，这个叶片是石墨(就是碳压出来的)做的。火箭燃烧的时候，火苗完全冲击在叶片上，火苗冲来的速度是很大的，大概是2500米/秒，很大的速度冲在碳的叶片上，当然可以起很大的力量，所以当我们转动这个叶片的时候，就可以产生转动火箭的力量。叶片是碳做的，出来的火苗就会把碳的叶片烧起来，这没有关系，因为要叶片的时间很短，只有起初10秒钟，这10秒钟也烧不了多少，所以可以用碳，用不着高温金属。而且V-2火箭只用一次，根本不用第二次，所以不用顾虑高温的问题。后来他们发觉找不着碳的叶片，就是木头也可以用，把木头削平装上去，它至少烧10秒钟，只要坚硬点的木头完全可以拿来用。这就是V-2火箭一般的构造。方才说它们竖着放的，放起来一直是朝着垂直方向走，若走到相当高度的时候，自动控制系统就转动外面空气动力学的叶片，空气动力压在这个机体的四周操纵器上，这就把火箭方向逐渐改变了，朝目的地转动。现在大致把控制系统讲讲，主要的控制系统是一个测火箭每时的速度、位置的仪器，把速度、位置测来与预定的数字比较，当比较到一定的地步，就是当知道火箭在什么地位、离出发点有多远，同时知道它的速度和速度的方向，这两个数量到了一定数字的话，控制系统就自动把涡轮机关起来，火箭推进就不用了，那时火箭的燃料也差不多用完了。这时火箭有一定的速度和方向，它就完全可用它的惯性飞过上空，然后再降下来，降下来后正好达到预计的目的。还有一个问题，就是喷嘴的构造，在V-2火箭是相当的复杂，它不是直接喷到燃烧箱里去，而是经过中间一个步骤。V-2火箭因为要冷却喷嘴，喷嘴直径最小，这样热经过喷嘴直径最小的地方，传导出来是最多。所以光是用夹层来冷却它又相当困难。德国人在研究时，同时在夹层里面开几个很小很小的洞，酒精在夹层里面流压力相当高，有一点小洞就从里头渗出来，渗出来的酒精挥发了就正好冷却外面喷嘴的热度。燃料的喷口装在燃烧室的一个凹进去的地方，中间按着一个液体氧气的喷嘴，旁边是酒精的喷嘴，所以一部分燃烧已经从喷头开始，然后从局部燃烧再到燃烧室里面去。整个V-2火箭燃烧室里面大概有十几个这样的喷头。这里必须说明，各式各样不同的燃料所需要的喷嘴并不是一样的，比如说换另外一种燃料，如发烟硝酸与苯胺这样的燃料系统就不能用这样的喷嘴，因为苯胺和发烟硝酸燃烧非常的快，你要是这样喷，燃烧就在这儿开始就把喷头烧坏了，因为温度非常之高。酒精与液体氧气燃烧稍为慢一些，它必须从喷头先开始，然后再喷到燃烧箱里，它的燃烧才能完成。可是发烟硝酸跟苯胺化合非常的快，这样喷，就把喷嘴烧坏了，所以在用发烟硝酸和苯胺的火箭的喷嘴就不是这样设计的，而是直接喷到燃烧室里去。关于怎样把燃料从燃料储藏箱压到燃烧箱去，这里头有各种各样不同的方法。方才说的V-2这种系统，就是用过氧化氢分解以得到蒸汽，蒸汽再转动涡轮机，由涡轮机再转动两面燃料泵，这个系统是比较复杂的，只能说在很大的火箭，才能用这样的系统。比较简单的是用气体直接压到燃料箱里面去，如用高压的氮气。这个系统比较简单。与V-2比较有好处有坏处，好处是简单，没有那些机件，没有涡轮机也没有泵，坏处是燃料储藏箱本身要受到高压，假设是在V-2里面差不多就要20个大气压，高压的氮气往往压力还要高，中间经过一个减压的阀门，因为如果我们把储藏的氮气也加大气压的话，当燃料快用完的时候，这燃料储藏箱气体的体积就逐渐增大，就是整个氮气体积增大了，压力就不能维持20个大气压了，所以像氮气箱的压力要高到100个~150个大气压才行。这样高的压力氮气箱本身也要做得很精实，很坚固，所以就重了。如此省了涡轮机和两个燃料泵的重量，可是却费在燃料储藏箱的重量上去了。所以一般的计算在大型的火箭用V-2火箭系统比较合适，因为它重量可以减轻，也是在大型火箭重量特别要紧，重了就根本达不到那样射程，所以大型火箭机件结构重量必须要做得越轻越好。但是V-2火箭结构设计并不是很好的，还可以减轻，照现在最好的飞机机体设计与制造方法，可以把V-2火箭的结构减轻相当的多。同时也要注意整个燃料供给系统的重量，我们注意这个，就不能用现在这简单的压力系统，因为它比较重，这个简单压力系统，用在比较小的火箭像防空的飞弹那是比较合适，因为整个系统简单，飞弹整个射程并不是很大，所以重量稍大也无关系。还有一种系统是介乎高压系统和V-2燃料泵系统中间的，就是用一种火药，火药点着它的燃烧率相当慢，逐渐地发生气体，这个气体就加压在燃料箱上边，这样即把高压氮气罐重量省略很多。因为我们用固体火药逐渐燃烧的话，它的容积用不着大。这可说是第三个系统，这三个系统最复杂的是V-2系统，较复杂的是用火药燃烧加压的，简单的系统是高压的氮气箱。这三种的重量来说，V-2用泵的系统最轻，高压氮气箱最重。现在顺便提一个比较简单得多的火箭，这种火箭就是用固体燃料的火箭，大概可分作两类，一种燃烧时比较长，如美国军队用作飞机起飞辅助动力的火箭，是属于头一类(图6)。火箭完全装满了火药，燃烧时用火花点着，逐渐就把火药吃掉了，火药完全变为气体，就从喷嘴出去，这样即慢慢从一端燃烧进去，燃烧速度大概每秒钟1厘米~2厘米，如火箭燃烧30秒钟的话(就像飞机起飞作为辅助动力的大概是20秒~30秒钟)，整个火药长度就需要够烧20秒~30秒钟。假说每秒钟烧2厘米，20秒钟就40厘米长，这是最简单的固体燃料火箭。不过许多用来代替炮弹用的火箭就不同一点，因为它所需要燃烧时间很短，大概是五分之一秒的样子，就是说在这一时间内把整个火药烧完了，也就是燃烧面要很大。燃烧面大了，每秒钟要燃烧火药是每秒燃烧速度乘以燃烧面积。现在要燃烧得快就要把燃烧面积增加，增加燃烧面积办法有好几种，一种是圆筒形的火药(图7)，这种圆筒形的也需要保持燃烧的条件，这条件即是每秒钟燃烧的火药差不多一样，两个圆筒形差不多能保持这个样子，外面火药朝里燃烧，直径就减小了，也就是燃烧面积减少了，同时里面火药朝外面烧，直径就加大了，燃烧面积就加大了，总的燃烧面积差不多保持一定的，这是一个燃烧的条件。但固体火箭中间也有些问题，就是如何使火药颗粒、火药的形状，能保持在燃烧箱不动，在火箭里面前面压力较后面压力大，火药就要跑出去了，所以要想办法固定它。设计固体火箭最主要问题，希望火药在燃烧过程中不要炸。怎样不炸?就是不要它有裂缝，一有裂缝就突然增加了燃烧面积，增加了以后，许多气体产生，喷嘴就喷不出去，就要出毛病，这差不多是最头痛的一个问题。像这一种火箭需要很早时间就把它储藏起来，火药放在火箭里面，中间又要经过相当长的时间，经厂里出来到用的地方要运输，经过许多震动，除此还有天气变化的影响，也许运到很热的地方去也许要运到很冷的地方，或许运到热的地方去没用又运到冷的地方去，这里就使火药颗粒起相当变化，热了软化了走了样，冷了就要发脆产生裂缝，这是在设计研究固体燃料火箭的几个困难问题，差不多没有一定的一般的理论法子来解决这个问题，完全用实验法子。所以一种新的燃料，即使在热工能方面觉得很好，可是实际能否用，还要经过长久的各式各样的实验，在温室和冷窖里头放一下，直接找出来这个火药是否能用。

图 6 第一种固体燃料火箭

图 7 第二种固体燃料火箭

此外，在别的情况之下还有很怪的火箭，即是一半是固体一半是液体燃料，不过这个不用去讨论它，因为现在还未实际上运用。

四、 火箭的燃料

火箭的燃料改进可能性，和燃料的一般性质：像火箭这样一个喷射推进机，它的动力我们用这样一个公式来计算：推力=M×V，这个M就是每秒流出质量，V就是喷射的速度，以每秒多少米来计算。因为M是质量，常常习惯用的不是质量而是重量，这重量我们以W来代表，M和W的关系就是M=W/G，G是地球的引力常数，在我们这里差不多等于10米/秒2。我们来计算一下每小时每公斤推力要用多少燃料，从这个公式两头F=W×V/G，我们换算一下就是W/F=G/V，这样换算出来是什么?这个W本来是每秒喷出多少重量，每小时有3600秒，要算每小时燃料消耗量要乘常数3600。因此得到W/F=36000/V，这就是计算每公斤推力每小时所消耗的燃料的公式。

表1 各种燃料性能表

现在来看看各种液体燃料的一些数字(表1)。表中第一项是说各式各样的燃料，第二项是喷射的速度，每秒多少米，第三项是燃烧箱里的温度，第四项是燃料的消耗量，每公斤推力每小时要用多少公斤，第五项是平均分子量，在用液体氧气与汽油时，得出的喷射速度是2370米/秒，燃烧箱的温度3200℃，最高每公斤推力每小时要14.9公斤，平均分子量是22.7。V-2是用液体氧加上酒精和水的混合物，75%酒精，25%的水，这种燃料的配合，得出的喷射速度是2340米/秒，燃烧的温度2810℃，每公斤每小时需要15公斤，平均分子量是22。假设不用酒精和水的混合物，纯粹用酒精看起什么变化。液体氧加上酒精，得出来的喷射速度是2380，差得很小，燃烧的温度到高点2900℃，每公斤推力每小时14.8，平均分子量是22.9;这说明酒精加水和纯粹酒精差别并不很大，而且实际上有好处。因为主要每公斤推力每小时需要多少燃料，这里V-2稍微需要多一些，它是 15，纯酒精是14.8，差得很小，可是主要的燃烧箱温度低下来差不多100℃，与设计上很有帮助。不用说纯酒精比酒精加水要费事得多，所以用纯酒精并没有什么好处，还有许多麻烦，V-2用的就不是纯酒精，而是酒精和水的混合物。主要点是从这里看出来的，温度是增加了，可以想到，燃烧的温度越高，加进去“能”最多;就是燃烧气体里面的“能”多，它喷射速度就容易高。可是同样另外有一个效果，喷射速度与平均分子量有关系，分子量要高了与喷射速度没有好影响，分子量小有好处，这很容易解释，分子量就是每一分子的重量，温度就是推动它的力量，要是分子轻，同样的温度，它容易推动。所以它喷射速度就比较高些。要分子量很重，不容易推动它，所以在同样的温度它喷射速度就低。从这两点就看出温度高是有帮助的。纯酒精的温度高些，可是同时也相当地吃了点亏，因为它的平均分子量大。为什么?因为酒精是碳氢化合物，要是燃烧了以后它出水，同时还出二氧化碳，二氧化碳是比较重的，因为二氧化碳分子量是44，水的分子量是18，水分多倒有好处，对平均分子量可以减低。在V-2里头有25%的水，分子量反而少一点，分子量少了分子就比较轻，以后就容易推动它，它出去的速度就大，虽然温度低了些，出来的速度相差得却很小。如果能够增加温度又减少分子量，最好用液体氧和液体氢混合物来燃烧。这时出来的温度是3000℃，差不多和汽油一样，要比汽油好得多。为什么?它比汽油喷射的速度要大得多，原因就在它的分子量小得多。汽油燃烧的时候它有二氧化碳在里面，有二氧化碳平均分子量就高，是22.7。在液体氢燃烧里面没有产生二氧化碳，出来就是水，水的分子量要比二氧化碳低得多。一个是44，一个是18，而现在液体氧加液体氢的平均分子量是11.7，比水的分子量18还要小。这是因为这个用的混合物含氢气较多，氧气与氢气的比是5.5，所以说比较起来氢气是多的，出来的废气里面不完全是蒸汽，是氢气和蒸汽的混合物。氢气的分子量是很小的是2，所以出来平均分子量是11.7。因为平均分子量很小，所以温度虽然和第一项是一样的，可是它喷射速度就大得多了。速度大燃料消耗量却与喷射速度成反比例。喷射速度越高，消耗料越小，所以得出每公斤推力每小时用燃料是11.5公斤。这个表说明几件事情，温度高是有好处的，可是温度高同时分子量要小。再一点说明V-2情况，跟用纯酒精分别很少，用纯酒精没有好处。最后再加两项，第五项是液体氧和氨也可以燃烧，这个燃烧喷射的速度是2510米/秒，温度是2740℃，每公斤推力每小时需要14公斤燃料，平均分子量19.7，也可以看出每公斤推力每小时用的燃料并不太多，温度也是比较低，好处完全是在分子量比较小。同时可以说明，用发烟硝酸和苯胺，它出来的分子量就比较大，因为苯胺里面碳是比较多的，燃烧出来是二氧化碳多，所以它分子量就增加了，分子量增加使许多地方不大好，燃烧温度虽然差不多和液体氨一样高，可是出来的速度比较低，只有2160，每公斤推力每小时需要的燃料比较大，是16.35。可是用发烟硝酸和苯胺有一个好处，就是用不着点火。上面这些比较都说明了，上面说的几个原则，温度高是有好处的，同时要使分子量尽量的小，越小越好，所有这些计算都是燃烧箱里面压力是20个大气压。还有一点要说明，这些数字是完全可以计算出来的，不用实验，计算出来的数字跟实验结果很接近，差不多就是这样的数字。这里就说明这样一个问题，所有火箭的效能、燃烧的温度、每公斤要耗多少燃料、出来喷射速度是多少，这些东西都是可以直接用现在的物理化学原理计算出来的。早一点的书计算完全是不对的，因为没有考虑到化学平衡的问题，这些计算完全将化学平衡问题考虑进去了，计算出来的数字就非常的可靠，所以这一问题是完全可以用理论法则来解决的，并不需要实验。关于燃料本身，假设你能够把它燃烧了，燃烧得够快，能够得到化学平衡，那么一切用燃料的火箭性能是完全可以计算的，不用做实验。那么第一步要是研究各式各样的燃料的话，完全可以用理论法则来解决，第二步假若这种燃料很好，得出性能是很好的，那么我们就要去实验它能否在燃烧箱容量里头给它燃烧干净，这个问题不能用理论法则来解决，必须要做实验。假设用发烟硝酸和苯胺的话，喷嘴的设计就不能跟用酒精和液体氧一样，这里头只能得到一个大致的解释和大致的设计方向。我们知道在液体氧和酒精里燃烧是比较慢的，需要用V-2式的喷嘴，可是发烟硝酸和苯胺燃烧是非常快的，我们不能用那样的喷嘴，要直接喷到燃烧箱里去，这些只能在原则上有个了解，数字上还要靠实验来解决这个问题。另一项，那就是液体氧跟液体氢这个混合物，因为要得到小的平均分子量要多加氢，结果我们在这混合物里头比较起来装氧箱子小，氢箱大，这个氢箱就带了很大容积去，这关于火箭设计有很多不好处，容积大结构就得大，这是不利之处。由这个考虑又可以想出另外一种混合物，这种混合物是液体的氢，可是氧化剂不是液体氧，而是氟。它需要的氢比氧需要的氢要少，这样虽然容积大一点还可以将就。但是也有问题，液体氟是什么东西都吃，碰着布就着火，所有碳氢化合物一碰就着，纤维素也是碰着即着，腐蚀性问题就很大，而且在地面上要用这个东西，它喷出来即是氟氢酸，那也是很厉害的，碰见什么都腐蚀。好处就是比液体氢和氧需要的氢容积比较小，同一样火箭，用液体氟比用液体氧要小得多，这样是有利的，因为结构小了空气阻力也就小了。大家可能想既有好几种不同的配合物，那么化学药品是无穷无尽的，不知道有几百万几千万化学药品，能否在未考虑到的化合物中找到具有比这个大好几倍的喷射速度呢?喷射速度大了，那么每公斤推力每小时所需要的燃料量就大大减少，这不是与我们火箭的设计有大大的好处?可是这点在原则性上答案是不可能的。为什么?因为分子有个毛病，它要太热了以后，自己就分解，它就不是分子，而变成原子。比如水是两个氢的原子与一个氧原子结合一起，这是普通温度之下，或者比较高的温度。普通温度是水，高过100℃即变成蒸汽，再高即变成过热蒸汽。如温度1000℃有一部分分子就要分裂，分裂就不成两个氢和一个氧结合，而是分出来一个氢离子，还有一个氧和一个氢气结合的离子，在这种情况下再加热能进去，它就分解得厉害，每一分解都吸收一部分热，而且吸收的热能很多，所以以后“能”加得越多，温度倒是升得很慢。要是研究各式各样的化合物，当它起了化学作用，的确可增加产生很多的“能”，那些“能”可能比现在所说的“能”要多，可是“能”产生得多并不用来增加温度，而是用来把分子分裂。因为这些，我们一般来研究这个问题，就根本得不到燃烧温度比表上大上几倍，同时也不能将喷射速度大上五六倍，这根本是不可能的。在化学变化里头，有一个绝对的限制，我们想尽了方法，也许比上面这些数字可以改进一点，改进10%或15%的样子，你要改进几倍那是办不到的。所有化合物你把它一热到很高温度，它的吸收能力非常之大，因为它变成了离子，变成零零碎碎的分子，就要吸收非常大的“能”，所以这个温度差不多是无法来增加的，把所有化学字典都找出来，也找不到那种化合物，能够比表上高上两三倍的温度。刚才已讲过，长距离火箭减轻重量是非常要紧的问题，如像V-2火箭飞起来时有13吨重量，有用负荷(即炸药)还不到1吨，这样可想其中有用重量还不到1/10。假设用比较好的燃料，能减少这个燃料重量的1/10，比如它本身燃料的重量一共有差不多10吨，你减去1/10就是1吨，这1吨就可以用在炸药方面，这样本来1吨炸药现在即2吨，燃料方面省1/10，有用负荷就增加1倍。所以燃料减少是一个重要的问题，我们要有很大的改进是不可能，可是小的改进也是值得考虑，而且也不可忽略。我们想一下，上面这些燃料中有个特点，燃料中并不包含金属，燃烧完了出来完全是气。要是我们在燃料里面加上金属(金属的粉也可以)，燃烧起来发生很大的“能”。而且这些金属粉有一个好处，燃烧起来变成个氧化物，这个氧化物不容易分解，比较稳定，不像刚才所说二氧化碳这些东西容易分解。加进金属粉是有好处的，不过这个粉加在液体燃料里要沉下来，所以不能得到很稳定的液体。需要用别的方法。也有一个方向可以走的是加金属和氢气化合物，燃烧起来氧气变成水蒸气，金属也与氧燃烧起来变成金属的氧化物。金属氧化物是固体，喷射出来的气体里头有烟，可是有烟在火箭是没有问题，因为它喷出后是喷在大气里去了，或喷在真空里面。这个固体在飞机推进机不能用，因为它喷出来烟是有固体微粒在里头，固体微粒假设碰到涡轮机的叶片，那就把叶片弄坏了。在火箭里有这个便宜，什么燃料都可以用。这种所用燃料，我可以给大家举几个。现在觉得可能的是两大类，一类是硅和氢的化合物，第二类是硼和氢的化合物。硼和硅我们都是很多的，所以燃料来源是无问题。硅里头有四氢化硅，或者六氢化二硅，或者八氢化三硅，或者十氢化四硅。硼里头有六氢化二硼，十氢化四硼，九氢化五硼，各式各样的可能性。这些化合物当燃烧的时候，氢一部分化成水，氢和硼一部分则变成氧化物，出来就是氧化硅和氧化硼。氧化硅即是砂子，氧化硼即是硼酸，出来后都是固体，喷出来有白烟，因为它是火箭，所以白烟出来没有什么问题。现在我所知道美国人正研究这些化合物来做火箭的燃料，他们认为这是很秘密，其实这有什么秘密，打开化学书一看都在里面，用化学平衡办法，都可以算一算，算出来的数字什么都可以知道。有些人想，如果我们再没办法把这性能增加，那么在化学上不行，能不能用原子能呢?原子能的确可以把这个改进得很多，但我们不能用原子弹的办法一炸，那是不行的。我们要能逐渐地把原子能取出去，这就需用原子反应堆。要用原子反应堆，关键问题即是原子反应堆不能随便大小，要有一定的临界尺寸，可能是很大的。假设很大，你就不能做小火箭，一做即得做大火箭，大得不得了。据初步估计计算是这样，这个原子反应堆里，要做就要做100吨那么大，小了没办法做。当然这个数字估计还未说到现在许多新的方面发展，还是用原子反应堆里慢中子的速度来计算的。要是能用高的中子速度，就可减少减速剂的大小。那么，整个原子反应堆的临界大小可以减小，假设这个问题已经解决了，能够制造一个比较大小合适的反应堆，那么怎样来利用这个能性?这个原子反应堆有一个特点，就是一旦到临界大小尺寸，它能产生的“能”是无穷无尽，就看你如何来利用它。在我们来看如何把原子反应堆的“能”吸收出来，抽出来又要怎样来利用它。一个可能的解决方法，就是把这个反应堆做成一组的管子，我们把管子做成锥形的管子，就是一头小一头大，同时把管子做成海绵状的，就是里面有许多空隙，气体可以经过它的，这样一根一根很多锥形的管子，我们把它排列起来，组成了一个整个的反应堆。像这样的反应堆，能够使得它抽出多少能力来，这里有一个最高的极限，就是这些固体材料能够经受高温的程度。温度太高了，固体不是熔解就是要蒸发，或老挥发，所以最高的温度还是有一定的限度，假设限度是3500℃，这也相当高了。有了温度的限度，我们尽量想能够减低分子量，分子量越小越好，所以主要是减低分子量，最小的分子量没有比氢再小的了，那最好就是用氢。所以，这个设计就是用氢，氢从反应堆一面吹进去(压进去)，压进去之后，氢就经过海绵状有空隙的锥体管子，它就把热提出去，提出去热到了管子里面，它已经变成很热很热的氢气，一部分氢已经分解，变成一部分氢的原子，氢的原子就离开反应堆，就到喷嘴里面去，喷嘴照普通火箭的压力比方在20个大气压，在3500℃时候，可以计算喷出来有多大的速度，大致是8000米/秒，比方才所说的速度2000米/秒~3000米/秒大了2倍多到3倍，也就是说每公斤推力每小时所需要的氢气，只有1/2或1/3，这是一个很大的改进，这个改进完全要依靠原子反应堆。主要的问题我们还是要研究怎样设计这个原子反应堆，使它的临界尺寸不是太大，太大了可以说不能做适合大小的火箭，假设能达到这一步，的确可以改进把这个喷射速度增加3倍，可以把燃料消耗量减少1/3。不过这个问题还不是像我所说的那么简单，里头有一个问题我们要考虑到，就是这一块原子反应堆有相当重量的。假使说火箭是用得很短，期间只有10秒钟，那么用原子反应堆就浪费了。因为只有10秒，而它所包含的“能”是无穷无尽，而现在用10秒即扔了。这里问题是长距离火箭，才可以考虑到用原子反应堆来推动，假设考虑出来是合算，虽然原子反应堆很大，可是因为它节省燃料很多，整个重量算起来还是轻的话，那么，的确原子能可以用到火箭上去，用的方法大概也就是这一条路。

五、 冲击式喷射推进机的构造

最后提一下关于冲击式喷射推进机大概里面结构是怎么样(图8)。冲击式喷射推进机是利用空气从前面流进来，经过压缩，再经过燃烧，然后从最后喷出去。现在有两个主要问题，使燃烧如何稳定。据现在研究结果，认为最好最可靠的燃烧室，还是用一个锥形的管子，大的这头是开的，锥形薄片制造出来锥形，旁边有许多空隙。这空隙是为空气从外面走进来的，锥形管子尖端是把燃料喷进去，产生固定火苗。这火苗还有些没有燃烧气体，就跟外面进去的空气相混合，继续燃烧混合增加空气的温度，最后喷到燃烧部分去。用现在这样造出来的燃烧箱，就可以解决冲击式喷射推进机的燃烧问题。这种冲击式喷射推进机，大致分作三种：第一种飞行速度是次声速的(图1)，构造大概是这样：进口很简单，就是一个开口，空气进去之后，开口就逐渐增大，所以前面这部分就等于空气扩散器，在扩散器里就把空气进来压力增大了。增加了压力的空气经过燃烧室，因有燃烧锥体满布于燃烧断面上，这个空气一大部分只有从空隙里钻进去，钻进去和燃烧火苗混合起来，就照着燃烧，当然开始燃烧的时候还要火花，但是火花装置只要在一个或者两三个燃烧室里就行了，因为着了以后可以传播到各个锥体上。燃烧之后就直接是一个敞口，直接把气体喷出去了。那么，怎样把燃料压到燃烧室里去，这有一种很简单的方法，像液体燃料是储藏在前面头上夹壁里面，那就可以用管子通到外面，完全迎着风，迎着风的管子就可以完全得到全部冲击压力，全部冲击压力是要比燃烧室里的压力要高的，我们就可以用全部冲击压力加在液体燃料上面，就把液体燃料压到燃烧室里面去，这是一个办法。这是次于声速冲击式喷射推进机，这是最简单，可是我们用它大概比较少，因为它能够发出的推力是比较少的。第二种是超声速的喷射推进机。超声速喷射推进机中的结构方面就不大同，在开口中间本身就有一个锥体，这个锥体里面是空的，可以储藏相当多的燃料，还有许多控制的机件。为什么要有锥体?因为锥体要迎着超声速的气流，它产生一个斜的冲击波，这个冲击波本身就是一个很好的、很有效的压缩办法。比如说，设计上从冲击波尖到两面，气流经过冲击波被压缩，被转变方向，从后面过去，过去后有许多更多的地方，使得它再过来冲击波，经过几个冲击波之后，就使它为成低于声速的气流。低声速气流这面又有一个扩散器，大部分压力经过冲击波已经增加，经过扩散器压力再增高一些，最后经过一个燃烧的系统，经过燃烧后因为它是超声速的，它的压力是相当高的，所以不能够用完全一个直的喷嘴，还要首先是收缩然后再开大了喷嘴，这样出来的气流，也是超声速的气流，就是说喷射出来的速度是相当大的，产生推力也是很大的。这里也有一些问题，如关于空气动力学的设计是比较困难的。因为我们并不是只在一种速度下用这冲击式喷射推进机。比如在飞弹用它的时候，我们是在各种不同的速度下用它的。因此在设计的时候，必须注意在不同速度之下，如何能够把冲击波稳定下来，不能使它跳动。要是跳动的话，整个燃烧就是不能很好，而且容易爆炸。有些空气动力学家就想办法，在前面开几个洞，有点透气的可能性，不过这是空气动力学仔细的设计，我就不多说了。第三种设计是冲击式喷射推进机，不能从不动的状态到动的状态，因为它不动的状态根本就没有推力，所以，要用冲击式喷射推进机与火箭推进机联合起来，这有一个好处，就是低层空气比如在20000米高度下，是可以用这冲击式喷射推进机，因为还有空气，可是困难是必须先要推一下，你不推它就不动，你越推得厉害它越跑得厉害。如何推动它呢?头一步还是要用火箭推进机，所以冲击式喷射推进机用在飞弹上面还是离不了火箭，往往是要用一个固体燃料的火箭，即比较简单的火箭。先把火箭点着把它推快了，它自己就可以跑了。冲击式喷射推进机，燃料消耗比火箭要低，所以许多地方要用它。比如防空飞弹方面希望能用它，可是有个毛病，即是不能自动，需要用火箭推它一下。据我所知道，美国现用防空的飞弹系统，就是这样：开始是用火箭，然后是用冲击式喷射推进机来推进。

图 8 超声速冲击喷射推进机

六、 导弹的分类和性能

下面我们来讲讲飞弹。我想最好把飞弹的名词叫导弹。所有的弹(不管是炮弹、枪弹)都是飞的，我们所讲飞弹与炮弹不同，就是在它飞行过程中是有控制的，或者是有制导的，让它去什么方向都在控制下，叫导弹就比较合适一点。我们要分飞弹或导弹种类，可以有两种看法，一种看法是看它的起点(放射点)与它的终点。

(1) 如果它的出发点是地面，或者海面，终点是空中，这种就是由陆地到空中的“地空弹”。这种是防空用的，特别注意地面放射点是固定的。这种地空弹特点即是空中目标活动速度很大，所以它的方向和速度都随时可以改变。这种地空弹是防空用的，所以它的射程并不是很大，只不过是20公里的平面射程，因为射程不是很大，所以起飞重量并不是很大，比炮弹大几倍，不会大过几十倍。

(2) 比地空弹小的是“空空弹”就是从飞机上发出去打飞机的，这种就更小了，因为要带在飞机上不能够太大，射程比地空弹还要小，就是现在强击机和歼击机所带的火箭加上控制的系统。所以就大小而论，空空弹是最小的，地空弹较空空弹稍为大一些，不过还是在小的范围内。这两种因射程比较小，而且要考虑目标行动很快，所以在这两种控制系统里面，就必然除了控制导弹本身之外，还要有一个一直连续测量目标位置与速度的设备。这里的控制问题，一面说来比较简单，因为距离短，但另一面说来又比较复杂，因为要顾到导弹本身控制，同时还要顾到一直测量目标行动性质。现在世界许多国家都在努力发展这两种导弹，据我所知美国现在对这两方面都已经开厂制造。

(3) 第三种是从空间打到陆地上的“空地弹”由飞机发放攻击地面或海面目标，这种是历史上最早的一种导弹，在第二次世界大战时美国空军因为要炸德国的桥梁，阻止德军行动，就用过这一种。用飞机炸桥梁，桥是很细的东西，并不容易炸。所以要至少有一种能控制炸在桥梁上的设备。如果沿着桥梁不太很准倒没什么关系，不管炸哪里都可炸断，可是桥梁的横方向要很准确。那时想出一种很简单的能控制的炸弹，那个炸弹尾部有一能活动的舵，舵可受无线电信号来朝右面或左面转。飞机把炸弹放了后，炸弹上有个发烟信号，所以炸弹下去后，弹道可以从飞机看得很清楚。在飞机上控制的人只看弹道下去准不准，是否落在桥梁上。如太偏右了就用无线电信号，把炸弹舵方向向左移，如太朝左即朝右移。这样一个炸弹下去后，左右方向是可以控制的，前后不能控制。因桥是长的，左右控制即可达到目的，那么有这样一个炸弹炸桥梁就比较准得多。这种是空地弹中最老的一种，当然这是很简单的控制，因为炸弹下去飞行速度不一定太大，所以控制系统完全可以靠人眼睛来看，是朝左了还是朝右了，这是最简单最原始的空地导弹。现在在这方面发展是为攻击军舰潜艇的最多。

(4) 第四种是从地面(或海面)到地面(或海面)目标，想用在很长的距离，德国V-2火箭即属此类。已知道V-2最远射程是300多公里，所以谈到从地面到地面这种导弹，大概一般讲都是比较长的射程，现在像美国“下士”火箭弹有比较长的射程。最近美国正在研究很长距离的导弹，有6000公里射程，或是比6000公里更长的射程，都是用在从地面到地面，从海面到海面目标的。这四种导弹，照现在发展情形，控制系统最复杂的是地空弹和空空弹，因为这两种同时还要测量目标运行的速度，在空地弹与地地弹的目标速度是很慢或是不动的，在测量目标问题上是比较简单一点，所有控制就是控制导弹本身。此外，还可以用导弹的弹道飞行的道程是一种什么形式来分，这种分法也可以分四类。

(1) 一种是“弹道导弹”，它的飞行性质与炮弹一样，炮弹与飞机的分别就在炮弹没有受升力，只受一个阻力。就是说炮弹飞行的时候，没有朝上得出一个空气动力，要得朝上的空气动力，那就需要有翼面。没有升力就与炮弹差不多，这种就叫作弹道导弹，是没有翅膀的炮弹(图9a)。它的弹道飞行线，假使说没有空气阻力的话，在平地面是一个抛物线，在地球上是一个椭圆线，所以它上去非常的高。它一般是用火箭推进，起升的速度像V-2式的速度，并不很大，以后速度慢慢增加。到了上空，导弹的方向慢慢拐过来时，就是火箭推进停止作用的时候，它的水平速度是很大的，可是还有一部分垂直速度，到最高点时速度最低，然后因为有地心的吸力，速度又逐渐增加，到了空气层之后速度非常之

(1) 地空弹—由地面(海面)到空中，空防用

(2) 空空弹—由飞机发放打飞机，空防用

(3) 空地弹—由飞机发放攻地面(海面)目标

(4) 地地弹—由地面到地面(海面)目标，多用于远距离，也可以分为：

a 弹道导弹—无翼面，如炮弹

b 滑翔导弹—有翼面，飞行道程平行地面，如飞机

c 复道导弹—有翼面，但只在后部飞行道程用升力

d 跳跃导弹—有翼面，但只在道程转折时用升力

图 9 导弹的分类

大，速度大小和开始的时候差不多。这种弹道导弹，由于它没有升力，对于同样开始速度，能够得到的射程，比较有翅膀的要小，可是在军事上用它有很大的好处。因为没有法子阻止它，防御非常困难。它速度非常之大，到了射程在5000公里的时候，它的速度近乎7倍到8倍声速。这样大的速度，等到发现它的时候，就根本没有时间来提防它。所以这种导弹在军事上有这样一个利益，攻击别人的时候是很难以防御的。比如V-2在攻击伦敦的时候，那就完全靠V-2的不准算是对它的防御，要是准了的话那就根本没法防御。另外，V-1是个小飞机，在第二次世界大战时，德国人用了很多，发生效力很小，因为V-1小飞机，速度小，可以打下来，能够让它攻到伦敦附近的数目很小。V-2就不能防御，因为太快了。弹道导弹既然速度很大，那么要能够得到那样大的速度，就需要很大的火箭推进。这可以说是不利的一点。

(2)第二种是有翅膀的，它是一种滑翔的导弹，它飞行的道程差不多是平行于地面，与飞机很相近，它升起来后，用推动力增加它的速度，增加速度之后，马上就转到平的方向，利用它的运动惯性，慢慢把它朝地面滑翔。这种速度比较低，控制系统比较容易设计。像德国的V-1就是这一类型的。这种跟弹道导弹正相反，它完全是用飞机飞行的方式，得到的速度比较小，所以防御上很容易，还有一种也是这一类型的导弹，美国从前也试过一下，但效力很低。他们把一种旧的、要扔掉的飞机，里头不用人来驾驶，把大量炸药装在飞机里头，然后用另外一个与它有相当远的距离的飞机，用无线电来控制这满载炸药的旧飞机，这种飞机也可以说是一种导弹。

(3)第三种是复道导弹，就是两种道程都有，最初飞上去时它和弹道导弹一样的，由于上面的空气很稀薄，即是有了翅膀能够得到升力很小，它的道路和弹道导弹是一样的。可是当它下来再进入空气层时空气就比较浓厚，翼面就可得到很大的升力。这样一下子它又成了小飞机，所以起先是一个椭圆线的道程，进入空气层以后它就转过来平行于地面。像这样导弹和弹道导弹比起来，它有一个好处，它利用一部分滑翔，射程可以增加。可是它又犯了这个毛病，当它到滑翔的终点，速度可能比较低，所以对方能够防御它。

(4)最后还有一种就是相当轻的跳跃式的导弹。这可用个比喻来说：小孩朝水面上跃石头片，石头片一着水可以跳起来，如果扔的技术好可以一连串跳十几次。跳跃导弹就是这个样子。如果把这个导弹用火箭推进放出来，放得很高，这个时期内这种导弹和弹道导弹是一样的。当它进入空气层时，因它本来就有翅膀，翼面得到很大的升力，把它的方向改变，使它又朝上去。这和石头片碰上水一样，由于水比空气密度要高得多，就把石片顶起来。导弹被顶起来再高上去，空气又稀薄了，它的道程又成了一个椭圆道程，再进来又跳起来，最后越跳越慢(当然，跳一次就耗费它一次动量)，越跳越低，最后滑翔到地面。一般分起来我们把导弹从道程可分作四类，从目标与出发点也可分作四类。我们主要想到的是远距离射程的导弹;如果是短距离，根本没有这样复杂的导弹，差不多都成直线飞行，没有翅膀是不行的。所以在空防用的导弹，都是有翅膀的。

现在有时说火箭，有时说飞弹、导弹，其实无论哪一种导弹，它的推进系统不是完全要用火箭，也可以用冲击式喷射推进机，但现在一般设计方面，为求简单，一般都只用火箭推进，只有空防导弹才用冲击式喷射推进机。冲击式喷射推进机当不运动的时候没有推力，当用的时候先要用火箭推它才行。可是冲击式喷射推进机有这个好处，耗费燃料量比较少，带的燃料也可少，有用负载就可以大。其实每个系统可以又有火箭又有冲击，或者喷射推进机。例如，拿远距离的导弹来说，像现在V-2式的远距离导弹完全是用火箭推进，其实也可以用火箭推动以后，继续利用冲击式喷射推进机把它加速度。当到高层的空气里头，空气稀薄了，它不能得到很大推力，我们把冲击推进机换回来再用火箭。这就是说，先火箭推进，中间是冲击推进机，最后又是火箭推进。这样设计是比较复杂，可是有个好处，就是起飞的重量和消耗燃料重量可大大减低，这也可能是一个发展的方向。从理论上计算来看，这种推进机有很大的好处，但设计上比较复杂。要看设计的情况才能决定是否要用这个比较复杂的推进系统。现在说了这几种，举例看看：在第二次世界大战期间德国有这样一个设计(表2)，设计是A9加上A10两级的火箭，表上这些数字都是计算结果。这种火箭并未得到实现。这个火箭是两级，一个小的火箭底下加上一个大的火箭，小的叫A9，大的叫A10。小的火箭和V-2一样，不过加了个翅膀，它飞行的道程是属于复道导弹类或跳跃导弹类的(大体设计是跳跃导弹类的)，先有一个弹道式的道程，然后再接着是滑翔。另外我们可看一般的数字，这个A9全长14.2米，和V-2差不多一样，直径是1.65米，重量约16吨，空重量(就是没有燃料在里面)是3吨，加上燃料共16260公斤，燃烧是11910公斤。另外有过氧化氢加上过锰酸钾一共是350公斤，是用来转动涡轮机的。有用负荷是1000公斤，燃料流量125公斤/秒，燃烧时间95秒，推力(海面)25400公斤。我们再看底下大的火箭，它的全长是20米，直径是4.15米，包含尾舵在内的直径是9米。它起飞重量是69000公斤(不包括小的)，总空重量是17000公斤，带着烧料50560公斤，所用转动涡轮机的燃料是1500公斤。它的有用负载是28吨，燃料流量每秒差不多1吨，燃烧的时间是50秒，推力在海面是20万公斤，即200吨的样子。头一级先烧，燃烧终速度是1200米/秒，燃烧完了后这两个火箭即脱离，上面A9火箭即开始燃烧。第二级再燃烧95秒。当这级开始时已经有1200米/秒速度再加速度(当小的火箭加速度时大的火箭即掉了下来)。小的最后加到2800米/秒。第一级燃烧终高度是24000米，第二级燃烧终高度是160000米。A9的总射程是5000公里。这些数字只是计算出来的，但这种火箭从来就没有制造过，做过一两次实验的都未成功，这是因为安上翅膀以后控制上的问题未完全解决。

表2 德国A-9+A-10两级火箭设计(未实现)

我们再举德国防空飞弹为例。它也只做过初步实验还未实际运用，这个导弹叫“瀑布”(见表3)。(因德国在第二次世界大战，设计实验很多个导弹，为了不致把这个设计泄露出去，都有一个特别名字，这个叫“瀑布”，还有很多名字，如叫“莱茵河女儿”。)“瀑布”全长是7.8米比较小，直径还不到1米。要是包括翼面(它是有翼面的，四个翅膀带四个尾巴)直径就是2.5米。它的起飞重量差不多4吨，空重是1756公斤。燃料是用发烟硝酸和苯胺1850公斤，炸药重量是150公斤，燃烧流量31.6公斤/秒。表3上有一个计算推力和一个实测推力。实际测出来的比计算出来的小一点，是7780公斤。燃烧时间设计是45秒，实际测出来是40秒~42秒。最大的速度是760米/秒(我们知道声速是336米/秒，最大速度是差不多2倍多声速)，最高射程(朝上打飞机)是18000米左右，最大的平面有效射程是26公里左右。“瀑布”导弹的有效范围是横的方向走得远，直的方向就走得小。

表3 德国防空导弹“瀑布”(初步试验，未实际运用)

这里我想把火箭与导弹名词的区分说一说，这个不但我们有混淆，在外国文字里也有混淆。火箭这名词有两种用法，一种用法是指火箭推进机，就是用燃料打到燃烧箱里头，由喷嘴喷出来，与别的推进机不同，它的燃料氧化剂完全带在本身的，不像别的推进机光带燃料，氧化剂是以空气来作氧化剂。因此我们应该把它叫火箭推进机。另一方面，用火箭推进机的导弹，也有人称之为火箭。往往说话省字，把火箭推进机也叫作火箭，这样就常常把火箭和导弹混淆。其实火箭推进机是推进机本身，这个推进机不一定用在导弹上边。所以我们用下面的区别方法：如果导弹的推进机本身是火箭，我们就叫它火箭，以别于一般的导弹。用火箭推进机的不一定是导弹，所有导弹又都不见得是火箭推进的，也可以用冲击式喷射推进机。

七、 导弹的控制系统

现在来谈导弹的控制系统。这里头比较复杂的是空防导弹用的系统。空防导弹用的系统有很多种，我现在举比较简单而且也是现在实际用的为例，即驾射线式导弹(图10)。有个公开例子，有一个瑞士厂曾制造这一种防空导弹。比方说有一个飞机来了，要把它打下来，第一步要测定飞机目标，在什么时候走到空间的什么地方。测这个要用雷达站来测飞机，测定了飞机在一定时候的空间位置，这种情报就由雷达传到射线站。射线站只有一个目的，就是制造一条射线，比如说探照灯光线，把飞机罩住并跟着飞机走。怎么转动射线站方向，这由传导线从雷达站过来的情报来控制。这射线目的是把火箭导弹进入到射线里去，而一进入射线，火箭本身就有个自动系统，保持在射线里面。若能做到这样这就没有问题了，因为雷达站把飞机方向指定了，这个射线一定照到飞机上去，而导弹一定在射线上面，最后一定非碰到飞机不行。所以，头一步问题，怎么能放出导弹使它到射线里去。为了这个目的，就设了一个初制导站。导弹一进入射线初制导站工作就完了，导弹本身就能架在射线上，雷达站情报就让射线一直跟着飞机走，最后就碰到飞机上了。

图 10 驾射线式导弹

有许多办法来使导弹最后能找到目标(终制导)，我现在随便列四个办法：自带雷达、超声、觅声源、觅热源。可以看得到用得最多的是导弹本身自带着雷达来找着目标这种办法。其余几种，在第二次世界大战中德国人都试过，有的还可以，有的不大行，那时发展程度很低，现在设计还可以考虑。在具有终制导的导弹中，导弹可分三部分来控制：第一部分就是让它进入射线里面，进到射线里面去之后，它自己就跟着这个射线走，射线移动是以雷达站来测量飞机空间的地位，测量好了这个射线即跟着这个飞机走，然后这个导弹又跟着射线走，所以一定要把它带到飞机附近;带到飞机附近以后，它的终制导系统即开始起作用，就自己找这个目标，譬如说可用它自带的雷达系统。再看比较长的射程如V-2式射程可用什么办法来组织，这就很容易，因为心里有底目标在哪里，假设我们作比较长的射程，就必须要时时刻刻知道导弹本身是在空间的哪一点，并知道它的速度。有了这种情报以后，把这种资料送到输信号的站上去，这个站它有自动计算的系统。自动计算系统是这样的，我们假设是目标不移动的，所以我们预先知道，假设要打到这个目标应该走的道程是什么道程。现在实际走的道程是用雷达站来测定的，在输信号站里的计算机就拿这两种资料来比较，一比较就可以知道导弹的偏差，而且计算机还可以计算出要改正偏差，应该用什么信号，就把这个信号从传导站传到导弹上面去，这样就使得导弹本身自动地采取措施来改正偏差(图11)。假设距离不是太远的话，我们一大部分道程都是可以用这一个站来控制它。但只用这个站作终控制，就会有相当的困难，因为雷达射线若是能够达到很远的地方，它的射线就很低很低，准确程度就差了。但是我们可以不用雷达站，而用导弹自己带的终制导系统。如果要炸的是个工厂区，就可以用热源的办法。譬如，炼钢厂上面总是很热的，许多高炉炼钢炉产生很多热，那一片面积即有很多热出来。导弹自己就可自动找热源飞到目标上去了。

图 11

现在再讲一个长远距离的控制系统(图12)，比方射程是6000公里。这样它的起止点，一段可以如图上画出这样的控制系统，包括一个雷达站，找出导弹在这一道程有什么偏差，自动地校正它。到了很远的地方，导弹滑翔下来离地球面近了，这第一个制导站效力就不能发挥了，因它的射线太低了，这样就需要到海面上布置一个中途制导站，设在船上，甚至于设置第三个制导站。如果离目标很近不能够用船可用潜水艇。沿途预先布置了制导站，这个导弹飞起来，沿途就有照顾改变它飞行的偏差，最后可以用它自己终制导系统寻找目标。至于寻找目标的系统，我看见过一种用地图的办法。这样导弹前面有一个无线电传真，它看了目标可以跟带在本身的地图比较。用电光系统照在一个仪器上，最后找着地图，地图会告诉你目标在哪里。如无线电传真看到的地图和本来的地图不一样，导弹可以自动校正方向，来使看的这个地图与原来预计的完全一样。当然你是要一直对着地图，是可以达到目的的。假若没有在中途设立许多制导站的可能性，也可以有办法，那就是天文测量。在大的导弹就可以利用测量星位的办法，譬如太阳的位置、月亮的位置等。这里头包含的仪器是很稳定的一个系统，使得天文测量是定型的。有这样一个很稳定的系统以后，以它作出发点上面搁置一个经纬测量仪，来测量星的位置，测量好了以后，这种情报就放在计算机里面。计算机当然包括中间制导时间是多少。同时，按照放在计算机里的资料，太阳、月亮在一定的时间它应该在哪儿，将这个和测出来的地位比较以后，导弹可以知道自己地位在哪儿。知道地位之后，就知道相对于一定位置有多少偏差，计算机就计算出来，应该如何校正。所以假设中间完全没有制导站的话，可以用天文测量系统。对于雷达系统来说，目标离雷达远了计算误差就大，因为信号回来误差可能很大，所以远距离要是完全用这种仪器的话，错差逐渐增加很大。可是天文测量系统，一直在导弹本身里面，因此它和导弹本身没有什么分别。完全靠设计自动天文测量，计算设计也可能有一定的误差，但这误差在任何道程都是一样。所以天文测量的系统有这一个好处。当然我们可以想象得到，这样的一个导弹天文测量系统是比较复杂的。

图 12

应该指出，自动控制系统问题比较推进的问题方面要复杂得多，可以说世界上任何国家，在以前研究设计飞弹、导弹方面对于自动控制问题的困难估计得过低。在第二次世界大战后期，德国人很想能够用飞弹来抵抗英、美的空军，可是始终没有实现。如果我们翻翻他们关于研究文献就可以看出，他们的设计机构在设计推进系统方面，都能很快地解决问题，可是关于自动控制，都是不能得到很好的结果，各种设计的实验中出了很多的事故，都是因为控制系统没有能够设计好。在美国也是这样的，他们完全把德国人设计资料找来，甚至把德国许多工程师也请到美国去工作。因为他们认为美国电信工业的发展很高，因此觉得几年工夫就可以解决这个问题。但当实际工作开始了以后，就发现这个问题绝对不是那么简单，因为从前所设计的控制系统，用在工业上或者自动电话上，比起导弹中的控制系统要简单很多，而现在所需要的是复杂得多了。为什么?因为问题本身需要很大的精确度，因为一个飞弹、导弹并不是一个很便宜的东西，你要用它就要与别的一系列东西的价值来比较。如果一个很贵的导弹，放出以后没有达到目标，这是浪费得很厉害。任何富的国家，也受不起这样的浪费。而且如果这样不准，武器的威力也就不大。所以要达到目的，能够打得着目标，是一个最重要的问题，而要能够做到这一点，控制系统就是要有很高的要求，这样一来要把从前关于自动控制的这些概念加以很大的改革。美国人在这一方面，得到这样一个经验，他们以为一两年可以解决的问题，结果差不多花了10年才解决。我们也许可以说，按照一般的估计，关于结构、空气动力、推进的这些问题，整个加起来，也不过是整个飞弹设计问题里面的20%，其余的80%完全是控制的问题。当我们谈到设计研究与控制导弹的问题时，必须要注意到这一点：控制问题是里头的绝大多数的问题。我们要是不能够解决重力花在哪个问题上面，那么，对整个的研究设计制造导弹的问题，那可以说完全是不对头，计划可能就是不能实现。

现在我讲了这许多关于控制问题，大家也许认为控制的问题，照我们这么随随便便一讲，好像讲得很奇怪，有一种意想不到效力。我不愿给大家留下这样印象。我至少很想尽我所能给大家介绍一下控制这一个问题，并不是很特别的一个问题。为了解释这一点，我给大家介绍另外一个很简单的问题，使大家了解自动控制系统理论的应用有什么样的可能性。我就介绍一个自动调节系统(图13)。这个自动调节系统，目的就是要说明：有一个完全不是有目的性的机件，如果我们设计的时候给加了一件东西，这个机件本身行动就好像有了智慧，这样就是自动调节。当环境更改了以后，这个系统自己可以调节它本身行动的方针，能够适应这个环境。也就是说，这样的一个系统，可以说有学习的能力。其实原则上讲起来是很简单的：假设我们用一点的位置代表一个系统的状态，而用一个包围的线代表一个界限(墙)：作为控制系统来说，我们希望这一点能最后达到一定的状态(这是一个预定的状态)。为此目的我们可以在系统中加进两个主要的机件，一个机件可以使系统的性质变动，这种变动完全是随机的，没有一定的规格，另外由图上那一点的位置代表的机件跑到墙上一碰系统性质就开始变化，这个变化是随机的。这两个点的跑动和碰撞之后的改变在本身说来，都是没有一定目的性，但是加起来以后就可以有目的性。这怎么说?我们来看第一个图系统本来性质由很多虚线代表这些蓝点可能跑的途径，实线代表正在跑的路径。可是当点一碰到墙(用甲点代表)，系统性质就变化了。按照图13b在甲点外的一点有朝回跑的可能性(用实线代表)，可是这次变化没有达到目的又碰到墙(在乙点)，结果系统的性质又变化，但可能这次性质(在图13c用虚线代表)的倾向还是企图朝墙跑，但这是不行的，于是系统又经受一次变化。这次点又沿着线跑到两线和墙碰了一下(图13d)，这次一碰又使系统的性质改变。这样碰来碰去，由于改变是随机的，结果也许就产生了图13e的情况，所有的点都集中在一点，那点是最后的稳定位置，系统的性质也就不改变了，因为不再有碰撞的机会。这样就解决问题了。我们可以说刚才这个系统有两个主要的因素在里面，一个因素是它能够随机应变，第二个因素是每次碰到墙以后，它就开始变化。本来当它跑动的时候，系统本身是没有智慧的，我们因为加了一个墙，同时加上碰墙就要改变这一因素，那么它就自己会找到稳定的位置。像这样的系统，本来是没有智慧的，可是如果把它安排好了，就可以产生出智慧来。像这样的系统它自己就有寻找稳定点的性质：要是随便把它扰动一下(就是说环境变了)，那么它也就可以自己经过一系列的改变，找到了它稳定的终点站。也就是说，这个机件本身是完全没有智慧，可是你把它安排好了，它就产生一种智慧，它也能够学习。这例子说明 ，如果我们把问题分析过以后，要一个自动控制系统有什么性质，那就可以人为地把机件安排好使它自己好像有这个智慧，这就是自动控制。我们要是明白这一点就要以看出来，自动控制系统的应用可能性是很大的。当然，在美国有的人说自动控制可以和人的脑筋相比那些怪论。我们知道，那是不能比的，人的脑筋那是比任何自动控制系统要复杂得多，自动控制系统当然不能和人的脑筋相比，有根本性质的不同。美国人宣传这些，他们有他们的目的。

图 13

八、火箭的和平利用问题

我说了这些关于自动控制系统的话，给大家介绍了一些导弹、飞弹的类型，一般控制的办法—这些都是关于军事上的利用。但是我们不能够说火箭推进机或火箭加上冲击式喷射推进机，只能在军事上有用。像6000公里射程的一个导弹，在起飞时候，这个导弹是很重的(因为有许多的燃料)，但是当总重量的80%以上的燃料用完了以后，这个导弹就很轻。它的平均密度就跟飞机差不多。我们计算出来可以得到这样一个结果，就是说当导弹完全滑翔到一个终点，降下来的速度与飞机一样，并不很大。像这样一种导弹如果把它里面做的大一些，里面坐上人，那么这样就是一个火箭飞机。这样一个火箭的飞机，我们就可以在1小时内从北京飞到莫斯科。那么问题是：坐在里面是否会很不舒服?也不见得。因为人对速度本身是没有反应的，人所反应的是加速度。像这样火箭飞机，它起飞的时候，它可以直着起飞，但人还是安安稳稳地坐在那儿。主要就要考虑到飞机起飞的时候加速度有多少。这个加速度并不大，因为要顾虑到结构的重量。火箭的推动力越大，当然结构要越结实，越结实结构就要重。所以如果要考虑到结构不是太重，自然而然要加速度不能太高。根据计算，可以减低到跟一个特别性急的司机开的汽车的加速度那么大。这样人就不会感到很痛苦。而且这样的加速度，经过时间也不过是两三分钟的样子，以后就完全可以舒舒服服。最后火箭飞机在空间慢慢飘下来与飞机一样，也不过像200公里/小时的速度，那就是像普通飞机降下来的速度，所以也不必害怕一个跟头栽下来。那么，我们把这一问题稍微分析一下，一个起先有一个弹道道程最后又加上一个滑翔道程的导弹，换一换即可以变成载旅客的飞机，这种飞机就能够在很短的时间达到很远的距离。所以这是一个和平利用的可能性。再说得远一点，不但我们在地球表面上旅行，我们还可离开地球表面。

现在有些人对所谓星际旅行问题很有兴趣。据现在理论上的计算，这个星际旅行的问题，只要野心不太大，兴趣在临近的几个星，像我们月球、火星，是完全可以做得到的。问题是，到月亮或火星上去，所需要的组织，所需要燃料很大很大，有人计算过，派一个20人的探险队到火星上面去，从地球出发所用的人力和燃料是很大很大的。因为头一步要先到人造卫星轨道上面去，再从人造卫星轨道出发到火星上面去，还要制造火星上面的人造卫星的轨道，然后再从火星上人造卫星轨道降下到火星表面上面去，然后还要回来。这位计算者也指出，这个所需要燃料并不是不可能，所需要燃料大概跟第二次世界大战所有作战国家所用的航空燃料的总和相差不多。那么所以说，人类将来空间活动方面，要把眼光放大了，可能做得到的事情是很多很多的。就是关于现在导弹的研究，也就是给将来这些活动作一个基础，作一个出发点。

九、关于火箭的研究、设计、制造及运用问题

话又说回来，作出发点如何做法呢?当然包含关于这里的科学研究、设计、制造与运用问题。我现在想用最后一个图(图14)对大家讲讲，大概这一系统是怎么一回事。我们需要有对燃料的研究，关于火箭推进机本身的研究，空气动力学的研究，冲击式喷射推进机的研究，结构的研究，控制系统的研究，控制元件的研究，运用学的研究。这里面所需要的设备我也随便说一下：燃料研究当然需要燃料实验室，同时要发现那种燃料合用的话，还须设法制造它，所以还要有中间工厂，来配合解决燃料制造问题。火箭推动机的研究当然要有实验台，但所需要的火箭推进机的推力是很大的，像V-2这种火箭它的推力差不多是3吨，那绝对不能在城市附近来试验(谁要是听过V-2火箭飞起来那就知道这是什么缘故。因为那声音响得不光是使人难受，而是响得使人耳痛，

图 14 导弹的研究、设计、制造及应用

像这样大声音绝对不能在城市附近做实验)。比如从前德国的火箭实验，现在美国的火箭实验，试验台完全在城市外，盖在一个山岩的附近。因为这个台是从峭壁伸出去，使火箭的火苗朝下走，火苗很长，大概就有20米长。底下如果是石头，就把石头冲化了，所以底下要有很空的地方。关于空气动力的研究，当然需要风洞，这个风洞不是飞机所需要的一般的实验用的风洞。因为我们是要研究长距离火箭或导弹，我们需要的风洞中速度，绝对不止是2倍于声速，或者3倍于声速，而是要到6倍与7倍，甚至于到10倍声速。我们所要研究的空气动力学，不只是超声速的空气动力学，而是现在高超声速的空气动力学(就是说速度是声速10倍的样子)。要是做冲击式喷射推进机的研究，也是要有风洞。可是这种风洞与空气动力学所研究和所需要的风洞不大一样。缘故是我们用冲击式喷射推进机的速度并不是很大，我们用它的范围大概是两三倍，或者最多到4倍声速。所以照速度来讲，它是比空气动力学所需要的风洞是小。可是另一方面它又复杂了。因为你要研究它的时候必须要点上火用燃料来燃烧，这个风洞绝不能够是一个循环式的(循环式的风洞中空气能在内循环)。因为空气用过了不能第二次再用了，所以这样的风洞一定是开口的风洞。这个开口的风洞，所需要的动力就比循环式的要大。我们在一般实验的时候，可用小的模型，但是实验冲击式喷射推进机，就没法用太小的模型，因为要燃烧系统在里面。所以在这方面所需要的风洞，一定要比研究空气动力学问题的风洞要大。就是说，比较起来，空气动力学所需要的风洞是小一点，不过速度要很高，而研究冲击式喷射推进机的风洞，它就可以速度低一点，可是要大而且要开口，而且要能够换气。那么结构实验呢?当然需要材料实验室，结构设备实验室。控制系统的研究一定要包括高速电子计算机，因为我们在控制问题里面，要用许多高速电子计算机。所以研究的时候，当然关于电子计算机也要研究，并且还要运用。控制元件也要有它自己的实验室。我们现在还加了一个运用学的研究，也是很要紧的。因为以前的一些武器，差不多多少年来没有什么特殊的革命性的改进，每一种武器都是小部分逐渐地改进的，我们对那种武器性能完全了解。而新式武器的性能差别很大，你如完全不注意这点，在运用时候就不能完全发挥新武器的效能。例如德国人在发展V-2大型火箭时候就出现这样的问题。因为这个火箭性质是这样的，它在放出去是放到最远射程。所以说，放的角度要是不对，实际上得到的总是比预计射程要小一点(比如我们人扔皮球用尽力量扔，你如扔的角度对的话，你可扔到远的地方，若是扔的角度不对的话，绝不会超过最远距离)。如果V-2瞄准总是瞄得最远距离的话，它一定是落得太近，而不会朝远走。这就是说，V-2着地点的分布形状跟普通炮弹不同。炮弹打出去的速度本身可以变化，角度也可以变化，结果它的着地点是一个对称的分布，V-2火箭着地点并不是对称的分布，只有朝近点分布。那些德国人别的地方都很小心顾虑到，但不知道怎么一回事，关于这个运用问题却没有注意，所以在打伦敦时很吃亏。他们把目标瞄在伦敦，可是这角度要是不对一点，就打不到伦敦，结果真正打到伦敦城里密度就小，打到城里的命中率就很低。据英国人自己的计算，假设德国人了解这一点，他可以把命中在伦敦的密度再增1倍。这说明德国人吃了很大的亏，因为运用时没有运用好，结果把威力减少一半。这是说明运用研究的一个简单的例子。一种新武器的运用是很重要的，我们要注意武器本身各种性能，仔细考虑应该如何运用，所以要有这个运用问题的研究。下面来看研究的结果怎样和设计制造联系起来。问题研究的结果都送到设计局，设计局研究结果拿来设计导弹。设计好了把图纸和制造的工艺过程完全交给导弹制造厂里去。可是还要有许多辅助工厂，第一结构材料需要有，因为也需要特殊材料，还有控制的元件制造厂。再有燃料厂用燃料研究结果，准备制造燃料。控制元件制造厂的产品一部分送到控制站装备制造厂;需要装配雷达站、信号站、控制站。同时设计局当然也需要考虑到控制元件制造和控制站制造的设计。我们还要导弹技术学校，要教人怎样来运用导弹。当然运用研究和这方面也有关系，从设计局得到导弹本身性能，运用研究出来如何运用。有了燃料厂生产出用的燃料，有了导弹控制站，有了如何用它的人，有了如何运用的知识，然后归结到导弹部队去。当然最后还要把运用的经验与结果情报送到研究和设计方面，再来进行研究。上面画的是一个整个系统。当然各部门所发生的问题每时都要送到研究机构去来解决。现在最要紧的研究部门是控制系统的研究。前面已说过控制系统差不多需要整个研究设计的所有的力量80%。像这样一个整个组织，这样一种特殊的部队，有它特殊的性质。运用这个导弹，比较说来所需要的技术知识很高。我们现在已经有了陆军、海军、空军。这种导弹部队也许给它起另外一个名字，因为它是用火力的，所以叫火军。(古代希腊人说：世界万物由地、水、风、火四种元素组成，我们这里所说的陆军、海军、空军、火军正是一种对应的关系。)这里有一点我想应该指出来，就是在这些关于导弹的研究设计的组织表里已经可以看出来，我们所需要做的科学与技术的研究是很多的，需要解决的问题比任何可以想得到的任何武器所需要的更多些。这里面所需要的科学的科门是很广泛的。现在问题是我们怎样运用我们现有的科学人才，把力量放在这方面进行研究。而且尤其要注意到，我们需要一种科学家，他既不是纯粹的工程师，也不是纯粹的基本科学家，是介乎这两者之间的，就是能够运用基本科学家的原理，像工程师一样地解决实际的问题。这样的科学家，需要一方面有基本科学家的训练，同时又了解实际运用上工程技术上的问题。当然我们需要普通的工程师这是不成问题的。但除了工程师之外，我们还需要一些科学家，他能够发现新的方向，能够运用基本科学知识来找出解决这些问题，这些问题是在任何工程里面不大会有的。如控制系统需要的条件很高，要是用一般的电工学的方法来慢慢地处理这个问题，那就使解决的时间很长。我们必须从原理方面出发，很快抓住实际的困难症结所在，能够用更好的技术，更有力量的科学原则，来很快地解决这些问题。在别国也发现了这些困难。比如在美国的研究里面，就发现不能够用很多电工学工程师解决这些问题，他需要吸收许多能够了解理论科学和技术的人，来帮助他们一同工作。换句话说，这里所需要的人不光是工程师，工程师之外还需要很多做研究的人，做研究人里面而且还要许多人能够运用基本科学的原理，也了解工程技术上的困难。这样才能够推动整个导弹的研究、设计与制造、运用。因此，我们要注意到怎么样来利用现在已经有的科学技术人员，必须要做到这一步，才能够保证我们这个任务可以在比较短的时间里面完成。

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