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航天领域的先驱奥伯特博士!

提到航天先驱,人们通常会想到两个人。一个是俄国物理学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基,另一个则是美国的罗伯特·戈达德。

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齐奥尔科夫斯基的一席话:“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远生活在摇篮中。人类首先会小心翼翼地穿出大气层,然后将征服整个太阳系。”鼓励着无数有志于从事航天事业的人。而其推导的火箭方程更是简洁明了地提供了挣脱地球引力之道。上图为1987年发行的苏联1卢布硬币上的齐奥尔科夫斯基像。

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戈达德博士则以214项与火箭有关的发明专利和对陀螺仪、矢量推力的早期应用而荣获美国航天之父的称号。戈达德说的那句:“昨天的梦想就是今天的希望、明天的现实。”也成为了航天圈里的至理名言。上图为戈达德与他设计的火箭,摄于1926年3月8日。

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而本文要讲述的奥伯特博士,则既独立推导出了火箭方程,又亲自制造过大量火箭的原理样机,同时也用他的言行发掘和培养了大量航天奇才。可以说,奥伯特完全够资格与齐奥尔科夫斯基、戈达德齐名,称为航天先驱“三杰”之一。

科幻迷  弃医从工造火箭

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1894年,在奥匈帝国时期的特兰西瓦尼亚的一户撒克逊医生家庭里,一个小男孩儿诞生了。在那个年代,人们饱受疾病侵扰之苦。赫尔曼·奥伯特出生的时候,几乎要波及全世界的第三次鼠疫大流行正在爆发。而流感和结核病也仍旧在不停地夺走很多人的生命。出生在医生家庭的小奥伯特被寄予厚望,在家人充满爱意的凝视中,一位未来的大医生即将成长起来。上图为离奥伯特出生地不远的科文城堡,如今在罗马尼亚境内。

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奥伯特的童年在锡比乌小城度过

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但是,小奥伯特的兴趣在1905年发生了重大转变。11岁的他开始痴迷上了儒勒·凡尔纳的系列科幻小说。妈妈送给小奥伯特的11岁的生日礼物是两本书。一本是《从地球到月球》,另一本是《环游月球》。

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这两本书都是儒勒·凡尔纳的重磅力作。《地球到月球》成书于1865年。小说记叙了在后美国内战时代,巴尔的摩大炮俱乐部的主席巴比康和其竞争对手费城的铠甲制造商尼切尔船长以及一个叫迈克尔的法国人乘坐一枚由巨型大炮发射的中空炮弹飞向月球的故事。《环游月球》则是这部小说的续集。

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奥伯特被书中描述的发射过程和计算轨道的方法所深深吸引。他一遍又一遍地读着这两本书,试着从中找到具体的实施方案来指导自己制造一枚能够冲出地球的“炮弹”。

但是,在他12岁的那一年,通过简单的计算和试验,奥伯特发现使用大炮来发射飞行器的方案是不能够用于载人飞行的。他意识到了发射瞬间的巨大过载的问题。他整日冥思苦想,试图能找到一种能够较为缓慢地将飞行器的速度提升起来的方法。最终,用大炮来发射航天飞行器的方案逐渐被火箭所代替。

奥伯特用了2年的时间,在14岁的时候造出了第一支火箭模型。他向老师和同学们说明了自己的想法:大炮在发射瞬间的巨大冲击力会让坐在里面的人很难受,而他的火箭则能够逐渐将飞行器的速度提升到所需要的水平。今后如果他的火箭发动机能够长时间正常工作的话,他的火箭是能够让人们加速到离开地球所需的速度的。可惜,在那个时代,能够坐下来仔细听他讲解的孩子实在是太少了。

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转眼就到了1913年,19岁的奥伯特不出意外地考入了慕尼黑大学医学院,开始按照整个家族的期待攻读医学学位。但是,在他入学后的第二年,第一次世界大战就爆发了。卷入战争的奥匈帝国将奥伯特派往锡吉什瓦拉医护中心。成为了一名军医的奥伯特在目睹了战场的残酷和无奈后,想起了他小时候研究的火箭。如果不用派出敢死队去向碉堡冲锋,而是用火箭将炸药投掷到对方的阵地,不就能减少己方人员的伤亡了么?如果对方的阵地能够被快速占领,那么双方士兵在泥泞不堪且到处都是病菌的战壕里待的时间也可以大幅缩短。

于是,奥伯特重新拾起他的火箭研究计划,并且在战争期间完成了大量有关超重和失重等问题的研究。1917年,奥伯特完成了液体火箭的概念设计。他向当时的普鲁士军事部长冯·施泰因展示了他的火箭,并通过详细地分析指出这样的武器装备将会改变战争的形态。

可惜,奥伯特的创新设计并没有引起军方的更多兴趣。奥匈帝国也就没能有机会把火箭应用在战争中。1919年,奥伯特回到了战争结束后的德国。这一次,他决定再也不背弃自儿时就已经产生的对航天的浓厚兴趣。他毅然放弃了医学院的邀请,开始从头攻读物理学。

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在1919年,当奥伯特放下手术刀,开始埋头推导轨道动力学方程的时候,会不会听到50年后人们为了人类能够登上月球而爆发的欢呼呢?在他抬头仰望星空的时候,是否能够想象得到会有数以千计的飞行器在围绕地球飞行呢?

划时代   博士论文很深奥

3年后,奥伯特认为他已经完成了航天飞行所需的基本理论推导。结合以往几年的大量试验和最近反复多次的验证,奥伯特写成了他的博士论文——《飞往星际空间的火箭》。这本92页的博士论文里面用详实的公式和缜密的推导阐述了用火箭将人类送上太空的方法。小火箭认为,奥伯特实际上在当年已经独立于齐奥尔科夫斯基和戈达德,给出了自己独特的证明方式和正确的解决方案。

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可是,这已经是后话了。在当年,几乎无人能读懂奥伯特繁杂的公式推导,也少有人能静下来下研读奥伯特的火箭概念图。这导致他向学术委员会提交的博士论文以“过于脱离现实,充满了天马行空的想象”为由而被驳回。

奥伯特没有气馁,但是也根本没有按照委员会的要求重写论文。继弃医从工之后,他又做了一个重大的决定:放弃申请博士学位。在后来奥伯特接受采访提到这件往事的时候,他明显没有讲述孩提时代的科学探索那样神情轻松,但是在言语中却多了几份坚定:“我当时就是想让人们看看,即使没有博士头衔,我也一定能够成为一名优秀的科学家!”

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1923年,被拒绝进行博士答辩的奥伯特没有继续追究委员会的傲慢,也没有想着去解释论文中的每一个公式。他自己出资,将这本被拒绝审阅的博士论文出版发行了!

他的论文在刚刚上市的时候,有些人是以阅读科幻小说的心态来读的。但是,很多人还是开始发现奥伯特这个小伙子说的载人航天并不是在闹着玩。奥伯特在继续进行火箭研究的时候,也在认真回复着来自世界各地如雪片般飞来的信件。在所有的往来信件中,我想,齐奥尔科夫斯基和戈达德的信件会是奥伯特最为珍重的。他们详细讨论了未来火箭的样式与火箭方程的细节。在这两位大师的鼓励下,奥伯特也终于开始觉得不再孤单。

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此时的奥伯特,已经准备着手成立业余火箭研究团体“星际航行学会”了。有些人验证了奥伯特的计算,并愿意为他获得博士学位而进行人格担保。但是,奥伯特说:“整个德国的教育系统像一辆汽车。这辆车有着功率强大的尾灯,能够照亮过去,但却难以启迪未来。”示意大家不用去和学术委员会争执。不过最终,贝什·鲍里亚大学给了奥伯特一个交待。他们依照奥伯特的那篇具有划时代意义的博士论文给他授予了博士学位。

而提起他的博士论文和其对德国教育体系的批评,可以说有一个少年在其中受益匪浅。这个少年就是冯·布劳恩。当时的冯·布劳恩只是一个十几岁的少年。11岁的时候,他用从焰火商那里买到的6支特大烟花和一辆滑车制造了一辆“火箭车”。点火后,烟花产生的推力大大超出了他的预料,火箭车失控了。不过,好在这次试验没有伤及旁人。被警察抓住的布劳恩被移交给了当农业部长的父亲后就获得了释放。当时痴迷于制造火箭的布劳恩疏于学业,只想在父亲的车库里摆弄机械。

直到1925年,他得到了奥伯特的著作后,一切都发生了改变。这本书给了人们奔向太空的憧憬,甚至给出了详细的解决方案。但是,13岁的布劳恩又怎能看懂里面复杂的公式呢!为了能够实现书中提到的造出火箭的方法,布劳恩开始苦心学习数学和物理,并且一下子就从不爱去学校的“车库发明家”变成了一个见到老师就追上去问起来没完的学生。

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1930年春天,奥伯特在德国的火箭试验取得了较大进展。在大量航天爱好者的恳求下,奥伯特完成了一部429页的巨著——《通往星际之路》。用更为详实的推导阐述了火箭发动机和弹道动力学的奥秘。奥伯特博士的研究已经开始指导人们向实用化的火箭稳步迈进。

而就在这时候,18岁的布劳恩经过朋友引荐,终于得以面见奥伯特博士。他羞赧又谦虚地向奥伯特介绍自己:“我热爱火箭,但是我除了充足的业余时间和一腔热情之外,几乎什么都不会。”而奥伯特则对这个小伙子早有耳闻,他只说了一句话:“你马上就来我们这里吧!”奥伯特将布劳恩引入星际航行学会并悉心指导。布劳恩很快就成了学会的骨干力量。奥伯特博士当年的那篇论文也对布劳恩来说也再也不是晦涩难懂的“天书”,而是能够切实推动火箭从纸上概念到实际飞行的发展“路线图”。

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这张珍贵的照片摄于1930年。照片中间的那个人就是奥伯特,他当时正在柏林向星际航行学会中的火箭爱好者们讲解液体火箭的工作原理。注意,照片右数第2个人,那个认真听讲的小伙子,就是18岁的冯·布劳恩。

成大师  铺就人类登天路

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1928年到1929年间,奥伯特博士成为了由弗里茨·朗导演的电影 Frau im Mond的科学顾问(该电影的中文译名为《月里嫦娥》)。他的加入使这部电影充满了对火箭科技的前景预测。(注意下图的电影海报中,火箭头部的脱体激波。)

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电影中有关火箭的设定完全按照奥伯特的方程来设置。而这部电影还史无前例地准备用发射一枚火箭的方式来作为电影的首映礼。奥伯特在报刊杂志上登载广告招聘助手。最终,战斗机飞行员鲁道夫·内波尔入选。可惜,在波罗的海岸边的霍尔斯特岛发射场,试车中的液体燃料火箭爆炸了。电影摄制组受到了冲击。为了安全考虑,首映礼取消了火箭发射项目。

奥伯特与助手内波尔、得力弟子布劳恩一起继续努力,终于在1930年7月23日实现了液体火箭发动机的稳定工作。到1938年,奥伯特和布劳恩的火箭技术已日臻醇熟。在维也纳工程学院和德累斯顿大学研制火箭的奥伯特博士终于制出了可靠的燃料泵,并进一步完善了固体燃料火箭的概念设计。

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第二次世界大战爆发后,纳粹德国对V-2火箭的研制加快了步伐。1940年,奥伯特博士被邀请到佩内明德研究中心参与V-2火箭的研制工作,主要负责导弹弹道计算等理论工作。

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二战结束后,被短暂关押的奥伯特博士得到释放。他得以继续进行火箭研究。1950年,奥伯特的固体火箭在意大利海军的支持下研制成功。之后,他回到德国纽伦堡从事教学工作,把对载人航天的热情挥洒到了三尺讲台之上。

冯·布劳恩一直被认作是奥伯特的得意弟子。图为当年意气风发的冯·布劳恩刚刚领到奥伯特奖。这个奖由他的老师奥伯特博士亲手颁发。

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1955年夏天,奥伯特博士接受了冯·布劳恩的邀请,开始前往美国。在那里,更大的航天计划在等着他。到达美国的奥伯特一开始就参与到了“红石”导弹的项目组当中。同时,他与当年的学生和朋友们一起开始了大推力火箭发动机的研制工作。1958年,“红石”导弹研制成功。

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奥伯特认为他的大部分的理论计算已经得到了充分地试验验证,于是决定告老还乡。上图为美国当时的航天大牛们的合影。奥伯特和他的航天同仁们一起,向着未来凝视。照片前排穿西装的四人,从左到右:恩斯特·施图林格博士、奥伯特博士、冯·布劳恩博士和罗伯特·鲁泽尔博士。后面穿军装的是霍尔格·托夫托伊少将。

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“红石”导弹成功后的当年,奥伯特博士就回到了联邦德国。他受到了家乡人民的欢迎,被选为联邦德国空间研究学会的名誉会长。但是,他对过往的经历往往采取淡化处理的方式,把推导火箭方程和制造液体火箭的荣耀让给了齐奥尔科夫斯基和戈达德。

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但是,人们怎么会忘记奥伯特对人类探索太空的贡献呢?这张邮票充分展示了人们对奥伯特的敬意。

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已经年过古稀的奥伯特博士依然对人类的航天活动极为牵挂。1969年发生的事情对他来说实在是太重要太令人激动了。他以特殊顾问的名义被邀请到美国,观看“土星”5号火箭的发射(有关“土星”5号的详情,参加小火箭的微信公众号文章《土星5号:最高最重推力最大的火箭》和《F-1:史上最强的单燃烧室液体火箭发动机》,微信ID: ixiaohuojian)。这枚运载着“阿波罗”11号的火箭将3名宇航员送入了绕月轨道。在8天13小时的任务中,人类实现了第一次登月并安全返回地球。在人们讨论着月球上的一小步和人类的一大步的时候,奥伯特凝视着远方,脸上露出了少有的微笑。

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在场欢呼的群众没能注意到,这位老人的思绪或许已经飞到了64年前。那天是他的11岁生日,母亲送给了两本书。也许,《从地球到月球》和《环绕月球》在那个时候就早已预示了奥伯特博士注定将为人类航天事业贡献终生的命运。

(中国AOPA:熊庆平)

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