【物理史中的三月】1926 年 3 月 16 日:高達德(Robert H. Goddard)和液體燃料火箭的首次發射

1926 年 3 月 16 日:高達德(Robert H. Goddard)和液體燃料火箭的首次發射

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2001 年 3 月)

人類使用最先由中國人在13世紀發展出的固體火藥火箭有好幾百年,但卻一直有著瞄不準的缺點,因此在 19 世紀末,隨著大炮的改良而逐漸少見使用。有一個人突破限制,他叫做高達德博士(Dr. Robert H. Goddard),是新英格蘭物理教授,也是美國火箭先驅者,以現代火箭推進之父聞名。他開創性的研究對軍事飛彈學和太空科學探測中重要性日增的火箭推進奠下了基礎。

1882 年,高達德出生在美國麻塞諸塞州伍斯特(Worcester, Massachusetts),有次他和家人居住在友人靠近伍斯特近郊的屋子時,他於 1899 年 10 月 19 日爬上一棵老的櫻桃樹,要去修剪枯死的樹枝,但他卻注視著天空,開始幻想著有天可以到火星去的可能裝備。高達德有一次說:「當我爬下樹後,我完全改變了。」他標記那一天是他往後一生的週年紀念日,也是他私人的假日,因為在那當下他即致力要實現太空飛行。

高達德最先於 1907 年吸引大家對他研究火箭的注意,他在伍斯特理工學院物理館的地下室發射火藥火箭,產生一陣驚人的煙霧。應該給學校行政人員肯定的是,他們並沒趕走高達德,之後還讓他請了幾次假來繼續他一生的興趣,以及對火箭推進的熱愛。

早在 1909 年,高達德就考慮利用氫和氧作為液態燃料火箭的概念。他接受在伍斯特的克拉克大學(Clark University)教職後,持續做研究。他發現固體燃料排出氣體的速度比使用液態燃料所能得到的少;然而,液態燃料需要持續有氧化劑的來源,這樣燃燒的速度才能產生所需要的火箭推力。因此,必須要發展在燃燒室以適當比例結合燃料和氧化劑的方法。燃燒所產生的高壓需要以更高壓將燃料和氧化劑投入燃燒室。

試過幾次的設計後,高達德終於選定汽油當作燃料,液態氧(lox)作為氧化劑。低於 -297℉ 的氧在常壓下是液體,溫度增高時,氧會蒸發,在密閉的容器中產生極大的壓力。高達德利用這氧氣的壓力同時將兩種液體從它們的儲存槽打出去,經過不同的管子,進入燃燒室混合燃燒。為了加速液態氧蒸發,高達德用一個酒精爐將其加熱。

在液態氧儲存槽和汽油儲存槽之間有一個擠壓氣體的連接管子,這需要有安全機制,以免液體在進入燃燒室之前會經過此管子去和另一液體混合。一旦火箭離開地面,這個氣體的壓力是將燃料和氧化劑打出去的唯一方法,然而,在發射前,必須從離火箭約 30 呎處的氧氣瓶將系統加壓。厚橡膠管將氧裝入火箭壓力管,當火箭開始升空,需要拉開橡膠管,拉開後的開口裝上止回閥(單向閥)猛力關上,避免壓力流失。燃燒室裝備有一個點火器系統,包含火柴頭和黑火藥,當液態氧和汽油被推進燃料室時,可用以點燃它們。

最後的倒數計時和發射只需幾個步驟,首先,助理使用長竿上的小型發焰器伸手去加熱點火器的盒子,直到裡面的火柴頭著火,點燃黑火藥。之後他關上液態氧儲存槽的減壓排氣孔,很快地點燃火爐上的酒精棉。其次,高達德以每平方吋 90 磅的壓力從汽缸將氧輸送到推進燃料槽。這將汽油和液態氧推進燃料室,在那裏點火器還正燃燒著。一聲巨響,火箭的引擎發動。當火箭引擎的推力超過重量時,只用軟管拴住的火箭從地面上升幾吋。高達德用一條長繩拉鉸鍊桿把軟管猛力拉開,火箭就自由飛出去了。鉸鍊桿的搖動使得裝有彈簧的閥掉下來,液態氧就滴進已加熱、圍繞著液態氧槽的燃料室。液態氧很快蒸發成蒸汽,因而產生的氣壓就推液體進入燃料室。

因此,經過 17 年的理論和實驗研究,高達德終於在 1926 年 3 月 16 日,在他姑姑艾菲(Effie)位於麻塞諸塞州奧本(Auburn, Massachusetts)的農場,成功地發射液體燃料火箭。高達德在他的日記中記錄下這一刻:「它上升時看起來幾乎像是魔幻般的,沒任何明顯的大噪音或火焰,它好像在說:『我在這裡已經待夠久了,如果大家不介意的話,我要去別的地方。』」接著他又加寫:「很令人驚奇的是,它沒有煙霧,也沒巨大轟隆聲,火焰也是小小的。」

飛行 2 秒半後,燃料耗盡了,巨響嘎然停止,火箭在 184 呎外掉落地上。估計它的時速達到 60 哩,高度 41 呎。雖然設計還在初步階段,談不上實用,但高達德的基本概念證實有效,它的重要性被認為可和萊特兄弟在北卡羅來納州小鷹鎮(Kitty Hawk, N. Carolina)載人的飛行成就相比擬。在接下來的幾年間,高達德繼續研發火箭,以迴轉儀控制火箭的飛行,再以小葉片放入噴氣口來操縱,建造更大、更快的火箭。

然而,還是靠了別人才完全實現了他的夢想。在高達德於奧本成功示範的 18 年後,他開創性的成就成功地應用在德國 V-2 彈道飛彈中,而他也持續在火箭研究中獲得了 214 種不同的專利。可惜的是,這位 1920 年就預想火箭飛抵月球的人並未在有生之年看到現代太空時代的到來;他於 1945 年辭世。1959 年,為了紀念他,美國航空暨太空總署在馬里蘭州建立了高達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center),而他也被全世界認為是不僅了解飛彈和太空飛行的潛在力,更直接做出讓它實際實現的貢獻之首位科學家。借用高達德自己的話說:「很難說什麼事是不可能的,因為昨日的夢想是今日的希望,更是明日的事實。」

 

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