人類能發射火箭，多虧了這個只上過3年小學的失聰小鎮教師_風聞
把科学带回家-把科学带回家官方账号-专注于孩子的科普教育2019-12-09 15:49
【本文由公眾號“把科學帶回家”提供，ID：steamforkids】
在汽車和飛機都還沒有出現的時代，一個只上過3年小學，自學成才的失聰小鎮教師就計算出了火箭升空的基本公式，並預言了人類的太空時代的到來。現在，國際空間站裏就貼着他的照片。
參考資料 NASA 等
編譯 七君
在1932年，蘇聯社會的各界名人蔘加了一個退休小鎮教師的75歲生日轟趴。在轟趴上，這名只上過3年小學，沒有任何學位的老人獲得了勞動紅旗勳章這個蘇聯的平民榮譽。
這老人是誰，他為什麼能夠得到蘇聯政府的這般重視呢？因為這個老人，就是提出了航天學基石——火箭方程的康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基。
康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基
康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基出生於1857年，和柴可夫斯基以及托爾斯泰是同代人。他的爸爸是被放逐到西伯利亞的波蘭人，媽媽是俄國人。
他是十幾個兄弟姐妹中的老五，但是和兄弟姐妹不同，他的好奇心特別強，而且小時候記性和學習成績都很好。
可惜的是，他一生只上了3年小學。9歲的時候，他在一次溺水事故後感染了猩紅熱，並因此失去了大部分聽力。因為失聰，他不得不從小學退學，爸爸只能在家教他。而後來因為母親的死，他開始不願意和人交往，整日沉浸在書本中。齊奧爾科夫斯基曾説：“我沒有書本以外的老師。”
1873年，16歲的齊奧爾科夫斯基被送到莫斯科學習。不過，他在莫斯科並沒有接受正規教育，而是開始了蹲圖書館自學的生涯。
在圖書館的3年裏，他自學數學、力學、化學、古典文學和哲學，完成了難度等同於高中，以及大一和大二課程的自我教育。耳聾反而變成了一件好事，可以讓他專心在圖書館學習。
在莫斯科的3年裏，為了能省錢買書，他主要靠吃廉價的黑麪包為生。為了和人交流，齊奧爾科夫斯基還發明瞭一個長得像小號的助聽器。利用助聽器，他時不時地去大學旁聽公開課程，還會勇敢地和教授們辯論。教授們對這個沒有任何學位的年輕人的勇氣和知識深感驚訝。
齊奧爾科夫斯基設計的助聽器
但是貧困和過於勤奮的學習讓齊奧爾科夫斯基的身體變差。擔心不能兒子無法養活自己，1876年，爸爸把齊奧爾科夫斯基接回了家。回到家後，憑藉自學的知識，齊奧爾科夫斯基考取了教師證。21歲時，他開始在小鎮博羅夫斯克教數學和物理。1892年，他和家人搬到了小城卡盧加，並在那裏教了30年的書。
不過，當地的居民不願意同他説話，也會迴避他家，因為他家常常會傳出爆炸的聲音。原來，這個沒有任何學位的怪人教師在教書期間還在家做起了研究。
來看看這個19世紀的中學教師只靠低配天文望遠鏡和自己計算，對月球做出的觀察和預測：
在月球上，塵埃會在空中漂浮數天。月球上沒有風，沒有聲音，也沒有植物。月球的山峯高聳，但是上面沒有雪覆蓋，因為月球沒有水。太陽風帶走了月球上的水汽。
月球沒有大氣層，月球的山峯投下了又深又長的影子，月球上日夜的轉換是快速的。月球雖然因為沒有大氣層而不適宜人類居住，但是陽光在月球上不會被大氣層阻擋，人類可以在上面建設發電站，收集陽光。
在教書期間，他還創造了許多依然在被使用的概念和技術：陀螺穩定器、逃逸速度…他還在家裏倒騰出了後來另世界刮目相看的發明。即使在退休後，他還在堅持科研，他一生髮表了500多篇航空航天相關的論文。
比如，1894年，37歲的齊奧爾科夫斯基發明了一種單翼機，長這樣——
他為這個單翼機設計了2個用燃氣發動機驅動的螺旋槳。這個飛機還有水平和豎直的舵面。
為了讓飛機能從地表升空，他還設計了可收縮的起落架。你可以從齊奧爾科夫斯基的設計上看到現代飛機的影子。
可惜的是，因為缺乏資金，齊奧爾科夫斯基並不能立刻將自己的設計製造出來。
1903年，萊特兄弟發明了飛機，不過他們採用了現在基本被淘汰的雙翼機設計。
萊特兄弟和他們發明的雙翼機
而齊奧爾科夫斯基的更接近現代飛機的單翼飛機直到12年後的1915年才被製造出來，真正實現升空。就這樣，發明飛機的就成了萊特兄弟，而不是齊奧爾科夫斯基。
與此同時，齊奧爾科夫斯基還在研究如何控制飛艇的飛行。
當時製造飛艇的材料是類似橡膠的物質，它很難在不同海拔的不同氣壓環境下保持固定的形態，因此控制飛艇的運動就成了一個難題。
不過飛艇是非常受重視的發明，被視為未來的交通工具，因此有很多人也在研究這個問題。門捷列夫就曾説，誰能控制飛艇，誰就能青史留名。
為了解決飛艇運動控制的問題，齊奧爾科夫斯基設計了下面圖中這種全金屬飛艇。他用熱氣替代了容易爆炸的氫氣，並讓充氣的部分變得可伸縮摺疊，以適應不同海拔的不同氣壓。
1892年，他把自己的設計發表了出來。他還把相關計算發送給了俄國理化學會（Russian Physico-Chemical Society），希望學會能撥款給他製造這種飛艇。但是，學會拒絕了他的申請，並認為這個飛艇並沒有任何實用性。
諷刺的是，1900年7月2日，世界第一個硬式飛艇齊柏林 Zeppelin LZ-1在德國起飛。這一回硬式飛艇倒是得到了學會的讚賞。
由於兩次錯過世界第一，而科學研究一直沒有為他帶來任何榮譽或經濟上的好處，陷入貧困的家人也開始漸漸不贊同齊奧爾科夫斯基的研究。但是這並沒有讓他退縮，反而讓他的思想逼近了一個臨界點。
1897年5月10日，他獨立發現了火箭方程。
火箭方程
這個被後人稱為齊奧爾科夫斯基方程（Tsiolkovsky formula）的公式理清了火箭速度、噴射物速度，和火箭質量以及推進劑質量之間的關係。NASA 在官網寫道，這個公式是航天器設計的基礎，直到現在還在被使用。
火箭方程證明，火箭的速度可以超過噴射物的速度。這點非常重要，因為它説明，較低的噴射速度也能達到火箭所需的高速。火箭方程讓人類飛出地球成為了可能。
對數函數的增速逐漸放緩
但是，齊奧爾科夫斯基也注意到，由於火箭方程裏燃料質量對火箭速度的貢獻是對數式的，增長比較緩慢，而火箭不可能攜帶大量燃料上天，因此需要其他方式來推進火箭。
這個難題伴隨着20世紀不幸的頭十年向他襲來。就在1902年，齊奧爾科夫斯基的愛子 Ignaty 在聖彼得堡求學的過程中自殺；而1908年的奧卡河河水氾濫，沖毀了他的小木屋以及裏面收集的科研資料。1911年，他的女兒 Lyubov 因為參與革命活動被捕。
但是就在這十年裏，他的思想逼近了另一個臨界點。
印有康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基頭像的俄國郵票
1903年，齊奧爾科夫斯基發表了《用火箭推進器探索宇宙》（the exploration of cosmic space by means of reaction devices）。
在這篇著名論文中，齊奧爾科夫斯基找到了突破對數函數限制的方法，提出了分級火箭、太空站、人造衞星的思想。他還計算出，環繞地球做圓周運動所需的最小速度，也就是第一宇宙速度是每秒7900米。
齊奧爾科夫斯基的解法是這樣的：火箭應該包括3級，隨着第一級火箭燃料逐漸耗盡，它應該脱落；根據動量守恆，脱落的部分可以為剩下的火箭提供速度，接着後面的火箭依次使用這個方法分級前進，最後一級火箭獲得最大的速度。
他還提出，人造火箭應當使用液體推進劑。他認為液氫和液氧是最有效的候選者。他還通過計算得出，火箭升空的最佳角度是垂直於地面。
熟悉現代火箭技術的人應該瞭解，現代火箭正是採用分級的方式達到第一宇宙速度的，液體推進劑也被航天工程普遍採用，火箭升空時的確垂直於地面。你可以看到，在人類還沒有用上飛機和汽車的年代，齊奧爾科夫斯基已經準確預言了未來。
他還想到，人類或許無法承受巨大的加速度。為此，他也做了實驗。
他把一些小強放到了自制的手動離心機裏，然後逐漸加速到小強體重的300倍。然後他又用小老鼠做實驗。他發現小老鼠能夠承受10倍的重力加速度。他通過這些實驗得出了一個結論：只要逐漸增加加速度，人體是能夠適應火箭發射的。
這一次，他的成果沒有被別人趕超。
20多年後，羅馬尼亞裔德國物理學家赫爾曼·奧伯特（Hermann Oberth）才獨立提出了類似的構想。而美國物理學家羅伯特·戈達德（Robert Goddard）在24年後的1926年3月16日才發射了人類歷史上第一枚液體燃料火箭。
不過，齊奧爾科夫斯基的思想並沒有立刻引起轟動。在奧伯特之後人們才注意到這個寂寂無名的俄國中學教師。NASA 在官網寫道，直到死後，齊奧爾科夫斯基的研究成果才真正受到重視。
齊奧爾科夫斯基155歲誕辰時谷歌的塗鴉
1942年，人類發射了第一枚航天器——納粹德國的V-2火箭。而V-2火箭的主要研發者、美國國家航空航天局空間研究開發項目的德裔主設計師沃納·馮·布勞恩（Wernher von Braun）極為看重齊奧爾科夫斯基的研究。
蘇聯後來在布勞恩曾經進行V-2火箭研發的德國佩內明德發現了一本每一頁都標註了布勞恩筆記的書，這本書就是德語版的齊奧爾科夫斯基的著作。
1961年，第一個進入太空的人類加加林第一次升空後的2個月，就提出要見見齊奧爾科夫斯基的家人。
首個進入太空的人類尤里·加加林 (Yuri Gagarin)
@NASA
設計了第一顆人造衞星斯普特尼克1號（Sputnik）的蘇聯科學家米哈伊爾·吉洪拉沃夫（Mikhail Tikhonravov）本打算在齊奧爾科夫斯基的100歲誕辰時發射這顆人造衞星。
1989年，他的名字進入了國際航空航天名人堂（International Aerospace Hall of Fame）。現在，月球背面的一個大型撞擊坑被命名為“齊奧爾科夫斯基環形山”。
STS-113任務時拍攝的國際空間站的星辰號服務艙裏齊奧爾科夫斯基的照片（左一）
@NASA
國際空間站的星辰號服務艙（俄羅斯軌道段）裏就掛着齊奧爾科夫斯基和加加林的照片。
NASA在官網寫着，羅馬尼亞人奧伯特，發射了第一個液態燃料火箭的美國人羅伯特·戈達德(Robert H. Goddard)，以及俄國人齊奧爾科夫斯基三人應當被視為火箭學之父。
機動戰士高達00裏的 Aeolia Schenberg 的原型就是齊奧爾科夫斯基。
齊奧爾科夫斯基在30年代曾説：“我非常確信，星際旅行是可行的，因為我找到了它的理論基礎…地球是人類的搖籃，但是人類不能永遠停留在搖籃裏。你們中的很多人將要見證人類的第一次太空飛行。”
直到現在，我們才意識到一個被同代人視為怪胎的中學教師，是一位多麼偉大的先賢。
説學習苦學習累的同學們你們想想，喬哥蹲3年圖書館就學了高中+大一大二一共五年的知識，這説明了什麼？
這説明…剩下的兩年都是考試啊！！！