乾卦和人类飞天（下）

□ 黎成龙

爻辞——九五（续）

牛顿识破天机

在很长时间内，人们弄不明白，叶落为什么总是归根；苹果熟了只能往地面掉；被大风和上升气流卷入空中的沙尘和鹅毛，在气流平静以后也要落回地面；人不能离开地面半步，你用力往上跳，在须臾之间就会跌回原地；你生气地往天上甩石头，石头也总是被拉回到地面；你学鸟儿飞离地面，则总是飞得越高，摔得越狠！

这到底是怎么回事？直到17世纪中叶，一个叫伊萨克·牛顿的人才识破天机，弄清其中缘由。

1665年，刚刚获得学士学位的牛顿，因流行瘟疫，剑桥大学停课，他回到家乡，在对苹果落地等现象的仔细观察和深入思考中，提出了“万有引力定律”。

万有引力定律指出，任何物体都有引力，它们之间总是相互吸引的。两个物体之间的引力大小，与它们的质量成正比，与它们之间距离的平方成反比。这就是说，物体的质量越大，它的引力越大，两个物体之间的距离越大，它们之间的引力作用越小。这也就是说，地球、人、石头、沙尘和鹅毛等等都有引力，它们之间总是相互吸引。但是，人、石头、沙尘和鹅毛的质量与地球的质量相差太悬殊，它们的引力无法与地球相比，因而总是地球吸引人、石头、沙尘和鹅毛。

牛顿

地球引力像是一条条无形的橡皮筋，它们将人、石头、沙尘和鹅毛等一切物体都拴在地球上。无形的地球引力橡皮筋具有极好的弹性，人向上跳、将石头甩向空中、沙尘和鹅毛被风卷入高空，只是将拴着他们的无形橡皮筋抻长一些，最终还是要被拉回地面。

地球引力都是指向地心的，如果没有地面的阻挡，所有物体都有被拉向地心的趋势。

牛顿识破天机，不仅是指他的万有引力定律告诉人们万物逃不脱地球的原因，还在于他指出了挣脱地球引力、逃离地球的前景方向。牛顿在伽利略等人的基础上，提出三大运动定律（牛顿三定律），为了计算变化的瞬时速度和距离，他还发明了微积分。牛顿运动定律告诉我们，提高物体的运动速度，可以挣脱地球引力的束缚而逃离地球。这叫“速度战胜引力”。运用运动定律的数学公式和微积分运算，可以算出逃离地球的速度（即“逃逸速度”）是每秒11.2千米。月球的逃逸速度为每秒2.4千米，太阳为每秒628千米。如果在火卫一上，可用力将一块石头甩到火星上去，因为火卫一的逃逸速度只有每秒5米。

齐奥尔科夫斯基

宇宙速度

火箭飞行速度示意图

顾名思义，所谓“宇宙速度”，就是克服地球引力的束缚，进行宇宙航行所需要的速度。目前我们涉及到的有第一、第二、第三3个宇宙速度。上面我们说的逃逸速度为第二宇宙速度，也叫“脱离速度”。地面上的物体，只要达到每秒11.2千米的速度，就可摆脱地球引力的束缚，以抛物线轨迹逃离地球，但仍无法摆脱太阳引力的束缚，而是在太阳的引力作用下绕太阳作圆周运动。

地面上的物体，如要进一步摆脱太阳引力的束缚飞出太阳系，则需要达到每秒16.7千米的运动速度，这就是第三宇宙速度。地面上的物体达到第三宇宙速度时，就会以双曲线轨迹飞离地球，相对太阳来说其轨迹为抛物线，但它仍在银河系中心的引力作用下绕银河系中心作圆周运动。

那么，第一宇宙速度呢？

第一宇宙速度就是地面上的物体绕地球作圆周运动所需要达到的速度，又叫“环绕速度”。我们知道，物体作圆周运动的条件是，第一、它本身需要具有一个速度；第二、它同时要受到另一个力的作用，使它改变运动方向而作曲线运动；第三、它作曲线运动时产生的离心力，与它改变运动方向的那个力（即向心力）大小相等、方向相反，这样，它就会始终绕曲率中心作圆周运动。

根据牛顿运动定律和万有引力定律公式，以及地球质量和万有引力系数，可以算出在地面上第一宇宙速度为每秒7.912千米。

这里需要说明两点：第一、物体在地面上是无法绕地球作惯性圆周运动的。这除了地球表面不是光滑的圆球表面外，地球大气阻力会降低物体的运动速度，而一旦运动速度降到每秒7.912千米以下，物体就再也不能绕地球作圆周运动了。而如果用动力来补偿大气阻力损失，以保持每秒7.912千米的速度值，那又不是惯性圆周运动了。第二、由于引力的大小与距离的平方成反比，因此，在离地面不同高度上的环绕速度数值不同。

齐奥尔科夫斯基指点迷津

什么物体的运动速度能达到环绕速度？气球、飞艇、滑翔机和飞机都望尘莫及，而且它们的升空飞行全都依赖地球大气。

1857年，在俄罗斯梁赞的伊热夫斯基村，一位了不起的科学家诞生了。他叫康斯坦丁·爱多阿尔多维奇·齐奥尔科夫斯基。10岁那年，一场严重的猩红热病使他双耳完全失聪，无法继续上学，只得由母亲教他读书写字，而母亲在第二年又去世了。

齐奥尔科夫斯基没有被这些打击所压倒，他将全部精力用在学习上，自学了小学和中学课程。16岁那年，他想上大学，但家境贫寒，交不起学费。同时，也没有哪所学校肯收一名没有中学文凭的聋子入学。于是他只身来到莫斯科，在图书馆里刻苦自学大学课程，常常因饥饿而昏厥。被父亲接回家乡后，由于他有深厚的学识，被一所中学录用为数学教师。

1897年齐奥尔科夫斯基推导的火箭运动速度的基本公式

但齐奥尔科夫斯基的兴趣在物理学上，尤其热衷于研究宇宙航行理论。他从牛顿第三定律（即作用与反作用定律）想到，地球绕着太阳转，地球运行的离心惯性（即离心加速度力，俗称离心力）与太阳对地球的引力大小相等，方向相反，所以地球始终在一条轨迹上绕太阳运行。然后他又进一步大胆设想，如果地球被炸成了碎片，碎片将如何运动呢？经过思考，他认定绝大部分碎片仍然会在不同的轨道上绕太阳运行，而它们的引力中心则会继续保持在地球绕太阳运行的原有轨道上。这就是“引力中心不变定律”。

齐奥尔科夫斯基设想了种种登天的办法。他对宇宙航行的浓厚兴趣，使他将全部业余时间都投入这方面的研究，并挤出微薄的工资来购买有关书籍和实验设备，不屈不挠地进行各种实验和试验。当时也有人提出用火箭作为宇宙航行的动力工具，但与我国古代“万户飞天”一样，没有阐明它的本质。一次，齐奥尔科夫斯基在看完一本叫做《作为星际航行工具的火箭原理》的书后，发现其中有许多概念错误，于是他就对火箭原理进行了系统的研究。

中国古代火箭——神火飞鸦

中国古代火箭——震天飞炮

戈达德和第一枚液体火箭

1883年，26岁的齐奥尔科夫斯基写了一本叫做《外层空间》的书，书中指出，地球大气不可能延伸得很远很远，行星际空间肯定是绝对真空状态。在此基础上，他第一个从理论上证明火箭能在太空真空环境中工作，以反作用原理为基础的火箭推进系统，在真空中的工作仍然是有效的。这样，齐奥尔科夫斯基就像指点迷津的神仙一样，为人类实现宇宙航行的理想指明了努力的方向。

宇宙航行第一公式

齐奥尔科夫斯基对宇宙航行的理论研究锲而不舍，在19世纪90年代他根据自己的研究成果写了一本新书，叫《用火箭推进器探索宇宙》。但这本书到1903年才得以出版。书中指出，火箭的飞行速度v，等于它的发动机的喷气速度ω和它的质量比Mk/Mo的乘积，即v=ωIn（Mk/Mo）。式中Mo是包括推进剂在内的火箭初始质量，Mk是推进剂已经用完，即不包括推进剂的火箭净质量。

这个火箭公式告诉我们，要提高火箭的飞行速度，一个办法是提高火箭发动机的喷气速度。要做到这一点，一是选用高性能的推进剂，二是科学地设计火箭发动机，使它具有最好的性能。另一个办法是降低火箭的结构系数，也就是火箭自身的结构质量越小，推进剂装得越多，在火箭发动机关机时火箭能得到最大的速度。

这个火箭公式后来被人们称为“齐奥尔科夫斯基公式”，为人们研制航天运载火箭指出了明确的努力方向。

齐奥尔科夫斯基还指出，当时的固体火箭燃料能量太低，要让火箭创造宇宙速度，应该使用液体燃料。最好的液体燃料是液氢/液氧。但当时的工业技术还无法生产液氢，他就设想用煤油和液氧作火箭燃料。

齐奥尔科夫斯基还指出，单级火箭无法达到宇宙速度，必须采用多级火箭。在下面一级火箭完成推进任务后，上面一级火箭接着工作，逐级提高飞行速度。

这里我们清楚地看到，正是齐奥尔科夫斯基火箭公式奠定了宇宙航行的理论基础，是宇宙航行从幻想、理想到现实的转折点。因此，人们称其为“宇宙航行第一公式”。

爻辞——上九

上九，亢龙有悔。

孔子《象辞》中的说明：亢龙有悔，盈不可久也。

亢龙有悔，何谓也？贵而无位，高而无名，贤人在下而无辅是以动而悔也。

亢龙有悔，穷之灾也。

亢龙有悔，与时偕极。

亢之为言也，知进而不知退，知存而不知亡，知得而不知丧。其惟圣人乎？知进退存亡，而不失其正者，其为圣人乎？

这些话的大意是，上九居六阳之巅，但阳极生阴，物极必反，阳居阴位，势必遭受艰难险阻，因此应掌握进退、存亡和得失规律。

对人类航天的启示是，火箭的诞生，使人类能够冲出地球大气层，进入太空。那里的环境条件与地面和大气层空间完全相反，可大有作为，但也有致命危险，必须解决进出太空、太空生存和工作的生命保障问题。请看航天动力——火箭诞生、发展和航天时代到来的故事。

据《宋史》等史书记载，宋太祖“开宝三年（公元970），兵部令史冯继升等进火箭法。命试验，且赐衣物束帛。”这里的“火箭”，应是应是具有反作用力因素的我国古代火箭。

中国古代火箭作为军事武器得到迅速发展。宋神宗元丰六年（公元1083），抵抗西夏入侵的宋军，一次就领用火箭25万支。在南宋与金、元长期对峙的战争中，双方都使用了火箭。到元朝和明朝，中国古代火箭发展到鼎盛时期。

明朝人焦玉写于洪武十年（公元1377）的《火龙神器阵法》中，记载有火龙柜、百虎齐奔、神火飞鸦等火箭的制作和使用方法。焦玉的另一本书《火龙经》中除记载了火龙出水等火箭的制作方法外，还记载了控制火箭飞行方向的方法，火箭应放置在穿龙形架上或有支架的桶中发射。

明朝人施永图写的《武备心略》，对神火飞鸦、震天飞炮等火箭的制作和使用方法，以及使用效果等有详细的描述。茅元仪于明熹宗天启元年（公元1621）完成的《武备志》，记载有几十种火箭，其中包括一窝蜂、飞空砂筒、震天飞炮、神火飞鸦和火龙出水等。

奥伯特

布劳恩

《襄阳守城录》中记载，宋宁宗开禧三年（公元1207）宋兵用火箭抵抗金兵。《辛巳泣蕲录》记载，宋宁宗嘉定十四年（公元1221）金兵围蕲州时，“日出弩火药箭七千只、弓火药箭一万只……我军又以火箭射之”。《明实录》记载，洪武四年（公元1371），“廖永忠进兵瞿塘关……其将郑兴中火箭死”；建文二年（公元1400）“李景隆等合军六十万……敌藏火箭于地，其所谓一窝蜂者，着人马皆穿”。《明史稿》记载，天顺八年（公元1464），“延绥参将房能言麓川破敌，用火器曰九龙筒，一线燃则九箭齐发”。《武备志》记载，抗倭名将戚继光（1528～1587）的车营图，24辆车共装载火箭12972支。

中国古代火箭除用于军事外，据美国人基姆在《火箭与喷射》一书中记载，明朝人万户还企图用火箭作动力飞行。

美国火箭先驱罗伯特·戈达德，从1921年7月开始，全力投入液体火箭的研制。1926年3月16日，发射成功了世界上第一枚液体燃料火箭。火箭飞行2.5秒，上升12.5米，飞行距离56米。

1928年秋，德国乌发电影制片公司计划拍一部叫做《月球上的女人》的科幻影片，聘请赫尔曼·奥伯特为技术顾问，并请他制造一枚真火箭。结果，不但电影得到好评，火箭也于1930年7月23日发射成功，飞行高度达20千米。

1930年，奥伯特的少年助手冯·布劳恩到柏林理工学院上学，利用业余时间协助奥伯特进行液体火箭发动机试验。1932年，德国军队中负责固体燃料火箭研究的沃尔特·多恩伯格陆军少将，发现布劳恩具有非凡的创造才能，同时又认识到液体燃料火箭具有不可忽视的军事潜力，于是便把布劳恩拢在自己名下从事液体燃料火箭研究。

1933年初，布劳恩开始实施“A系列火箭计划”。1934年12月，两次发射A-2火箭成功，射高2.4千米。1937年秋，试验A-3火箭，1938年夏发射成功，后命名为A-5。1939年秋，加上控制系统的A-5火箭发射成功。1942年10月，改进的受控火箭A-4试射成功。希特勒德国将它作为一种新式秘密武器严加保密。在二次世界大战形势发生逆转时，A-4更名为“V-2”，“V”是德文“复仇”一词的第一个字母，希特勒德国妄图用这种新式秘密武器挽救其失败的命运。

V-2虽然以战争武器的面目出现在世人面前，但它的诞生，是人类实现宇宙航行理想道路上的一件大事，它将齐奥尔科夫斯基设想的用作宇宙航行动力工具的火箭变成了现实。V-2为航天时代的到来拉开了序幕。

在法西斯德国崩溃前夕，布劳恩和其他主要火箭专家携带V-2的图纸数据向美军投诚，加上被美军俘获的多恩伯格等人，共约300名一流德国火箭专家被带到美国。美军还缴获100多枚完整的V-2导弹实物，也悉数运回美国。

二次世界大战结束后，苏联也从德国招募了一批火箭专家，虽然绝大部分是二流专家，但科罗廖夫很尊重他们，与他们一起工作，先利用缴获的部分V-2图纸数据和零部件进行仿制，1947年10月18日，仿制的近程导弹试飞成功。然后转而自行设计。从1948年10月到1953年4月，近程导弹、中程导弹、远程导弹、地球物理火箭等相继试飞成功，并两次用地球物理火箭将小狗送入高空，导弹也逐渐装备部队。

1957年8月3日，科罗廖夫发射成功世界上第一枚洲际导弹。此时他又不失时机地大胆采用捆绑技术，用洲际导弹改成的并联火箭，于1957年10月4日发射成功世界上第一颗人造地球卫星。

1961年4月12日，苏联将人类第一名太空使者尤里·加加林送进太空。

1964年5月，我国自行设计的中近程液体地地导弹发射成功。1967年5月26日，中程液体地地导弹发射成功。1970年1月30日，中远程液体地地导弹长射程飞行试验成功。1970年4月24日，用长征一号三级运载火箭成功发射我国第一颗人造地球卫星东方红一号。2003年10月15日，长征二号F火箭发射神舟五号飞船，航天员杨利伟乘船绕地球飞行一天。

1969年7月21日，美国用“土星”5号火箭发射的“阿波罗”11号飞船，将阿姆斯特朗和奥尔德林送上月球。

至于太空环境和航天飞行的凶险，以及解决办法，我们在一开头就介绍过了，这里不再重复。

乾卦还有一个断语——用九，见群龙无首，吉。

孔子《象辞》中的说明：用九，天德不可为首也。

乾元用九，天下治也。

乾元用九，乃见天则。

这些话的大意是，出现一群巨龙，大家都有“天德”，都守“天则”，不以首领自居，天下大治，吉祥。

对人类航天的启示是，太空是全人类的共同财富，人类要和平利用太空，不称霸太空，让航天事业为全人类造福。

科罗廖夫