火箭是怎樣上天的？曾是錢學森「帶頭大哥」火箭天才的一生

記住我：1945年的弗蘭克·馬利納。馬利納領導了一個重大科研項目，還跟包括錢學森在內的其他科學家共同組建了著名的噴射推進實驗室，才讓火箭學變成一門名正言順的工程學科。但他幾乎已被世人遺忘。在20世紀的頭幾十年里，火箭科學可不像現在這麼風光，被奉為天才從事的行當。當時可差遠了：光是表現出對火箭領域感興趣，就足以招來親友們認為你異想天開的冷嘲熱諷。真成了火箭科學家，你就走上了一條不歸路——先前從事過的任何行業，都會對你關上大門。但弗蘭克·馬利納不在乎這些。上世紀30年代中期，他還在加州理工學院讀研究生的時候，就克服了制度方面的極大阻力以及技術和資金方面的眾多難題，從一窮二白開始，建立起一個科研項目。就是這個項目，為後來美國的火箭和導彈事業奠定了基礎。在第二次世界大戰爆發前夕，這項工作開始呈現出新的重大意義。及至戰爭結束，馬利納已經成為美國頂尖的火箭技術專家，還參與創建了噴射推進實驗室，如今這個實驗室已經是世界一流的太空研究機構之一。然而你可能從未聽說過馬利納的名字。在美國太空計劃的大部分歷史中，馬利納和他的團隊都只是一個腳註。世人常說，美國真正的火箭研製工作是在二戰結束後、希特勒的首席火箭科學家沃納·馮·布勞恩抵美之後才開始的。他們還說，要不是有這位德國天才，美國的地外探索事業斷不可能在這麼快的時間裡發展到如今的程度。

以上說法抹殺了馬利納等人的重大貢獻。馬利納帶領一支由工程師、科學家和技術人員組成的團隊，不僅僅推動了火箭學的進步，而且所花經費只是德國同行的零頭。從1936到1946年間，馬利納的團隊率先使用了固體推進劑，二戰後的幾十年里，這成為對導彈和運載火箭都至關重要的一項技術。在液體推進劑方面，他們也為後人奠定了基礎。同樣重要的還是馬利納留給後世的卓越機構，他參與創辦了噴射推進實驗室和Aerojet工程公司（如今Aerojet Rocketdyne公司的前身），時至今日，Aerojet仍是航空航天領域的重量級企業。馬利納的故事還有更加耐人尋味的一面，他像諾貝爾一樣，是一個充滿矛盾的科學家：自稱和平主義者，卻設計了威力強大的軍用火箭；在情感上傾向均貧富，卻通過Aerojet的股份成為富豪；作為一名登峰造極的工程師，事業巔峰時主動放棄科研生涯，從30多歲開始投入藝術事業。跟早期的大多數火箭專家一樣，馬利納之所以對火箭感興趣，是因為火箭意味著太空旅行。1912年，馬利納出生在德克薩斯州小鎮布倫納姆，小時候就喜歡上儒勒·凡爾納的經典科幻小說《從地球到月球》。青少年時期，馬利納就有了工程師思維。上大學期間，他寫了一篇有關星際旅行的小論文，列舉了需要克服的巨大難關，包括需要穿越的廣袤空間，抵達後的惡劣氣候，以及缺少有效的星際通訊手段。1934年，從德州農工大學獲得機械工程學士學位以後，他就去了加州理工學院。在那裡，他有幸投到了著名空氣動力學家西奧多·馮·卡門的門下，後者成了他的論文導師。當時馮·卡門領導的加州理工學院古根海姆航空實驗室是世界一流的航空研究中心之一。當時，在高速飛行器中，螺旋槳推進器的局限性已經暴露無遺，馮·卡門等人正在急切地探索新技術。

危險行當：1935年，還是加州理工學院研究生的馬利納開始領導一個豐富多彩、幹勁十足的團隊，成員是他的同學們以及一批狂熱的火箭愛好者，導師是空氣動力學先驅西奧多·馮·卡門。因為經常搞一些作死的實驗，他們在校園裡被冠以「自殺小隊」的稱號。團隊在1936年秋取得第一次重大成功。他們把自己拼湊起來的設備拖到了加州帕薩迪納西邊一處乾涸河谷邊上（名為「阿羅約塞科」，左上圖）。在測試進入到第三天的時候，他們的甲醇燃料火箭發動機（右上）試車成功。下方是馬利納畫的實驗裝置草圖；請注意圖中的「圍觀人員保護屏障」，也就是一堆沙袋。1935年底，馬利納聽了一個同學有關火箭動力飛行器的演講後，重新燃起了對航天航空的興趣。巧合的是，一篇報道這次演講的文章引起了帕薩迪納人約翰·懷特塞茲·帕森斯的注意。這位自學成才的化學家早就在試驗固體燃料火箭了。帕森斯和一個學機械的朋友拜訪了加州理工學院，表示想造一枚液體燃料火箭，就此尋求建議。作演講的那位同學把他們介紹給了馬利納。馬利納當即同意跟帕森斯合作。馬利納後來說，他發現揚帕森斯擁有「天馬行空的想像力，而且成果累累」。馬利納和帕森斯兩人的風格看起來很不搭調。23歲的馬利納穩重內斂，很有學術范。比他小兩歲的帕森斯只讀到高中，但才智過人，大膽無畏且精力充沛，足以彌補學歷上的不足。他甚至還涉獵過魔法和神秘學。這對看著怎麼都湊不到一塊兒的搭檔卻大大地推進了火箭科學的進步，他們各自僅憑一己之力的話不可能達到這樣的成就。馬利納向馮·卡門提議，他想和帕森斯，還有帕森斯的機械師朋友埃德·福爾曼一道，設計一枚探空火箭，把科學儀器送到高層大氣之中，也就是海拔約40千米的高空。雖然帕森斯和福爾曼不是加州理工學院的人，馮·卡門還是同意支持他們三人，不過他能提供的只有指導和設施的使用權，並沒有實際經費。在接下來的幾年裡，馬利納他們投身於這項研究，沒錢就去做兼職，需要零部件和材料就去別人那兒蹭，不行就跟大學實驗室「借」。很快，又有許多研究生加入了馬利納和帕森斯的隊伍，其中包括A.M.O.史密斯，他後來成了道格拉斯飛行器公司的首席空氣動力學家；

還有一位個就是錢學森，中國的「導彈之父」。

火箭科學的起飛：1939年，馬利納的團隊獲得了一小筆撥款，用來為美國陸軍航空兵團開發飛機起飛用的助推火箭。在1941年的飛行試驗中，這種助推火箭使一架小型民用飛機的起飛距離減半；上圖中，馮·卡門（中）正在做筆記，馬利納站在他左手邊觀看。後來，他們所造的火箭推力越來越大，足以輔助道格拉斯A-20「浩劫」攻擊機（圖一）這種級別的飛機。但火箭學還處於起步階段。雖然在歐洲和美國，火箭俱樂部給了業餘愛好者一個精神寄託，但正經的大學課程還是一片空白，因此，已有的理論都沒怎麼付諸實踐。話雖如此，馬利納他們也並不是完全從零開始。早在19世紀90年代，俄羅斯數學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基的計算就表明，用火箭推進來實現外星旅行這個設想，在理論上是可行的。而在1926年，神秘的美國工程師羅伯特·戈達德發射了世界上第一枚液體燃料火箭。飛行只持續了2.5秒，上升高度僅12.5米。但這一結果激勵了新一代的火箭愛好者，其中就包括馬利納和帕森斯，還有馮·布勞恩。馬利納徵求了馮·卡門的意見，決定先專註於火箭發動機的研製。一直到那個時候，都沒有人造出適合探空火箭的發動機，也就是說，還沒有發動機可以把火箭推進到40千米左右的高空。就以戈達德的火箭為例，它們能到達的最大高度也不過2.6千米，「你先要有一台可以工作的發動機，能產生合理的比衝量，」馬利納後來回憶說，「否則，火箭外殼、推進劑供給、穩定性、發射方式、投物傘這些研究得再好，都毫無意義。」帕森斯對馬利納循序漸進的做法頗有異議，因為最讓他來勁兒的就是火箭發射過程了。站在科學界的立場，辛虧馬利納贏得了這場爭論。雖然馬利納實行科學嚴謹的作風，但這沒有阻止他的團隊跟危險進行「親密接觸」。在一場值得紀念的實驗中，他們測試的一台小型火箭發動機點火失敗，釋放出腐蝕性的四氧化二氮雲霧，導致整棟樓里的設備都生了銹。「我們被要求馬上搬著實驗裝置滾出大樓。」馬利納寫道。「後來，『自殺小隊』的綽號就在加州理工學院傳開了。」1936年10月下旬，古根海姆航空實驗室的火箭專家們做好了火箭發動機試車的準備。考慮到雜訊會比較大，而且搞不好會發生爆炸，他們把試車地址選在校外，那是帕薩迪納西邊一處乾涸的河谷，名叫阿羅約塞科。他們把拼湊起來的設備運到沙灘上，把發動機架在一米高的支架上，調整妥當，讓噴焰能夠豎直向上噴射。一根彈簧用來測量火箭推力。幾根軟管把一瓶氧氣罐和一瓶甲醇燃料罐連接至發動機。這場測試將提供至關重要的數據，來支持他們的各項運算，包括燃料消耗、推力，以及發動機內部的溫度和壓力等。他們本來是打算用一根導火索點燃燃料，但在前三次嘗試中，導火索還沒被點燃，就先掉了。第四次也是最後一次嘗試時，導火索倒是點燃了，但隨後又掉了下來，點著了濺在設備上的部分燃料，還有氧氣軟管。「某種原因導致氧氣管被點燃，在地上亂竄，當時距離我們只有十米遠。」馬利納在第二天寫給父母的信中說。「我們四散奔逃，心裡想著，不知道那些單向閥頂不頂用。」時候來看，那些用來防止燃料和氧氣倒流的單向閥還是起了作用，雖然裝置被嚴重燒毀，但大家還是高興壞了。正如帕森斯和福爾曼已經深知的，要讓東西燃燒起來，這其中也有了不得的學問。後來他們用火花塞取代了導火索。11月15日，發動機燃燒了5秒鐘。兩周後，燃燒時間持續了20秒，這一次還發出了震耳欲聾的轟鳴聲，是完全燃燒的標誌。1937年1月16日，在最後一次試車中，發動機燃燒了整整44秒。在接下來的一年半里，只要時間和金錢允許，團隊就繼續做他們的實驗。馬利納還在《航空科學期刊》上發表了兩篇具有里程碑意義的論文。儘管一直在穩步向前推進，但他們的成果卻很少受到外界關注。隨後，二戰爆發。隨著歐洲和太平洋地區的戰況不斷升級，美國軍方領導人開始四處搜尋可能增強戰鬥力的新技術——其中就包括火箭。1938年12月，經馮·卡門授意，馬利納在華盛頓向一群政府和軍方顧問作了有關「噴射推進」的報告（他有意迴避了「火箭」一詞，在當時的科學界，這個詞依舊上不了檯面。）這場報告給美國陸軍航空兵團指揮官亨利·阿諾德留下了深刻印象。1939年1月，他給了馬利納的團隊1000美元，用來開發起飛用噴射助推火箭。半年後，阿諾德又給了他們1萬美元。他想在飛機機翼上安裝JATO火箭，讓滿載重物的飛機能從太平洋島國的短跑道上起飛。

團隊試驗了固體燃料，從最古老的火藥著手。但在發生了一連串的意外爆炸之後，馬利納和馮·卡門覺得，有必要從理論上檢討一下這樣一個問題：高壓之下，固體燃料能否實現穩定持久燃燒。他們得出的結論是，只要燃燒室內的壓力保持恆定，固體燃料的燃燒過程就可以保持穩定，如今，這一發現被稱為馮·卡門-馬利納的火箭發動機穩定持久燃燒理論。到1941年夏，該團隊的火藥推進劑的表現已經非常出色，可以在真正的飛機上接受飛行測試了。在加州，一架戰鬥機大小的民用飛機依靠JATO火箭的助推將起飛助跑距離縮短了一半。

起飛助推：二戰期間，弗蘭克·馬利納在噴射推進實驗室的團隊開發了這些火箭，用來縮短軍用飛機的起飛距離。

但工程師們還面臨一個問題。JATO火箭只要稍微多存放幾天，就會在點火時爆炸。帕森斯和馬利納一起，花了近一年的時間尋找解決方案，但一無所獲。1941年12月，珍珠港遭到轟炸，讓這個問題更添緊迫性。到1942年6月，自學成才的帕森斯突然靈光一閃。在看建築隊混合熔融瀝青的時候，他突然想到，可以把氧化劑（比如高氯酸鉀）混入瀝青，做成固體推進劑。其中，可燃瀝青既是燃料，也充當粘結劑。後來，這個想法成為所有固體推進劑的基礎性技術突破，至今仍在導彈和運載火箭技術中發揮餘熱，美國的北極星彈道導彈、民兵洲際彈道導彈和大力神系列運載火箭都採用這種技術。同年，馬利納、帕森斯、馮·卡門以及另外兩人聯手成立了Aerojet公司，為美國陸軍和海軍生產JATO火箭。當然，火箭專家不止馬利納和他的同事們。1943年，來自英國的情報顯示，德國人正在波羅的海沿岸的佩內明德研製一枚巨型火箭。之前的十年中，沃納·馮·布勞恩一直領導著一個經費充裕的絕密項目，不久，他就要向世界展示那枚火箭的巨大破壞力了。

讓位：二戰結束後，納粹德國的V-2火箭之父馮·布勞恩取代了馬利納的位置，成為美國公眾心目中的火箭科學帶頭人。和馬利納一樣，馮·布勞恩也出生於1912年，也是從小就對火箭感興趣。還在念大學時，他就加入了德國的太空旅行協會，該協會有500名業餘會員，大家追蹤該領域的最新發展，也會用火箭做實驗。到1932年，德國軍方注意到了他們的工作，招募了馮·布勞恩，還資助了他那篇絕密的博士論文，題為「液體推進劑火箭問題：構建、理論以及實驗解決方案」。與美國軍方形成鮮明對比的是，德國人對火箭技術要重視得多。到戰爭結束時，德國在火箭研製方面的開支甚至多過美國搞原子彈的曼哈頓項目，前者的開支達30億美元，後者只有19億美元。既然政府出手如此闊綽，馮·布勞恩的設施自然讓人嘆為觀止，除了佩內明德的研究和生產中心外，諾德豪森附近也有一個額外的製造中心。雖然馮·布勞恩的團隊開發了一種類似JATO火箭但是可重複使用的火箭助推器，但他們的設計似乎始終沒有正式裝備部隊。無論在規模上還是複雜程度上，V-2火箭都會讓它黯然失色。作為世界上第一種量產型彈道導彈，它以液氧和乙醇為燃料，能攜帶一噸炸藥飛越320多公里的距離。它的制導系統依靠一對陀螺儀來操控翼面和舵面，不過從實戰情況來看精準度並不是很高。馮·布勞恩他們生產了6000多枚V-2，從1944年9月開始投入使用，主要用來打擊倫敦和比利時安特衛普。整個戰爭期間大約有9000人死於這些火箭的轟炸，其中許多都是平民。1943年，美國陸軍跟馮·卡門和馬利納共享了英國的情報報告，問他們能否也開發一種遠程制導導彈。他們說可以，於是美國陸軍向古根海姆航空實驗室（當時剛剛更名為噴射推進實驗室）提供了300萬美元，用於頭一年的運作。馮·卡門被任命為噴射推進實驗室主任，馬利納出任總工程師。一家新工廠開始建造，廠址選在阿羅約塞科，往東一點就是馬利納、帕森斯和福爾曼1936年那場實驗的進行地。到如今，噴射推進實驗室在那裡仍有72公頃的園區。到1944年底，馮·卡門有很多時間都是在華盛頓度過的，於是他辭去了在噴射推進實驗室的職務，而本來就在負責日常工作的馬利納很快就被任命為代理主任。該實驗室肩負一個緊急任務，那就是研製縮小版的輕型V-2火箭，為此，他們要造一枚小型固體燃料火箭彈，再造一枚大一點的液體燃料火箭彈。前者綽號「大兵」，直立高度2米，計劃射程18公里。它用瀝青做燃料，高氯酸鉀做氧化劑。液體燃料導彈名為「下士」，直立高度11米，射程120公里。它以聯氨為燃料，用紅色發煙硝酸作為氧化劑，這是噴射推進實驗室團隊研發的一種專利燃料配方。在室溫下，這種當時尚屬新型的燃料能維持液態，因此不需要冷卻系統，而且可以自燃，也就是在成分接觸時自發點燃，所以也不需要點火系統。同一類型的燃料後來被阿波羅計劃採用，作為指揮艙、服務艙和登月艙的火箭燃料。

太空時代的黎明：1950年，一枚二級火箭（下面是一枚V-2火箭，其上搭載由馬利納團隊設計的WAC「下士」探空火箭）在佛羅里達州卡納維拉爾角發射升空，成為該基地發射的第一枚火箭。在研製「下士」火箭的制導版本之前，馬利納決定，先造一個非制導版本。它外號WAC。1945年9月16日，也就是二戰正式結束兩周後，第一枚WAC在新墨西哥州白沙導彈靶場發射升空。10月11日又進行後續發射，火箭企及70千米的高空，接近地球與太空的邊界。後來，一枚高級版的「下士」火箭作為美國的第一種核導彈被部署到了歐洲。WAC「下士」發射以後，過了兩個月，馬利納的團隊又回到白沙導彈靶場，這次是為了測試「大兵」。他們前後共發射了24枚火箭，無一出現故障。雖然「大兵」始終沒有成為武器，但後來的固體燃料導彈幾乎都是它的「直系後裔」。「大兵」和WAC「下士」的成功讓馬利納喜憂參半。他終於有了一枚高空探空火箭，但與此同時，同一台機器也成了核彈道導彈的墊腳石，事實已經擺在眼前。以本心而言，馬利納是個和平主義者，他從事軍事技術研究只是因為他認定必須打敗法西斯。在1978年的一次採訪中，他回憶說：「我們都陷入戰後對戰爭的憎恨和對原子彈發展的恐懼之中，眼看著我們為太空探索而開發的東西被用于軍事目的。」戰後，馬利納曾試圖說服加州理工學院的董事會，請他們支持基於WAC「下士」的非保密高空研究。但董事會拒絕了這一提議。1946年，他和當年「自殺小隊」的另一個創始成員馬丁·薩默菲爾德一起，為美國陸軍撰寫了一篇論文，講述如何利用當時已有的技術，發射衛星進入軌道。軍方興趣寥寥。彷彿只有當馬利納的研究適用於武器的時候，軍方才會感興趣。馬利納決定，乾脆跟火箭科學分道揚鑣。1947年，他辭去噴射推進實驗室主任職務，接受了聯合國教科文組織位於巴黎的一個職位，他覺得，新工作能讓他為和平而不是戰爭貢獻力量。但這不是馬利納離開的唯一原因。美國聯邦調查局從1942年就開始調查他，懷疑他加入了當時的「美共」，甚至懷疑他是「共黨間諜」。1946年，FBI探員趁他出差時搜查了他的住所。原來的戰爭英雄，一下子就被懷疑成國家公敵，這種突然的轉變自然讓人憤懣不已。那麼，馬利納到底是不是共產黨人？2009年，我研究了馬利納厚厚的FBI檔案，並在美國國會圖書館翻閱了他的論文。這些記錄清楚地表明，30年代，馬利納很可能是美共洛杉磯支部的成員。例如，FBI檔案中就有他1939年入黨申請書的複印件。從筆跡來看似乎出自馬利納之手。同時，他也不是什麼資本主義的推崇者。1936年他在給父母的一封信中寫道：「歐洲的事件勢必會引向一場新的戰爭。唯一的希望似乎就是推翻所有國家的資本主義制度，建立一個聯合所有國家的經濟聯盟。」當然，在大蕭條的谷底時期，無數的學者、藝術家、專業人士等都持同樣的觀點。而且，正如噴射推進實驗室歷史學家埃里克·M.康威所述：「1939年，蘇聯與德國簽訂互不侵犯條約，這個震驚世界的消息一出，」馬利納所屬的支部就解散了。至於間諜活動，FBI對馬利納的懷疑或許也並非無的放矢。在他任職期間，噴射推進實驗室曾發生數起泄密事件，其中最嚴重的一起事件涉及實驗室的機密文件，這些文件落在一名蘇聯間諜手中。根據1942年的一份FBI報告，至少有五位未具名知情人指認馬利納可能為間諜；該報告的結論是「如果要當事人在美國和俄羅斯的政府形式之間做出選擇，他對美國的忠誠就要被打上問號。」J.埃德加·胡佛本人曾多次催促聯邦檢察官起訴馬利納。終於，在1952年12月，馬利納受到起訴，罪名是未向政府披露其共產黨員身份。他的美國護照也被收回。雖然從1942年到1960年間，FBI對他展開了多次調查，但始終沒有找到馬利納從事間諜行動的確鑿證據。更有可能的是，馬利納只不過是50年代初的「紅色恐慌」中成千上萬受迫害的美國人之一。1954年，針對他的起訴被駁回，四年之後，他的護照也得到恢復。到那個時候，馬利納已經從聯合國教科文組織辭職。在Aerojet公司的股票讓他發了財，他也「跟過去一刀兩斷，成了一名藝術家，」他在後來的採訪中這樣說道。他的動態雕塑事業頗為成功，科學和工程類主題常常在他的作品中呈現出來。他再也沒有重返科研領域，只是在1960年和馮·卡門等人一道，參與創辦了國際宇航科學院，以促進太空探索領域的國際合作。就在馬利納逐漸淡出火箭事業的同時，馮·布勞恩卻如魚得水。隨著歐洲邁入冷戰階段，美國政府把1500多名德國科學家、工程師和技術人員帶回美國，其中就包括馮·布勞恩和他的大部分手下。他們跟納粹的瓜葛，還有先前的戰爭罪行都被一筆勾銷了，因為當時美蘇爭霸進行得如火如荼，德國人積累的技術和人才被視為美國成敗的關鍵。1945年10月 ，馮·布勞恩和他的部分人手抵達位於德州埃爾帕索的布利斯堡軍事基地，距離馬利納測試WAC「下士」的舊址只有很短一段車程。馮·布勞恩在那裡呆了五年，後被調到阿拉巴馬州的亨茨維爾，在那裡領導美國陸軍的火箭計劃。1960年，他成為美國宇航局新成立的馬歇爾太空飛行中心的首任主任，在亨茨維爾負責開發後來把宇航員送上月球的土星重型運載火箭。

德國工程師在美國的太空計劃中異軍突起，這讓馬利納憤懣不已。據馬利納之子羅傑透露，「納粹工程師成了美國的太空英雄，而在戰爭年代為盟軍嘔心瀝血的美國火箭技術創始人卻流落四方，這讓他始終難以釋懷。」在1967年的一篇文章里，馬利納自己寫道：「在大眾心目中，美國火箭的發展遠遠落後於納粹德國，就連一些本該清楚事實的人也這麼認為。這種觀念是錯誤的。但觀念一經形成，就很難改變。」

在此背景之下，最後的一系列實驗很值得一提。噴射推進實驗室的研究人員從1946年年末開始，在白沙導彈靶場組裝並發射一種二級火箭，其第一級是採用德國V-2火箭的發動機，第二級則是用WAC「下士」改裝而成。在這些名為Bumper的二級火箭中，有一枚在1949年2月24日上升到了393千米的高度，接近當今國際空間站的軌道，打破了當時的火箭飛行高度紀錄。

次年，另一枚Bumper火箭成為新建的卡納維拉爾角航天基地發射的第一枚火箭。太空時代就在這枚奇特的美德混血火箭的發射中拉開了帷幕。

翻譯 / 雁行

Source:《IEEE》

本文轉載自《造就》微信公眾號