本文想和大家聊聊人类在发展过程中是如何征服天空空并踏上月球的。科学在这个过程中扮演了什么角色？
历史回顾一、火药的起源
火药是中国四大发明之一，但发明之初主要用于研制鞭炮。世界上最早的火箭出现在三国时期，火烧赤壁的故事家喻户晓。当时人们在箭杆上缠绕火把射出去，点燃了对方的战船。北宋时，这种利用弓弦的机械力发射的火箭演变成了火药推进的火药火箭，投入战争，随古丝绸之路传入欧洲。
图1火药
二、万户飞。
美国火箭科学家评价万胡是“第一个尝试用火箭做运载工具的人”。虽然他的努力失败了，但他借助火箭推力提升空的想法却是世界首创，因此被世人公认为“真正的航天始祖”。为了纪念这位航天始祖，世界各国科学家将月球上的一座环形火山命名为“万户山”。
其实这里需要澄清的是，有没有万元户还不确定，史书上也没有万元户的故事。我也是一个中国人，当然会为自己的民族感到骄傲，但是科学没有假。应该是每个科普人应该具备的基本素质。
图2月球上的万虎坑
第三，天文学的发展
人类一直对浩瀚的宇宙星空空充满好奇和向往。天文学虽然发展缓慢，但是积累了大量的数据。这里不得不说，中国古代的天文记录是世界上最详细的，没有之一。考古天文学，中国做出了最大的贡献。对我们地球唯一的卫星(月球)的研究就更重要了。除了各种美丽的传说，各民族都根据月亮的运动制定了自己的历法(农历)。
随着伽利略发明望远镜，开普勒提出行星三定律，牛顿经典力学的成功，万有引力定律的引入。天文学的发展正在加速。这一切都为成功登月在理论和观测上铺平了道路。
图3太阳系中的行星
第四，人类技术能力的迅速发展
上个世纪的两次世界大战无疑是人类历史上的悲剧。但正是这两次世界大战极大地推动了人类的技术革命，带来了工业革命。人类200年来的科学成果转化为工业生产能力，并成功应用于军事行动。战后这种能力开始转化为民用，尤其是二战后期德国研制的V2导弹技术，让人类看到了登月交通工具的雏形。
图4 V2导弹
登月火箭背后的科学原理1.人造地球卫星为什么没有掉下来？
载人航天和卫星发射，其实就像我们斜向上扔石头一样。如果一块石头不受力，根据牛顿第一定律，它应该以匀速直线远离我们。但由于地球的引力，它落回地面，但离抛出的位置有一定距离。投掷速度更大，落地距离更大。当投掷速度达到一定程度时，石头会沿着圆形或椭圆形轨道绕地球旋转，而不会落到地面。
图5圆周运动示意图
从匀速圆周运动的分析可以知道，卫星在轨道上的速度是相同的，只是速度的方向发生了变化。向心加速度a = v 2/r = ω 2r。根据牛顿第二定律f = ma = mv 2/r = mω 2r，地球对卫星的引力为f = GMM/r ^ 2。代入上述公式得到V = (GM/r) (1/2)。m是地球的质量，G是引力常数。
从上面的公式可以看出，只要R和V配合好，卫星就不会掉下来。如果能让火箭提供更高的速度，就能到达更高的轨道，包括到达月球轨道，登陆月球。想详细了解匀速圆周运动，可以参考我之前的文章《生活中的小现象，物理中的大问题，探讨圆周运动的科学研究方法》。
图6人造地球卫星轨道示意图二、猴子和动量守恒定律，火箭推力的来源
鞭炮是我们在中国节日里最喜欢的东西之一。千百年来，虽然鞭炮的图案不断翻新，但有两样东西一直没有太大变化。一个是钻猴，一个是踹两脚。这两样东西都在鞭炮之列，可以携带物质(鞭炮本身)上天空。今天我们已经知道了它们的原理，那就是动量守恒定律。其实今天的火箭登月的推进原理和猴钻是一样的，都是利用燃料燃烧的化学能向后喷射物质来获得向前的推力。
图7钻石猴
类似于碰撞过程，喷流前系统的动量为mv，喷流后系统的动量为(m-△m)(v+△v)+(-△mu)。喷流前后动量守恒，即mv=(m-△m)(v+△v)+(-△mu)。忽略△m和△v得到m△v=△m(u+△v)，两边同时除以△t。将牛顿第二定律应用于左侧的火箭，得到火箭的推力为F=ur(△m/△t)。
公式中ur=u+v，相对于火箭的喷流速度称为△m。可以看出，每秒弹射的质量越多，火箭的弹射速度就越快，对火箭的推力就越大。这种微观过程重复多次，燃烧数吨燃料后的高温气体喷射而出，产生巨大的推力。
图8中国长征三号乙火箭发射
在目前的技术条件下，一般火箭发动机的最大喷射速度只能是2.5km/s，相应的，最大火箭速度是4.5km/s，显然不可能用单级火箭把卫星送到几百公里空的高度，有盘旋速度，甚至到达更高的月球轨道。因此，在目前的技术条件下，单级火箭无法完成发射卫星和载人登月的任务。
一般来说，现在多级火箭用于发射卫星和载人登月等任务。多级火箭在航行过程中，完成工作后变得无用的火箭外壳和发动机可以扔掉，从而达到提高速度的目的。目前只需要两三级火箭就足以发射卫星。
图7火箭扔掉耗尽的发动机外壳。
但是作为载人登月，需要携带更多的质量，以及返回舱和更多的燃料。所以只有三级火箭是不够的。一般采用捆绑式火箭和多级的方法，进一步提高运载能力。通过这种方法，甚至可以实现太阳系内的太空航行。现在很多行星探测器都是采用后一种方式进行火箭推进。
本文回顾了人类登月50周年的历史和月球火箭的发射原理。最近几天，我会发表更多关于登月技术的文章。到时候，欢迎你再回来。
