火箭研究小组第五个“铁杆”

美国洛杉矶的帕萨迪纳郊外有一条干涸、布满沙石的河谷，人称阿洛约塞科山谷，这里距学校很远，即使发生再大的爆炸声，也不会引起学校的恐慌。清冷的晨风中，有五个人影在雾霭里晃动。中午时分，河谷西岸搭起了一座粗糙的火箭测试台。一切静悄悄的，只有河谷里废弃的水坝以毫无表情的白色闸门为他们把风。

这五个人是被他们的导师冯·卡门“撵”到这片荒石滩上来的，前几天的一场大爆炸险些要了他们的命，也把一向清静的加州理工学院搅了个鸡飞狗跳。他们是学院里的一个“草根”组织——火箭研究小组，成员有马林纳、史密斯、帕森、福尔曼和钱学森。马林纳和史密斯是航空工程系的研究生，负责火箭总体设计；帕森学化学，负责研制火箭燃料；福尔曼擅长机械设计，负责搞火箭结构。这四个人是小组最早的“铁杆”，但四人中恰恰缺少搞理论和计算的，于是，和钱学森在同一个研究室的史密斯毫不犹豫地举荐了有此专长的钱学森。1937年的春天，钱学森成为火箭研究小组的第五个“铁杆”。

这个草根组织在校园里极不受“待见”。因为20世纪30年代，很少人把火箭当作值得努力开拓的科学领域，大多数人都认为这是科幻小说和好莱坞片商才感兴趣的玩闹把戏。马林纳曾打算以探空火箭的飞行特征为题，撰写博士论文，他的老师不但一口回绝了他的计划，甚至还建议他早点休学，或干脆到飞机公司找工作。幸好冯·卡门很欣赏马林纳的观念，同意指导他的论文。他们在冯·卡门的庇护下，勇敢地开展活动。最初，由于没有经费支持，他们有的人到学校打零工，有的人去垃圾场捡废料，甚至还有人窝在厨房里写科幻小说，希望能卖给好莱坞制片厂换钱。就在他们因筹不到购买两件仪器所需的120美元，几乎要放弃火箭研制计划时，他们得到了气象系一位好心同学阿诺德1 000美元的捐助，才得以渡过难关。用这点钱，他们敲敲打打做出了试验用品，好不容易置下了一点瓶瓶罐罐的家当。

不料，在动手做火箭试验时，他们闯了大祸。

先是马林纳和史密斯不慎在化学馆外绿茵如毯的草坪上，打翻了一瓶作氧化剂用的四氧化二氮，留下一大片焦褐，惹火了园丁。接着，他们在古根海姆实验大楼做火箭发动机试验又发生了故障，四氧化二氮和酒精的混合物点不着，喷出很多红色的泡沫和又腥又臭的气体，搞得大楼里一片乌烟瘴气，楼里的学生惊叫着从教室里逃出来。马林纳说：“恐怕大楼里连老鼠都跑光了。”带有腐蚀性的气体把实验室里所有暴露在外的金属表面都氧化了，航空系所有贵重的仪器设备都蒙上了一层红锈。研究小组的成员们手忙脚乱地想用抹布把锈擦洗掉，但无济于事，大多数设备还是被毁了。更严重的是又一次，火箭发动机点火3秒后突然爆炸，“轰隆”一声巨响，整个大楼晃动起来，震碎的窗户玻璃噼里啪啦地四处飞溅，火光、浓烟、气浪，夹杂着晕头转向、踉踉跄跄、夺路而逃的人群，火箭小组的成员也灰头土脸、跌跌撞撞地夹在人群中，吓得校园里的人以为遭到轰炸或发生了地震。爆炸将一个仪器的零件炸飞，从马林纳常在的位置上飞过去，深深地嵌进了墙壁，幸亏他给冯·卡门送打字机去了，逃过了一场劫难。

冯·卡门因此受到了校方的斥责。他气得粗眉倒立，对着火箭小组成员大声吼道：“出去！”并勒令他们立即搬家。从此，“草根”被学校“拔除”，校方禁止他们再踏入校园实验室一步。存放在实验大楼地下室里的简陋仪器和可怜的其他家当也被扔了出来，堆在大楼东侧的混凝土运货平台上，任凭风吹雨打。先前他们曾利用楼梯间的空隙，在楼顶天花板上吊了4根钢丝，中间拴上一个方形的铁丝网片，在网片上水平安置了一枚8英寸长的小火箭，如此构成一个长达50英尺的摆锤。火箭发射时会引起摆锤摆动，摆锤摆动的幅度可供计算火箭的推力。闯祸后，这个小火箭摆锤只好挂在室外一根突出的房梁上，偶有一阵风吹来，摆锤把墙壁碰得叮咚作响。但这五个人并不死心，他们拖着沉重的油槽和其他装备，迁往距离学校几英里远的阿洛约塞科河谷，继续他们的危险行为。

校园里到处“传颂”着火箭研究小组的“英雄事迹”，他们被戏称为“敢死队”和“自杀俱乐部”。冯·卡门曾感慨地说：“火箭小组在那里连续干了一年，大部分时间用于研究各种火箭推进剂的性能。那里根本没有什么技术规范的文献资料，所以火箭小组一切都得用分析法和试错法从头做起。”

钱学森在“敢死队”里理所当然地充当着“专职”数学家和理论家的角色。1937年5月29日，他完成了一份题目很长的报告《火箭发动机喷管扩散角对推力影响的计算》。这份报告描述了一个燃烧室和空气喷嘴大小都固定的理想火箭的理论模型，结论指出，火箭尾端喷出的火焰周径要小，才能在太空中集中推力；火焰面积过大则易导致火箭失控。钱学森的报告收在被火箭小组奉为“圣经”的一本实验报告汇集里，成为他们研究工作的基础。

钱学森在马林纳的帮助下，完成了博士论文中一篇关于火箭飞行的研究报告，指导火箭小组的工作。钱学森详尽地推算出，采用固体推进剂进行多次快速燃烧排气而获得脉冲式推力，可使火箭达到30 000米的高度，而他的前辈根据静态燃烧试验所作的估计，火箭只能飞到3 000米，根本无法进行探空试验。

1938年5月，“敢死队”的努力有了回报，他们的火箭发动机运转了整整一分钟，响亮的轰鸣声吸引了全校师生围观。美国军方之后也注意到火箭研究小组卓有成效的工作，当时，欧洲上空云谲波诡，军人敏锐的嗅觉使他们立即意识到火箭对未来战争将具有重要的作用。年底，陆军航空兵司令阿诺德将军邀请冯·卡门和学校领导米立肯前往华盛顿，参加国家科学院下属空军研究委员会会议，加州理工学院从五个研究计划中选择了一项，即“重型轰炸机火箭助推起飞装置”科研项目，代号“GALOIT”。这个项目的目的是使一些重型轰炸机能够在小型机场起飞，太平洋上许多岛屿都有这种小型机场。项目理所当然地被交给了校内唯一从事火箭研究的“敢死队”。

1939年1月，火箭研究小组得到了国家科学院拨给的1 000美元经费，用以开发固体和液体火箭发动机推进剂，以及研制耐高温的火箭发动机。半年后，他们又得到了第二笔1万美元的资助，任务是在一年内建成一个发动机试验站，并采购材料，继续研究发动机推进剂。冯·卡门认为，能得到官方交给的科研项目，证明了国家对火箭研究小组的首肯，因此应该给这个“草根”组织正正名了。鉴于“火箭”与“敢死”“自杀”联系太密切，而且在公众中名声不好，所以，他决定把火箭研究小组改名为喷气推进实验室，自己担任主任（从1939年至1944年，冯·卡门一直担任主任）。实验室最初设立弹道、材料、推进、结构等四个研究组，钱学森负责推进组，并与同事史都华共同管理弹道组。

推进剂分液体与固体两种。就提供长时间推力而言，使用液体推进剂的火箭发动机设计比较容易，但体积庞大，携带麻烦；使用固体推进剂的发动机体积小，火箭的机动性很强，适合作战需求。然而，当时已有的固体发动机，燃烧时间都不超过3秒，产生不了预期的推力，且与小组制定的燃烧时间30秒的目标相差太远。小组做了无数次试验，研制了各种配方，但结果不是点不着火就是立即爆炸，以致大多数专家认为，根本无法制造长时间工作的固体推进剂发动机。1939年年底，阿诺德将军的副官齐德劳少校访问加州理工学院时问冯·卡门：“你真的认为火箭这玩意儿值得陆军航空兵花1万美元吗？”

火箭研究小组不屈不挠，继续钻研固体推进剂问题。钱学森白天干学校的助理研究员工作，晚上经常带着笔记本、笔和计算尺，跑到马林纳家里协同攻关。马林纳家的房子很小，他只好把前廊改装成办公室，钱学森、马林纳和其他同事一起围着桌子、靠在藤椅上大声讨论，有时争论得面红耳赤。吵完没多久，桌上就会高高地堆起填满方程式的计算纸。马林纳的妻子回忆道：

我听见他们的工作和交谈声。他们会比较各人的笔记，争辩说“你一定错了”“你一定不对”。过一会儿，马林纳会大叫“不会的！不会的！”，然后大家哈哈大笑。听起来他们玩得挺愉快。

他们的攻关获得了冯·卡门的绝对支持。1940年夏天，冯·卡门列出了4组方程式，以推理的形式，阐述了在理想状态下使用固体推进剂发动机的工作原理。冯·卡门对马林纳说：“把这些方程解出来。如果方程的解表明，在火箭发动机点火时，限制燃烧过程是不稳定的，我们就只好撒手不干；如果是稳定的，我们就该继续试下去。”马林纳解出了这些方程式，运算结果证明，他们要搞的这种发动机在理论上是行得通的。

火箭研究小组克服重重困难，终于研制出一种由次氯酸钾和煤焦油组成的新型推进剂。1941年度，火箭研究小组又获得了2.2万美元的资助。随后的几次试验证明，他们在解决固体推进剂燃烧稳定性方面确实取得了实质性的成果。冯·卡门多年以后还记得1941年8月12日的一次惊人试验，那是将12枚固体助推火箭固定在一架轻型单翼小飞机上，他回忆道：“火箭点燃时，飞机像子弹一般飞跃而起，我们从未见过飞机以这么陡峭的角度爬上天空。”

第二次世界大战的战场很快从地面升级到了天空，美国每年生产5万架战斗机的速度仍然跟不上战场的需要，国防开支犹如洪水决堤。由于火箭对于提高飞机的速度和性能具有极大的潜力，美国海军也找上门来要求与加州理工学院签约开发更优良的助推火箭，以至于国家科学院毫不犹豫地把1942年度的资助金额提高为12.5万美元。

投桃报李，火箭研究小组也没让美国政府失望，在用固体火箭做飞机起飞助推装置的任务完成后，他们又把精力转向能量更大的液体火箭。很快，他们又成功研制出了使用硝酸／苯胺液体推进剂的发动机。1942年4月15日，美国第一架装有火箭助推装置的重型轰炸机试飞大获成功！这天，一架重达9吨、配有2个液体发动机助推火箭的道格拉斯A-20轰炸机停在跑道边。飞行员保尔·戴恩少校轻轻按动起飞装置的一瞬间，飞机腾空而起，仿佛被高射炮飞速推出炮膛的炮弹直扑碧空。有了这种火箭助推起飞装置，飞机起飞的速度大大提高，使用的跑道大大缩短。冯·卡门和“敢死队”队员们拥抱在一起欢呼：“这下可以让德国法西斯吃不了兜着走了！”高兴之余，冯·卡门还没忘记给他的爱徒们一句评语：“这是美国实际应用火箭的开始。”很快，美国的战机就推广使用了这项先进技术。

遗憾的是，在理论和计算方面为“GALOIT”项目提供了显著贡献的钱学森却没在试验现场，冯·卡门对此有些愤愤不平。原来，从1940年起国家科学院就把火箭计划列为高度机密，钱学森因没有美国公民身份，无法再参与小组的研究工作。

1940年至1942年，钱学森主要从事固体力学和空气动力学方面的研究，除了研究球体外壳、薄圆柱体外壳、实心柱等各种屈曲现象外，还参加了冯·卡门领导的另一个小组。小组一共3人，负责设计加州理工学院一个能产生超声速强风的小型风洞。

钱学森负责数学部分，另外两人负责机械设计和理论部分。1942年，他们完成了美国第一座持续运转的超声速风洞，速度可超过马赫数4，它成为日后建造的美国第一座大型超声速风洞的模型。钱学森总结这次工作经验，写了一篇题为《风洞之收缩圆锥的设计》（On the Design of a Contraction Cone for a Wind Tunnel）的论文，发表于《航空科学学报》上。所谓收缩圆锥就像一个漏斗，风穿过圆锥时，因空间缩小，空气体积亦被迫缩小，导致风速增加。钱学森发现，当圆锥某些部位的曲度过大时，空气的边界流层就会从壁面脱离；而当圆锥狭窄处的风速过大时，风洞就有出现气流因压缩效应产生振波的危险。他特别在文中提出了使近亚声速风洞中气流速度低于声速的公式。

钱学森的聪颖和造诣使冯·卡门确信他对美国政府极具价值。冯·卡门亲自出面斡旋，试图说服政府部门批准钱学森参与加州理工学院的秘密军事计划。美国政府也动心了，像钱学森这样拔尖的年轻人，打着灯笼去找也找不到几个！经过一番审核，1942年12月1日，宪兵总司令部人事安全主管巴陀上校，“啪嗒”一声在钱学森的安全许可证上盖上了大印。从此，钱学森再度加入火箭研究小组，并获准可以参与海陆空三军、国防部、科学研发局的一切秘密合约。

钱学森归来，火箭研究小组如虎添翼。他们满怀喜悦地收获着接踵而至的空军、海军、陆军、兵工厂以及政府部门的订单，钱学森的工作也愈发忙碌。

1943年4月，他完成了一项发动机外壳在高速运行时所受压力分布的研究；

7月，他交出一份报告，讨论以喷气为动力驱动液态推进剂泵的可能性；

10月，他研究固体推进剂添加金属固体的效果。

1944年5月，他提出报告讨论压缩机或涡轮机叶片变形的影响；

8月，他为喷气推进实验室做的关于从平坦金属片到高速行进气流间热传导的报告完成了。

20世纪40年代前叶，无疑是钱学森人生收获最多的阶段之一，他正处于而立之年创造力的巅峰时期。经过四年的助理研究员生涯，1943年秋天，加州理工学院聘请他留校担任航空系助理教授。