ความแม่นยำของจรวดยุคต้น
วิลเลียม คองกรีฟ (William Congreve) บุตรชายของผู้ตรวจสอบของกองคลังสรรพาวุธแห่งวัลลิช (the Royal Arsenal, Woolwich), ลอนดอน, กลายเป็นคนที่สำคัญในงานด้านนี้ จากปี 1801 คองกรีฟ วิจัยเกี่ยวกับการออกแบบที่เป็นต้นแบบของจรวดแห่งมัยซอร์ (Mysore rockets) และตั้งอยู่บนโครงการพัฒนาที่เข้มแข็งของห้องปฏิบัติการแห่งคลังสรรพาวุธ [38]
คองกรีฟได้จัดทำส่วนผสมเชื้อเพลิงจรวดใหม่และพัฒนาจรวดด้วยท่อเหล็กที่แข็งแกร่งกับหัวจรวดรูปทรงกรวย จรวดคองกรีฟยุคแรกนี้มีน้ำหนักประมาณ 32 ปอนด์ (14.5 กิโลกรัม) กองคลังสรรพาวุธได้แสดงการสาธิตจรวดเชื้อเพลิงแข็งขึ้นในปี ค.ศ. 1805 จรวดได้ถูกนำมาใช้อย่างมีประสิทธิภาพในช่วงสงครามนโปเลียนและสงครามในปี ค.ศ. 1812 คองกรีฟ ได้ตีพิมพ์หนังสือสามเล่มเกี่ยวกับวิทยาการที่เกี่ยวกับจรวด [39]
จากนั้น การใช้จรวดในทางทหารได้แผ่กระจายไปทั่วซีกโลกตะวันตก ในสงครามบัลติมอร์ (Battle of Baltimore) ในปี ค.ศ. 1814, จรวดที่ใช้ยิงป้อมแมกเฮนรี (Fort McHenry) โดยเรือจรวด (rocket vessel) อันเป็นเรือรบหลวงที่มีชื่อว่า เอระบัส ที่แปลว่า “ม่านควัน” (His (Her) Majesty’s Ship, HMS Erebus) นั้น เป็นแหล่งที่มาของแสงเจิดจ้าสีแดงของจรวดที่ได้อธิบายไว้โดยฟรานซิส สกอตต์ คีย์ (Francis Scott Key) ในเดอะสตาร์สแปงเกิลด์แบนเนอร์ [40] จรวดยังถูกนำมาใช้อยู่ในสงครามวอเตอร์ลู [41]
จรวดในยุคแรก ๆ มีความไม่เที่ยงตรงแม่นยำมากนัก โดยที่ไม่ได้ใช้การปั่นหรือ การหมุนของวงแหวนเข็มทิศ (gimballing) ที่เกิดจากแรงผลักดันของจรวดแต่อย่างใดในการเคลื่อนที่ของจรวด พวกมันมีแนวโน้มอย่างมากที่จะเปลี่ยนทิศทางของการเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วออกจากเป้าหมายที่ได้ตั้งเป้าเอาไว้ จรวดมิสโซเรียน (Mysorean rockets) ช่วงต้นและช่วงต่อมาของจรวดคองกรีฟ (Congreve rockets) ของอังกฤษนี้ได้ถูกปรับปรุงให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยการแนบติดแท่งยาวเข้ากับส่วนท้ายของจรวด (คล้ายกับจรวดขวดในยุคสมัยปัจจุบันนี้)
ที่จะทำให้มันเปลี่ยนแปลงแนววิถีทิศทางของการเคลื่อนที่ได้ยากยิ่งขึ้น จรวดคองกรีฟที่ใหญ่ที่สุด เป็นชิ้นส่วนที่มีมวลขนาด 32 ปอนด์ (14.5 กิโลกรัม) ซึ่งมีแท่งยาว 15 ฟุต (4.6 เมตร) แต่เดิมนั้น แท่งยาวถูกติดตั้งอยู่บนด้านข้าง แต่ต่อมาภายหลังเปลี่ยนเป็นติดตั้งอยู่ตรงใจกลางของจรวด, ช่วยลดแรงฉุดรั้งในขณะเคลื่อนที่และช่วยให้จรวดถูกยิงได้อย่างแม่นยำมากขึ้นจากส่วนของท่อยิง
ปัญหาเรื่องความแม่นยำของจรวดได้รับการปรับปรุงอย่างมากในปี 1844 เมื่อวิลเลียม เฮล (William Hale) ได้แก้ไขการออกแบบจรวดเพื่อที่ว่าจรวดจะได้มีเวกเตอร์แรงขับดันขึ้นเล็กน้อย (slightly vectored), ทำให้จรวดเกิดการปั่นหมุนตามแกนของทิศทางการเคลื่อนที่เหมือนกับกระสุน จรวดของเฮลจึงไม่มีความจำเป็นต้องใช้แท่งยาวเพื่อรักษาทิศทางในขณะเคลื่อนที่ของจรวดแต่อย่างใด, ทำให้การเคลื่อนที่ของจรวดมีความคล่องตัวมากขึ้นเนื่องจากแรงต้านของอากาศที่ลดลงแต่ก็ยังห่างไกลจากความแม่นยำมากอยู่ดี
ทฤษฎีของจรวดอวกาศ
คอนสแตนติน ซีออลคอฟสกี ตีพิมพ์เผยแพร่ผลงานครั้งแรกในงานเกี่ยวกับการเดินทางไปในอวกาศซึ่งเป็นแรงบันดาลใจจากงานเขียนของฌูล แวร์น
ในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 ได้เกิดมีเรื่องราวของการสืบสวนทางวิทยาศาสตร์ขึ้นในประเด็นเกี่ยวกับการเดินทางสำรวจระหว่างดาวนพเคราะห์โดยได้แรงหนุนส่วนใหญ่มาจากแรงบันดาลใจจากนวนิยายโดยนักประพันธ์ เช่น ฌูล แวร์น (Jules Verne) และ เอช. จี. เวลส์ (H.G. Wells) นักวิทยาศาสตร์ได้ยึดถือเอาว่าจรวดเป็นเทคโนโลยีที่สามารถบรรลุเป้าหมายนี้ได้ในชีวิตจริง
ในปี 1903 ครูคณิตศาสตร์แห่งโรงเรียนมัธยมปลายชื่อ คอนสแตนติน ซีออลคอฟสกี (Konstantin Tsiolkovsky) (1857-1935), ได้ตีพิมพ์เผยแพร่บทความในชื่อที่เป็นภาษารัสเซียว่า Исследование мировых пространств реактивными приборами [42] (หรือในชื่อภาษาอังกฤษ The Exploration of Cosmic Space by Means of Reaction Devices) (การสำรวจอวกาศจักรวาลโดยวิธีการของวัสดุอุปกรณ์แห่งแรงปฏิกิริยา) เป็นการทำงานทางวิทยาศาสตร์อย่างจริงจังเป็นครั้งแรกในเรื่องราวเกี่ยวกับการเดินทางไปในอวกาศ สมการจรวดของซีออลคอฟสกี คือหลักการที่ควบคุมการขับเคลื่อนจรวดที่ตั้งชื่อตามเพื่อเป็นเกียรติแก่เขา (แม้ว่ามันอาจจะถูกค้นพบก่อนหน้านี้ก็ตาม) [43] เขายังสนับสนุนให้ใช้เชื้อเพลิงสำหรับจรวดคือไฮโดรเจนเหลวและออกซิเจนเหลว, ทำการคำนวณค่าความเร็วไอเสียที่มีค่าสูงสุดของจรวด ผลงานของเขาเป็นหลักการพื้นฐานที่ไม่รู้จักแก่คนภายนอกสหภาพโซเวียต, แต่ภายในประเทศนั้นกลับเป็นแรงบันดาลใจในการค้นคว้าวิจัยของเขาต่อไป มีการทดลองและการก่อตั้งของสมาคมเพื่อการศึกษาเกี่ยวกับการเดินทางในระหว่างดาวเคราะห์ในปี 1924
ในปี 1912, รอเบิร์ต แอสแนลท์ แพลเทลี (Robert Esnault-Pelterie) ได้ตีพิมพ์บรรยาย [44] เกี่ยวกับทฤษฎีจรวดและการเดินทางระหว่างดาวเคราะห์ ทฤษฎีจรวดของเขานั้นเป็นอิสระจากสมจรวดของซีออลคอฟสกี เขาได้ทำการคำนวณขั้นพื้นฐานเกี่ยวกับพลังงานที่จำเป็นต้องใช้ในการเดินทางไปรอบดวงจันทร์และดาวเคราะห์, และเขาได้เสนอให้ใช้พลังงานจากนิวเคลียร์ (เช่นเรเดียม) เป็นกำลังขับดันเจ็ท
โรเบิร์ต ก็อดเดิร์ด
ในปี 1912 โรเบิร์ต ก็อดเดิร์ดได้รับแรงบันดาลใจจากในวัยเด็กโดย เอช. จี. เวลส์, เขาเริ่มการวิเคราะห์จรวดอย่างจริงจังซึ่งสรุปได้ว่า จรวดเชื้อเพลิงแข็งแบบดั้งเดิมนั้นจำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงในสามวิธี อันดับแรก เชื้อเพลิงนั้นควรจะถูกเผาไหม้ในห้องเผาไหม้ขนาดเล็ก ๆ, แทนที่จะสร้างภาชนะบรรจุเชื้อเพลิงที่เผาไหม้ของจรวดเอาไว้ทั้งหมดเพื่อการต้านทานต่อแรงกดดันที่สูง (ค่อย ๆ เผาไหม้ไปทีละน้อย) ประการที่สองตัวจรวดจะถูกจัดเรียงให้อยู่เป็นขั้น ๆ หลาย ๆ ตอนประกอบกันจะไม่เป็นตัวจรวดชิ้นเดียวไปเลยเสียทีเดียว ซึ่งจะทำให้เมื่อขณะจรวดกำลังเคลื่อนที่สูงขึ้นไปในชั้นบรรยากาศเหนือพื้นโลก และใช้เชื้อเพลิงในจรวดส่วนนั้น ๆ หมดไปก็จะทำการสลัดตัวจรวดส่วนนั้น ๆ ทิ้งไป เหลือแต่ตัวจรวดส่วนถัดขึ้นมาทำให้มีมวลลดลงจึงทำให้สามารถเพิ่มอัตราเร็วของจรวดได้มากขึ้นไปได้เรื่อย ๆ ซึ่งถ้าจรวดมีอัตราเร็วมากกว่าอัตราเร็วค่าหนึ่งก็สามารถทำให้จรวดนั้นสามารถเคลื่อนที่ด้วย “ความเร็วหลุดพ้น” เอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลกเคลื่อนที่หลุดพ้นออกไปโคจรรอบโลกหรือดวงดาวต่าง ๆ ในห้วงอวกาศได้ ประการสุดท้ายอัตราเร็วของไอเสียของจรวด (และความมีประสิทธิภาพของมัน) จะได้รับการเพิ่มขึ้นอย่างมากจนถึงเกินกว่าอัตราเร็วของเสียงได้โดยใช้หัวฉีดเดลาวาล (De Laval nozzle) เขาได้จดสิทธิบัตรแนวคิดเหล่านี้ไว้ในปี 1914 [45] นอกจากนี้เขายังได้พัฒนาคณิตศาสตร์ของการบินของจรวดด้วยตนเองอีกด้วย
ในปี 1920 ก็อดเดิร์ดได้ตีพิมพ์เผยแพร่แนวความคิดเหล่านี้และผลการทดลองในหัวข้อชื่อว่า วิธีการในการที่จรวดจะเข้าถึงที่ระดับความสูงจากพื้นโลกอย่างมากสุดขีดได้ [46] (A Method of Reaching Extreme Altitudes) จากผลงานนี้ยังรวมไปถึงการตั้งข้อสังเกตเกี่ยวกับการส่งจรวดเชื้อเพลิงแข็งไปยังดวงจันทร์ด้วย, ซึ่งเป็นที่ดึงดูดความสนใจจากทั่วโลกและได้รับทั้งการยกย่องและหัวเราะเยาะ
