火箭，摆脱地球引力的起点

每一次人类的重大科技革命，都有一个共同的特点：它们创造出了更强大的交通工具，把脆弱的人类四肢触及范围延展到更广泛的空间。

航海时代，轮船将人类带到大洋每个角落；陆地时代，汽车将人类带到大地每个角落；航空时代，飞机将人类带到天空每个角落；而到了航天时代，则需要依靠火箭要将人类带到宇宙每个角落。

现役世界最强火箭猎鹰重型（图源：SpaceX）

火箭的原理说起来并不复杂，仅需找教科书借用几个基本原理即可。

1.氧化剂和还原剂能产生氧化还原反应，释放自身储存的化学能；

2.能量守恒定律：化学能被释放后，能转化为火箭和排出废气/工质的动能；

3.牛顿第三定律和动量守恒定律：工质朝一个方向被快速排出时，火箭发动机会沿着另一方向加速。

如果把火箭的基本原理再简化好懂一些，它就是个超级复杂的大型烟花。

说起现代火箭，就不得不提一个人叫做齐奥尔科夫斯基，以及以他名字命名的著名公式。他曾在幼年时因患猩红热导致听力退化，不得不退学回家，但他通过坚持去图书馆自学，还是在16岁时因为数学天赋重新参加中考并被录取。期间他一直努力研究各种航天相关的数学问题，其中最著名的便是这个简单的公式，

简单翻译而来便是：火箭的速度改变与两个因素成正比：燃料/工质的喷射速度，及火箭初始与最终质量之比。这个公式看似只有速度和质量变化两个变量，却奠定了火箭技术的核心理论：

人类这几十年来研究的所有火箭，无论推力达到3000吨级别的巨兽土星五号，还是新时代微牛顿级别的等离子发动机，几乎都在这几大原则的框架内进行不断改进。

在这个过程中，有三位人类历史上最为伟大的火箭专家完美践行了这一伟大理论，他们的贡献几乎见证了现阶段全人类的航天探索发展。

自左向右：罗伯特·戈达德(1882-1945)：美国科学家火箭发射原理，液体火箭之父。做出了世界上第一枚液体火箭。沃纳·冯·布劳恩(1912-1977)：德国科学家。世界上最伟大的火箭科学家，主持设计了开启了人类航天史的V2火箭，后来美国早期几乎每一款火箭/洲际导弹都由他主持。最重要成名作是大名鼎鼎的土星五号(Saturn V)登月火箭，实现了人类登月的梦想，直到今天它依然是有史以来人造的最强大单个运载工具。谢尔盖·科罗廖夫(1907-1966)：苏联科学家。苏联火箭系统、洲际导弹系统、载人航天系统等多项重大工程主持者。他的贡献使得苏联在人类太空竞赛早期走在全面领先美国位置，包括各种世界第一记录的创造(世界首枚洲际导弹/首颗卫星/首位宇航员)。

以中国主力的载人航天火箭长征2F为例，目前一枚标准的火箭结构如下。

助推器：提供大推力帮助火箭从静止状态迅速加速，完成使命后迅速从火箭分离；

一级火箭：火箭的动力主体，主要推动火箭离开稠密大气区域，在助推器分离后也很快完成使命从火箭分离；

二级火箭：火箭离开大气稠密区后推动火箭继续加速进入目标轨道火箭发射原理，完成使命后分离；

整流罩：保护有效载荷(卫星、飞船等)免受大气摩擦影响，进入太空后从火箭分离；同时，由于自身处于火箭顶部，要求质量极轻、强度很大、信号通透能力强，因而设计难度很大，费用也极其高昂；

逃逸塔：仅在载人情况下使用，当发生紧急情况后可带离载人飞船迅速离开危险的火箭。正常情况下，是第一个脱离火箭的部分。

上述仅是从外观上大致进行划分，但实际上的火箭分系统划分方式远超“表面工夫”。看不见的系统，例如整体设计、结构材料、力学问题、燃料系统、控制系统、导航制导、发射场系统、遥测系统等，都是难度极大的存在。

在几十年的火箭发展历史中，人类尝试了各种燃料，总体上能力还是停在利用化学燃料摆脱地球引力的阶段。经过几千年的文明发展，人类掌握了化学燃料的使用。它技术成熟、容易制取、易于控制、制造成本较低，逐步变成了人类火箭的不二选择。

不同于地球上绝大部分生物甚至普通的交通工具，在化学反应产生能量过程中，它们只需备足还原剂(产生能量的原料比如碳水化合物里的葡萄糖乃至汽油)、氧化剂从空气中获取氧气即可。但火箭会在几十秒内离开稠密的大气，必须自带氧化剂和还原剂，二者的相互作用才会产生巨大的热量和反推火箭的气流。一枚火箭几乎95%-98%的重量都是携带的燃料/贮存箱以及燃烧它们的发动机，真正的有效载荷部分屈指可数。

在长期发展过程中，形成了几大系列化学燃料，它们的简要对比如下：

其中，固体燃料是最早投入使用的，早在中国古代的黑火药便是典型。它的瞬间推力很大、成本低廉、体积小且存储时间长，使得它在军事应用中处于垄断地位。然而，由于较低的比冲(一个衡量单位质量燃料推动有效载荷速度改变的单位，越大意味着推进效率越高)，只能在航天发射中处于配角地位。

四氧化二氮和联氨/联胺（肼）类是人类航天探测早期使用的燃料，二者在普通室温下都能保持液态、相比固体燃料有着优秀的比冲，苏联火箭和中国的长征火箭曾长期使用这种燃料。然而，它却有剧毒，对发射场污染极大，目前已经在逐步退出历史舞台。

上图：某次长征2D型火箭发射，橘黄色烟雾来自四氧化二氮燃料

中图：某次土星五号火箭发射，滚滚黑烟来自液氧煤油燃料

下图：某次三角洲-4重型火箭发射，白色烟雾来自液氧液氢燃料(水蒸气)

自戈达德时代起，火箭专家们就意识到液氧液氢或许是最理想的火箭燃料。然而事实并非如此，液氧液氢密度很低、保存极难(液氧沸点-183℃，液氢沸点-253℃)，几乎只能在发射前加注且体积巨大，对存储罐强度和保温性能要求极高，对发动机燃烧室和喷管的要求也远远高于其他燃料。因此，液氧液氢既是最理想的燃料、也是最难应用的燃料，世界航天大国的航天发射实力也往往能以液氧液氢发动机的设计能力来衡量。在此过程中，液氧煤油组合成为一个完美的过渡组合：它拥有不错的比冲、对发动机和燃料加注的要求都大大降低。人类历史上最大的火箭土星五号便采用了它作为主一级火箭推进燃料，而在第二级上采用了液氧液氢。它们的组合造就了登月的神话。

随着现代科技的进步，一些新型的火箭燃料也被开发出来。例如，电推进/等离子火箭采用经过电离并被加速到几十千米每秒的等离子，获得的推进能力（比冲）理论上最强、且燃料消耗的速度极慢。然而，目前人类并没有足够的科技力量将其做的足够大，一般仅能实现极小推力的应用(1牛顿级别甚至更低)。但对于未来的长途星际旅行作用可观，在真空中没有阻力，即便是缓慢的加速作用也能在时间累计后获得相当快的速度。目前已经在一些大气层外的卫星和飞行器上初步运用。

应用了氙离子发动机的欧空局地球重力场及洋流探测卫星(©ESA)

此外，采用惰性气体甚至水蒸气反冲作用的微型发动机也在航天器姿态确定上有所应用，但效率较低不可能作为火箭动力系统。

而核动力火箭则因为无法解决的动力控制(需要在极短时间内稳定释放极大能量)、潜在失败风险和载人环境下的核辐射问题而没有投入实用。

有了火箭之后，才有可能存在人类载人航天，它们也是唯一可能把人类四肢探索能力延展到全宇宙的工具。

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（本文是航天系列科普24讲第3篇，全部文章将在一年内更新完毕，敬请期待！）