关于火箭，你不可不知的那些事

毛新愿

欢迎大家来到毛老师的火箭基地！今天我要为大家介绍很多火箭知识以及火箭家族，你们准备好了吗？！首先我们来聊一聊火箭的历史。

据《三国志·魏略》记载，公元228年，蜀国的军队攻打陈仓，魏国守将郝昭用火箭逆射云梯，云梯发生燃烧，结果烧死云梯上的蜀兵。这是“火箭”一词第一次出现在我国史籍中。不过，彼时的火箭是纵火箭，就是在箭杆上绑上柴草、棉布，然后浇上油，点燃，射出击纵火，达到烧伤敌军的目的。火药发明之后，火箭发展成了“火药箭”。北宋时期，火药箭得到广泛应用，1044年的《武经总要》记载了“弓弩火药箭”与“火药鞭箭”两种火药箭。

北宋宣和年问（1119 -1125），作为现代火箭先声的反冲式火箭出现。7767年，宋金采石之战中，宋军将利用反作用原理的军用火箭（霹雳砣）投入实战。除此之外，明代史书上还记载了军用火箭“神火色鸦”队及专用于水战的“火龙出水”。可以说，火箭诞生于中国，又在世界各地开花结果，形成一个个火箭家族。火箭的基本原理

火箭的发明当然要感谢我国古代的发明家，但火箭的发展更离不开后世那些做出理论贡献的科学家，比如牛顿和齐奥尔科夫斯基。下面我们就来看看他们为火箭的发展贡献了哪些经典理论！

1 惯性原理

牛顿的惯性原理描述的是：“所有物体都将一直处于静止或者匀速直线运动状态，直到施加其上的力改变它的运动状态为止。”也就是说，如果没有外力作用的话，原本静止的物体会一直静止下去，原本运动着的物体会一直做匀速直线运动。所以，一枚造好的火箭架在发射塔上，如果我们不给它施加外力的话，它就动不起来。所以，我们想要火箭飞起来，一定要对它施加一个力。

2“F=ma”

看，这个公式又叫牛顿第二定律，它告诉我们，如果一旦有外力作用于物体，物体不仅会动起来，而且还会产生加速度。什么叫加速度呢？简单来说就是物体越跑越快。为什么火箭需要加速度呢？这很明显，因为地球对物体存在引力，那么我们必须使火箭达到一定的速度它才能“逃离”地球，这个逃离的速度就叫作逃逸速度。如此说来，就必须要有一定大的力作用在火箭上，产生一定的加速度，使火箭逐渐加速，才有可能飞离地球进入太空。当然，火箭的质量越大，需要的推力就越大。

3 作用力与反作用力

按照前两条定律，我们要给火箭施加足够的力，才能使它飞上天。但是我们知道“力”不是凭空产生的，它一定是有一个事物推动，而且这个事物对火箭施加一个力，同时它也会受到火箭给它的反作用力。所以，这个力不能只是推一下火箭，而必须让它持续地作用，产生持续的推力，火箭才能持续地加速，最终离开地球。目前，我们使用的方式就是喷燃气。当大量的热量伴随着燃气从火箭尾部喷出的时候，会产生一个极大的力，且速度极快，这时这个力就会反推着火箭前进了。

从这个公式中，我们可以了解到：公式左側是火箭的最终速度与初始速度之间的差值，其中初始速度一般来自地球自转给予火箭的速度，右侧是燃气离开火箭的速度和对数公式里火箭初始质量与最终质量的对比。由于逃离地球所需的速度是固定的7.9千米/秒，公式左侧必须达到这个值，且公式右侧某种燃料的燃气离开火箭速度（Ve）也是一定的，大约是每秒几千米。因此火箭初始质量与最终质量的对比就是有极限的，而且初始质量越大需要的燃料箱质量和支撑结构质量就越大，最终能够送上天空的有效质量就大打折扣，更何况是对数关系，也就是说，即使把地球当作一个大的燃料箱，把火箭发射出去，火箭逃出地球时的最终质量都不能超过一定的极限。而目前人类使用的几乎都是化学燃料火箭，它的燃气速度太低，导致初始质量和最终质量的比例需要特别大才能满足飞出地球的条件。比如中国的长征五号火箭，重达880吨，但只能运输25吨载荷离开地球，效率仅有2.8%。因此，如果人类要进行太空移民，就必须得研究出除化学火箭之外的新型火箭。

现代火箭的先驱

火箭要上天，没有理论支撑就飞不高，但光有理论没有实践也是无法成功的。所以，除了牛顿、齐奥尔科夫斯基这样的理论家，火箭的发展还离不开勇于实践的工程师们。

罗伯特.戈达德（1882-1945）

●第一枚液体火箭的制造者。

●戈达德一生共有214项发明专利，其中，多级火箭和液体燃料火箭是航天领域里程碑式的两项发明。

●1919年，戈达德发表的专著《达到极端高度的方法》被认为是20世纪火箭科学的经典著作之一。

谢尔盖.帕夫洛维奇.科罗摩夫（1907-1966）

●第一枚射程超过8 000千米的洲际火箭设计者。

●第一颗人造地球卫星运载火箭设计者。

●第一艘载人航天飞船的总设计师。

韦纳.冯.布劳恩（1912-1977）

●德国V-2火箭的总设计师。

●1969年，他领导研制的土星5号运载火箭将第一艘载人登月飞船“阿波罗11号”送上了月球。

●1981年首次试飞成功的航天飞机也有布劳恩的功劳。

火箭的结构

前文讲到火箭的初始质量和最终质量之比非常重要，但火箭初始质量越大用来装燃料的燃料箱、壳体就越大，如果一直带着它们飞就会徒然消耗很多能量。因此，几乎所有的火箭都会设计成多级：当一级中的燃料燃烧掉之后，就迅速扔掉发动机、壳体和燃料箱等，减轻负重。火箭一边飞一边扔，而卫星则稳居最上部。整流罩是用来保护卫星免受大气冲击的结构，当火箭飞出大气层后（100千米左右），它也要被扔掉，以便及时“减负”。

火箭的燃料

火箭身上最重的就是燃料，它占据了90%左右的质量，可以说燃料决定了火箭的异同，接下来我们就来好好介绍一下火箭的燃料。

大家知道蜡烛为什么能燃烧Ⅱ马？这是因为蜡烛满足了燃烧的两个条件：氧化剂和还原剂。对于蜡烛来说氧化剂就是氧气，还原剂就是蜡烛这种燃料本身。蜡烛在空气中燃烧会产生二氧化碳，二氧化碳和周边空气被加热，就会加速逃离蜡烛（燃料）。火箭也是利用相同的原理：氧化剂和还原剂在火箭底部相遇后剧烈燃烧，产生的巨大热量将燃烧产生的燃气迅速推出，它们从火箭底部加速逃离时就产生了推力。大家想想气球被扎破时，漏出的气体是不是也会推着气球到处飞？！

当然火箭想要进入太空，燃料的使用是很有讲究的，专业术语称其为“推进剂”。现代火箭主要使用四种推进剂：固体推进剂、液氧煤油推进剂、液氧液氢推进剂以及四氧化二氮一肼类推进剂。下面我们来看看这四种推进剂都有什么特点吧！

关于推进剂，大家要知道一些基本原则：第一，推进剂的体积越小越好；第二，推进剂能够存储越久越好；第三，发动机越简单越好；最后，比冲就是单位质量的燃料产生的推进能力或速度改变量，所以它越大越好。

现在我们先来看看固体推进剂，这种推进剂因为密度很大，所以体积相应的就很小，而且这种推进剂做好后，只要储存环境没有太大变化，它的储存时间是非常久的。但是固体推进剂的问题是，一旦点燃，就很难令其停下来，无法像液体推进剂一样可以通过开关控制推力的变化，所以固体推进剂很难控制。综合这些特点，固体推进剂被大量运用于导弹以及大型火箭的助推器。

在其余三种推进剂中，液氧和四氧化二氮都是氧化剂，煤油、液氢以及肼类都是还原剂。将这三种推进剂进行比较，液氧液氢的体积极大，而且液氧和液氢需要分别储存在大约零下183℃和零下252℃的环境中（这也是为什么我国使用了这两种燃料的长征五号被叫作“冰箭”的原因），所以这种推进剂可以说极难储存。通常使用液氧液氢做推进剂的火箭在发射的前几个小时才能灌注燃料。但是液氧液氢的好处是，它的比冲是最高的，能力是最强的，也是目前世界上应用最难、最体现航天技术的火箭燃料。再来看看液氧煤油，因为这种推进剂中含有大量的碳，在超高温下，它会在发动机上形成积碳，很难清除。所以，使用液氧煤油做推进剂的发动机很难回收，除非使用一些特制的低硫、更加纯净的煤油，降低积碳效应。最后，因为四氧化二氮一肼类这种推进剂有剧毒，所以一旦发生泄漏，泄漏发生地将会寸草不生。目前，各国正在逐步淘汰这种燃料。

世界火箭家族

现在，我们先来看看苏联/俄罗斯有哪些了不起的火箭

大冢知道吗，苏联人给火箭取名字的方式十分简单，这支火箭运送什么上天，他们就把这支火箭以这个“货物”的名字命名。比如，运送卫星号上天的火箭就被称作卫星号火箭，运送联盟号飞船上天的火箭就被称为联盟号火箭。

苏联最著名的火箭，也是至今应用最多的当属由R7洲际导弹改良而来的联盟号火箭（Soyuz）了。这型火箭现在是用于运送联盟号飞船进入国际空间站的唯一选择。作为科罗廖夫的成名作，从1966年首飞成功以来，五十多年了，它依然是绝对的主流。

苏联还有一位专家名叫切洛梅，他所领导的团队制造了UD-X系列火箭家庭，因其第一次发射了一颗质子1号卫星，所以这型火箭从此就叫作质子号了。目前，这个系列的火箭也是俄罗斯的主力火箭。但是，比起科罗廖夫制造的液氧液氢火箭，质子号使用的推进剂是四氧化二氮一偏二甲肼。

安加拉火箭是俄罗斯最新一代火箭，其名字来源于俄罗斯的安加拉河。这型火箭采用液氧煤油推进剂，目标就是替代质子号。这型火箭已于2014年制造成功，未来这型火箭还要发展成庞大的火箭家族，成为俄罗斯的航天主力。

接下来我们看看美国的火箭家庭。

现在大家看到这型火箭就是著名的德尔塔运载火箭，它又名三角洲，是美国目前最主流的火箭。德尔塔运载火箭是由美国第一枚战略导弹“雷神”改装而来。因为“雷神”是多级导弹，按照希腊语排序方式，第四级被叫作“德尔塔”。后来，美国人在“雷神”第四级的基础上发展出火箭，于是这型火箭就被命名为德尔塔了。德尔塔运载火箭外形特别粗壮，因为它使用的液氧液氢推进剂体积很大。我们之前已经讲过，液氧液氢推进剂的好处是比冲大，推进效率很高，但代价是体积也很大。

讲美国火箭，如果不讲土星5号那就太说不过去了！土星5号是冯·布劳恩的得意之作，也是人类史上最强大的火箭，它的起飞重量是3 000吨，它可以将130—150吨的载荷推到近地轨道，还可以将45吨左右的载荷推到月球转移轨道。它的特点在于：下面一级运用液氧煤油推进剂，上面一级运用液氧液氢推进剂。另外，它的发动机十分强大。火箭整体非常稳定，是全世界目前唯一一型载人登月火箭。后来，随着航天飞机的运用，土星5号逐步退出了历史舞台，目前仅剩3枚保存在博物馆中。

现在美国主流的三种火箭是：德尔塔、宇宙神以及猎鹰系列火箭。宇宙神（Atlas）就是美国在德尔塔发展到一定程度之后，研制的新一代主力火箭。这个系列的火箭主要使用的是液氧液氢和液氧煤油推进剂。2002年起，宇宙神开始服役。

在进入新世纪之后，美国开始注重扶植私营航天，这就诞生了如今炙手可热的私营航天公司——美国太空探索技术公司（SpaceX）。2008年，SpaceX制造的猎鹰系列火箭发射成功。这个系列的火箭使用的是液氧煤油推进剂，但SpaceX也在不断开发新型燃料，研制一些重型火箭。2018年2月7日，他们研制的未来打算比肩土星5号的重型猎鹰运载火箭成功发射，并完成了部分箭体的回收。作為一个以盈利为目的的私营航天公司，SpaceX的火箭相较于“德尔塔”和“宇宙神”要便宜很多。2016年4月9日，SpaceX成功在大西洋上回收了猎鹰9号一级火箭。2017年3月30日，SpaceX成功将“回收”的猎鹰9号火箭再次送入太空，并在无人船上成功回收。SpaceX的首席执行官伊隆·马斯克曾说：“每次发射后扔掉火箭与多次重复使用它们是完全不同的，制造新火箭成本巨大，成功发射和回收它们将会改变一切。”目前，一枚崭新猎鹰9号火箭的价格约为6000万美元，但回收过的二手火箭的价格就变成七折左右，非常具有竞争力。

大家知道火箭身上什么最值钱吗？前面讲了很多关于推进剂的事，你可能会认为最贵的是推进剂。其实不然，推进剂虽然最重，但费用只占火箭成本的2%，而火箭97%的费用都花在发动机和壳体上。火箭一级中就包含发动机和壳体，可以说火箭一级的费用能够达到总成本的一半以上。所以，能够回收这部分再利用，就能大大降低火箭的发射成本。就像很多人所说，SpaceX完成了火箭回收任务，标志着人类向廉价太空时代又迈进了一步。