火箭為啥能飛天？超硬核科普，圍觀發射必備_風聞

來源：微信公眾號“中國航天科技集團”

12月底前後，我們即將迎來一次期盼已久、激動人心的火箭發射。在靜候大火箭飛天的同時，你是否想過，火箭為什麼能上天？放衞星為什麼要用火箭？

快來看這份由航天科技集團五院總體部科研人員製作的科普《鄉村教師和火箭列車》，超“硬核”，也很通俗。看懂了火箭飛天的門道，瞭解了科學家的不懈探索，再看大火箭發射，我們會更覺震撼~

鄉村教師和火箭列車

首先，請上我們的嘉賓齊老師。

齊老師小檔案

本名：康斯坦丁•愛德華多維奇•齊奧爾科夫斯基

國籍：俄國/蘇聯

生卒：1857年~ 1935年

生平：一生命運多舛

      10歲，患猩紅熱，喪失聽力，輟學

      12歲，母親去世，學業靠自學完成

      16歲，孤身一人來到莫斯科，每天都在圖書館自學

      21歲，回到鄉下擔任中學數學教師，直到退休

這不就是一個倒黴孩子平淡的一生嗎？

非也。孟子曰：天將降大任於斯人，必先折騰折騰他。齊老師儘管年輕時不順遂，但一直沒有放棄對科學的熱愛。在中學教學之餘，齊老師幹了很多副業。

他一生獲得多項發明，

最重要的是在1903年發表了標誌性的論文

《利用噴氣裝置研究宇宙空間》，

為火箭運動和航天理論奠定基礎。

他第一個從理論上闡明

火箭是星際旅行的唯一交通工具

他第一個提出使用液體燃料作為火箭推進劑

他第一個推導出火箭飛行運動的方程

下面請大家安靜！齊老師的航天大講堂開課啦！

如果讓衞星飛向太空，要滿足兩個條件：

一是速度。牛頓已經算出衞星的速度要大於第一宇宙速度7.9千米/秒；

二是高度。為了避免大氣的阻力，衞星要在外太空飛行，而外太空與大氣層的分界線是海拔100千米的高度，這條線也被稱為卡門線。

在牛頓時代，無論是達到這樣的速度還是高度只能説痴心妄想，而在20世紀初也絕非易事。在奠基航天理論的論文發表的1903年，本茨發明第一輛汽車不過十幾年時間，萊特兄弟也剛剛在同年成功試飛了世界上第一架飛機。

下面比較了三種辦法，讓我一一道來。

候選1：氣球或飛艇可行嗎？

在我的時代，氣球與飛艇飛得最高。

氣球或飛艇利用空氣浮力飛上天空，

但由於外太空的空氣極為稀薄，

幾乎接近真空，

所以氣球或飛艇都無法飛出大氣層。

探空氣球的極限高度也就50千米。

候選2：超級大炮可行嗎？

在我的年代，炮彈的速度最快。

大炮利用火藥爆炸的推力把炮彈發射出去，

科幻作家們很自然地想到

用所謂**“超級大炮”**來發射航天器，

其中最著名的就是前面提到過的

凡爾納發表於1866年的科幻小説

《從地球到月球》。

書中用一門炮管300米長的超級大炮

將一枚特製的“炮彈”發射到月球上。

圖片來源：科幻小説《從地球到月球》

設想超級大炮能在300米長的炮管內把炮彈加速至第一宇宙速度，則炮彈在炮管內的平均加速度必須達到10萬米/秒2以上。地球的重力加速度通常用g表示，約為9.8米/秒2，而其它的力產生的加速度為了更加直觀地描述，可以用g的倍數來表示，因此也可以説炮彈的平均加速度為1萬g以上。

我們所受的力等於自身質量×加速度。如果我們站在地球表面，體重可以用自身質量×g表示；如果我們坐在超級大炮發射的炮彈裏，所受的力就等於自身質量×1萬g。等效為1萬倍於自己體重的重量壓在身上，這種加速度將會造成人的突然死亡以及儀器的徹底損壞。

那可不可以把加速度降低呢？

當然可以。讓炮彈在一個較長的時間裏加速，這樣加速度就會比較小，但是加速持續的時間越長，加速過程中炮彈所飛行的距離也就越遠。

如果炮彈的加速度

在人體所能承受的安全範圍之內（小於10g）， 

則炮彈加速過程必須持續80秒以上，

飛行距離在300千米以上。

由於炮彈本身沒有動力，

 因此這段距離必須都在炮管內。

這就是説，

超級大炮的炮管要有 300 千米長！

即使炮彈能達到這個速度，

但炮彈從炮口發射以後，

由於空氣的阻力作用，

炮彈速度開始不斷地降低。

因此，如果想要衞星在距離地面

上百千米的軌道上達到第一宇宙速度，

那炮彈飛出炮口的速度將要更高，

這就更加難以實現。

候選3：火箭可行嗎？

火箭在原理上和小孩子玩的“二踢腳”

沒有本質區別，

它不像大炮

通過在炮膛中的火藥爆炸膨脹

產生的高壓氣體將炮彈推出去，

而是靠自身沿着一個方向高速噴射物質，

從而向相反方向運動，

充分的驗證了牛頓第三定律。

硬核知識

牛頓第三定律: 相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。

從對超級大炮的分析可以看出，

如果想飛出地球，要滿足兩個條件：

加速時間長+加速靠自己。

火箭恰好都滿足：

◆ 火箭離開地面的初始速度不需要太高，在飛行過程中逐漸加速，這樣就能夠保證火箭內乘員的生命安全以及工作儀器的正常運轉；

◆ 火箭通過自身攜帶推進劑，將它們轉換成為能量，不需要其它輔助加速裝置。

那火箭就是一個大號的“二踢腳”，內部裝着火藥？然後——

叮

咣！

為了回答這個問題，先從動量守恆定律開始講起。

硬核知識

動量守恆定律：質量和速度的乘積稱為動量。當一個系統不受外力或者所受外力之和為零時，系統總動量不變。

再看看天上的情況。嫦小娥一個人靜止在太空中，假設不受任何外力，那麼嫦小娥這個系統是動量守恆的。

根據動量守恆定律，

當她把球朝着一個方向扔出去以後，

她會以一定速度朝着相反方向飛去，

很多關於太空的科幻片中

都有類似的畫面。

通過推導可得到著名的理想火箭方程，也稱齊奧爾科夫斯基火箭方程。

硬核知識

公式中，m1表示火箭沒有裝燃料時的質量，即航天裏常説的乾重；m0表示裝完燃料後的質量，即航天裏常説的濕重；V表示火箭從靜止到燃料消耗完達到的速度；C表示相對火箭噴出氣流的速度，與火箭運動方向相反。

這個方程好難啊！

方程看不懂也沒關係，只要記住，火箭的速度由兩方面決定：

◆ 火箭噴出的氣流速度

◆ 火箭的濕重與乾重的質量比

這兩個方面的數值越大，則火箭的速度越大。

那為什麼稱為**“理想”**方程呢？

因為方程成立的前提條件是火箭和排出氣體構成的系統沒有任何外力的作用，這個理想狀態在現實世界中是不可能存在的。

火箭在地面發射時要受到地球的引力、空氣阻力等，

但由於火箭噴射氣體的作用力

要遠大於所受的外力，

這一理想方程可以近似實際情況。

這個方程可以拓展到火箭飛行過程中的任意時段。

只要把等號左邊換成火箭速度的增量，並用火箭在點火開始時的質量

和點火結束時的質量

替代火箭的濕重和乾重即可。

公式中，∆V表示速度增量；

m初始表示火箭點火前的初始質量；

m最終表示火箭點火結束後的質量。

雖然叫做火箭方程，但對於在太空中的衞星來説，由於所受外力較小，因此這個方程描述衞星發動機點火過程更加準確。速度增量是衞星設計中非常非常非常非常……（此處省略10萬8千字）重要的概念！是表徵衞星最重要的能力之一，以後還要多次用到。

這個方程怎麼帶我們飛上太空呢？

根據理想火箭方程，要讓火箭的飛得快，就要儘可能提高火箭噴出氣流速度和質量比。

提高火箭噴出氣流速度

決定噴出氣流速度的重要因素是火箭燃料燃燒的性質。燃燒釋放熱量大的燃料噴出的速度就大，而液體燃料的熱量比固體燃料大，因此液體燃料更適合作為火箭的燃料。

注：* 發動機的性能也是決定因素之一，後續再講 *

​提高質量比

火箭採用高強度、低密度的材料，儘可能地減少結構的質量，也就是火箭殼體越薄、越輕越好。

我們終於可以飛上太空了！

且 慢!

這兩個辦法在實際中

還無法讓火箭達到第一宇宙速度，進入太空。

在實際應用中，

提高這兩方面的數值都有很大的難度。

地球上已知燃燒能量最大的液體燃料為液氫和液氧，

噴氣速度可達4.2千米/秒。

這個速度看起來很快，

但同質量比一起考慮的話，

就遠遠不夠了。

設想一個採用液氧和液氫作為燃料的火箭，考慮到空氣阻力、地球引力等，火箭從地面起飛的速度應達到9.5千米/秒以上。根據理想火箭方程，可以得到火箭的質量比在10：1左右，即燃料約佔火箭總質量的91%，火箭殼體只佔9%。 

火箭要承受發射過程中的

高温、高壓和真空等惡劣環境，

因此對結構的要求極高，這樣“薄皮大餡”的火箭很難製造。

一個不行，咱們就“組團”上！

就像多節火車車廂那樣，把火箭分為多級，每一級都裝有發動機和燃料，第一級火箭燃料用盡，就把它扔掉，以減輕負擔；接着點燃第二級火箭，提高速度，幾次加速以後，就可以達到第一宇宙速度了。這就是著名的 “火箭列車”的概念。

致敬《銀河鐵道999（松本零士）》

“火箭列車”有三種形式：

1 串聯火箭

火箭各級串在一起。發射時，第一級（最下面一級）先點火，工作結束後將第一級拋掉，第二級再點火工作，依次類推。

2 並聯火箭（捆綁式火箭）

一枚比較大的火箭放在中間（芯級），周圍捆綁了多枚小火箭（助推器）。助推器與芯級在地面一起點火，助推器工作一定時間後先關機，關機後與芯級分離並被拋掉。助推器因在芯級飛行的半路上關機，所以只能算是半級火箭。

3 串並聯火箭

既有多級火箭串聯在一起，一級火箭周圍又捆綁了多枚助推器。

目前的火箭通常都是串聯火箭或者串並聯火箭。以中國長征系列火箭為例，已服役的長征火箭大家族主要包括長征1號到長征7號多個系列，每個系列中又有一定的區別，分別按照甲、乙、丙、丁等進行排序。

例如，長征二號丙火箭是二級運載火箭，包括兩段火箭；長征三號甲火箭是三級運載火箭，包括三段火箭；而長征三號乙火箭則是在長征三號甲火箭基礎上增加了4個助推器，可以算是3.5級火箭。

那最後是要把火箭的最後一級送入太空嗎？

不。

在火箭最後一級的頂部，裝載的是“火箭列車”真正的“乘客”，通常是衞星、探測器，或者是載人飛船、空間站等。“火箭列車”最終目的是要把這些“乘客”以一定高度和速度送入太空，進入預定軌道。使命完成後，最後一級火箭就黯然離去，墜入大氣層，燃燒殆盡。

為了保護“乘客”，“乘客”的外面安裝了整流罩。整流罩是兩片類似貝殼的結構。火箭在起飛前，兩塊“貝殼”合上，在地面保護航天器，保證航天器的温度、濕度和潔淨度等；火箭起飛穿過大氣層時，由於速度很快，同大氣產生摩擦帶來較大的力和熱，合上的“貝殼”使航天器免受影響。火箭飛出大氣層後，“貝殼”分開、拋離。

那火箭越多級數就越好唄？

非也。因為多級火箭的每一級都會包括貯箱、發動機以及兩級之間的連接分離結構等，級數越多這些多餘的重量就會越大；同時，整個火箭就越複雜，可靠性也就會降低，因此一般而言火箭都是2級到4級。

火箭不同級的作用也不同，以三級為例：

第一級火箭的關鍵是推力，要讓火箭能飛起來，因此要求推力最大，如同汽車的一檔啓動；

第二級、第三級火箭的關鍵是加速，因此要求燃料燃燒的效率儘可能高，儘快的提高速度，如同汽車掛上高檔位。

為了能夠飛上太空，火箭可以説是名副其實的“大力士”。

通常火箭塊頭越大，推力就越大。

中國的長征五號要比長征家族其他成員大了一號，

因此也被稱為“胖五”，

在國外，還有更“胖”的“大胖子”，

有的已退役，有的剛服役。

以波音747的推力為參考，

對幾型火箭的推力做一個對比。

在可預見的未來，

NASA的超重型運載火箭（SLS）的推力可達3800噸，

中國的長征九號火箭推力擬達到約5900噸。

但SpaceX計劃要將100人

送到火星的星艦（Starship）更加可怕，

推力將達到驚人的7300噸。

以長征三號乙火箭將衞星送入標準的GTO（地球同步轉移軌道）軌道為例，看看“火箭列車”各級分離的過程，攏共分5步！

（請橫屏觀看下圖）

圖片來源：長征三號乙運載火箭用户手冊英文版

第一步:助推器分離

助推器發動機關機後，連接裝置解鎖，裝在助推器上的“側推”小火箭點火，將助推器迅速斜着推出去，防止同火箭芯級碰撞，助推器自由下落完成分離。

第二步: 一級/二級分離

在一級發動機關機後，二級發動機點火，兩級間的連接裝置解鎖，一級就被二級發動機噴出的氣流推離，實現分離。

硬核知識

這就是所謂的**“熱分離”**：靠前面一級火箭發動機噴出的高温氣流把後面一級火箭推開。前面一級火箭的發動機在兩級火箭分離前就已經點火。

第三步:整流罩拋罩

連接裝置解鎖，安裝在三級上的彈簧將兩個整流罩半罩推開分離，兩個整流罩半罩向下翻轉，隨着火箭上升分離下落。

第四步:二級/三級分離

在二級發動機關機後，兩級間的連接裝置解鎖，二級上的反推小火箭點火產生一個反向的力，二級與三級分離。然後，三級發動機點火。

硬核知識

這就是所謂的**“冷分離”**：靠後面一級火箭上的反推小火箭的推力把後面一級推開。前面一級火箭的發動機要在兩級火箭分開後才點火。

第五步:衞星/三級分離

聯接衞星和三級的裝置解鎖，衞星被彈簧推離火箭，實現星箭分離，“火箭列車”至此才把“乘客”送抵終點。

這期快接近尾聲了，但還有一種上天的方法，齊老師沒有講，那就是飛機。

候選4：飛機可行嗎？

飛機飛行是基於空氣動力學，同火箭上天的原理差別較大。飛機在快速運動過程中，由於機翼形狀的原因，機翼上方的氣壓要低於機翼下方的氣壓，壓力差產生的升力克服了重力，使飛機飛上了天空。簡單來説，得有空氣才飛得起來。

但是由於地球表面存在稠密大氣，飛機飛行的速度越大，所受到的空氣阻力也就越大，所以很難實現火箭般的高速飛行。現在最快的飛機之一X-43A的速度約為3.1千米/秒，這個速度還不到第一宇宙速度的一半。如果要通過減少空氣阻力提高飛機速度，只有先提高飛機的高度，以降低大氣密度，然而當大氣越來越稀薄時，飛機的原理就不適用了。

比較了這麼多，讓我們總結一下很多同學傻傻分不清的航天和航空的區別。

航空

● 利用空氣動力學的原理產生升力

● 在大氣層內飛行

航天

● 利用牛頓第三定律原理，通過燃燒自身攜帶燃料向外噴射產生推力

● 基於萬有引力定律原理在大氣層外飛行

當然，也有集成了航空的飛機和航天的衞星特點的**“兩棲”飛行器**——航天飛機和空天飛機。他們都需要藉助火箭送入太空，既能在地球衞星軌道上飛行，又能通過飛機的原理在大氣層中飛行，同時結束任務後還能像飛機一樣飛回地面。

最後，再回到齊老師。齊老師一生都在搞理論研究，沒有發射過一枚火箭，但是後世所有的火箭都基於他的理論。在齊老師的努力下，人類補全了飛向太空理論的最後一塊拼圖，下面就可以放開手腳大幹一場，開啓激動人心的航天時代。

考試不考的冷知識

飛機無法飛出大氣層，因此也就無法發射衞星。但如果把飛機和火箭相結合呢？這個腦洞大開的想法，驚喜不驚喜？震撼不震撼？其實，它早已被實現。

美國在1990年成功完成了首次空中發射火箭。一架B-52戰略轟炸機（後來的空中發射更換為洛克希德L-1011運輸機）代替火箭的第一級，搭載一枚飛馬座固體小型火箭，成功將一顆海軍導航衞星發射入軌。長15米、重18噸的飛馬座小型火箭掛在機翼上，衞星裝在火箭頂端。當飛機到達約12千米的高空，速度為980千米/小時時，將火箭釋放。5秒鐘後，小型火箭點火。大約升至740千米的高度，火箭和衞星分離，衞星進入軌道。

（請橫屏觀看下圖）

這種方式具有很明顯的優勢：

※ 起點低。無需專門的火箭發射台，在普通機場即可起飛；

※ 週期短。一般火箭的發射準備工作需要幾個月，而空中發射只要6個技術人員兩星期就能組裝完畢；

※ 費用省。空中發射的費用是常規火箭的1/3。

這種方式也有侷限性——無法發射尺寸、重量更大的衞星，並且無法將衞星送入高軌。

考試不考的冷知識+1

齊老師在給《航空評論》雜誌的信中，寫下這樣一句話：

“地球是人類的搖籃，但是人類不能永遠生活在搖籃裏，開始他將小心翼翼地穿出大氣層，然後便去征服太陽系”。

這句話作為墓誌銘刻在了齊老師的墓碑上，也鐫刻到了一代代有志於從事航天事業、嚮往遨遊太空的人們心中。

在他誕辰100週年之際，第一顆人造地球衞星上天；

過了4年，蘇聯人加加林實現了人類的第一次宇宙飛行；

又過了8年，美國人阿姆斯特朗把他的腳印留在了月球上；

再過了44年，一個叫“旅行者1號”的無人探測器飛到了太陽系邊際。

這一切的起點都來自於一個幾乎失聰的人，一個從未進入過中學與高等學校的人，一個被人譏諷為“卡盧加的幻想家”的人，一個不懈努力的人，一位受人尊重的人——康斯坦丁•愛德華多維奇•齊奧爾科夫斯基。