火箭，擺脱地球引力的起點_風聞

每一次人類的重大科技革命，都有一個共同的特點：它們創造出了更強大的交通工具，把脆弱的人類四肢觸及範圍延展到更廣泛的空間。

航海時代，輪船將人類帶到大洋每個角落；陸地時代，汽車將人類帶到大地每個角落；航空時代，飛機將人類帶到天空每個角落；而到了航天時代，則需要依靠火箭要將人類帶到宇宙每個角落。

現役世界最強火箭獵鷹重型（圖源：SpaceX）

火箭的原理説起來並不複雜，僅需找教科書借用幾個基本原理即可。

1.氧化劑和還原劑能產生氧化還原反應，釋放自身儲存的化學能；

2.能量守恆定律：化學能被釋放後，能轉化為火箭和排出廢氣/工質的動能；

3.牛頓第三定律和動量守恆定律：工質朝一個方向被快速排出時，火箭發動機會沿着另一方向加速。

如果把火箭的基本原理再簡化好懂一些，它就是個超級複雜的大型煙花。

説起現代火箭，就不得不提一個人叫做齊奧爾科夫斯基，以及以他名字命名的著名公式。他曾在幼年時因患猩紅熱導致聽力退化，不得不退學回家，但他通過堅持去圖書館自學，還是在16歲時因為數學天賦重新參加中考並被錄取。期間他一直努力研究各種航天相關的數學問題，其中最著名的便是這個簡單的公式，

簡單翻譯而來便是：火箭的速度改變與兩個因素成正比：燃料/工質的噴射速度，及火箭初始與最終質量之比。這個公式看似只有速度和質量變化兩個變量，卻奠定了火箭技術的核心理論：

火箭從靜止發射時，當速度改變(最終速度)達到第一宇宙速度7.9千米/秒時，便能脱離地表引力環繞地球轉動；燃料的燃燒產物相對發動機離開時的噴射速度越大，航天器/火箭獲得的速度改變就越大；火箭初始重量與最終質量比重越大，航天器/火箭獲得的速度改變就越大；因此，多級火箭的概念被提出(不斷被扔掉的部分減少了最終質量，提高了這個比例)；但由於對數函數的限制，意味着這個比例不能無限增大，超過一定比例後盲目增大火箭重量和體積已經毫無意義了。

人類這幾十年來研究的所有火箭，無論推力達到3000噸級別的巨獸土星五號，還是新時代微牛頓級別的等離子發動機，幾乎都在這幾大原則的框架內進行不斷改進。

在這個過程中，有三位人類歷史上最為偉大的火箭專家完美踐行了這一偉大理論，他們的貢獻幾乎見證了現階段全人類的航天探索發展。

自左向右：羅伯特·戈達德(1882-1945)：美國科學家，液體火箭之父。做出了世界上第一枚液體火箭。沃納·馮·布勞恩(1912-1977)：德國科學家。世界上最偉大的火箭科學家，主持設計了開啓了人類航天史的V2火箭，後來美國早期幾乎每一款火箭/洲際導彈都由他主持。最重要成名作是大名鼎鼎的土星五號(Saturn V)登月火箭，實現了人類登月的夢想，直到今天它依然是有史以來人造的最強大單個運載工具。謝爾蓋·科羅廖夫(1907-1966)：蘇聯科學家。蘇聯火箭系統、洲際導彈系統、載人航天系統等多項重大工程主持者。他的貢獻使得蘇聯在人類太空競賽早期走在全面領先美國位置，包括各種世界第一記錄的創造(世界首枚洲際導彈/首顆衞星/首位宇航員)。

以中國主力的載人航天火箭長征2F為例，目前一枚標準的火箭結構如下。

助推器：提供大推力幫助火箭從靜止狀態迅速加速，完成使命後迅速從火箭分離；

一級火箭：火箭的動力主體，主要推動火箭離開稠密大氣區域，在助推器分離後也很快完成使命從火箭分離；

二級火箭：火箭離開大氣稠密區後推動火箭繼續加速進入目標軌道，完成使命後分離；

整流罩：保護有效載荷(衞星、飛船等)免受大氣摩擦影響，進入太空後從火箭分離；同時，由於自身處於火箭頂部，要求質量極輕、強度很大、信號通透能力強，因而設計難度很大，費用也極其高昂；

逃逸塔：僅在載人情況下使用，當發生緊急情況後可帶離載人飛船迅速離開危險的火箭。正常情況下，是第一個脱離火箭的部分。

上述僅是從外觀上大致進行劃分，但實際上的火箭分系統劃分方式遠超“表面工夫”。看不見的系統，例如整體設計、結構材料、力學問題、燃料系統、控制系統、導航制導、發射場系統、遙測系統等，都是難度極大的存在。

在幾十年的火箭發展歷史中，人類嘗試了各種燃料，總體上能力還是停在利用化學燃料擺脱地球引力的階段。經過幾千年的文明發展，人類掌握了化學燃料的使用。它技術成熟、容易製取、易於控制、製造成本較低，逐步變成了人類火箭的不二選擇。

不同於地球上絕大部分生物甚至普通的交通工具，在化學反應產生能量過程中，它們只需備足還原劑(產生能量的原料比如碳水化合物裏的葡萄糖乃至汽油)、氧化劑從空氣中獲取氧氣即可。但火箭會在幾十秒內離開稠密的大氣，必須自帶氧化劑和還原劑，二者的相互作用才會產生巨大的熱量和反推火箭的氣流。一枚火箭幾乎95%-98%的重量都是攜帶的燃料/貯存箱以及燃燒它們的發動機，真正的有效載荷部分屈指可數。

在長期發展過程中，形成了幾大系列化學燃料，它們的簡要對比如下：

其中，固體燃料是最早投入使用的，早在中國古代的黑火藥便是典型。它的瞬間推力很大、成本低廉、體積小且存儲時間長，使得它在軍事應用中處於壟斷地位。然而，由於較低的比衝(一個衡量單位質量燃料推動有效載荷速度改變的單位，越大意味着推進效率越高)，只能在航天發射中處於配角地位。

四氧化二氮和聯氨/聯胺（肼）類是人類航天探測早期使用的燃料，二者在普通室温下都能保持液態、相比固體燃料有着優秀的比衝，蘇聯火箭和中國的長征火箭曾長期使用這種燃料。然而，它卻有劇毒，對發射場污染極大，目前已經在逐步退出歷史舞台。

上圖：某次長征2D型火箭發射，橘黃色煙霧來自四氧化二氮燃料

中圖：某次土星五號火箭發射，滾滾黑煙來自液氧煤油燃料

下圖：某次三角洲-4重型火箭發射，白色煙霧來自液氧液氫燃料(水蒸氣)

自戈達德時代起，火箭專家們就意識到液氧液氫或許是最理想的火箭燃料。然而事實並非如此，液氧液氫密度很低、保存極難(液氧沸點-183℃，液氫沸點-253℃)，幾乎只能在發射前加註且體積巨大，對存儲罐強度和保温性能要求極高，對發動機燃燒室和噴管的要求也遠遠高於其他燃料。因此，液氧液氫既是最理想的燃料、也是最難應用的燃料，世界航天大國的航天發射實力也往往能以液氧液氫發動機的設計能力來衡量。在此過程中，液氧煤油組合成為一個完美的過渡組合：它擁有不錯的比衝、對發動機和燃料加註的要求都大大降低。人類歷史上最大的火箭土星五號便採用了它作為主一級火箭推進燃料，而在第二級上採用了液氧液氫。它們的組合造就了登月的神話。

隨着現代科技的進步，一些新型的火箭燃料也被開發出來。例如，電推進/等離子火箭採用經過電離並被加速到幾十千米每秒的等離子，獲得的推進能力（比衝）理論上最強、且燃料消耗的速度極慢。然而，目前人類並沒有足夠的科技力量將其做的足夠大，一般僅能實現極小推力的應用(1牛頓級別甚至更低)。但對於未來的長途星際旅行作用可觀，在真空中沒有阻力，即便是緩慢的加速作用也能在時間累計後獲得相當快的速度。目前已經在一些大氣層外的衞星和飛行器上初步運用。

應用了氙離子發動機的歐空局地球重力場及洋流探測衞星(©ESA)

此外，採用惰性氣體甚至水蒸氣反衝作用的微型發動機也在航天器姿態確定上有所應用，但效率較低不可能作為火箭動力系統。

而核動力火箭則因為無法解決的動力控制(需要在極短時間內穩定釋放極大能量)、潛在失敗風險和載人環境下的核輻射問題而沒有投入實用。

有了火箭之後，才有可能存在人類載人航天，它們也是唯一可能把人類四肢探索能力延展到全宇宙的工具。

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