火箭發動機，為什麼這麼難？_風聞

任何一枚火箭的核心，都是火箭發動機。這個道理，可以應用到幾乎每一種運載工具上，但相對汽車輪船發動機，火箭發動機的應用難度顯然更大。

對於一枚傳統火箭發動機而言，它需要同時做到：

1.推力足夠大。一枚火箭動輒數百噸乃至數千噸，發動機的推力至少也要把火箭推起來，為了產生足夠加速度則需要推力更大。

航天飛機整體結構（圖改自：NASA）

例如，航天飛機總重達2030噸，它主要依靠兩枚強大的固體助推器提供推力，單枚固體助推器的推力達到驚人的1250噸，一枚就足以把中國現役最強的長征五號（800多噸）推動。

而人類史上最強登月火箭土星五號火箭一級總推力超過了3500噸，蘇聯的重型火箭能源號推力甚至達到了4000噸級別！

2.爆發力夠強。火箭一旦起飛，就需要受到巨大重力和空氣阻力的影響，消耗巨量的燃料和能量，但最終需要達到7.9千米/秒的第一宇宙速度才可能環繞地球運動，從性價比方面就要求火箭儘可能快進入地球軌道。

對於一般的近地軌道（入軌軌道200千米高）發射任務，火箭需要在約10分鐘左右就完成發射任務。再次使用航天飛機助推器的例子，這枚重達590噸的助推器僅需127秒便會燃燒殆盡，此時它已經將航天飛機推到了45千米高，幫助航天飛機逃離最大挑戰、也最大威脅的大氣稠密區域。

超級鋼鐵巨無霸土星五號發射（圖源：NASA）

對於土星五號，它的第一級總重約2290噸，大約2160噸為燃料，發動機工作時間標準流程僅為165秒。這意味着土星五號一級平均每一秒燃燒了13.1噸燃料。汽油和煤油能量和熱值比較接近，以一輛百公里油耗為10升的小汽車為例。火箭1秒鐘消耗的能量足夠讓一輛小汽車行駛17.95萬公里，大概夠繞地球赤道4圈半。

是的，你沒有看錯，就是你家汽車開這麼遠耗的油人家一秒就噴光了。那麼土星五號第一級在兩分多鐘內消耗的燃料夠你家小汽車開個740圈赤道的。

3.質量夠輕。目前人類的火箭受限於化學燃料，最終運輸效率其實並不高，有效載荷比僅為1-5%不等，這就意味着燃料之外的結構、發動機質量必須儘量小。例如土星五號火箭重達3000噸、僅能運45噸到月球、效率1.5%。發動機的質量毫無疑問是個至關重要的因素，如果它太重勢必影響總體效率。

巨大的F-1發動機和土星五號總設計師馮布勞恩合影，這麼巨大的“暴力”機器實際上“並不重”（圖源：NASA）

土星五號一級使用了5台洛克達因的F-1液氧煤油燃料發動機。其中，全部殼體、燃料箱結構和發動機等質量僅為130噸，而F-1發動機本身單發僅重8.4噸！這與它粗放的外表和撼天動地的能力相比簡直微不足道。 

4.材料夠強。火箭發動機上面對接燃料，下面排出燃氣，燃料温度極低、燃氣温度卻極高。例如，液氧液氫燃料温度在零下180-250攝氏度左右，但它們燃燒後燃氣温度高達數千攝氏度。火箭發動機，要同時經受極冷和極熱的考驗。

獵鷹九號火箭發射，下面是燃氣的烈焰，上面是低温燃料導致的寒冰（圖源：SpaceX）

5.強度夠大。一枚大型火箭發動機，每秒鐘燒掉的燃料要以噸計，這意味着非常強力的泵在極低温下快速循環。燃氣排出時速度高達數千米/秒，帶來強力震動、噪聲和高壓，嚴重挑戰結構強度。

俄羅斯王牌聯盟火箭的完美整體設計，使得如此複雜的結構並不影響它成為人類史上最成功的火箭家族（圖源：NASA）

6.整體設計複雜。火箭發動機有推力室、噴注器、燃燒室、噴管、泵循環、控制系統、冷卻隔熱裝置、等諸多結構，任一環節都對性能有着不同要求，但它們有個共同的特點：不能出任何問題。

RS-25發動機管線一瞥（圖源：NASA）

7.控制要精細。儘管火箭已經是超級鋼鐵巨獸，釋放出巨大的力量，它卻要完成很精細的“穿針引線”工作，程序轉彎、姿態控制、變軌入軌都操作精度要求都很高，最終實現航天器的精確入軌。

8.穩定性要高。火箭動輒造價數億、乃至幾十億一枚，加上所攜帶的昂貴航天器，一旦失敗必定損失慘重。而火箭一般設計成多級、每級又可能攜帶多枚發動機、所用燃料也不盡相同，這意味着任何一枚發動機都不能出問題。

因為火箭發射只有兩種結果：成功和失敗，不存在中間值。

失敗的N1（上）和成功的獵鷹重型（下）（圖源：SpaceX/NASA）

例如，獵鷹重型火箭一級使用了27台發動機墨林發動機，它們都要保持在理想的工作狀態才能保證火箭的正常工作。歷史上蘇聯跟美國競爭的N1登月火箭，就因為始終無法解決多發動機並聯工作穩定性的問題而接連出現發射試驗失敗，最終導致蘇聯喪失了登月競爭的資格。

此外，以上這些僅是完成了最基本任務，而為了滿足多種航天任務需求、使用更加環保高效的燃料、降低對發射場的需求等方面，火箭發動機的設計將變得更加艱難。

人類航天進入新階段後，對火箭發動機的需要變得更加多元，例如先進極低温液體火箭上面級、多次點火複用發動機、變推力甚至矢量控制發動機、離子電推進發動機等的需求越來越高，它們往往帶來完全不同的應用環境，要求徹底的技術革新。

獵鷹重型火箭助推器回收（圖源：SpaceX）

例如，SpaceX公司賴以成名的火箭一級回收技術，就要求發動機必須做到並聯工作精確可控、發動機推力可變、發動機可多次複用點火、伺服機構/控制舵面着陸腿精細控制、燃料供應系統適應發動機着陸期間工作需求、高動態環境下精密導航制導與控制等，這些都建立在前文提到的各項技術基礎之上，而又全部要求嶄新的技術支撐。

再比如，離子電推進發動機的燃料使用效率大大高於傳統化學燃料，它使用被超高電壓電離的惰性氣體元素（例如氙、氪等），電離後在磁場和電場作用下高速離開發動機，從而產生精準、可變、高效的微推力系統。作者研究相關的GOCE低軌衞星就是一個應用的實例，它的電推進發動機極限推力極小、控制精度卻要求極高，在工作期間需要根據極其微弱的空氣阻力實時產生對應推力以克服阻力，這個阻力產生的加速度變化範圍是以納米/秒平方來評價的，1納米/秒平方是地球重力（9.8米/秒平方）的100億分之一！

使用了氙等離子電推進發動機的GOCE衞星（圖源：ESA）

因而，火箭發動機技術，不僅是運載火箭技術的核心，也是整個航天技術的核心。它的發展水平，也直接決定了一個航天大國的整體航天水平。

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