火箭如何工作：推进系统和发射技术详解

每次轨道发射，无论是猎鹰9号的载人飞行还是星舰测试飞行，都遵循艾萨克·牛顿首次描述的相同物理原理：每一作用力都伴随一个相等的反作用力。火箭发动机燃烧推进剂，并从喷嘴以高速喷出产生的热气体；这些气体将火箭推向相反方向。根据美国宇航局格伦研究中心的说法，这种作用-反作用力关系存在于火箭与其自身废气之间，这就是为什么火箭能在太空真空中工作，无需空气或任何其他介质来推动。

物理学原理：推力和比冲

工程师用两个数字来描述发动机的性能：推力和比冲。推力是产生的力，主要由从喷嘴流出多少物质以及它的流出速度决定。比冲（Isp），以秒为单位，描述了发动机将推进剂转化为推力的效率——美国宇航局格伦研究中心将其定义为推力除以推进剂的重量流率，因此比冲数值更高的发动机可以用相同量的推进剂产生更多推力，或者用更少的推进剂产生相同推力。

这个单一数字让工程师能够确定发动机尺寸并在相同条件下比较截然不同的推进系统，这就是为什么比冲不断出现在火箭规格表中。

化学推进：液体、固体和混合型

几乎所有离开地球表面的车辆都使用化学推进，其中燃料和氧化剂反应产生热的、膨胀的气体。有三种主要配置。液体推进剂发动机将燃料和氧化剂分别储存并泵入燃烧室，这使得发动机可以节流、关闭和重启——这种灵活性被政府和商业发射提供商都使用。固体推进剂马达将燃料和氧化剂混合成一个单一固体颗粒装入火箭壳体；它们在结构上简单且便宜，但一旦点燃，就会燃烧到推进剂用尽为止。混合系统将固体燃料与液体或气体氧化剂结合，位于两种方法之间。

SpaceX的Raptor发动机应用于星舰和超级重型运载火箭，展示了液体推进的一种较新方法：一种"全流阶段燃烧"设计，其中所有燃料和氧化剂在进入主燃烧室之前分别通过两个预燃烧器，根据航空航天媒体Everyday Astronaut。Raptor使用液态甲烷和液态氧燃烧——SpaceX选择这种组合的部分原因是甲烷燃烧时不会留下煤烟沉积，这会使煤油燃料发动机的重复使用复杂化，部分原因是甲烷原则上可以从火星的当地资源中制造，用于往返航行。该媒体报道Raptor产生约200万牛顿的推力，真空比冲约为330至350秒。

为什么发射运载火箭采用多级设计

从地球表面达到轨道需要到达大约150公里以上的高度，同时以超过每秒7.9公里的速度行进，根据欧洲宇航局的发射器指南。单一发动机设计很少能在整个飞行中有效地做到这一点，所以大多数轨道火箭被分成多个阶段，这些阶段一旦推进剂用尽就被丢弃，脱落死重，这样剩余的阶段可以更容易地加速较轻的火箭。

欧洲宇航局对典型的阿丽亚娜级飞行的描述显示了这在实践中的表现：助推器和主级在竖直上升的前约两分钟内同时点火，主级继续燃烧约十二分钟，而助推器已经分离并坠落到约60公里高度附近的海洋中，随后上面级点火进行最后阶段，达到任务的峰值速度约每秒8公里，然后释放有效负荷。工作完成后，用过的上面级通常被转移到"墓地轨道"，这样它就不会成为活跃卫星的碰撞危险。

超越发射：电动和离子推进

一旦航天器进入轨道或深空，化学推进通常不是长距离任务的最有效选择。许多探测器反而使用电推进，该方式对推进剂（通常是惰性气体氙）进行电离，并利用太阳能电池板供电的电场加速带电粒子从推进器喷出。美国宇航局喷气推进实验室将这些系统的推力描述为极其温和：在心理学号小行星带任务中，其离子推进器的推力即使在最大功率下也相当于在手中握着三枚硬币的压力。

这微弱的推力不足以将任何东西从地球表面抬起，但在太空的无摩擦环境中，它可以持续应用数月，缓慢积累速度。喷气推进实验室报告称，心理学号的太阳能电推进器已经将航天器推动到约每小时84,000英里，最终将达到约每小时124,000英里——这说明了为什么离子推进仅用于太空内巡航而非发射，因为在发射阶段需要化学发动机提供的高推力来在几分钟内克服重力和大气阻力。