火箭如何工作：推力、推进系统和轨道力学解释

每当火箭升空时——无论是载人的猎鹰9号、欧洲的阿丽亚娜运载火箭，还是小型地球观测卫星助推器——它都在应用工程师自20世纪初以来就使用过的同样的物理原理。公众对这些发射的兴趣全年保持高位，然而推力、推进和轨道的基本机制往往被忽略。包括NASA和欧洲航天局（ESA）在内的机构发布了关于火箭实际如何工作的详细解释；本文章基于这些材料。

产生推力：牛顿第三定律的作用

根据NASA的格伦研究中心，火箭发动机在燃烧室内燃烧储存的燃料和储存的氧化剂，产生炽热的高压排气。该气体然后被强制通过喷嘴，在离开车辆之前进一步加速。NASA明确指出"推力是根据牛顿第三运动定律产生的"：气体从喷嘴向一个方向被推动，火箭以相等的力向相反方向被推动。ESA使用气球类比为年轻读者描述同样的机制——从气球口颈涌出的空气向一个方向推动气球，气球向另一个方向被推动。

NASA的推力方程数值上表示为 F = ṁVe + Ae(pe − p0)，其中 ṁ 是通过发动机的排气质量流量，Ve 是排气的出口速度，Ae 是喷嘴的出口面积，pe 是喷嘴出口处的压力，p0 是周围（自由流）压力。实际上，火箭产生的推力量主要取决于每秒有多少排气质量离开以及该排气在离开喷嘴时移动的速度有多快。

为什么火箭在太空真空中工作

喷气发动机和螺旋桨依靠吸入周围空气，这意味着一旦车辆离开大气层就无法运作。火箭避免了这一限制，因为如NASA所指出的，它们携带自己的氧化剂而不是依赖大气氧气。由于反应中根本没有涉及任何外部空气，推力方程中没有"自由流"进气项——这也是为什么如NASA所说，火箭可以在没有其他氧气来源的真空中产生推力。

比冲：衡量发动机效率

工程师们使用称为比冲或Isp的数字来比较火箭发动机。NASA的格伦研究中心定义它为推力除以消耗推进剂的重量流量，通过公式 Isp = F/(ṁ·g0) 表示，其中 g0 是标准重力加速度（9.8 m/s²，或 32.2 ft/s²）。NASA解释说，比冲值越高的发动机效率越高，因为它用相同量的燃烧推进剂产生更多推力——使Isp成为燃料经济的火箭推进等效物。

多级火箭：减少无用质量

大多数运载火箭分两到三个阶段建造。ESA解释说，一旦一个阶段燃烧完所有推进剂，它就被分离并丢弃，因为继续拉着空油箱和使用过的发动机硬件会浪费加速车辆其余部分所需的燃料。大型运载火箭还在第一阶段附加固体或液体燃料助推火箭以在升空时获得额外推力；这些助推器在使用完毕后也被抛弃。ESA指出，航天器需要达到大约28,000 km/h才能进入轨道，分阶段有助于通过在上升时持续减轻车辆的质量来实现这一速度。

化学推进与电推进的比较

并非所有推进系统都设计用来将车辆从地面升空。化学发动机——如上所述，燃烧燃料和氧化剂——仍然是将火箭从地球大气层升起的唯一实用方法。然而，对于在太空中进行机动操作，机构越来越多地使用电推进。NASA描述了使用由太阳能电池阵列或核反应堆产生的电力来电离氙或氪等气体并使用电磁场将产生的离子加速喷出推进器的系统。

NASA的黎明号任务说明了这种权衡：它使用电推进花费大约五年时间到达小行星带，然后在维斯塔和谷神星这两个天体之间进行机动——这是化学发动机短暂而强大的燃烧无法实现的缓慢稳定加速，但在长期任务中是高效的。ESA对其SMART-1月球探针和正在进行的BepiColombo水星任务提出了相同的观点，两者都依赖于离子发动机，用ESA的话说，"可以温和地推进数月甚至数年"，仅使用少量推进剂和来自太阳能电池板的几千瓦电力。

到达和保持在轨道中

进入太空和留在太空是两个不同的问题。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）解释说，当卫星的前向动量与地球的重力相平衡时，卫星保持在轨道上：重力不断将卫星的路径弯向地球，而它的横向速度使它不断向前移动，因此这两种效应结合形成圆形或椭圆路径而不是直接坠落。如果卫星相对于其高度移动太慢，重力占主导地位，它会下降；如果移动太快，它会脱离那个平衡路径而不是保持轨道。

维持这种平衡所需的速度随高度而变化。NOAA举例说其NOAA-20卫星绕地球轨道约为距地面数百英里处以约17,000 mph的速度运行，相比之下其GOES-East卫星在约22,000英里高处以仅约6,700 mph的速度运行——说明卫星离地球越远，重力的拉力越弱，维持轨道所需的速度就越低。NASA的地球观测站目录为常见轨道类别提供了具体数据：其Aqua卫星从大约705公里高处绕地球一周需要约99分钟（低地球轨道）；GPS卫星在距地表约20,200公里的半同步中地球轨道上飞行，周期为12小时；地球静止卫星位于约36,000公里高处，每23小时56分4秒完成一圈轨道，因此它们在地球上空的一个点上保持固定。