火箭如何工作：引擎技術和太空發射力學解釋

每次軌道發射，從政府太空機構的重型運載火箭到商業衛星發射服務，都依靠一百多年前首次描述的相同基本物理學。了解火箭引擎如何產生推力、為什麼發射載具被分成多個階段，以及什麼使到達軌道與完全逃離地球分開，有助於解釋為什麼火箭技術仍然是工程中最難的問題之一。

每次發射背後的物理學

根據美國宇航局的格倫研究中心，火箭推力是按照牛頓第三運動定律產生的：引擎將廢氣加速到一個方向，一個相等的反向力將火箭推向另一個方向。燃料和氧化劑在燃燒室中混合並點燃，產生高溫、高壓氣體，通過噴嘴被強制加速。

美國宇航局的格倫研究中心指出，產生的推力取決於三個因素：廢氣的質量流速、其出口速度和噴嘴出口處的壓力，表示為 F = ṁVe + Ae(pe − p0)。噴嘴最窄的點稱為喉部，是廢氣達到聲速的地方，這固定了質量流速；喉部和出口之間的比例決定了出口速度和壓力。

相同的美國宇航局來源指出了火箭能工作但噴氣發動機不能的關鍵原因：渦輪發動機和螺旋槳依靠大氣空氣作為其工作流體，而火箭攜帶自己的氧化劑，因此可以在太空真空中產生推力。

液體燃料和固體燃料引擎

美國宇航局的格倫研究中心描述了兩個主要引擎系列。在液體火箭引擎中，燃料和氧化劑分別儲存為液體並泵入燃燒室，這允許燃燒可以節流、停止，有時甚至重新啟動。在固體火箭中，推進劑已經混合並包裝在一個固體圓筒中；點燃後，固體馬達不能關閉而不會破壞外殼。

史密森尼學會國家航空和太空博物館的解釋器《事物如何飛行》說固體燃料經常被青睞用於火箭的最早點燃，因為它燃燒穩定，機械上簡單和穩定，而液體燃料提供可以在飛行中調整和控制的推力，這更適合於飛行的後來、更精確管理的階段。

為什麼火箭被設計成多個階段

火箭速度能力與其質量之間的關係由齊奧爾科夫斯基火箭方程式管轄，該方程式首次發表於1903年。根據行星協會的總結，火箭可以實現的總速度變化（delta-v）等於其廢氣速度乘以其質量比的自然對數——初始加油質量除以最終燃盡質量。

因為該關係是對數的，行星協會指出，一旦所需的速度比攀升超過大約三或四，所需的額外質量對於每個額外的速度增量都會急劇增加。額外的推進劑本身必須被加速，因此速度的增益在質量上變得不成比例地昂貴。

分級解決了該問題的一部分。根據史密森尼學會的解釋，一旦一個階段燃盡了它的燃料，其結構和引擎就不再提供有用的推力，而是成為減速火箭的額外重量，所以發射載具在下一個引擎點燃之前丟棄每個燃盡的階段以減輕剩餘的火箭。

軌道與完全逃離地球

到達軌道與完全離開地球的引力不同。喬治亞理工學院的新聞服務給出地球的逃逸速度——永久遠離行星所需的最低速度而不需要進一步推進——為25,020英里/小時，或約每小時40,000公里。

低地球軌道上的衛星和載人航天器的速度遠低於這個數字。喬治亞理工學院解釋了軌道物體是使用側向動量發射的，因此當重力持續將它們向地球拉動時，它們的向前運動使它們越過行星而不是進入它，讓它們持續地圍繞地球下降而不是向下降落到它。這就是為什麼，來源指出，數千顆衛星以遠低於完全逃逸速度的速度成功軌道運行。

可重複使用性：獵鷹9號示例

現代發射載具越來越多地旨在回收並重新飛行硬件而不是丟棄它。根據維基百科關於由SpaceX運營的獵鷹9號的條目，該載具的第一階段由九個美林1D引擎供電，燃燒液態氧和RP-1煤油，排列在該公司稱為Octaweb的配置中。

相同的來源指出，在與上層分離後，第一階段使用在分離後部署的柵欄鰭進行空氣動力學控制，以及四個可伸展的著陸腿，在陸地或海上自主無人機船上著陸。根據該條目，截至2026年10月13日，單個獵鷹9號助推器的飛行次數達到37次。