火箭如何運作：推力、推進系統與軌道力學講解

每次火箭升空時——無論是載人的獵鷹 9 號、歐洲的阿麗亞娜運載火箭還是小型地球觀測衛星助推器——它都應用了自 20 世紀初以來工程師一直使用的相同基本物理原理。這些發射的公眾興趣全年保持高漲，然而推力、推進和軌道的基礎機制往往被略過。包括美國航空航天局和歐洲航天局等機構發佈了關於火箭實際如何運作的詳細說明；本文基於該材料。

產生推力：牛頓第三定律實踐

根據美國航空航天局格倫研究中心的說法，火箭發動機在燃燒室內燃燒儲存的燃料和儲存的氧化劑，產生高溫、高壓的尾氣。該氣體隨後被強制通過噴嘴，在離開飛行器前進一步加速。美國航空航天局明確指出「推力根據牛頓第三運動定律產生」：氣體以一個方向從噴嘴推出，火箭則以相同的力量以相反的方向推動。歐洲航天局使用氣球類比為年輕讀者描述相同的機制——氣球頸部的空氣向一個方向衝出推動氣球向另一個方向移動。

美國航空航天局的推力方程式用數值表示為 F = ṁVe + Ae(pe − p0)，其中 ṁ 是通過發動機的尾氣質量流率，Ve 是尾氣的出口速度，Ae 是噴嘴的出口面積，pe 是噴嘴出口處的壓力，p0 是周圍（自由流）壓力。實際上，火箭產生的推力主要取決於每秒有多少尾氣質量流出以及該尾氣在離開噴嘴時的移動速度。

為什麼火箭在太空真空中運作

噴氣發動機和螺旋槳依賴於吸入周圍空氣，這意味著一旦飛行器離開大氣層就無法運作。火箭避免了這一限制，因為正如美國航空航天局指出的，它們攜帶自己的氧化劑而不是依賴大氣中的氧氣。由於反應中完全沒有外部空氣參與，推力方程式沒有「自由流」進氣項——這也是為什麼，正如美國航空航天局所說，火箭可以在沒有其他氧氣來源的真空中產生推力。

比衝：測量發動機效率

工程師使用稱為比衝或 Isp 的數字來比較火箭發動機。美國航空航天局格倫研究中心將其定義為推力除以消耗的推進劑重量流率，通過公式 Isp = F/(ṁ·g0) 表示，其中 g0 是標準重力加速度（9.8 m/s² 或 32.2 ft/s²）。美國航空航天局解釋說，比衝較高的發動機效率更高，因為它用相同量的燃燒推進劑產生更多推力——使 Isp 成為火箭推進的燃油經濟性等效物。

多級火箭：脫掉無用的重量

大多數運載火箭由兩個或三個級組成。歐洲航天局解釋說，一旦一級燃盡所有推進劑，就將其分離並丟棄，因為繼續拖曳空油箱和廢舊發動機硬件會浪費加速飛行器其餘部分所需的燃料。大型運載火箭還在第一級上安裝固體或液體燃料助推火箭以在發射時獲得額外推力；這些助推器在消耗後也會被拋棄。歐洲航天局指出，航天器需要達到約 28,000 km/h 才能進入軌道，通過在上升時不斷減輕飛行器的重量，分級有助於達到這一速度。

化學推進與電推進

並非每個推進系統都設計用於將飛行器從地面發射。化學發動機——如上所述燃燒燃料和氧化劑——仍然是從地球大氣中提升火箭的唯一實用方法。然而，對於在太空中機動，機構越來越多地使用電推進。美國航空航天局描述了使用由太陽能電池陣列或核反應堆產生的電力來電離氙或氪等氣體並使用電場和磁場加速所產生的離子排出推進器的系統。

美國航空航天局的黎明號任務說明了權衡：它使用電推進花費大約五年時間到達小行星帶，然後在灶神星和谷神星之間機動——這種緩慢、穩定的加速是化學發動機的短暫、強大燃燒無法實現的，但在長期任務中效率很高。歐洲航天局對其 SMART-1 月球探測器和正在進行的 BepiColombo 水星任務提出了同樣的觀點，這兩個都依賴於離子發動機，按歐洲航天局的說法，「可以溫和地持續推進數月甚至數年」，只需使用少量推進劑和來自太陽能電池板的幾千瓦電力。

到達並停留在軌道上

到達太空和停留在那裡是兩個不同的問題。美國國家海洋和大氣管理局解釋說，當衛星的前進動量與地球的引力保持平衡時，衛星就會停留在軌道上：重力不斷將衛星的路徑彎向地球，而其橫向速度不斷推動它向前，因此這兩種效應結合形成圓形或橢圓形路徑，而不是直線下降。如果衛星對其高度移動太慢，重力佔優勢，它會下降；如果移動太快，它會脫離平衡路徑而不是維持軌道。

平衡所需的速度隨高度變化。美國國家海洋和大氣管理局舉其 NOAA-20 衛星的例子，該衛星在距地面幾百英里的高度以約 17,000 英里/小時的速度運行，而其 GOES-East 衛星在約 22,000 英里的高度以約 6,700 英里/小時的速度運行——說明衛星離地球越遠，重力的作用越弱，保持軌道運行所需的速度越低。美國航空航天局地球天文台目錄為常見軌道級別提供了具體數字：其 Aqua 衛星從約 705 公里高度需要約 99 分鐘繞地球運行一圈（低地軌道）；全球定位系統衛星以半同步中地軌道飛行，距地表約 20,200 公里，週期為 12 小時；靜止衛星位於約 36,000 公里高度，每 23 小時、56 分鐘和 4 秒完成一個軌道，使其在地球上一個點上保持固定。