本文仅是一个“伪航天迷”献给#中国航天日# 的关于火箭知识的“真”科普文章。本文将让你初步了解火箭是如何升空的，火箭是如何飞行的，火箭发动机是如何工作的，行星际旅行如何实现？
火箭如何升上太空？
小说家和发明家梦想对地球以外的宇宙空间进行探索已有数百年的历史。但是直到19世纪，人们才明白进入太空的真正挑战是什么。远在有动力飞行实现之前，人们通过气球飞行实验就已经发现，随着距离地面的高度增加，大气层的密度迅速下降。因此，工程师们认识到机翼、螺旋桨和其他通过向周围介质（如空气）施加压力而产生向前或向上的力的装置在太空没有任何用武之地。另一个技术挑战是，所有内燃机（例如蒸汽机和汽油机）因为需要使用来自地球大气层的氧气和燃料混合燃烧来产生动力，在没有氧气的太空也不能工作。
幸运的是，人类早已发明了一种可以在没有周围介质的情况下产生动力的装置——距今大约1500年前，我国古代人民发明了火药和烟花，并进一步发明了火箭。最初用作战争武器或烟花的火箭，根据作用和反作用原理，可以产生一股沿同一方向的力，称为推力。爆炸性化学物质释放的废气以极高的速度从火箭尾部喷出。结果，不管周围的有什么介质或者有没有介质，火箭都被推向另一个方向。在太空中使用火箭也很简单，那就是携带一种被称为“氧化剂”的化学物质。该物质可以与地球空气中的氧气发挥相同的作用，和燃料混合发生燃烧。
第一个认真研究将火箭用于太空旅行的人是一名俄罗斯的学校教师、“民科”康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）。 他在1903年首次发表了他的研究结果。他正确地指出了因为在发射时，火箭必须携带其到达太空所需的所有燃料和氧化剂，这一时刻是火箭发射全阶段中挑战最大的时段之一。此时，火箭的质量最大，即使要让其动起来也需要及其巨大的力。随着火箭的飞行，它会通过燃烧燃料喷出气体而流失质量，同样的推力将对火箭的其余部分产生更大的加速度。齐奥尔科夫斯基研究了各种火箭设计，并得出结论，最有效的设计是使用多“级”的垂直发射飞行器：每一级都是独立的火箭，可以在燃料耗尽，分离坠落之前，带着它上面的各级火箭飞行一定的距离。这一如今仍然广泛使用的方法可以减少需要携带到太空的“死重”——那些对火箭飞行没有贡献的质量。
齐奥尔科夫斯基给出了一个复杂的方程，能够计算任何给定的火箭机动所需的必要推力，以及火箭进入太空所需的“比冲”——每单位质量燃料产生的推力。他意识到，那个时代的火箭推进剂效率太低，无法为火箭进入太空提供动力。同时指出，最终需要液态燃料和氧化剂（例如液态氢和液态氧）才能让火箭到达绕地轨道甚至飞出地球。尽管齐奥科夫斯基没有活着看到自己的工作得到认可，但他的工作却奠定了所有现代火箭技术的基石。同时他的名言：“地球是人类的摇篮，但是人不能一辈子生活在摇篮里。”也激励了一代又一代人飞出地球，探索宇宙的努力。
SpaceX的“重型猎鹰”核心段的第一级是一枚“猎鹰9”号火箭，两个助推器是另两枚一模一样的“猎鹰9”火箭
航天飞机的设计非常特别，它使用一个外部燃料箱为主发动机提供推进剂，外加两个巨大的固体助推火箭
“德尔塔II”火箭的第一级在起飞时捆绑了九枚固体助推火箭
专用术语和概念
- 地球引力：地球引力将所有的物体拉向地球的中心。对于火箭的每一公斤质量，都会产生一个朝向地面的9.8牛顿力。
- 空气阻力：地球的大气看上去并不稠密。但是对于高速运动的物体，它会形成很强的抵抗。幸运的是，随着高度的增大，空气愈加稀薄，阻力也会大大下降。
- 推力：火箭用于克服地球引力和空气阻力的向上的力。它是通过燃烧燃料，并向后方排出高速气体而产生的。
- 慢启动：在发射时，火箭处于质量最大状态。即使此时火箭发动机能够产生巨大的推力，也只刚刚够将火箭以一个很低的加速度推离地面。
- 多级火箭：绝大多数火箭拥有两级或更多级火箭。下方的火箭在燃烧殆尽后，会分离坠落，以减少火箭系统继续飞向太空的整体质量。
- 入轨：随着火箭速度和高度的增加，它会慢慢转向一个和地球表面平行的路径。此时，如果它的速度足够快，就可以维持在该路径中不需要额外推力。该路径就是它的轨道。
- 有效载荷：位于火箭最前端被运送入轨的部分被称为有效载荷。它通常是一颗卫星或者一艘太空船。它们通常都带有自己的火箭发动机。
火箭是如何飞行的？
火箭通过受控爆炸产生推力，因为燃料和氧化剂会发生剧烈的化学反应。爆炸产生的膨胀气体通过尾喷嘴从火箭的后部推出。尾喷嘴的特殊导管形状可以将燃烧产生的高温高压气体变成从喷嘴后部喷出的高超音速（超过音速的五倍）气流。
根据牛顿关于物体运动三大定律的第三定律，每个力都具有大小相等且方向相反的反作用力，因此将气体排出火箭喷嘴的“作用”力必须由一个推动火箭前进的大小相等且方向相反的力来平衡。具体来说，该力作用在“燃烧室”的上壁，但是由于火箭发动机是每级火箭必不可少的组成部分，因此我们可以认为它会作用在火箭整体上。
尽管这两个方向上的作用力大小相等，但它们的效果却有所不同，这是由于牛顿第二定律的结果。该定律解释了要达到相同的加速度，质量更大的物体需要更多的外力。 因此，尽管“作用力”将一小部分燃烧产生的气体迅速加速到高超音速的速度，但相等的“反作用力”却在相反方向上给更大质量的火箭产生了一个小得多的加速度。
随着火箭速度的提高，保持运动方向与推力方向严格一致非常关键——虽然需要逐步调整推力方向以使火箭朝着预定轨道运动，但是调整太快，偏差较大会导致火箭旋转失控。很多火箭发射失败的原因就是这个。大多数火箭，包括SpaceX公司的“猎鹰（Falcon）”系列和美国已经退役的“泰坦（Titan）”系列以及“土星V”号登月火箭，都使用带万向节的发动机来控制火箭转向。这种安装方式使整个火箭发动机能够随时偏转并改变推力的方向。其他转向方式包括使用：
- 外部叶片在燃气从火箭发动机喷出时，使其发生方向偏转。这方法对于缺乏复杂发动机的固体燃料火箭特别有用。
- 辅助发动机，安装在火箭侧面的小“推力”火箭。
J-2X火箭引擎正在进行万向节测试
使用万向节调整推力方向来控制火箭飞行轨迹的原理示意图
专用术语和概念
- 重心：火箭所受地球引力作用的中心点，它随着火箭的飞行不断发生变化。
- 力心：力心是指包括阻力和升力在内的空气动力学力在火箭上的作用点。
- 垂直上升：火箭受到的合力，包括向下的地球引力和空气阻力以及向上的推力，作用在火箭中心线上。
- 转向飞行：当火箭向一侧倾斜时，它的推力方向和火箭运动方向形成一个小的夹角。火箭的尾翼确保火箭的稳定运动，但尾翼和弹体受到的升力会让火箭的运动方向发生转向。
- 转向力：当火箭的推力和运动方向不一致时，升力和阻力联合形成了一股转向力，称为扭力。
- 回复力：当火箭的力心低于重心时，扭力作用会使火箭回复到稳定路径。
- 尾翼vs万向发动机：现代火箭更多的使用可以转向的发动机而不是尾翼来控制火箭的飞行姿态。
火箭发动机如何工作？
尽管现代火箭发动机相对最初的烟花爆竹已经有了翻天覆地的变化，但结构相对简单的固体火箭依然使用相同基本原理——依靠点燃一根管子里包含燃料和氧化剂的可燃混合物发生燃烧，直到燃料耗尽为止。当然，现代固体火箭技术可以通过改变火箭飞行过程中，不同时间燃料燃烧的表面积大小来控制燃料的燃烧速度，从而控制推力的大小。一般沿着火箭的径向，在燃料和氧化剂混合物的中间会保留一个中空的空隙。通过改变该空袭的形状，如圆形或星型，和大小，就能够在飞行期间改变燃烧表面积。固体火箭通常被用作主火箭的助推器，在发射时提供额外的推力。
更为普遍的液体燃料火箭要复杂得多。通常，它们包括两个推进剂箱，一个装燃料和另一个装氧化剂，它们通过复杂的迷宫般的管道连接到燃烧室。液体推进剂由独立电机系统驱动的高速涡轮泵通过一个喷射注入系统输送到燃烧室中。根据需要，涡轮泵可以调高或降低推进剂的供给速率，并且可以以简单喷射或精细喷射的方式喷射燃料。推进剂在燃烧室内部，由点火装置点燃。点火装置可能是高温气体射流、电火花或微量炸药爆炸。尽可能快地点火至关重要。因为如果点火过慢，在燃烧室内积聚过多的燃料/氧化剂混合物，会产生巨大的压力将火箭炸开。这种灾难性的事件通常被火箭工程师称为“硬启动”。
液体火箭的详细设计可能会因其燃料和其他要求而有很大不同。一些最有效的推进剂是液化气体，例如液态氢。它仅在非常低的温度下（约零下253摄氏度）才能保持稳定。一旦将这些“低温”推进剂装载到火箭中，就必须将其存储在高度绝缘的储罐中。有些火箭还使用了燃料和氧化剂在相互接触时会自燃的所谓“自燃”推进剂，以省略点火装置。
航天飞机的两个助推火箭都是固体燃料火箭
液体火箭发动机基本原理图
长征三号乙型火箭结构简图
行星际旅行如何实现
任何太空飞行的第一阶段都涉及从地球表面前往离地大约200公里的近地轨道。该轨道位于大气层的上层。这里，物体受到的重力几乎和地球表面一样强，但是来自地球高层大气的摩擦力非常低。因此，如果火箭的最上级的移动速度足够快，它可以保持稳定的圆形或椭圆形轨迹，它所受到的重力变成了阻止它以惯性直线飞行的向心力。
许多航天器和卫星的飞行高度都不会超过上述的近地轨道。但是，那些要摆脱地球引力去探索更广阔的太阳系的航天器，则需要进一步提高速度才能达到所谓的“逃逸速度”——以该速度飞行的物体将无法再被某一星球的引力所拉回。地球表面的逃逸速度为每秒11.2公里，比近地轨道航天器的典型速度快约50％。该速度离地球越远越小。因此，执行行星际空间探测任务的航天器通常会首先进入一个细长的椭圆形轨道。一般这是通过在一个精心计算的时间点燃此时仍然绑定在航天器上的上层火箭来实现的。有些时候，该上层火箭将和航天器一起走完全程。在这样的轨道上，航天器与地球的距离可能在数百到数千公里之间，并且其速度也会发生变化。当航天器最接近地球时会速度达到最大，该点被称为近地点。随着距离的增加，航天器的速度会逐渐下降，直到远地点——离地球最远的点——达到最慢速度。
然而，也许和你所想的不同，使航天器达到行星际飞行所需的逃逸速度的关键点火位置，通常发生在近地点附近。这是由于所谓的“奥伯特（Oberth）效应”，火箭方程式的一个特别形式。这意味着火箭以更高的速度运动时效率更高。一种简单理解的方法是燃烧航天器的燃料可以使发动机不仅利用其化学能，还利用其动能。而速度越高，动能越大。两相比较，使位于低轨道高速飞行的物体达到逃逸速度所需的额外火箭推力要小于让高轨道低速飞行的物体达到逃逸速度所需的推力。
航天工程师和任务计划人员通常会将衡量一个轨迹变换需要使用的“作用力”称作“Delta-V”。严格来说，术语“Delta-V”表示的是速度变化，但是工程师专门将其用于描述完成机动所需的冲量——推力随时间累积的度量。从某种程度上讲，太空飞行任务是围绕“Delta-V预算”来进行计划的，即使用航天器自身所带的燃料，可以在多长时间内产生多少推力。
将航天器从一个行星发送到另一个行星，同时要求需要的Delta-V最小，这需要将其送入一个围绕太阳的椭圆形轨道中，被称为“霍曼转移轨道（Hohmann Transfer Orbit）”。该椭圆形路径类似于连接两个行星的公转轨道的螺旋形轨迹，进入该轨道后，继续沿其飞行不需要额外推力。航天器将沿着霍曼转移轨道行进一段，直到到达目标行星。到达目标行星后，它可能会仅依靠该行星的引力进入其最终轨道，也可能需要先进行减速再进入稳定的环目标行星轨道。后者通常可以通过让航天器在太空中180°调头，然后点燃火箭发动机来实现。
注：“霍曼转移轨道”是最简单的行星间飞行轨道。在实际中应用不多，因为对于遥远的行星而言，航天器的Delta-V不够进入“霍曼转移轨道”。这个时候，就要设计和计算更精确的轨道。在飞抵目标行星的中间，飞临其他行星，利用它们的引力做功，给航天器增加速度。这就是人们常说的“引力弹弓”。
内圈是地球公转轨道，外圈是火星公转轨道，中间的椭圆就是地火间的”霍曼转移轨道“
2019年2月，SpaceX公司的“重型猎鹰”火箭展示了将一辆特斯拉汽车送入转移轨道的能力
以热核为动力的火箭是一种使用能长时间产生很大推力的自燃燃料火箭，有朝一日它可以缩短行星间旅行的时间
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