火箭为啥能飞天？超硬核科普，围观发射必备

来源：微信公众号“中国航天科技集团”

12月底前后，我们即将迎来一次期盼已久、激动人心的火箭发射。在静候大火箭飞天的同时，你是否想过，火箭为什么能上天？放卫星为什么要用火箭？

快来看这份由航天科技集团五院总体部科研人员制作的科普《乡村教师和火箭列车》，超“硬核”，也很通俗。看懂了火箭飞天的门道，了解了科学家的不懈探索，再看大火箭发射，我们会更觉震撼~

乡村教师和火箭列车

首先，请上我们的嘉宾齐老师。

齐老师小档案

本名：康斯坦丁•爱德华多维奇•齐奥尔科夫斯基

国籍：俄国/苏联

生卒：1857年~ 1935年

生平：一生命运多舛

      10岁，患猩红热，丧失听力，辍学

      12岁，母亲去世，学业靠自学完成

      16岁，孤身一人来到莫斯科，每天都在图书馆自学

      21岁，回到乡下担任中学数学教师，直到退休

这不就是一个倒霉孩子平淡的一生吗？

非也。孟子曰：天将降大任于斯人，必先折腾折腾他。齐老师尽管年轻时不顺遂，但一直没有放弃对科学的热爱。在中学教学之余，齐老师干了很多副业。

他一生获得多项发明，

最重要的是在1903年发表了标志性的论文

《利用喷气装置研究宇宙空间》，

为火箭运动和航天理论奠定基础。

他第一个从理论上阐明

火箭是星际旅行的唯一交通工具

他第一个提出使用液体燃料作为火箭推进剂

他第一个推导出火箭飞行运动的方程

下面请大家安静！齐老师的航天大讲堂开课啦！

如果让卫星飞向太空，要满足两个条件：

一是速度。牛顿已经算出卫星的速度要大于第一宇宙速度7.9千米/秒；

二是高度。为了避免大气的阻力，卫星要在外太空飞行，而外太空与大气层的分界线是海拔100千米的高度，这条线也被称为卡门线。

在牛顿时代，无论是达到这样的速度还是高度只能说痴心妄想，而在20世纪初也绝非易事。在奠基航天理论的论文发表的1903年，本茨发明第一辆汽车不过十几年时间，莱特兄弟也刚刚在同年成功试飞了世界上第一架飞机。

下面比较了三种办法，让我一一道来。

候选1：气球或飞艇可行吗？

在我的时代，气球与飞艇飞得最高。

气球或飞艇利用空气浮力飞上天空，

但由于外太空的空气极为稀薄，

几乎接近真空，

所以气球或飞艇都无法飞出大气层。

探空气球的极限高度也就50千米。

候选2：超级大炮可行吗？

在我的年代，炮弹的速度最快。

大炮利用火药爆炸的推力把炮弹发射出去，

科幻作家们很自然地想到

用所谓“超级大炮”来发射航天器，

其中最著名的就是前面提到过的

凡尔纳发表于1866年的科幻小说

《从地球到月球》。

书中用一门炮管300米长的超级大炮

将一枚特制的“炮弹”发射到月球上。

图片来源：科幻小说《从地球到月球》

设想超级大炮能在300米长的炮管内把炮弹加速至第一宇宙速度，则炮弹在炮管内的平均加速度必须达到10万米/秒2以上。地球的重力加速度通常用g表示，约为9.8米/秒2，而其它的力产生的加速度为了更加直观地描述，可以用g的倍数来表示，因此也可以说炮弹的平均加速度为1万g以上。

我们所受的力等于自身质量×加速度。如果我们站在地球表面，体重可以用自身质量×g表示；如果我们坐在超级大炮发射的炮弹里，所受的力就等于自身质量×1万g。等效为1万倍于自己体重的重量压在身上，这种加速度将会造成人的突然死亡以及仪器的彻底损坏。

那可不可以把加速度降低呢？

当然可以。让炮弹在一个较长的时间里加速，这样加速度就会比较小，但是加速持续的时间越长，加速过程中炮弹所飞行的距离也就越远。

如果炮弹的加速度

在人体所能承受的安全范围之内（小于10g）， 

则炮弹加速过程必须持续80秒以上，

飞行距离在300千米以上。

由于炮弹本身没有动力，

 因此这段距离必须都在炮管内。

这就是说，

超级大炮的炮管要有 300 千米长！

即使炮弹能达到这个速度，

但炮弹从炮口发射以后，

由于空气的阻力作用，

炮弹速度开始不断地降低。

因此，如果想要卫星在距离地面

上百千米的轨道上达到第一宇宙速度，

那炮弹飞出炮口的速度将要更高，

这就更加难以实现。

候选3：火箭可行吗？

火箭在原理上和小孩子玩的“二踢脚”

没有本质区别，

它不像大炮

通过在炮膛中的火药爆炸膨胀

产生的高压气体将炮弹推出去，

而是靠自身沿着一个方向高速喷射物质，

从而向相反方向运动，

充分的验证了牛顿第三定律。

硬核知识 

牛顿第三定律: 相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。

从对超级大炮的分析可以看出，

如果想飞出地球，要满足两个条件：

加速时间长+加速靠自己。

火箭恰好都满足：

◆ 火箭离开地面的初始速度不需要太高，在飞行过程中逐渐加速，这样就能够保证火箭内乘员的生命安全以及工作仪器的正常运转；

◆ 火箭通过自身携带推进剂，将它们转换成为能量，不需要其它辅助加速装置。

那火箭就是一个大号的“二踢脚”，内部装着火药？然后——

叮

咣！

为了回答这个问题，先从动量守恒定律开始讲起。

硬核知识  

动量守恒定律：质量和速度的乘积称为动量。当一个系统不受外力或者所受外力之和为零时，系统总动量不变。

再看看天上的情况。嫦小娥一个人静止在太空中，假设不受任何外力，那么嫦小娥这个系统是动量守恒的。

根据动量守恒定律，

当她把球朝着一个方向扔出去以后，

她会以一定速度朝着相反方向飞去，

很多关于太空的科幻片中

都有类似的画面。

通过推导可得到著名的理想火箭方程，也称齐奥尔科夫斯基火箭方程。

硬核知识  

公式中，m1表示火箭没有装燃料时的质量，即航天里常说的干重；m0表示装完燃料后的质量，即航天里常说的湿重；V表示火箭从静止到燃料消耗完达到的速度；C表示相对火箭喷出气流的速度，与火箭运动方向相反。

这个方程好难啊！

方程看不懂也没关系，只要记住，火箭的速度由两方面决定：

◆ 火箭喷出的气流速度

◆ 火箭的湿重与干重的质量比

这两个方面的数值越大，则火箭的速度越大。

那为什么称为“理想”方程呢？

因为方程成立的前提条件是火箭和排出气体构成的系统没有任何外力的作用，这个理想状态在现实世界中是不可能存在的。

火箭在地面发射时要受到地球的引力、空气阻力等，

但由于火箭喷射气体的作用力

要远大于所受的外力，

这一理想方程可以近似实际情况。

这个方程可以拓展到火箭飞行过程中的任意时段。

只要把等号左边换成火箭速度的增量，并用火箭在点火开始时的质量

和点火结束时的质量

替代火箭的湿重和干重即可。

公式中，∆V表示速度增量；

m初始表示火箭点火前的初始质量；

m最终表示火箭点火结束后的质量。

虽然叫做火箭方程，但对于在太空中的卫星来说，由于所受外力较小，因此这个方程描述卫星发动机点火过程更加准确。速度增量是卫星设计中非常非常非常非常……（此处省略10万8千字）重要的概念！是表征卫星最重要的能力之一，以后还要多次用到。

这个方程怎么带我们飞上太空呢？

根据理想火箭方程，要让火箭的飞得快，就要尽可能提高火箭喷出气流速度和质量比。

提高火箭喷出气流速度

决定喷出气流速度的重要因素是火箭燃料燃烧的性质。燃烧释放热量大的燃料喷出的速度就大，而液体燃料的热量比固体燃料大，因此液体燃料更适合作为火箭的燃料。

注：* 发动机的性能也是决定因素之一，后续再讲 *

​提高质量比

火箭采用高强度、低密度的材料，尽可能地减少结构的质量，也就是火箭壳体越薄、越轻越好。

我们终于可以飞上太空了！

         且 慢!

这两个办法在实际中

还无法让火箭达到第一宇宙速度，进入太空。

在实际应用中，

提高这两方面的数值都有很大的难度。

地球上已知燃烧能量最大的液体燃料为液氢和液氧，

喷气速度可达4.2千米/秒。

这个速度看起来很快，

但同质量比一起考虑的话，

就远远不够了。

设想一个采用液氧和液氢作为燃料的火箭，考虑到空气阻力、地球引力等，火箭从地面起飞的速度应达到9.5千米/秒以上。根据理想火箭方程，可以得到火箭的质量比在10：1左右，即燃料约占火箭总质量的91%，火箭壳体只占9%。 

火箭要承受发射过程中的

高温、高压和真空等恶劣环境，

因此对结构的要求极高，这样“薄皮大馅”的火箭很难制造。

一个不行，咱们就“组团”上！

就像多节火车车厢那样，把火箭分为多级，每一级都装有发动机和燃料，第一级火箭燃料用尽，就把它扔掉，以减轻负担；接着点燃第二级火箭，提高速度，几次加速以后，就可以达到第一宇宙速度了。这就是著名的 “火箭列车”的概念。

致敬《银河铁道999（松本零士）》

“火箭列车”有三种形式：

1 串联火箭

火箭各级串在一起。发射时，第一级（最下面一级）先点火，工作结束后将第一级抛掉，第二级再点火工作，依次类推。

2 并联火箭（捆绑式火箭）

一枚比较大的火箭放在中间（芯级），周围捆绑了多枚小火箭（助推器）。助推器与芯级在地面一起点火，助推器工作一定时间后先关机，关机后与芯级分离并被抛掉。助推器因在芯级飞行的半路上关机，所以只能算是半级火箭。

3 串并联火箭

既有多级火箭串联在一起，一级火箭周围又捆绑了多枚助推器。

目前的火箭通常都是串联火箭或者串并联火箭。以中国长征系列火箭为例，已服役的长征火箭大家族主要包括长征1号到长征7号多个系列，每个系列中又有一定的区别，分别按照甲、乙、丙、丁等进行排序。

例如，长征二号丙火箭是二级运载火箭，包括两段火箭；长征三号甲火箭是三级运载火箭，包括三段火箭；而长征三号乙火箭则是在长征三号甲火箭基础上增加了4个助推器，可以算是3.5级火箭。

那最后是要把火箭的最后一级送入太空吗？

不。

在火箭最后一级的顶部，装载的是“火箭列车”真正的“乘客”，通常是卫星、探测器，或者是载人飞船、空间站等。“火箭列车”最终目的是要把这些“乘客”以一定高度和速度送入太空，进入预定轨道。使命完成后，最后一级火箭就黯然离去，坠入大气层，燃烧殆尽。

为了保护“乘客”，“乘客”的外面安装了整流罩。整流罩是两片类似贝壳的结构。火箭在起飞前，两块“贝壳”合上，在地面保护航天器，保证航天器的温度、湿度和洁净度等；火箭起飞穿过大气层时，由于速度很快，同大气产生摩擦带来较大的力和热，合上的“贝壳”使航天器免受影响。火箭飞出大气层后，“贝壳”分开、抛离。

那火箭越多级数就越好呗？

非也。因为多级火箭的每一级都会包括贮箱、发动机以及两级之间的连接分离结构等，级数越多这些多余的重量就会越大；同时，整个火箭就越复杂，可靠性也就会降低，因此一般而言火箭都是2级到4级。

火箭不同级的作用也不同，以三级为例：

第一级火箭的关键是推力，要让火箭能飞起来，因此要求推力最大，如同汽车的一档启动；

第二级、第三级火箭的关键是加速，因此要求燃料燃烧的效率尽可能高，尽快的提高速度，如同汽车挂上高档位。

为了能够飞上太空，火箭可以说是名副其实的“大力士”。

通常火箭块头越大，推力就越大。

中国的长征五号要比长征家族其他成员大了一号，

因此也被称为“胖五”，

在国外，还有更“胖”的“大胖子”，

有的已退役，有的刚服役。

以波音747的推力为参考，

对几型火箭的推力做一个对比。

在可预见的未来，

NASA的超重型运载火箭（SLS）的推力可达3800吨，

中国的长征九号火箭推力拟达到约5900吨。

但SpaceX计划要将100人

送到火星的星舰（Starship）更加可怕，

推力将达到惊人的7300吨。

以长征三号乙火箭将卫星送入标准的GTO（地球同步转移轨道）轨道为例，看看“火箭列车”各级分离的过程，拢共分5步！

（请横屏观看下图）

图片来源：长征三号乙运载火箭用户手册英文版

第一步:助推器分离

助推器发动机关机后，连接装置解锁，装在助推器上的“侧推”小火箭点火，将助推器迅速斜着推出去，防止同火箭芯级碰撞，助推器自由下落完成分离。

第二步: 一级/二级分离

在一级发动机关机后，二级发动机点火，两级间的连接装置解锁，一级就被二级发动机喷出的气流推离，实现分离。

硬核知识 

这就是所谓的“热分离”：靠前面一级火箭发动机喷出的高温气流把后面一级火箭推开。前面一级火箭的发动机在两级火箭分离前就已经点火。

第三步:整流罩抛罩

连接装置解锁，安装在三级上的弹簧将两个整流罩半罩推开分离，两个整流罩半罩向下翻转，随着火箭上升分离下落。

第四步:二级/三级分离

在二级发动机关机后，两级间的连接装置解锁，二级上的反推小火箭点火产生一个反向的力，二级与三级分离。然后，三级发动机点火。

硬核知识 

这就是所谓的“冷分离”：靠后面一级火箭上的反推小火箭的推力把后面一级推开。前面一级火箭的发动机要在两级火箭分开后才点火。

第五步:卫星/三级分离

联接卫星和三级的装置解锁，卫星被弹簧推离火箭，实现星箭分离，“火箭列车”至此才把“乘客”送抵终点。

这期快接近尾声了，但还有一种上天的方法，齐老师没有讲，那就是飞机。

候选4：飞机可行吗？

飞机飞行是基于空气动力学，同火箭上天的原理差别较大。飞机在快速运动过程中，由于机翼形状的原因，机翼上方的气压要低于机翼下方的气压，压力差产生的升力克服了重力，使飞机飞上了天空。简单来说，得有空气才飞得起来。

但是由于地球表面存在稠密大气，飞机飞行的速度越大，所受到的空气阻力也就越大，所以很难实现火箭般的高速飞行。现在最快的飞机之一X-43A的速度约为3.1千米/秒，这个速度还不到第一宇宙速度的一半。如果要通过减少空气阻力提高飞机速度，只有先提高飞机的高度，以降低大气密度，然而当大气越来越稀薄时，飞机的原理就不适用了。

比较了这么多，让我们总结一下很多同学傻傻分不清的航天和航空的区别。

航空

● 利用空气动力学的原理产生升力

● 在大气层内飞行

航天

● 利用牛顿第三定律原理，通过燃烧自身携带燃料向外喷射产生推力

● 基于万有引力定律原理在大气层外飞行

当然，也有集成了航空的飞机和航天的卫星特点的“两栖”飞行器——航天飞机和空天飞机。他们都需要借助火箭送入太空，既能在地球卫星轨道上飞行，又能通过飞机的原理在大气层中飞行，同时结束任务后还能像飞机一样飞回地面。

最后，再回到齐老师。齐老师一生都在搞理论研究，没有发射过一枚火箭，但是后世所有的火箭都基于他的理论。在齐老师的努力下，人类补全了飞向太空理论的最后一块拼图，下面就可以放开手脚大干一场，开启激动人心的航天时代。

考试不考的冷知识

飞机无法飞出大气层，因此也就无法发射卫星。但如果把飞机和火箭相结合呢？这个脑洞大开的想法，惊喜不惊喜？震撼不震撼？其实，它早已被实现。

美国在1990年成功完成了首次空中发射火箭。一架B-52战略轰炸机（后来的空中发射更换为洛克希德L-1011运输机）代替火箭的第一级，搭载一枚飞马座固体小型火箭，成功将一颗海军导航卫星发射入轨。长15米、重18吨的飞马座小型火箭挂在机翼上，卫星装在火箭顶端。当飞机到达约12千米的高空，速度为980千米/小时时，将火箭释放。5秒钟后，小型火箭点火。大约升至740千米的高度，火箭和卫星分离，卫星进入轨道。

（请横屏观看下图）

这种方式具有很明显的优势：

※ 起点低。无需专门的火箭发射台，在普通机场即可起飞；

※ 周期短。一般火箭的发射准备工作需要几个月，而空中发射只要6个技术人员两星期就能组装完毕；

※ 费用省。空中发射的费用是常规火箭的1/3。

这种方式也有局限性——无法发射尺寸、重量更大的卫星，并且无法将卫星送入高轨。

考试不考的冷知识+1

齐老师在给《航空评论》杂志的信中，写下这样一句话：

“地球是人类的摇篮，但是人类不能永远生活在摇篮里，开始他将小心翼翼地穿出大气层，然后便去征服太阳系”。

这句话作为墓志铭刻在了齐老师的墓碑上，也镌刻到了一代代有志于从事航天事业、向往遨游太空的人们心中。

在他诞辰100周年之际，第一颗人造地球卫星上天；

过了4年，苏联人加加林实现了人类的第一次宇宙飞行；

又过了8年，美国人阿姆斯特朗把他的脚印留在了月球上；

再过了44年，一个叫“旅行者1号”的无人探测器飞到了太阳系边际。

这一切的起点都来自于一个几乎失聪的人，一个从未进入过中学与高等学校的人，一个被人讥讽为“卡卢加的幻想家”的人，一个不懈努力的人，一位受人尊重的人——康斯坦丁•爱德华多维奇•齐奥尔科夫斯基。