火箭如何工作：发动机技术和太空发射力学解释

每次轨道发射，从政府航天机构的重型运载火箭到商业卫星发射服务，都依赖于一个世纪多以前首次描述的相同基本物理原理。了解火箭发动机如何产生推力、为什么发射车辆被分成多个阶段，以及什么将到达轨道与完全逃离地球分开，有助于解释为什么火箭技术仍然是工程学中最难的问题之一。

每次发射背后的物理学

根据NASA格伦研究中心，火箭推力按照牛顿第三运动定律产生：发动机在一个方向加速排气，一个相等的反向力推动火箭相反的方向。燃料和氧化剂在燃烧室内混合和点燃，产生通过喷嘴强制的高温高压气体以加速流动。

NASA格伦研究中心指出，由此产生的推力取决于三个因素：排气的质量流率、其出口速度和喷嘴出口处的压力，表示为F = ṁVe + Ae(pe − p0)。喷嘴最窄的点称为喉部，是排气达到音速的地方，这固定了质量流率；喉部和出口之间的比率决定了出口速度和压力。

相同的NASA源指出火箭在喷气发动机不能工作的地方工作的关键原因：涡轮发动机和螺旋桨依赖大气空气作为其工作流体，而火箭携带自己的氧化剂，因此可以在太空真空中产生推力。

液体燃料和固体燃料发动机

NASA格伦研究中心描述了两个主要发动机家族。在液体火箭发动机中，燃料和氧化剂分别以液体形式储存，并泵入燃烧室，这允许燃烧被调节、停止，有时甚至重新启动。在固体火箭中，推进剂已经混合并装入固体圆筒；一旦点燃，固体电机无法在不破坏外壳的情况下关闭。

史密森尼国家空气和宇宙博物馆的解释器《事物如何飞行》说固体燃料通常受青睐用于火箭的最早点火，因为它燃烧稳定，机械上简单和稳定，而液体燃料提供可以在飞行过程中调节和控制的推力，这更适合飞行的后期、更精确管理的阶段。

为什么火箭被构建成多个阶段

火箭速度能力与其质量之间的关系由齐奥尔科夫斯基火箭方程控制，该方程于1903年首次发表。根据行星学会的总结，火箭能够实现的总速度变化（delta-v）等于其排气速度乘以其质量比的自然对数——初始加燃料的质量除以最终燃烧殆尽的质量。

由于这种关系是对数的，行星学会指出一旦所需的速度比攀升超过大约三或四倍，所需的额外质量每增加一个速度增量就会急剧增加。额外的推进剂本身必须被加速，所以速度的增益在质量上变得不成比例地昂贵。

分阶段解决了这个问题的一部分。根据史密森尼的解释器，一旦一个阶段燃烧了它的燃料，它的结构和发动机不再提供有用的推力，反而成为了减缓火箭速度的额外重量，所以发射车辆在下一个发动机点燃之前丢弃每个花费的阶段来减轻剩余火箭的重量。

轨道与完全逃离地球

到达轨道与完全离开地球的重力不同。格鲁吉亚理工学院的新闻服务将地球的逃逸速度——不需要进一步推进就能永久离开地球所需的最小速度——称为25,020英里/小时，或大约40,000公里/小时。

卫星和有人驾驶的航天器在低地球轨道上的速度远低于这个数字。格鲁吉亚理工学院解释说，轨道物体以横向动量发射，所以当重力不断将它们拉向地球时，它们的向前运动使它们经过地球而不是进入它，让他们连续地绕地球坠落而不是下降到地球。这就是为什么，源指出，成千上万的卫星成功地以远低于完全逃逸速度的速度运行。

可重用性：猎鹰9号示例

现代发射车辆越来越多地旨在回收和重新飞行硬件，而不是丢弃它。根据维基百科关于由SpaceX运营的猎鹰9号的条目，该车辆的第一阶段由九个默林1D发动机驱动，这些发动机燃烧液体氧和RP-1煤油，排列成公司称之为Octaweb的配置。

相同的源指出，在与上级分离后，第一阶段使用在分离后部署的栅格翼以进行空气动力学控制，以及四个可伸缩的着陆腿，以在陆地上或海上的自主无人机船上着陆。根据该条目，截至2026年10月13日，单个猎鹰9号助推器中的每一个都飞行了最多37次。