火箭如何工作：推進系統和發射技術詳解

每次軌道發射，從獵鷹9號運送機組人員到星舟測試飛行，都依賴於由艾薩克·牛頓首先描述的相同基本物理學：每個作用都有一個相等且相反的反應。火箭發動機燃燒推進劑並以高速從噴嘴排出產生的熱氣；氣體以相反方向推動火箭。根據美國宇航局格倫研究中心，這個作用-反應對存在於火箭和其自身排氣之間，這就是為什麼火箭在太空真空中工作，不需要空氣或任何其他介質推動。

物理學：推力和比衝

工程師用兩個數字描述發動機的性能：推力和比衝。推力是產生的力，主要由從噴嘴流出的質量大小和流出速度驅動。比衝（Isp），以秒為單位測量，描述發動機將推進劑轉換為推力的效率——美國宇航局格倫研究中心將其定義為推力除以推進劑的重量流率，所以更高比衝的發動機從相同量的推進劑中產生更多推力，或為相同推力需要更少推進劑。

這個單一數字使工程師能夠確定發動機的尺寸並在相等條件下比較截然不同的推進系統，這就是為什麼比衝不斷出現在火箭規格表中。

化學推進：液體、固體和混合

幾乎所有離開地球表面的車輛都使用化學推進，其中燃料和氧化劑反應以產生熱的、膨脹的氣體。有三種主要配置。液體推進劑發動機將燃料和氧化劑分開儲存，並將它們泵入燃燒室，這允許發動機被節流、關閉和重新啟動——政府和商業發射提供商都使用的靈活性。固體推進劑馬達將燃料和氧化劑混合成單一固體晶粒裝入火箭外殼；它們在結構上簡單且廉價，但一旦點燃，就會燃燒直到推進劑耗盡。混合系統將固體燃料與液體或氣體氧化劑結合，介於兩種方法之間。

SpaceX的猛禽發動機，用於星舟和超級重型車輛，說明了液體推進內的較新方法：一種'全流分級燃燒'設計，其中所有燃料和所有氧化劑通過兩個分開的預燃燒器後到達主燃燒室，根據航空航天媒體日常宇航員。猛禽用液態甲烷和液態氧燃燒——SpaceX選擇的組合部分是因為甲烷燃燒時不會像煤油那樣留下複雜化發動機重複使用的煤煙沉積，部分是因為甲烷原則上可以在火星上從當地資源製造。該媒體報導猛禽產生大約200萬牛頓的推力，真空比衝約330至350秒。

為什麼發射車輛分級構建

從地球表面到達軌道需要到達大約150公里以上的高度，同時以超過7.9公里每秒的速度旅行，根據歐洲太空局的發射器指南。單一發動機設計很少在整個飛行中有效地做到這一點，所以大多數軌道火箭分成多個級，在推進劑耗盡後被拋棄，脫掉死重，使剩餘級更容易加速較輕的車輛。

歐洲太空局對典型阿麗亞娜級飛行的描述展示了這在實踐中如何進行：助推器和主級在垂直上升的大約前兩分鐘內一起點燃，主級在助推器已經分離並落入海中大約60公里高度時繼續燃燒約十二分鐘，然後上級在最後一段時間點燃，在釋放有效載荷之前達到約8公里每秒的任務峰值速度。在其工作完成後，花費的上級通常被移動到'墓地軌道'，以便它不會成為活動衛星的碰撞危險。

超越發射：電力和離子推進

一旦航天器已經在軌道或深太空中，化學推進對於長途旅程不總是最有效的選擇。許多探測器改為使用電推進，它將推進劑電離——通常是氙氣——並使用由太陽能電池板供電的電場加速產生的帶電粒子離開推進器。美國宇航局噴氣推進實驗室描述這些系統的推力為極其溫和：在普賽克小行星帶任務的情況下，其離子推進器產生的壓力相當於在手中握著三個硬幣，即使在全功率下。

那極小的推力不足以從地球上升起任何東西，但在太空的無摩擦環境中，它可以連續應用數月，慢慢積累速度。美國宇航局噴氣推進實驗室報導普賽克的太陽-電推進器已經將航天器推至大約84000英里每小時，並最終將其帶至約124000英里每小時——說明了為什麼離子推進被保留用於太空巡航而不是發射，其中化學發動機遠高得多的推力是必需的，以在幾分鐘內克服重力和大氣阻力。