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​编辑导读

火箭，作为目前承载人类离开地球的唯一工具，见证了我们探索宇宙，挑战未知的光荣历史。利用牛顿第二定律抵抗重力的设想，从中国古代的“火箭’”，到今日的“火箭”，凝结了无数我们中最顶尖的工程师的智慧与心血。本文简述了火箭的基本构造与原理，希望能对感兴趣的朋友们有所帮助。

一、前言

在美国的时候，经常听到老师和同学在探讨问题时常挂在嘴边的一句话“This is not rocket science!”, 大意为这个问题并没有像火箭科学这么高深。但从笔者初高中自学火箭推进原理的实际经历来看，火箭科学并没有比机器学习，计算机视觉等领域的科学要困难。要知道，现代火箭推进的基础理论早在十九世纪末二十世纪初便已经被科学家提出，其发源远早于计算机科学，分子生物学等新兴学科。现如今，制造一枚大中型火箭早已不是超级大国的专利，许多工业基础落后的国家（如印度、朝鲜）以及财力有限的私人公司（如美国SpaceX公司）都可以制造并发射大中型运载火箭。当然，这并不意味着制造运载火箭是一件易事。制造一枚火箭所牵涉的工业体系远比一般的民用工业产品复杂。但是工程上的复杂性并不影响背后基本原理的简单性。在本系列文章中，笔者将尝试根据自己所学的火箭推进领域的知识，简单介绍现在火箭推进技术，以飨读者。由于笔者并非航天专业学生，因此本文在专业性上难免存在疏漏，望诸位读者谅解。

本文为该系列第一篇，将会解答以下几个问题：

1. 火箭为什么可以将卫星送入太空？
2. 火箭是由哪些部分构成的？
3. 运载火箭为什么要造成一节一节的而非一个整体？
4. 导弹和火箭有什么区别？为什么朝鲜和平发射人造卫星会引起国际社会高度关注？

笔者写作本文初稿时，恰逢我国长征五号遥三运载火箭发射成功，此次发射对我国航天事业意义重大，在此向我国航天工作者致以崇高的敬意！

二、从齐奥尔科夫斯基说起

康斯坦丁 埃杜阿尔多维奇 齐奥尔科夫斯基（Константин Эдуардович Циолковский），一个看起来十分普通的俄罗斯名字，就像许多其他的俄罗斯名字一样冗长难记。然而，这个名字因为命名了火箭推进方程而永载人类史册。齐奥尔科夫斯基是人类宇航科学和火箭推进技术的先驱，他于1903年出版了题为《利用反作用力设施探索宇宙空间》的论文，第一次从理论上论证利用火箭进行航天飞行。经过齐奥尔科夫斯基的计算，当航天器的速度达到8km/s，即达到第一宇宙速度时，便有能力环绕地球进行飞行（第一宇宙速度实际约为7.9km/s）。在该篇论文中，他还阐述了通过以液态氧与液态氢为燃料的多级火箭进行航天飞行的可能性。除此之外，齐奥尔科夫斯基还提出了连接地球轨道与地面的“天梯”，配备密闭生命保障系统的宇宙飞船，以及通过自旋为宇宙飞船提供人造重力等理论。他的著作影响了后来欧美与苏联的火箭科学家。而他的许多设想也最终在半个多世纪后变成了现实。

齐奥尔科夫斯基（图片来源：维基百科）

齐奥尔科夫斯基在论文中提出了一个非常重要的观点：航天飞行的关键在于速度，即将飞行器加到足够高的速度。学过高中物理的人应该都还记得向心力公式，即

其中F为向心力，m为飞行器质量，v为线速度，r为地球半径。当物体的线速度足够大，使得重力等于向心力时，物体便有条件绕地球飞行而不落回到地面上。而高中时我们也根据这一点，用重力加速度推算出第一宇宙速度（又称环绕速度）约为7.9km/s。由于低层大气会给飞行器带来巨大的空气阻力，因此飞行器需要飞行至太空以规避空气阻力的影响。接下来需要考虑的问题是：如何使飞行器加到如此高的速度？

齐奥尔科夫斯基想到的解决方法是使用喷气推进。传统的动力装置功率十分有限，无论是蒸汽机还是内燃机，都无法将飞行器加速到第一宇宙速度。而喷气发动机则不同，它利用燃烧燃料产生的高速喷气，由牛顿第三定律为自己提供推力（实质上是喷气对飞行器的反作用力）。

使用喷气推进的飞行器飞行过程可以看作近似的反冲运动，遵守动量守恒定律。其公式为

其中M是飞行器总质量，m是燃烧生成燃气的总质量，v为喷气速度，v'为燃烧完毕后飞行器的末速度。由此可以看出，燃气越多，燃气喷射的速度越高，飞行器的飞行速度也越高。因此喷气飞行器设计的关键是提升燃气的总动量，即喷气速度与喷气质量。

由这两个基本公式，齐奥尔科夫斯基进一步推导出了火箭推进方程，即齐奥尔科夫斯基火箭方程（也被称作齐氏方程）。其具体内容如下

其中Δv为飞行器的速度增量，也就是飞行器末速度减去初速度。ω为喷气速度，m0与m1分别为飞行器加速前的质量与加速后的质量。

由齐氏方程我们可以得知，对于一枚火箭而言，其喷气速度越快，初末质量的比值越高，火箭的速度增量越高，飞行性能也越好。事实上，喷气速度和初末质量比衍生出了两项对火箭飞行性能至关重要的技术指标——比冲和干质比。

对于如何提升喷气速度，除了优化火箭发动机的设计外，选取合适的推进剂组合十分关键。由于要在太空中飞行，因此火箭无法像汽车和飞机一样通过空气中的氧气来燃烧燃料。因此火箭需要同时携带燃料和氧化剂进行飞行，这两部分构成了火箭的推进剂。理想的火箭推进剂应该具有以下特点：高比能量（单位质量的推进剂燃烧产生的能量多），低分子量（单位物质的量的推进剂质量低），比较容易储存和使用。在齐奥尔科夫斯基的论文中，他选取了液态氢和液态氧作为火箭推进剂，因为这两种物质具有极高的比能量和极低的分子量。齐奥尔科夫斯基的设想后来被证明是完全正确的，日后各国发展高性能运载火箭不约而同地选择了液氢液氧作为火箭推进剂。

至于提高初末质量比，第一种方法是优化火箭结构以及使用更加轻巧的材料。然而，在材料和结构水平有限的情况下，火箭的初末质量比的提升空间也十分有限。对此，齐奥尔科夫斯基提出了第二种解决方案——多级火箭，也就是将火箭设计成若干可以抛弃的节。当火箭的第一节推进剂耗光之后，将第一节的空壳抛掉，再燃烧第二节，依次类推，直到最后一节推进剂烧完。通过设计多级火箭，火箭的末质量只剩下最后一节火箭烧完后的质量，而前几节的质量早已在飞行过程中被抛弃。如此一来火箭将会获得更高的初末质量比，从而获得更高的速度。现代的运载火箭均是多级火箭，无一例外。运载火箭通常为二级或三级，目前尚未有单级运载火箭投入使用。

三、会喷火的大圆筒

现代运载火箭可以分为如下几部分：

1. 动力系统：火箭发动机，负责为火箭提供动力

2. 控制系统：包括火箭所需要的自动控制系统，用来控制火箭的飞行

3. 储存系统：储存推进剂供发动机使用

4. 有效载荷：火箭向太空运送的航天器，包括各类人造卫星、宇宙飞船等等

一枚运载火箭的结构如下图所示

长征五号火箭的结构示意图，展示了一枚现代火箭的典型结构，包括位于火箭两侧的助推器和位于中心的两级主火箭（芯级），以及最上方的有效载荷(图像来源：互动百科)

1.动力系统

包括火箭发动机以及固定发动机的发动机机架。一节火箭通常装备一台或多台发动机。当火箭使用固体燃料火箭发动机时，火箭只有一台发动机。当火箭使用液体燃料火箭发动机时，火箭可以装配一台或多台发动机。当装配多台发动机时，火箭发动机通常在火箭底面按中心对称分布，从而使各发动机的合力更易平衡。一节火箭的发动机数量通常在2至9台之间，发动机数量不宜过少也不宜过多。当发动机数量过少时，对每台发动机的推力要求较大，增大了发动机的设计与制造难度。而当发动机数量过多（大于10台）时，多台发动机会产生火箭内部安装空间不足，发动机总故障率提升，发动机合力与合力矩不易平衡等问题。下图是美国土星五号火箭的第一级，按中心对称布局安装了五台F-1液体燃料火箭发动机。

土星五号火箭的第一级，5台F-1火箭发动机清晰可见（图片来源：维基百科）

2.控制系统

火箭控制系统学名为火箭GNC (Guidance, Navigation, Control，指导，导航，控制)系统，负责火箭飞行全程的控制。对于运载火箭来说，GNC系统需要根据输入的目标轨道参数、飞行高度/速度曲线和当前高度、速度，控制各发动机的推力以及火箭的飞行姿态，从而改变火箭的飞行速度、高度、飞行姿态，确保火箭将有效载荷顺利送入目标轨道。火箭的控制系统包括飞控计算机，作动器，传感器，通信系统以及为控制系统提供能源的电池等等。运载火箭的GNC系统通常会放置于一个专门的仪器舱内，而仪器舱通常位于运载火箭的最末一级。

3.储存系统

火箭的储存系统负责储存火箭的推进剂以及其他火箭发动机所需的物质。对于一节液体燃料火箭来说，储存系统通常包括一个燃料储箱，一个氧化剂储箱以及若干储存高压气体的气瓶。燃料储箱和氧化剂储箱通常是两个独立的储罐。近年来随着材料与结构力学技术的进步，许多新设计的火箭开始将氧化剂与燃料储罐合为一个储罐，中间用一个夹层将其隔离开。这种叫做共底储箱的设计可以有效减轻空储箱的质量。与常见的民用油罐车与天然气罐车一样，火箭上的储箱通常为两端为球面的圆柱体，如下图所示。

美国SpaceX公司猎鹰九号火箭所使用的一个储箱（图片来源：维基百科）

储存系统同样包括一个或多个气瓶，用来储存高压惰性气体（通常是氦气）。高压气体可以用来为储箱增压，也可以用来吹除发动机和推进器输送管路中的多余物质。高压气瓶通常为球形。为了尽可能的提高火箭的初末质量比，储箱多使用轻质材料制造，如铝合金，钛合金等。近年来，随着复合材料技术的进步，越来越多的新型火箭开始在储箱和气瓶的制造上使用复合材料以进一步减重。

4.有效载荷

有效载荷是火箭最重要的部分之一，它是运载火箭向地球轨道运送的航天器的统称。有效载荷的种类多种多样。各类人造地球卫星，各类无人和载人的宇宙飞船，各类外太空探测器，都属于运载火箭的有效载荷。由于运载火箭采用多级设计，前面各级在飞行中将会被抛弃，因此有效载荷通常坐落于火箭的最末级上，也就是火箭的最顶端。为了保护有效载荷不受气动力和气动加热的影响，火箭顶部一般会安置一个整流罩来包裹有效载荷。当火箭飞行至一定高度后，大气足够稀薄，此时有效载荷不再需要整流罩进行保护，火箭会将整流罩抛弃以减重。

一个典型的运载火箭整流罩，分为两瓣以方便在飞行中被抛弃，有效载荷放置在整流罩内（图片来源：JPL）

四、给火箭分分类

到目前为止，本文讨论的火箭都是运载火箭。其实，火箭是一个非常广泛的定义。任何通过排出物质以制造反作用力的运载工具都可以被叫做火箭。

这是火箭（图片来源：中国运载火箭技术研究院）

这也是火箭（图片来源：维基百科）

在如此宽泛的定义下，火箭自然也有多种多样的种类。在本文中，笔者将重点介绍两种分类方法：按用途分类以及按推进剂类型分类。而前一种分类方式将会引出一个非常重要的问题：火箭和弹道导弹有什么区别？

按照用途分类，火箭可以被分为运载火箭，探空火箭，军用火箭等类型。其中运载火箭的主要功能便是将各类有效载荷送入地球轨道或其他行星的轨道。探空火箭推力和体积相对运载火箭较小，其本身不具备将载荷送入地球轨道的能力，但是它可以将有效载荷送入一定高度后再飞回地面。探空火箭被广泛应用于气象观测、天文观测、人工增雨等领域。而弹道导弹则是一种典型的军用火箭。

运载火箭使用喷气产生推力，弹道导弹同样使用喷气产生推力。运载火箭上安装有储存系统，弹道导弹同样也具有储存系统。运载火箭拥有GNC系统来控制其飞行，弹道导弹同样有飞控系统对自身进行控制。运载火箭和弹道导弹的区别主要集中在有效载荷部分和控制系统部分。运载火箭搭载的是包括各类卫星飞船在内的有效载荷，而弹道导弹搭载的是由炸药组成的战斗部（俗称弹头）。运载火箭将有效载荷送入太空，而弹道导弹将战斗部送到敌人的头上。除此之外，很多弹道导弹还安装了雷达和红外搜索跟踪系统（IRST），用来对目标进行搜索与跟踪。

可以这样讲，弹道导弹与运载火箭在实质上是同一事物。将运载火箭的有效载荷换成炸药，将飞行目标由地球轨道变为敌人所在位置的坐标，运载火箭将会立即变为弹道导弹。同样的道理，弹道导弹的战斗部换成有效载荷，GNC系统输入地球轨道的参数，弹道导弹也会“摇身一变”成为运载火箭。事实上，自现代弹道导弹发明以来，各国都在尝试将弹道导弹改装为运载火箭来实现和平目的。例如，前苏联于上世纪50年代开发的R-7 (SS-6, 北约代号“警棍”) 是前苏联第一款洲际弹道导弹，而苏联后来将这款弹道导弹改造成为运载火箭，成功将人类第一颗人造地球卫星和第一艘载人宇宙飞船送入太空。而有的国家（如伊朗、以色列、朝鲜）在开发大型洲际弹道导弹的过程中，也会将其改造为运载火箭发射人造地球卫星，用来测试包括火箭发动机、推进剂储存系统和火箭控制系统的性能，从而在不实际试射弹道导弹的情况下间接对弹道导弹进行测试。

R-7火箭家族，左一即为R-7洲际导弹，左二为由R-7改造而来的卫星号运载火箭，它将人类第一颗人造地球卫星送入太空。左三为同样由R-7改造而成的东方号运载火箭，它将第一艘载人宇宙飞船送入了太空（图片来源：维基百科）

按照推进剂类型对火箭进行分类，则可以分为固体燃料火箭与液体燃料火箭。顾名思义，固体燃料火箭的推进剂是固体，使用固体火箭发动机。这种火箭通常被用于中小型运载火箭、大型运载火箭的助推器以及各类导弹武器。而液体燃料火箭则使用液体推进剂（如液氢液氧），通常用于大中型运载火箭。

欧洲空间局开发的阿丽亚娜5号运载火箭，其两侧的助推器为固体燃料火箭，中央的芯级火箭为液体燃料火箭

在下一篇文章中，笔者将以不同推进剂类型为中心，详细介绍各类常见的固体及液体推进剂组合，并讨论它们的特性，优缺点以及在火箭领域的主要应用，敬请期待。

五、参考文献

[1] 钱学森《星际航行概论》，中国宇航出版社（2008）

六、作者简介

李云皓

本科毕业于西安交通大学电信学院信息工程专业，现在美国西北大学（Northwestern University）计算机工程专业攻读硕士。本科和硕士阶段从事3D视觉，3D重构算法，点云配准有关研究。本科期间曾参与XX空间机械臂视觉系统（国家科技重大专项型号任务），基于空间平台的空间目标成像与识别关键技术及片上系统研究（国家自然科学基金重点项目）。业余爱好是研究历史学与政治学。

七、编辑简介

刘雨喆，清华大学本科博士毕业，斯坦福大学博士后，目前从事大脑冲击损伤领域研究。

作者/李云皓

编辑/刘雨喆

排版/侯伊明