火箭推進簡史

徐寧

距今2400年前，古希臘塔倫圖姆城（位于如今的意大利南部）的科學家阿爾基塔斯讓一只木質大鳥飛上天空，以此娛樂城中百姓。這只木鳥靠繩索懸空，從中竄出的蒸汽推動木鳥移動，這是現代火箭的雛形。直到17世紀，人們才理解這背后的原理——作用力和反作用力。

不妨把火箭推進器想象成一個充滿氣的氣球。由于氣球內的氣壓高于氣球外的大氣壓，一旦松開氣球的氣嘴，那么在氣壓差的作用下，氣球內的空氣就會快速沖出氣嘴，給氣球本身一個方向相反、大小相等的反作用力，也就是推進力。火箭產生推進力的原理和氣球漏氣的原理基本相同，區別只在于推力產生的方式。

根據作用力和反作用力原理，火箭的推進力來自發動機噴射推進劑產生的反作用力。推進劑噴出的速度越快，單位時間內噴射的推進劑質量越大，火箭的推力就越大。推進劑和火箭的速度關系可以用下列公式表示：

噴出的推進劑質量×噴出的推進劑速度=火箭總質量×火箭速度

可見，如果我們想要火箭節約使用推進劑，同時還希望維持相同的推力，那么只要增加推進劑噴射的速度就行了。

推進劑占火箭總質量的很大一部分。以“長征五號”運載火箭“CZ-5”型為例，其總質量為8455噸，其中推進劑就占339噸。推進劑又分為燃料和氧化劑，因為太空中沒有氧氣，所以火箭必須自備液氧助燃劑。火箭升空要克服三個載荷：火箭本身、運送物和推進劑，推進劑的質量一般遠高于運送物。若要將1噸的物資發送到近地軌道，火箭至少需要使用20噸推進劑。

火箭能飛多快，取決于兩個因素

固體推進劑的成分

采用液體推進劑的火箭

1947年10月14日，代號為“X-1”的神秘測試飛機被固定在一架“B-29”轟炸機的機腹下緩緩升空。來到高空后，“X-1”測試機啟動引擎，脫離母機自主飛行。這架測試飛機使用的是一臺火箭發動機。在火箭發動機產生的巨大推力作用下，“X-1”創造了當時載人飛機的最高時速記錄——1.06倍音速。它是人類歷史上首個超音速載人飛行器。“X-1”發動機采用含水乙醇和液氧作為推進劑，走的是液體推進劑路線。

液體推進火箭的燃料和氧化劑需要分別貯藏在火箭的不同艙內。火箭工作時，輸送系統將兩者送入燃燒室進行燃燒。然而，液體燃料和氧化劑需要低溫儲存，火箭并不具備低溫儲存能力。火箭只有在發射前才能加注推進劑，這造成了許多不便。

固體推進劑則省事得多。固體推進劑一般為顆粒形式，也分為燃料和氧化劑。由于固體推進劑的性質穩定，便于儲存，可以預先混合好儲存在燃燒室內，不需要輸送系統，也不需要低溫儲存。

當然，液體推進劑也有固體推進劑不具備的優點，就是可以隨時“關火”。液體推進火箭只需要關閉輸送系統就能停止工作，重啟即可二次啟動。這種靈活的操控方式更便于火箭在空中調整飛行軌道。而固體推進劑就像煙花，一旦點燃就無法中途“關火”，只能等待燃料耗盡。

隨著包括“天問一號”在內越來越多的探測器登陸火星，我們對火星的大氣和地表情況越來越清楚，航天員登陸火星也被一些國家提上了未來日程。然而，無論是液體推進劑還是固體推進劑，都是以化學能為基礎，難以完成載人前往火星的漫長旅途。無論從推進力還是運行總時間來看，核反應堆發動機都是運送人類抵達火星的首選。

核反應堆發動機又可以分為“核電推力”和“核熱推力”兩種。顧名思義，核電推進系統噴射的推進劑是帶正電的等離子（主要是氬或氟，都為惰性氣體），其能量來自于核反應堆產生的電能。等離子以極高速度被噴出發動機，從而產生推力。雖然這種發動機產生的推進力遠遠小于化學能發動機，但它可以長時間工作，再加上宇宙中的阻力非常小，因此即便非常小的推進力最終也能將飛船加速到很高的速度。

核熱推進系統產生的推進力比核電推進系統大很多，至少是化學燃料發動機推進力的兩倍。其工作原理是，核反應堆產生的熱能將液態推進劑轉化為氣體，這些氣體以極高速度噴出發動機，從而推動飛船前進。但由于核熱推進系統需要大量推進劑，因此總運行時間大大低于核電推進系統。人類第一艘核熱推進火箭有望于2025年升空。

核熱推進系統（想象圖）

核電推進系統（想象圖）

核熱推進和核電推進雖然先進，但依然需要推進劑，而航天器攜帶的推進劑總量是有限的，所以推進劑束縛了人類前往更遠太空的腳步。為此，科學家將目光轉向不需要推進劑的“無工質推進”（工質即發動機的工作介質）。

幾十年前，英國人羅杰提出了一種無工質的推進方案：朝純銅制成的錐形反射腔發射微波，微波會在空腔內反復彈射，并在此過程中施加足夠的力量為太空船提供動力。不需要推進劑等工作物質，只需要輸入電能就能產生推力？雖然無工質推進器違背了作用力和反作用力等基本物理規律，但它卻激發了許多科學家的好奇心。2001年，科學家首次觀測到某個無工質推進器產生了輕微位移。2003年，羅杰測得這種裝置能產生16毫牛頓推力。這個推力有多大？把一個蘋果平均切成1000片，將其中一片置于你的手掌心，你的手掌承受的力就差不多是16毫牛頓。

微波無工質引擎原理示意圖

正當許多科學家為無工質推進器的進步興奮不已之時，2015年德國科學家的一個發現給所有人潑了冷水。進行該實驗的科學家將一部無工質推進器旋轉了90°，結果測得的推力大大增加！這個發現立刻引起科學家的警覺，他們猜測，很可能有其他因素影響推力。2016年，我國科學家通過實驗發現，這種推進器只有在電源和推進器距離較近時才能產生推力。基于這個發現，德國科學家認為，無工質推進器推力的真正來源是設備的輸電線切割地球磁感線。如此一來，無工質推進器在不同方向上產生的推力不同就不奇怪。

我國“天宮號”空間站的“天和”核心艙配備了四臺我國自主研發和制造的“LHT-100”霍爾推進器，單臺推力為80毫牛。霍爾推進器只需要攜帶少量推進劑，就可以給航天器加速，雖然推進力小，但工作時間長久，非常適合在太空環境的推進工作。更讓人驕傲的是，我國在霍爾推進器領域已經達到世界領先水平。2020年初，我國首款20千瓦大功率霍爾推進器成功完成點火試驗，標志著我國完成了霍爾推進器從毫牛級到牛級的跨越，并成為全世界少數幾個具備牛級霍爾推進器研發能力的國家之一。人類正在火箭推進的道路上不斷探索，在不久的未來，我們有望實現火箭推進技術的跨越式發展。

霍爾推進器