火箭推進(jìn)簡(jiǎn)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(xué)家阿爾基塔斯讓一只木質(zhì)大鳥(niǎo)飛上天空，以此娛樂(lè)城中百姓。這只木鳥(niǎo)靠繩索懸空，從中竄出的蒸汽推動(dòng)木鳥(niǎo)移動(dòng)，這是現(xiàn)代火箭的雛形。直到17世紀(jì)，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(jìn)器想象成一個(gè)充滿氣的氣球。由于氣球內(nèi)的氣壓高于氣球外的大氣壓，一旦松開(kāi)氣球的氣嘴，那么在氣壓差的作用下，氣球內(nèi)的空氣就會(huì)快速?zèng)_出氣嘴，給氣球本身一個(gè)方向相反、大小相等的反作用力，也就是推進(jìn)力?；鸺a(chǎn)生推進(jìn)力的原理和氣球漏氣的原理基本相同，區(qū)別只在于推力產(chǎn)生的方式。

根據(jù)作用力和反作用力原理，火箭的推進(jìn)力來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)噴射推進(jìn)劑產(chǎn)生的反作用力。推進(jìn)劑噴出的速度越快，單位時(shí)間內(nèi)噴射的推進(jìn)劑質(zhì)量越大，火箭的推力就越大。推進(jìn)劑和火箭的速度關(guān)系可以用下列公式表示：

噴出的推進(jìn)劑質(zhì)量×噴出的推進(jìn)劑速度=火箭總質(zhì)量×火箭速度

可見(jiàn)，如果我們想要火箭節(jié)約使用推進(jìn)劑，同時(shí)還希望維持相同的推力，那么只要增加推進(jìn)劑噴射的速度就行了。

推進(jìn)劑占火箭總質(zhì)量的很大一部分。以“長(zhǎng)征五號(hào)”運(yùn)載火箭“CZ-5”型為例，其總質(zhì)量為8455噸，其中推進(jìn)劑就占339噸。推進(jìn)劑又分為燃料和氧化劑，因?yàn)樘罩袥](méi)有氧氣，所以火箭必須自備液氧助燃劑?；鸺找朔齻€(gè)載荷：火箭本身、運(yùn)送物和推進(jìn)劑，推進(jìn)劑的質(zhì)量一般遠(yuǎn)高于運(yùn)送物。若要將1噸的物資發(fā)送到近地軌道，火箭至少需要使用20噸推進(jìn)劑。

火箭能飛多快，取決于兩個(gè)因素

固體推進(jìn)劑的成分

采用液體推進(jìn)劑的火箭

1947年10月14日，代號(hào)為“X-1”的神秘測(cè)試飛機(jī)被固定在一架“B-29”轟炸機(jī)的機(jī)腹下緩緩升空。來(lái)到高空后，“X-1”測(cè)試機(jī)啟動(dòng)引擎，脫離母機(jī)自主飛行。這架測(cè)試飛機(jī)使用的是一臺(tái)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的巨大推力作用下，“X-1”創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)載人飛機(jī)的最高時(shí)速記錄——1.06倍音速。它是人類歷史上首個(gè)超音速載人飛行器?！癤-1”發(fā)動(dòng)機(jī)采用含水乙醇和液氧作為推進(jìn)劑，走的是液體推進(jìn)劑路線。

液體推進(jìn)火箭的燃料和氧化劑需要分別貯藏在火箭的不同艙內(nèi)?；鸺ぷ鲿r(shí)，輸送系統(tǒng)將兩者送入燃燒室進(jìn)行燃燒。然而，液體燃料和氧化劑需要低溫儲(chǔ)存，火箭并不具備低溫儲(chǔ)存能力?；鸺挥性诎l(fā)射前才能加注推進(jìn)劑，這造成了許多不便。

固體推進(jìn)劑則省事得多。固體推進(jìn)劑一般為顆粒形式，也分為燃料和氧化劑。由于固體推進(jìn)劑的性質(zhì)穩(wěn)定，便于儲(chǔ)存，可以預(yù)先混合好儲(chǔ)存在燃燒室內(nèi)，不需要輸送系統(tǒng)，也不需要低溫儲(chǔ)存。

當(dāng)然，液體推進(jìn)劑也有固體推進(jìn)劑不具備的優(yōu)點(diǎn)，就是可以隨時(shí)“關(guān)火”。液體推進(jìn)火箭只需要關(guān)閉輸送系統(tǒng)就能停止工作，重啟即可二次啟動(dòng)。這種靈活的操控方式更便于火箭在空中調(diào)整飛行軌道。而固體推進(jìn)劑就像煙花，一旦點(diǎn)燃就無(wú)法中途“關(guān)火”，只能等待燃料耗盡。

隨著包括“天問(wèn)一號(hào)”在內(nèi)越來(lái)越多的探測(cè)器登陸火星，我們對(duì)火星的大氣和地表情況越來(lái)越清楚，航天員登陸火星也被一些國(guó)家提上了未來(lái)日程。然而，無(wú)論是液體推進(jìn)劑還是固體推進(jìn)劑，都是以化學(xué)能為基礎(chǔ)，難以完成載人前往火星的漫長(zhǎng)旅途。無(wú)論從推進(jìn)力還是運(yùn)行總時(shí)間來(lái)看，核反應(yīng)堆發(fā)動(dòng)機(jī)都是運(yùn)送人類抵達(dá)火星的首選。

核反應(yīng)堆發(fā)動(dòng)機(jī)又可以分為“核電推力”和“核熱推力”兩種。顧名思義，核電推進(jìn)系統(tǒng)噴射的推進(jìn)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(lái)自于核反應(yīng)堆產(chǎn)生的電能。等離子以極高速度被噴出發(fā)動(dòng)機(jī)，從而產(chǎn)生推力。雖然這種發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推進(jìn)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于化學(xué)能發(fā)動(dòng)機(jī)，但它可以長(zhǎng)時(shí)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(jìn)力最終也能將飛船加速到很高的速度。

核熱推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的推進(jìn)力比核電推進(jìn)系統(tǒng)大很多，至少是化學(xué)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)力的兩倍。其工作原理是，核反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱能將液態(tài)推進(jìn)劑轉(zhuǎn)化為氣體，這些氣體以極高速度噴出發(fā)動(dòng)機(jī)，從而推動(dòng)飛船前進(jìn)。但由于核熱推進(jìn)系統(tǒng)需要大量推進(jìn)劑，因此總運(yùn)行時(shí)間大大低于核電推進(jìn)系統(tǒng)。人類第一艘核熱推進(jìn)火箭有望于2025年升空。

核熱推進(jìn)系統(tǒng)（想象圖）

核電推進(jìn)系統(tǒng)（想象圖）

核熱推進(jìn)和核電推進(jìn)雖然先進(jìn)，但依然需要推進(jìn)劑，而航天器攜帶的推進(jìn)劑總量是有限的，所以推進(jìn)劑束縛了人類前往更遠(yuǎn)太空的腳步。為此，科學(xué)家將目光轉(zhuǎn)向不需要推進(jìn)劑的“無(wú)工質(zhì)推進(jìn)”（工質(zhì)即發(fā)動(dòng)機(jī)的工作介質(zhì)）。

幾十年前，英國(guó)人羅杰提出了一種無(wú)工質(zhì)的推進(jìn)方案：朝純銅制成的錐形反射腔發(fā)射微波，微波會(huì)在空腔內(nèi)反復(fù)彈射，并在此過(guò)程中施加足夠的力量為太空船提供動(dòng)力。不需要推進(jìn)劑等工作物質(zhì)，只需要輸入電能就能產(chǎn)生推力？雖然無(wú)工質(zhì)推進(jìn)器違背了作用力和反作用力等基本物理規(guī)律，但它卻激發(fā)了許多科學(xué)家的好奇心。2001年，科學(xué)家首次觀測(cè)到某個(gè)無(wú)工質(zhì)推進(jìn)器產(chǎn)生了輕微位移。2003年，羅杰測(cè)得這種裝置能產(chǎn)生16毫牛頓推力。這個(gè)推力有多大？把一個(gè)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(wú)工質(zhì)引擎原理示意圖

正當(dāng)許多科學(xué)家為無(wú)工質(zhì)推進(jìn)器的進(jìn)步興奮不已之時(shí)，2015年德國(guó)科學(xué)家的一個(gè)發(fā)現(xiàn)給所有人潑了冷水。進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家將一部無(wú)工質(zhì)推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)了90°，結(jié)果測(cè)得的推力大大增加！這個(gè)發(fā)現(xiàn)立刻引起科學(xué)家的警覺(jué)，他們猜測(cè)，很可能有其他因素影響推力。2016年，我國(guó)科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種推進(jìn)器只有在電源和推進(jìn)器距離較近時(shí)才能產(chǎn)生推力。基于這個(gè)發(fā)現(xiàn)，德國(guó)科學(xué)家認(rèn)為，無(wú)工質(zhì)推進(jìn)器推力的真正來(lái)源是設(shè)備的輸電線切割地球磁感線。如此一來(lái)，無(wú)工質(zhì)推進(jìn)器在不同方向上產(chǎn)生的推力不同就不奇怪。

我國(guó)“天宮號(hào)”空間站的“天和”核心艙配備了四臺(tái)我國(guó)自主研發(fā)和制造的“LHT-100”霍爾推進(jìn)器，單臺(tái)推力為80毫牛?；魻柾七M(jìn)器只需要攜帶少量推進(jìn)劑，就可以給航天器加速，雖然推進(jìn)力小，但工作時(shí)間長(zhǎng)久，非常適合在太空環(huán)境的推進(jìn)工作。更讓人驕傲的是，我國(guó)在霍爾推進(jìn)器領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。2020年初，我國(guó)首款20千瓦大功率霍爾推進(jìn)器成功完成點(diǎn)火試驗(yàn)，標(biāo)志著我國(guó)完成了霍爾推進(jìn)器從毫牛級(jí)到牛級(jí)的跨越，并成為全世界少數(shù)幾個(gè)具備牛級(jí)霍爾推進(jìn)器研發(fā)能力的國(guó)家之一。人類正在火箭推進(jìn)的道路上不斷探索，在不久的未來(lái)，我們有望實(shí)現(xiàn)火箭推進(jìn)技術(shù)的跨越式發(fā)展。

霍爾推進(jìn)器