出发！推着火箭上天去

沉舟舟

小cool 龙，你玩过水火箭吗？就是在塑料瓶里灌点水，然后使劲往里面打气。“噗”的一下，水火箭就会飞上天。

当然玩过！那你知道，为什么水火箭能上天吗？

当然知道！不就是因为喷水吗？

那么，为什么水火箭喷水能上天，你喷水却原地不动呢？

这个……说得好像你可以一个屁把自己轰上天似的。

水火箭上天，气势要足

水火箭上天的原理，其实比较简单。我们利用打气筒不停地往水火箭中注入空气，空气越来越多，产生的压力超过了瓶子的承受能力，空气就要寻找出口跑出去。由于出口被塞子堵住，空气冲破塞子喷涌而出，就会产生足够的推力，推着水火箭上天。之所以要加入水，是因为水的密度比空气大，当空气将水推出瓶口时，能产生更大的推力，让水火箭飞得更高、更远。

那么，回到小cool 龙和安奇奇的讨论，为什么水火箭喷水能上天，我们放屁却原地不动呢？这要从两对力说起。

一对是作用力和反作用力。这两种力就像一对双胞胎，总是一起出现，而且大小相等，方向相反。比如，当你站在滑板车上用力推一堵墙时，墙一动不动，但滑板车却带着你在后退，这就是因为你在对墙施加推力的时候，自己也受到了来自墙的反作用力。

对于水火箭来说，喷射出水和空气的时候，它向后施加了作用力（喷射），同时自身也受到向前的反作用力。

但是，光有反作用力还不行，这反作用力的大小必须超过水火箭的重力，这样一来水火箭所受的合力才会向上，让它飞上天空。而小小一个屁产生的推力，相对于我们受到的重力来说，实在是可以忽略不计。

真火箭上天，火力要猛

我明白了。理论上来说，如果一个屁足够猛，是可以把人轰上天的。

你思考的点，总是这么“清新脱俗”。

说正经的，要把真火箭那样的庞然大物送上天，光靠空气和水，肯定不行吧？

原来，你知道自己不正经啊，哈哈！

真正的火箭，的确是庞然大物。我们的“长征五号”火箭，起飞重量约869 吨;将人类送上月球的“土星五号”火箭，起飞重量达到了3 038.5 吨，相当于5 万多个成年人加在一起的重量。要将这些庞然大物送上天，没点儿本事，自然是行不通的。

发射真火箭，主要是利用燃烧来产生能量和气体。用来燃烧的物质，就是火箭的燃料。我们都知道，木柴能燃烧，煤炭能燃烧，汽油能燃烧，但要成为火箭的燃料，可得经过层层选拔，不是一般的燃料能够胜任的。

第一，这种燃料，密度越大越好。密度越大，同样大小的容器就能装得越多。

第二，这种燃料，重量越轻越好。燃料本就是火箭的“负担”，自然是越轻对火箭的飞行越有利。

第三，这种燃料的热值要高。也就是说，同样体积或重量的燃料，燃烧时产生的能量越多、推力越大越好。

第四，这种燃料最好还很容易储存和使用，既不能动不动就燃起来，也不能加热半天都看不到一点儿火星。

这里还有第五点要求。关于这一点，我們需要先来谈一谈燃烧。

燃烧由两种物质参与，一种叫氧化剂，一种叫还原剂。氧化剂是个“调皮鬼”，喜欢从还原剂那里抢走电子。而还原剂又不“给力”，非常容易失去电子。这种抢夺电子的行为，在化学中就被称为氧化还原反应。如果电子抢夺战进行得非常激烈，就会产生大量的光和热，这就是我们说的燃烧。

空气中的氧气就是最常见的氧化剂，日常生活中的燃烧，通常都是在它的帮助下进行的。例如，我们的汽车加入汽油后，就是借由氧气燃烧，驱动车辆前进。但是，火箭的目标是太空，那里可没有足够的氧气来支持燃烧。因此，火箭除了需要携带燃料（火箭燃料就是一种还原剂），还需要携带能让燃料燃烧起来的氧化剂。二者合称为火箭的推进剂。

这就是火箭选择燃料的第五点要求，需要有与之匹配的、合适的氧化剂。

真火箭上天，推进剂要足

按照上面的五点要求，首先被科学家排除的是用气体来作为火箭的推进剂。气体密度小，同样的体积，无论是燃烧的时长还是产生的能量，都不如液体和固体。因此，科学家经过层层筛选，为火箭选择了两大类推进剂组合，一类称为固体火箭推进剂;另一类称为液体火箭推进剂。

固体火箭推进剂，简单说，就是两种或多种能产生剧烈氧化还原反应的固体材料组合，然后加入黏稠的化学物质搅拌，让它们充分混合，最终呈现出类似沥青或浓奶油的状态，便于运输、装卸和使用。其中，最具有代表性的是铝粉（燃料）和高氯酸铵（氧化剂）的组合。

铝粉被点燃后，产生的高温会让高氯酸铵分解为氮气、氧气、氯气和水蒸气四种气体。其中，氯气、氧气和铝粉进一步反应，产生更多热量，促进高氯酸铵持续分解。二者相辅相成，最终产生足够的能量和推力，推动火箭飞向太空。

液体火箭推进剂，我们选择了两组代表。

一组是以肼（jǐn g）类物质为燃料，以硝酸或四氧化二氮为氧化剂。肼类物质是一类生活中不常见的化学物质，它们的优点是在常温下呈现液体状态，方便储存和使用，缺点是有剧毒。因此，使用这类物质作为燃料的火箭，被戏称为“毒箭”。

另一组是液氢（燃料）和液氧（氧化剂）的组合。平时，氢和氧都以气体的形态出现在我们周围，液氢和液氧的密度更大，克服了气体状态下体积过大的问题。二者的组合，优点非常突出，可以说是非常环保高效的火箭推进剂：它们反应之后，不但能产生足够的能量，而且无论二者自身还是反应后产生的水，都无毒无害。

不过，液氢和液氧也有缺点。这两者都必须要在极低的温度下才能保持液体状态，其中，液氧超过-183℃就会重新变成气体，液氢更是不能高于-252℃，因此对火箭推进剂贮箱的保温性能提出了更高的要求。

我国“长征五号”火箭主发动机使用的推进剂就是液氢和液氧。因为二者的温度实在太低，因此“长征五号”火箭又被称为“冰箭”。

发射时，如果看到火箭喷着火，箭身却在掉冰块，那它使用的推进剂多半就是液氢和液氧。

真火箭上天，负担要少

解决了推进剂的问题，火箭上天的问题算是解决了一半。为什么这么说呢？因为火箭要摆脱地球引力飞入太空，速度至少要达到7.91 千米/ 秒。要做到这一点，仅仅有符合要求的推进剂可不够，火箭自身还得满足三个条件：

一是要足够强，扛得住飞行过程中的各种颠簸和冲击。

二是要足够大，能够装载足量的推进剂，让速度达到飞入太空的要求。

三是要足够轻，身体越轻，才有可能飞得越快。

但是，科学家们通过试验发现，在目前的技术条件下，火箭要装载足够的推进剂，就不得不增加贮箱的容积;容积一增加，必须用更多的材料来增加贮箱的强度，如此一来，贮箱的重量又会增加;贮箱的重量增加，又需要更多的推进剂才能推动;推进剂增加，则需要扩大贮箱的容积……

如此一来，就陷入了一个死循环，火箭总是无法同时满足这三个条件，也就无法飞入太空。

那么，该如何解决这个问题呢？

科学家想到的办法是，把火箭“拆”成若干部分，也就是建造多级火箭。

多级火箭，由若干可以自动脱离的“级”组合而成。在飞行过程中，第一级火箭先点火飞行，达到一定速度后，推进剂耗尽，本级自动脱离，回归大地;然后，第二级火箭接棒飞行，直到推进剂耗尽后脱离;接着，第三级、第四级……直到火箭飞入太空。

如此一来，在持续加速的过程中，火箭就能随着推进剂的消耗，抛弃自身多余的重量，越飞越轻，越飞越快，最终成功摆脱地球引力，飞入太空。

当然，火箭的级数也不是越多越好。太多的级数会让火箭的结构变得太复杂，影响飞行安全。因此，现在的火箭，大多是2～4级，或是根据需要添加助推器。