火箭推进简史

徐宁

距今2400年前，古希腊塔伦图姆城（位于如今的意大利南部）的科学家阿尔基塔斯让一只木质大鸟飞上天空，以此娱乐城中百姓。这只木鸟靠绳索悬空，从中窜出的蒸汽推动木鸟移动，这是现代火箭的雏形。直到17世纪，人们才理解这背后的原理——作用力和反作用力。

不妨把火箭推进器想象成一个充满气的气球。由于气球内的气压高于气球外的大气压，一旦松开气球的气嘴，那么在气压差的作用下，气球内的空气就会快速冲出气嘴，给气球本身一个方向相反、大小相等的反作用力，也就是推进力。火箭产生推进力的原理和气球漏气的原理基本相同，区别只在于推力产生的方式。

根据作用力和反作用力原理，火箭的推进力来自发动机喷射推进剂产生的反作用力。推进剂喷出的速度越快，单位时间内喷射的推进剂质量越大，火箭的推力就越大。推进剂和火箭的速度关系可以用下列公式表示：

喷出的推进剂质量×喷出的推进剂速度=火箭总质量×火箭速度

可见，如果我们想要火箭节约使用推进剂，同时还希望维持相同的推力，那么只要增加推进剂喷射的速度就行了。

推进剂占火箭总质量的很大一部分。以“长征五号”运载火箭“CZ-5”型为例，其总质量为8455吨，其中推进剂就占339吨。推进剂又分为燃料和氧化剂，因为太空中没有氧气，所以火箭必须自备液氧助燃剂。火箭升空要克服三个载荷：火箭本身、运送物和推进剂，推进剂的质量一般远高于运送物。若要将1吨的物资发送到近地轨道，火箭至少需要使用20吨推进剂。

火箭能飞多快，取决于两个因素

固体推进剂的成分

采用液体推进剂的火箭

1947年10月14日，代号为“X-1”的神秘测试飞机被固定在一架“B-29”轰炸机的机腹下缓缓升空。来到高空后，“X-1”测试机启动引擎，脱离母机自主飞行。这架测试飞机使用的是一台火箭发动机。在火箭发动机产生的巨大推力作用下，“X-1”创造了当时载人飞机的最高时速记录——1.06倍音速。它是人类历史上首个超音速载人飞行器。“X-1”发动机采用含水乙醇和液氧作为推进剂，走的是液体推进剂路线。

液体推进火箭的燃料和氧化剂需要分别贮藏在火箭的不同舱内。火箭工作时，输送系统将两者送入燃烧室进行燃烧。然而，液体燃料和氧化剂需要低温储存，火箭并不具备低温储存能力。火箭只有在发射前才能加注推进剂，这造成了许多不便。

固体推进剂则省事得多。固体推进剂一般为颗粒形式，也分为燃料和氧化剂。由于固体推进剂的性质稳定，便于储存，可以预先混合好储存在燃烧室内，不需要输送系统，也不需要低温储存。

当然，液体推进剂也有固体推进剂不具备的优点，就是可以随时“关火”。液体推进火箭只需要关闭输送系统就能停止工作，重启即可二次启动。这种灵活的操控方式更便于火箭在空中调整飞行轨道。而固体推进剂就像烟花，一旦点燃就无法中途“关火”，只能等待燃料耗尽。

随着包括“天问一号”在内越来越多的探测器登陆火星，我们对火星的大气和地表情况越来越清楚，航天员登陆火星也被一些国家提上了未来日程。然而，无论是液体推进剂还是固体推进剂，都是以化学能为基础，难以完成载人前往火星的漫长旅途。无论从推进力还是运行总时间来看，核反应堆发动机都是运送人类抵达火星的首选。

核反应堆发动机又可以分为“核电推力”和“核热推力”两种。顾名思义，核电推进系统喷射的推进剂是带正电的等离子（主要是氩或氟，都为惰性气体），其能量来自于核反应堆产生的电能。等离子以极高速度被喷出发动机，从而产生推力。虽然这种发动机产生的推进力远远小于化学能发动机，但它可以长时间工作，再加上宇宙中的阻力非常小，因此即便非常小的推进力最终也能将飞船加速到很高的速度。

核热推进系统产生的推进力比核电推进系统大很多，至少是化学燃料发动机推进力的两倍。其工作原理是，核反应堆产生的热能将液态推进剂转化为气体，这些气体以极高速度喷出发动机，从而推动飞船前进。但由于核热推进系統需要大量推进剂，因此总运行时间大大低于核电推进系统。人类第一艘核热推进火箭有望于2025年升空。

核热推进系统（想象图）

核电推进系统（想象图）

核热推进和核电推进虽然先进，但依然需要推进剂，而航天器携带的推进剂总量是有限的，所以推进剂束缚了人类前往更远太空的脚步。为此，科学家将目光转向不需要推进剂的“无工质推进”（工质即发动机的工作介质）。

几十年前，英国人罗杰提出了一种无工质的推进方案：朝纯铜制成的锥形反射腔发射微波，微波会在空腔内反复弹射，并在此过程中施加足够的力量为太空船提供动力。不需要推进剂等工作物质，只需要输入电能就能产生推力？虽然无工质推进器违背了作用力和反作用力等基本物理规律，但它却激发了许多科学家的好奇心。2001年，科学家首次观测到某个无工质推进器产生了轻微位移。2003年，罗杰测得这种装置能产生16毫牛顿推力。这个推力有多大？把一个苹果平均切成1000片，将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毫牛顿。

微波无工质引擎原理示意图

正当许多科学家为无工质推进器的进步兴奋不已之时，2015年德国科学家的一个发现给所有人泼了冷水。进行该实验的科学家将一部无工质推进器旋转了90°，结果测得的推力大大增加！这个发现立刻引起科学家的警觉，他们猜测，很可能有其他因素影响推力。2016年，我国科学家通过实验发现，这种推进器只有在电源和推进器距离较近时才能产生推力。基于这个发现，德国科学家认为，无工质推进器推力的真正来源是设备的输电线切割地球磁感线。如此一来，无工质推进器在不同方向上产生的推力不同就不奇怪。

我国“天宫号”空间站的“天和”核心舱配备了四台我国自主研发和制造的“LHT-100”霍尔推进器，单台推力为80毫牛。霍尔推进器只需要携带少量推进剂，就可以给航天器加速，虽然推进力小，但工作时间长久，非常适合在太空环境的推进工作。更让人骄傲的是，我国在霍尔推进器领域已经达到世界领先水平。2020年初，我国首款20千瓦大功率霍尔推进器成功完成点火试验，标志着我国完成了霍尔推进器从毫牛级到牛级的跨越，并成为全世界少数几个具备牛级霍尔推进器研发能力的国家之一。人类正在火箭推进的道路上不断探索，在不久的未来，我们有望实现火箭推进技术的跨越式发展。

霍尔推进器