火箭科学的学问

现代火箭发动机有几种主要类型。最基本的类型就像初期中国的火箭，是由固体燃料驱动的，类似于火药。固体火箭发动机在航天飞机两侧绑有助推器，且用氧化剂高氯酸铵燃烧铝粉作为动力。然而，固体火箭发动机具有潜在的危险，它们就像罗马蜡烛一样，一旦点燃，就不能关闭发动机，甚至不能减速。而另一种类型则是液体火箭发动机，早期由罗伯特·戈达德研发，更具可控性。但可控性却以增加制造的复杂性（从而增加了发生故障的可能性）为代价，其构造包括了泵、燃料管道，以及确保燃料在燃烧前充分混合的喷油器。

是什么让一个人甘愿坐在巨大的罗马蜡烛上……并等人点燃灯芯？

——汤姆·沃尔夫（Tom Wolfe）
《太空英雄》（ The Right Stuff ）

液体火箭发动机通常将燃料和氧化剂分开储存，它们被称为“双元推进剂”发动机。例如，“阿波罗”航天员登上月球的“土星5号”，它的第一级火箭有两个燃料箱，一个装煤油，另一个装满纯液氧用来燃烧。这两种燃料分别被输入发动机，并在燃烧前混合。液氧是一种常用于火箭发动机的氧化剂。顺便说一下，为了使氧气以液态形式存在，必须将其冷却到低于-183℃的温度，这就是为什么有时可以在发射台上看到液体燃料火箭的外部结冰，然而在升空过程中，冰会惊人地碎裂成块，随后大量脱落。

除此之外，也有“单元推进剂”液体发动机，这类发动机只需要一个燃料箱。不过，这类发动机往往仅限于小型火箭和宇宙飞船离开地球后用来确定方向的推进器。“单元推进剂”发动机的其中一种单体燃料是化学肼，经过催化材料时会分解成高温的氢、氮和氨气体，从而产生推力。

存在于液体火箭和固体火箭两者之间的是一种使用混合式火箭发动机的火箭。这种火箭使用固体燃料和液体氧化剂，不如液体火箭发动机复杂，但比固体火箭发动机更容易控制。“太空船1号”（Space Ship One）便是由这种混合式火箭发动机提供动力，该发动机以固体橡胶为燃料，使用一氧化二氮作为氧化剂。它是由莫哈航空航天公司（Mojave Aerospace Ventures）运营，该公司在2004年实现了私人投资的第一次载人航天发射。

在所有类型的发动机中，燃烧产生的高温高压气体必须转化为高速喷射的废气排出。这一步是通过火箭喷管实现的，它位于燃烧室正下方，呈锥形孔状。其中一个最有效的设计被称为拉瓦尔喷管（de Laval nozzle），以其共同发明人古斯塔夫·德·拉瓦尔（Gustaf de Laval）的名字命名，他于1888年提出将拉瓦尔喷管用于蒸汽涡轮机。拉瓦尔喷管是一根中间部分收缩成沙漏形状的管子，在热气进入喷管的进口一侧急剧收缩，然后管子呈扇形散开，形成一个更平缓的弧形钟形，以便排出的废气推动火箭升空。拉瓦尔喷管可以将常见火箭发动机内部产生的高压气流转化成超音速发动机尾喷流，其速度为数千米每秒。

迄今为止性能最强大的火箭发动机之一是液体火箭发动机“猛禽”（Raptor），该发动机由太空探索技术公司为其即将推出的超重型运载火箭“星舰”（Starship）研发而成。在2019年2月的一次试射中，“猛禽”创下了燃烧室压强的最高纪录——274千克力/平方厘米，相当于一辆大型汽车的重量集中到一个边长只有几厘米的正方形上。

当液体火箭发动机“猛禽”的研发完成后，最终的燃烧室压强预计将达到309千克力/平方厘米，发动机的拉瓦尔喷管将把这一压强转化成速度为3400米/秒（12240千米/时）的尾喷流，这一惊人的速度是空气中音速的十倍之多。 vc51KhF0zDftx3cMWabQk/qdnhLTriZx9AyOV225mIlgOheLYjXWaSSwR4IGvbDl