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(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，一旦松開氣球的氣嘴，那么在氣壓差的作用下，氣球內(nèi)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(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)力來自發(fā)動機(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，如果我們想要火箭節(jié)約使用推進(jìn)劑，同時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“長征五號”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]有氧氣，所以火箭必須自備液氧助燃劑?；鸺找朔齻€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，代號為“X-1”的神秘測試飛機(jī)被固定在一架“B-29”轟炸機(jī)的機(jī)腹下緩緩升空。來到高空后，“X-1”測試機(jī)啟動引擎，脫離母機(jī)自主飛行。這架測試飛機(jī)使用的是一臺火箭發(fā)動機(jī)。在火箭發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的巨大推力作用下，“X-1”創(chuàng)造了當(dāng)時載人飛機(jī)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?！癤-1”發(fā)動機(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，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存，火箭并不具備低溫儲存能力?；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，便于儲存，可以預(yù)先混合好儲存在燃燒室內(nèi)，不需要輸送系統(tǒng)，也不需要低溫儲存。

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“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。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)燃就無法中途“關(guān)火”，只能等待燃料耗盡。

隨著包括“天問一號”在內(nèi)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(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旅途。無論從推進(jìn)力還是運(yùn)行總時間來看，核反應(yīng)堆發(fā)動機(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)動機(jī)，從而產(chǎn)生推力。雖然這種發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的推進(jìn)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于化學(xué)能發(fā)動機(jī)，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(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)動機(jī)，從而推動飛船前進(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“無工質(zhì)推進(jìn)”（工質(zhì)即發(fā)動機(jī)的工作介質(zhì)）。

幾十年前，英國人羅杰提出了一種無工質(zhì)的推進(jìn)方案：朝純銅制成的錐形反射腔發(fā)射微波，微波會在空腔內(nèi)反復(fù)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(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)家首次觀測到某個無工質(zhì)推進(jìn)器產(chǎn)生了輕微位移。2003年，羅杰測得這種裝置能產(chǎn)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(zhì)引擎原理示意圖

正當(dāng)許多科學(xué)家為無工質(zhì)推進(jìn)器的進(jìn)步興奮不已之時，2015年德國科學(xué)家的一個發(fā)現(xiàn)給所有人潑了冷水。進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家將一部無工質(zhì)推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)了90°，結(jié)果測得的推力大大增加！這個發(fā)現(xiàn)立刻引起科學(xué)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(xué)家通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種推進(jìn)器只有在電源和推進(jìn)器距離較近時才能產(chǎn)生推力?；谶@個發(fā)現(xiàn)，德國科學(xué)家認(rèn)為，無工質(zhì)推進(jìn)器推力的真正來源是設(shè)備的輸電線切割地球磁感線。如此一來，無工質(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“天宮號”空間站的“天和”核心艙配備了四臺我國自主研發(fā)和制造的“LHT-100”霍爾推進(jìn)器，單臺推力為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，但工作時間長久，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)志著我國完成了霍爾推進(jìn)器從毫牛級到牛級的跨越，并成為全世界少數(shù)幾個具備牛級霍爾推進(jìn)器研發(fā)能力的國家之一。人類正在火箭推進(jìn)的道路上不斷探索，在不久的未來，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