火箭燃料|为什么火箭方程式阻碍了我们？_天文|火箭|军事|航空航天

在火箭科技的发展推动下，我们环游了地球，登上了月球，并且发射了探测器去探索内行星，也曾冒险穿过小行星带，穿越了外行星并拍摄了它，甚至越过了太阳系，进入了星际空间的深处。然而“科学”带给我们成功的同时，也给我们带来了严重的限制，限制着我们到底能到达多远的未来？今天我们要回答一个特别的问题：火箭方程式是否阻碍了我们？

火箭方程的发展可以追溯到17世纪中叶，当时，艾萨克·牛顿（Isaac Newton）和戈特弗里德·莱布尼茨（Gottfried Leibniz）发展了微积分，在此之下，对动量有了更好的理解。时间快进到1903年，俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)将牛顿的理论应用于火箭的建造，由此，太空飞行的时代开始了。

火箭本质上是通过在它的另一端进行聚焦和引导精确的能量来实现发射的物体，并且火箭是有动量的物体，它们甚至依靠动量来逃离大气层。不过，这个想法并不新鲜，例如，古代中国曾在公元100年左右就使用火箭技术来制作烟花；几个世纪以来，火箭技术也以某种方式在各种军队和军事中被使用，为许多毁灭性武器提供了基础。
当然，在整个20世纪，这些武器变得越来强大，越来越具有破坏性……但也正是在这个时候，我们开始建造更高级的火箭，目的不是杀人，而是探索。目前，我们已经实现了很多探索：在月球上插上了国旗，在轨道上建了空间站，还以某种方式观测了太阳系中所有已知的行星。那么，火箭方程怎么会限制我们呢？

火箭方程等式本身包含三个主要变量：Delta V ，这是对抗重力的能量消耗(或它可能达到的速度)；排气速度，即火箭燃料的功率(或它可能产生的能量)；推进剂质量分数，它告诉你一艘质量固定的船上用于装载燃料的质量百分比。简单地说，火箭方程的重点在于1)飞行器需要以多大的速度才能摆脱重力， 2)燃料可能产生多大的速度， 3)需要携带多少燃料才能到达目的地。

考虑到所有因素，我们主要受制于火箭燃料所需量，这往往非常重。举个例子，假如我们想将一支一磅的火箭升离地面，还需要一磅的燃料来克服重力从而实现。在我们开始前，那么火箭就两磅重了，这又需要更多的燃料来发射…那么它就更重了，意味着我们将需要更多的燃料，等等。在所有依赖燃料的交通工具中，没有任何其他工具像火箭一样更严重受制于燃料。虽然汽车的燃料质量大约4% ，而战斗机的燃料质量则达到了40% ，但建造一艘火箭飞船必须将其总质量的 85% 用于提供使其起飞所需的燃料。

剩下的15%则要包含宇航员，各种复杂的生命供给系统，食物储存，氧气罐，舱内管道，计算机，通信设备…还有航天任务需要的任何东西的质量。一些火箭比其他火箭更能体会到空间限制，据报道，土星五号燃料之外只剩余4%的船体质量！但是，这确定全都因为我们所用的燃料吗？我们就不能找到一些更高效的燃料吗？这是NASA、ESA、Roscosmos 和其他所有航天机构思考过很多次的问题。
我们一直在试验不同的燃料类型，但仍然明显回避了火箭方程参数。在各种迭代中，看似“更轻”的燃料往往会更快地消耗能量，或者一开始就没那么有动力。 NASA最常使用的是液氢和液氧的混合物。在我们所能获取的燃料中，它燃烧最充分并能提供最大能量，但是它也是最复杂的选择—它仍然受到同样的限制。在很多方面，这仅仅是化学的问题；我们不能从迄今开发的燃料中获得更多的能量。但如果我们从其他外部因素入手呢？也许我们可以使用相同燃料但获得更高效果。最大难关之一在于我们所有的资源都来自地球，而逃离地球轨道需要巨大能量。火箭至少在大约25000英里/小时的速度才能刚好克服地球引力。

【火箭燃料|为什么火箭方程式阻碍了我们？】所有这些说明，在前往火星的旅程中，整个旅程所需燃料的一半左右将仅仅用于使航天飞机离开地球并进入轨道。因此，如果我们能在其他地方建立一个发射基地--比如说月球，重力仅为地球的1/6--那么，发射火箭所需的能量就会少很多。我们已经知道月球上有冰，那么如果有足够的资源，理论上我们可以把冰变成氢氧燃料来用于火箭发射。
不过，还有一个明显的问题：虽然这个假设能帮我们解决燃料问题，但困难在于将物资运送到月球，以完成项艰巨的任务--而且这个运送过程甚至会更加复杂。因此，一些科学家已经建议使用核能来代替发动机燃料了。而一些早期的实验性的核能方案的结果显示，核能确实能够提供我们现在使用的燃料的能量输出的两倍。如果核替代方案在未来广泛应用，也许我们可以比从前任何时候都探索得更远。
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但是，这一选择也将带来一切新的、必然存在的风险。就像切尔诺贝利和福岛这些灾难所证明的那样，核能的使用具有极其危险的潜在性。因此，在本就复杂艰险，一步都不能错的太空航行中再添上核能这一项风险极大的技术，这对许多人来说都是最主要的担忧。在火箭上，即使是最小最小的故障也能够造成最严重、乃至毁灭性的灾难。以挑战者号航天飞机为例——它起飞后不久的爆炸，原因仅仅是一个有问题的（用于密封的）小小O型环，以及比预期略冷了一点点的天气。现在想象一下，由于类似的、看起来非常小的失误，而导致核能火箭有爆炸的危险......其结果将会是灾难性的。
不过，也并不是只有坏消息。美国宇航局还对离子发动机进行了实验，到目前为止已经取得了有希望的结果。离子发动机的工作原理是利用群星中唯一常见的能量来源--恒星本身。离子火箭装有太阳能电池板，将光能导入其发动机，通过给电子通电使其砸向核心中的氙气，然后释放出一股离子射流。这些离子射流的加速速度比传统燃料慢得多，但在相同的能量输出下，其重量仅为液体燃料的十分之一左右。美国宇航局已经在过去多次使用过离子引擎了--值得一提的是，在2007年的破晓任务中，该任务使用离子引擎到达了小行星灶神星。

因此，未来是有希望的！虽然目前我们所实现的大部分太空航行都依赖于火箭方程，但是科学家开始将目光放在火箭方程之外。如果有一天我们可以解决火箭方程的问题，长期的星际航行将会更有可能实现。太空任务会因为没有花费大量的燃料而更加便宜；每一个火箭将会有更多的空间运送补给，从而减少理论上所需的航行次数。我们将会向成为星际文明迈进一步。而我们的航天飞机也会因为更多的空间而变得更快，更舒适，更安全。但是在我们找到另一种推进方式之前，火箭方程仍然是统治着太空旅行，限制了我们对太空旅行的想象。这就是火箭方程阻止我们前进的原因。
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星际旅行是目前理论上的概念，即星际探测器或载人航天器在星系的恒星或行星系统之间旅行。星际旅行将比行星际旅行复杂得多。太阳系中行星之间的距离通常不到30个天文单位（AU），而恒星之间的距离却是数十万AU ，经常以光年表示。由于这些距离太过遥远，根据已知的物理学，实际的星际旅行需要以较高比例光速的速度进行；即使如此，旅行时间也会很长，至少几十年，也许几千年或更长。
在人类的一生时间中进行星际旅行所需要的速度远远超过了目前太空旅行的方法所能提供的速度。即使有一个理想的完美功效的推进系统，以今天的能量标准，与这样的速度相对应的动能也是巨大的。此外，航天器与宇宙尘埃和气体的碰撞对乘客和航天器本身都有可能非常危险。
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无论是载人还是非载人的星际旅行，都需要解决相当大的技术和经济挑战。即使是对星际旅行最乐观的看法也认为它在几十年后才是可行的。然而，尽管存在这些挑战，如果一旦实现了星际旅行，预计会带来广泛的科学利益。
FY:9999妹，碎碎念。，昵称征集中，时光流韵， holy

火箭燃料|为什么火箭方程式阻碍了我们？

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