454：火箭是如何上天的？

火箭上天最基本的原理是什么？火箭为什么是斜着飞入太空的？控制火箭的飞行姿态，意义和难点分别是什么？固体火箭、液体火箭都有着怎样的优缺点？在火箭发展的过程中，都经历了哪些迭代？未来的火箭，又可能是怎样的？再次关注航天，这一次我们主要聚焦在火箭的发动机上！

文案：Jeffrey-邓杰铭

主播：旭岽、子凌

剪辑/后期：旭岽

挤压循环

膨胀循环

燃气发生器循环

富燃闭式循环发动机

全流量分级燃烧

补充说明：

■ 文案的脉络结构是：火箭是利用了牛顿三定律的作用力和反作用力→高压高速的拉瓦尔管原理和气压决定了推力室结构→火箭公式决定了燃料罐无法实现单级入轨所以需要分级→简单火箭发动机：单组元、固体火箭→液体发动机原理→高压燃料的需求诞生了分级燃烧的概念→开式循环发动机→燃气分级（富氧/富燃）发动机→全流量分级燃烧发动机→未来科技（核能发动机）

齐奥尔科夫斯基火箭公式

Δv是火箭速度的变化，文案中有详细描述，其中m0是火箭起飞质量，m1是本级完全燃烧后的剩余质量，ve是火箭喷气的速度，火箭喷气速度此处是m/s的单位，亦能叫做比冲，比冲还有一个常用单位，秒。用秒作为单位的时候，比冲乘以标准重力加速度g就是喷气速度了。所以一般用多少s表示比冲，这个也便于计算燃烧时间和终末速度。

■ 关于比冲，喷气速度在推力室介绍的部分会和外部气压有关，也和发动机推力室结构有关，因此比冲，也作为衡量发动机和燃料的性能的标准。当然，也分为真空比冲和海平面比冲。

■ 推力室的结构主要是钟形罩结构，相对的结构是气尖结构，气尖无法被推广主要还是因为散热原因。

■ 推力室的形状与气压相对关系的示意图（图1），也因此，除非推力室无限长，否则真空比冲总是低于海平面比冲。而在大气状态下，过大的罩子反而起到反作用，降低拉瓦尔管的效果

■ 气尖发动机的示意图（图2），实际上是把传统的钟形结构对接了起来，中央的部分正好就是一个尖端，所以这种发动机形式叫做气尖发动机。可以看得出当有气压的时候两侧气压可以挤压中央的气尖结构，而真空中虽然两侧会释放，但气流仍然能挤压发动机达到不错的效果，

■ 本文案中尚缺火箭燃料的类型介绍，以下是燃料类型介绍，燃料关键参数是比冲

※ LH2/LOX液氢/液氧：优点是没有积碳，真空比冲455s，且质轻，燃烧生成水十分环保，缺点即需要极低的温度且液氢温度20k下氧甚至会凝固50k凝固，并且在燃料罐中静置的时候会缓慢挥发，制备和保存都昂贵，虽然比冲高，但同时密度也低，使用液氢的燃料罐通常因为压力缘故长得都很胖，例如长征五号俗称胖五，还有航天飞机的大橙罐

※ RP-1/LOX煤油/液氧：优点便宜，密度高，缺点比冲低，真空比冲360s，品质不良的煤油容易对富燃分级燃烧发动机造成积碳。质子K火箭，猎鹰9、长征七号也都使用了煤油。

※ UDMH/LOX四氧化二氮/偏二甲胼：优点比冲合理343s，常温可保存燃料，燃烧时发出红色烟雾。缺点具有剧毒，现已逐渐退出舞台。

※ CH4/LOX甲烷液氧：本质上是提纯后的煤油版本，积碳问题可大幅度改善，这个和普通天然气一样，仍然需要一定的加压保存。优缺点和煤油类似。

■ 关于航天飞机，它的构想可以在本文中多次被提及使用，回收理念、芯一级发动机+抛弃燃料罐的做法、固体燃料的使用，但因为再入、气动等等因素导致运行成本居高不下。

■ 关于空间航行，还有太阳帆这样的构想，但显然有很多局限性。