火箭燃料，其實也沒有想像中的那麼昂貴

提示：我國的航天產業正在努力縮小與世界強國的差距，在當前技術條件下，火箭推進劑的選擇範圍很窄，我們還沒有資格談「性價比」，也沒有能力搞「環境保護」，首先要解決的是「有」和「無」的問題。（本文共2115個字，閱讀約需4分鐘）

正文

前文說到，火箭燃料佔比自身重量的90%【點擊回顧往期文章】，而且航天發射場各種精打細算的選址方案，最終目的就是最大程度地節省燃料。那麼這個燃料到底有多貴？換成汽油行不行？

還真行！

1926年，美國人羅伯特?高德（Robert Goddard）進行了世界上第一台液體推進劑火箭的發射測試。該火箭的發動機用的就是汽油和液氧，只是汽油量比較少，2.5秒就燒完了；而且汽油的「勁」也不夠大，僅僅把火箭推高了12.3米就熄火了。

燃料到底如何推動火箭升空的呢？具體過程相當複雜，其理論基礎是牛頓第三定律，其動力來源是氣體噴射所產生的反推力。

關於「反推力」，可以參考擊發子彈所產生的后座力。

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或者將火箭的升空過程同噴氣式飛機聯繫起來，噴氣式飛機是這樣的：

噴氣式飛機的發動機是這樣的：

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與噴氣式飛機相對應的是「活塞式飛機」：

活塞式飛機的發動機是這樣的：

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火箭發動機的工作原理

火箭發動機的與噴氣式飛機發動機的基本工作原理是類似的：兩種發動機均包含有一個狹小的燃燒室，用於燃燒化學物質（燃燒劑和氧化劑），產生高溫高壓氣體，爾後引導氣體從噴口噴出，獲得強大的反作用推力。

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火箭發動機的與噴氣式飛機發動機最大的不同之處在於：是否自帶氧化劑。

關於氧化劑和燃燒劑，這是兩類不同的化學物質，只有當二者相互接觸的時候才有可能發生燃燒（甚至是爆炸，高純度的氧化劑和燃燒劑都歸類為易燃易爆的危險品）。常見的燃燒劑有酒精、汽油、木柴等，常見的氧化劑一般指的就是氧氣（或者空氣）。

噴氣式飛機一般在大氣層里活動，發動機可以直接抽取空氣中的氧氣作為氧化劑。如果進入太空（距離地面100公里以上的空間），即使油箱滿載，飛機也無法飛行。因為真空環境下，沒有氧氣！

所以，在太空環境下工作的衛星、火箭、空間站等航天器，要想獲得動力，除了攜帶燃燒劑之外，還得自備氧化劑。另外，火箭在突破大氣層之前，雖然空氣里有充足氧氣，也不足以支撐火箭燃燒劑的燃燒，所以，從火箭點火的那一刻開始，使用的都是隨身攜帶的氧化劑。

在航天領域，燃燒劑和氧化劑，統稱為「推進劑」。關於火箭發動機的工作原理，可以看看下面這個視頻。

就目前來看，火箭的主要動力來源仍然是傳統能源——依靠燃燒等強烈化學反應獲得巨大推力。常見的火箭推進劑（或者說火箭燃料）如下圖所示：

仔細看上圖，在「推動力」下面有一個「比沖」。所謂比沖，是衡量推進劑效率的重要參數，近似理解為『為保持一公斤的推力，消耗一公斤燃料所需的時間』。所以：時間越長，代表火箭獲得的反推力越持久，推進劑的效率就越高。

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換另一種方式來理解比沖：如何判斷推進劑的優劣？

主要有三個參考因素：

能量釋放速度快：液態氫、液態氧、純凈的煤油等高爆危險品，一碰就著火，需要在十分鐘左右的時間裡消耗掉四五百噸的燃料。

反應平穩無刺激：火箭的推力要大，但要大的均勻和平穩，這一切都來源於推進劑的燃燒。

質量相對比較小：單位質量釋放的能量越高越好，比如一斤汽油就比一斤木柴好使。

注意：我國的航天產業正在努力縮小與世界強國的差距，在當前技術條件下，火箭推進劑的選擇範圍很窄，我們還沒有資格談「性價比」，也沒有能力搞「環境保護」，要首先解決「有」和「無」的問題。

通過查詢網路數據，部分化學品的價格是這樣的：

以發射神舟系列飛船的長征2F -遙火箭為例，起飛重量接近500噸，燃料佔比90%，其中氧化劑是液態四氧化二氮（劇毒）共308噸，燃燒劑是液態偏二甲肼（劇毒）共145噸，經過簡單計算之後，推進劑總價值約1728萬元！

一千七百多萬是個很大的數字，放到單次航天活動的消費數字面前，所佔比例就少得可憐：據中國載人航天工程新聞發言人武平稱表示「我們從1992年開始實施載人航天工程，到2005年完成神舟六號任務以後，一共經費花了200億元人民幣」。

關於選擇推進劑，還有一個比較現實的問題就是「推進劑的存儲、運輸和裝填」，不是說因為涉毒就沒人敢碰，而是說我們還沒能完全掌握相關的技術。

以煤油-液氧發動機為例：

2012年，中國研製成功一款代號為YF-100（用於長征五號）的發動機，真空推力136噸；前蘇聯研製的RD-171發動機，真空推力806噸。

推力的差距是明顯的，然而這並不是最關鍵的，最關鍵的是RD-171的誕生年代竟然是1985年！整整27年的實力差距，是多少錢都買不來的！

而且，俄美兩國似乎已經「超脫」了：他們已不再糾結傳統能源，而是在嘗試電動力和核動力，外國人的目標很明確，那就是登陸火星！

但是，欲速則不達：中國足球能在20年內趕上世界先進水平嗎？不能！但是中國航天可以！

最後，解答一個疑惑：既然在單次火箭發射活動中，推進劑的花費不值一提，那又為何一直強調「節約燃料」？

因為「此節約非彼節約」，相對金錢消耗，航天活動更在乎的是重量上的節約。打個比方，衛星推進劑的重量約佔其自重的60%（東方紅四號衛星發射重量5.1噸，含氧化劑四氧化二氮約1.9噸，燃燒劑甲基肼約1.1噸）。如果用重量更輕的推進劑可以實現相同的動力輸出，那麼就可以大大減少衛星的自重，增加其在軌壽命，運力相同的運載火箭也可以一次性發射更多的衛星。關於衛星在軌壽命的資訊請點擊另一篇文章《衛星在軌維修或在2019年成為現實》。

總結

I火箭發動機是利用高速噴氣所產生的反推力作為動力來源；

II火箭燃料又稱推進劑，含燃燒劑和氧化劑兩類；

III比沖是衡量推進劑的標準之一；

IV節約燃料，不是經濟上的節約，而是重量上的節約。

END

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