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1970年4月24日，晚上9点35分。

一道火焰在酒泉卫星发射中心冲天而起，长征一号火箭就此突破地心引力，带着东方红一号卫星冲向太空。

长大以后回看历史，我内心特别好奇，火箭是依靠什么样能量能够携带着其他物体划破天空，向辽阔的宇宙前进的。简单来说，是依靠作用力与反作用力，依靠消耗燃料产生动能，这股动能推着火箭向前运动。查了一下，长征一号火箭的发动机由三级组成，第一、二级为液体燃料发动机，第三级为固体燃料发动机。那么，什么是固体燃料发动机，什么是液体燃料发动机呢？

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一个很朴素的分类，使用固体燃料的火箭称为固体火箭，使用液体燃料的火箭称为液体火箭。

固体火箭

固体火箭是这样工作的：

给发动机中添加固体火药，这种火药通常由固体燃料、固体氧化剂及其他添加剂混合而成。在火药柱中空位置胶乳一个临时小火药包，用电火花点燃后，借由这个燃烧的小火药包点燃整个火药柱。火药柱燃烧之后产生高温高压气体，经过火药柱和燃烧室空隙进入喷管膨胀，产生推力。

固体火药无法用控制流量的方法来控制燃烧速度，只能靠火药的燃烧面控制燃烧速度，进而控制火箭的推力。所以固体火药柱及推进剂本身的反应速度时控制燃烧速度的关键。

固体火箭的特点如下。

• 结构简单。典型固体火箭发动机分为四个主要部分：燃烧室、喷管、药柱及药柱支承装置。应用范围广泛，特别适用于多种尺寸较小的火箭上。
• 使用容易。推进剂可预先制作成火药柱装于燃烧室中，可长期存放。如需要时立即可以使用，使用起来也很简便。
• 操作可靠。因为推进剂是固体，无需搭配专门的推进剂供应和调节系统。而且不需要泵、阀门、管路等装置用以调控流量，使得固体火箭工作时的可靠性较高。

液体火箭

液体火箭与固体火箭最大的不同点在于液体火箭用的推进剂是液体状态。

液体推进剂有两种情况：

• 单元液体推进剂，指只有一种推进剂，比如硝基甲烷（$\rm CH_3NO_2$）。
• 双元液体推进剂，指将氧化剂和燃料分别贮放于氧化剂箱和燃料箱中。

在结构上液体火箭区别于固体火箭的特点：

• 增加了推进剂在火箭发动机中的贮存和输送系统；
• 工作过程中推进剂用量的调节控制系统；
• 燃烧室的冷却系统。

液体火箭的工作原理：

将燃料和氧化剂输送进燃烧室，在进入燃烧室前，通过喷嘴使之雾化，再将雾化的燃料和氧化剂在燃烧室内充分燃烧，形成高温高压气体，高温高压气体膨胀加速后形成高速气流，从而产生反作用力推动整个火箭前进。

在这之中，如何将燃料和氧化剂正常输送进入燃烧室，是液体火箭能否正常工作的关键。如今有两种液体火箭推进剂的输送形式：

• 挤压式
• 涡轮泵式

挤压式

挤压式液体火箭发动机带有一个高压气罐，内贮有高压惰性气体。高压气体经过减压阀，使压力降低到所需要压力后，分别进入燃料和氧化剂贮箱，挤压燃料和氧化剂，使之输送到燃烧室中进行燃烧。

挤压式所用的高压气体是有选择性的。首先一点，所选择的工作气体应当对于燃料和氧化剂均是惰性的，如对于硝酸和煤油为组合的推进剂均可以采用高压空气；其次，对于发射火箭而言，不仅要考虑气体与推进剂之间不发生作用，而且还应当同时考虑到气体的重量。因此一般采用性气体复最为理想，因为它正兼备了与一般推进剂不起任何作用的稳定性和重量轻（分子量为 4，密度不到空气的 1/7）的特点。

涡轮泵式

涡轮泵式液体火箭发动机用气涡轮直接带动归转速的离心泵将推进剂组分别从贮箱中抽出，压入燃烧室中雾化、混合和燃烧。涡轮的动力通常取自蒸汽或燃气。下面的图是V-2火箭发动机的原理示意图，V-2火箭发动机是最为典型的蒸汽涡轮式发动机。

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介绍了固体火箭发动机和液体火箭发动机的原理，下面再介绍世界主要国家/组织中使用固体火箭和液体火箭的占比。对我国、美国、俄罗斯、欧盟四个国家/组织的现役和退役的火箭类型进行统计，分别列出固/液、固体和液体火箭所占百分比，如下图所示。“固/液”的意思是火箭各子级不全是固体发动机或者液体发动机，而是部分子级是固体发动机，另外部分子级是液体发动机。

上述数据从网络公开资料搜集而得。去除了部分无法查到的发动机燃料类型的火箭，将上面级发动机同样统计在内。

可以看出来，各个国家/组织里，超过70%的火箭使用液体燃料作为火箭发动机，约为20%的火箭使用固体燃料作为火箭发动机，其余火箭为固/液燃料均有的火箭发动机。这里的统计包括了上面级使用的发动机。

为什么各个国家/组织都爱使用液体燃料发动机呢？

• 推力大，运载能力强。液体火箭发动机的燃料效率很高，可以提供强大的推力。在相同的起飞规模下，液体火箭的运载能力更强，可以用更少的燃料走更远的路。
• 可控性高。液体火箭可以控制燃料输送系统的开关机。就好比喝一瓶可乐，想喝多少就喝多少，只需要拧开盖子就可以喝可乐，不想喝可乐的时候把盖子拧上就好了。想要再喝的时候，拧开盖子就好了。那么，液体燃料发动机也是这样子。需要提供推力的时候，打开燃料输送系统；不需要提供推力的时候，关闭燃料输送系统就好了。而固体燃料发动机一旦点火，只能等待燃料完全燃烧完毕才能停止。

所以，需要大推力高运载能力的运输任务的时候，使用液体火箭；重量较小的运载任务时，使用固体火箭。近年来，500千克以内的小卫星的发射需求不断增加，因此各国开始研究固体火箭，寻求固体火箭的商业化。

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在第3节中提到了”子级“的概念，子级是什么呢？

首先需要引入著名的齐奥尔科夫斯基公式（在这里就不摆公式了），通过齐奥尔科夫斯基公式可以知道，最大的火箭终速度只与推进剂的重量和火箭结构重量之比有关。简单来说，推进剂重量保持不变的情况下，火箭本身的重量越小越好，这样就可以获得最大的火箭飞行终速度。这样来看，要提高火箭的最终速度，只有两个方法：

• 提高燃料的喷气速度；
• 增大起飞质量与最终质量之比（也就是多增加燃料，减少火箭本身质量）。

就单级火箭而言，利用目前的化学推进剂，使用最好的燃料，能够获得的最大火箭终速度为7千米/秒，低于第一宇宙速度（7.91千米/秒）。也就是说，用单级火箭没法儿摆脱地球引力的牵引，离开地球。

那么还有另一条路，增大起飞质量与最终质量之比，也就是采用多级运载火箭。拿长征一号作为讲解。

长征一号由三个子级组合而成，在起飞前形成一个飞行整体。每一级都是单独的工作单位，有自己独立的推进剂和燃料输送控制系统。火箭发射之初，即一子级点火启动，推动火箭上升。一子级燃料燃烧完毕后，自动脱离火箭组合系统，二子级点火启动，使火箭进一步加速。二子级燃料燃料完毕之后，脱离火箭，三子级点火启动，将卫星送入轨道工作。

这样，使用多级火箭的话，每一级火箭可根据其负担任务不同而独立进行工作。比方说一子级在完成最初的加速任务之后，脱离火箭，减轻火箭本体重量，可以更好地加速，让剩余子级发挥更大效用。另外，每一级火箭可根据所工作的高度不同，选择最适合的发动机和推进剂。前面的一、二子级因为需要大推力，可以使用液体火箭发动机，而后最终将卫星送入轨道的三子级可以使用结构简单的固体发动机。

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1970年，我国的第一枚运载火箭长征一号，箭长29.86米，低轨运载能力0.3吨。同一时期，美国的土星五号火箭，箭长110.5米，近地轨道运载能力118吨。

2023年，我国用于发射空间站的长征五号B火箭，箭长53.7米，低轨运载能力25吨。同一时期，美国的重型猎鹰火箭箭长70米，近地轨道运载能力63.8吨。

在上个世纪，我们的航天事业刚刚起步的时候，抬起头来看向世界航天强国，犹如蚍蜉撼大树，遥不可及。站在五十年后的今天，我们一步一个脚印，正在迎头赶上航天强国的背影，并努力超越它。今年上映的一部电影里面说，他们那个时候流血，是为了他们的儿子、孙子不再流血，这是他们这一代人的使命。而我们这一代，也有我们这一代人的使命。