出發(fā)！推著火箭上天去

沉舟舟

小cool 龍，你玩過水火箭嗎？就是在塑料瓶里灌點水，然后使勁往里面打氣。“噗”的一下，水火箭就會飛上天。

當然玩過！那你知道，為什么水火箭能上天嗎？

當然知道！不就是因為噴水嗎？

那么，為什么水火箭噴水能上天，你噴水卻原地不動呢？

這個……說得好像你可以一個屁把自己轟上天似的。

水火箭上天，氣勢要足

水火箭上天的原理，其實比較簡單。我們利用打氣筒不停地往水火箭中注入空氣，空氣越來越多，產生的壓力超過了瓶子的承受能力，空氣就要尋找出口跑出去。由于出口被塞子堵住，空氣沖破塞子噴涌而出，就會產生足夠的推力，推著水火箭上天。之所以要加入水，是因為水的密度比空氣大，當空氣將水推出瓶口時，能產生更大的推力，讓水火箭飛得更高、更遠。

那么，回到小cool 龍和安奇奇的討論，為什么水火箭噴水能上天，我們放屁卻原地不動呢？這要從兩對力說起。

一對是作用力和反作用力。這兩種力就像一對雙胞胎，總是一起出現(xiàn)，而且大小相等，方向相反。比如，當你站在滑板車上用力推一堵墻時，墻一動不動，但滑板車卻帶著你在后退，這就是因為你在對墻施加推力的時候，自己也受到了來自墻的反作用力。

對于水火箭來說，噴射出水和空氣的時候，它向后施加了作用力（噴射），同時自身也受到向前的反作用力。

但是，光有反作用力還不行，這反作用力的大小必須超過水火箭的重力，這樣一來水火箭所受的合力才會向上，讓它飛上天空。而小小一個屁產生的推力，相對于我們受到的重力來說，實在是可以忽略不計。

真火箭上天，火力要猛

我明白了。理論上來說，如果一個屁足夠猛，是可以把人轟上天的。

你思考的點，總是這么“清新脫俗”。

說正經(jīng)的，要把真火箭那樣的龐然大物送上天，光靠空氣和水，肯定不行吧？

原來，你知道自己不正經(jīng)啊，哈哈！

真正的火箭，的確是龐然大物。我們的“長征五號”火箭，起飛重量約869 噸;將人類送上月球的“土星五號”火箭，起飛重量達到了3 038.5 噸，相當于5 萬多個成年人加在一起的重量。要將這些龐然大物送上天，沒點兒本事，自然是行不通的。

發(fā)射真火箭，主要是利用燃燒來產生能量和氣體。用來燃燒的物質，就是火箭的燃料。我們都知道，木柴能燃燒，煤炭能燃燒，汽油能燃燒，但要成為火箭的燃料，可得經(jīng)過層層選拔，不是一般的燃料能夠勝任的。

第一，這種燃料，密度越大越好。密度越大，同樣大小的容器就能裝得越多。

第二，這種燃料，重量越輕越好。燃料本就是火箭的“負擔”，自然是越輕對火箭的飛行越有利。

第三，這種燃料的熱值要高。也就是說，同樣體積或重量的燃料，燃燒時產生的能量越多、推力越大越好。

第四，這種燃料最好還很容易儲存和使用，既不能動不動就燃起來，也不能加熱半天都看不到一點兒火星。

這里還有第五點要求。關于這一點，我們需要先來談一談燃燒。

燃燒由兩種物質參與，一種叫氧化劑，一種叫還原劑。氧化劑是個“調皮鬼”，喜歡從還原劑那里搶走電子。而還原劑又不“給力”，非常容易失去電子。這種搶奪電子的行為，在化學中就被稱為氧化還原反應。如果電子搶奪戰(zhàn)進行得非常激烈，就會產生大量的光和熱，這就是我們說的燃燒。

空氣中的氧氣就是最常見的氧化劑，日常生活中的燃燒，通常都是在它的幫助下進行的。例如，我們的汽車加入汽油后，就是借由氧氣燃燒，驅動車輛前進。但是，火箭的目標是太空，那里可沒有足夠的氧氣來支持燃燒。因此，火箭除了需要攜帶燃料（火箭燃料就是一種還原劑），還需要攜帶能讓燃料燃燒起來的氧化劑。二者合稱為火箭的推進劑。

這就是火箭選擇燃料的第五點要求，需要有與之匹配的、合適的氧化劑。

真火箭上天，推進劑要足

按照上面的五點要求，首先被科學家排除的是用氣體來作為火箭的推進劑。氣體密度小，同樣的體積，無論是燃燒的時長還是產生的能量，都不如液體和固體。因此，科學家經(jīng)過層層篩選，為火箭選擇了兩大類推進劑組合，一類稱為固體火箭推進劑;另一類稱為液體火箭推進劑。

固體火箭推進劑，簡單說，就是兩種或多種能產生劇烈氧化還原反應的固體材料組合，然后加入黏稠的化學物質攪拌，讓它們充分混合，最終呈現(xiàn)出類似瀝青或濃奶油的狀態(tài)，便于運輸、裝卸和使用。其中，最具有代表性的是鋁粉（燃料）和高氯酸銨（氧化劑）的組合。

鋁粉被點燃后，產生的高溫會讓高氯酸銨分解為氮氣、氧氣、氯氣和水蒸氣四種氣體。其中，氯氣、氧氣和鋁粉進一步反應，產生更多熱量，促進高氯酸銨持續(xù)分解。二者相輔相成，最終產生足夠的能量和推力，推動火箭飛向太空。

液體火箭推進劑，我們選擇了兩組代表。

一組是以肼（jǐn g）類物質為燃料，以硝酸或四氧化二氮為氧化劑。肼類物質是一類生活中不常見的化學物質，它們的優(yōu)點是在常溫下呈現(xiàn)液體狀態(tài)，方便儲存和使用，缺點是有劇毒。因此，使用這類物質作為燃料的火箭，被戲稱為“毒箭”。

另一組是液氫（燃料）和液氧（氧化劑）的組合。平時，氫和氧都以氣體的形態(tài)出現(xiàn)在我們周圍，液氫和液氧的密度更大，克服了氣體狀態(tài)下體積過大的問題。二者的組合，優(yōu)點非常突出，可以說是非常環(huán)保高效的火箭推進劑：它們反應之后，不但能產生足夠的能量，而且無論二者自身還是反應后產生的水，都無毒無害。

不過，液氫和液氧也有缺點。這兩者都必須要在極低的溫度下才能保持液體狀態(tài)，其中，液氧超過-183℃就會重新變成氣體，液氫更是不能高于-252℃，因此對火箭推進劑貯箱的保溫性能提出了更高的要求。

我國“長征五號”火箭主發(fā)動機使用的推進劑就是液氫和液氧。因為二者的溫度實在太低，因此“長征五號”火箭又被稱為“冰箭”。

發(fā)射時，如果看到火箭噴著火，箭身卻在掉冰塊，那它使用的推進劑多半就是液氫和液氧。

真火箭上天，負擔要少

解決了推進劑的問題，火箭上天的問題算是解決了一半。為什么這么說呢？因為火箭要擺脫地球引力飛入太空，速度至少要達到7.91 千米/ 秒。要做到這一點，僅僅有符合要求的推進劑可不夠，火箭自身還得滿足三個條件：

一是要足夠強，扛得住飛行過程中的各種顛簸和沖擊。

二是要足夠大，能夠裝載足量的推進劑，讓速度達到飛入太空的要求。

三是要足夠輕，身體越輕，才有可能飛得越快。

但是，科學家們通過試驗發(fā)現(xiàn)，在目前的技術條件下，火箭要裝載足夠的推進劑，就不得不增加貯箱的容積;容積一增加，必須用更多的材料來增加貯箱的強度，如此一來，貯箱的重量又會增加;貯箱的重量增加，又需要更多的推進劑才能推動;推進劑增加，則需要擴大貯箱的容積……

如此一來，就陷入了一個死循環(huán)，火箭總是無法同時滿足這三個條件，也就無法飛入太空。

那么，該如何解決這個問題呢？

科學家想到的辦法是，把火箭“拆”成若干部分，也就是建造多級火箭。

多級火箭，由若干可以自動脫離的“級”組合而成。在飛行過程中，第一級火箭先點火飛行，達到一定速度后，推進劑耗盡，本級自動脫離，回歸大地;然后，第二級火箭接棒飛行，直到推進劑耗盡后脫離;接著，第三級、第四級……直到火箭飛入太空。

如此一來，在持續(xù)加速的過程中，火箭就能隨著推進劑的消耗，拋棄自身多余的重量，越飛越輕，越飛越快，最終成功擺脫地球引力，飛入太空。

當然，火箭的級數(shù)也不是越多越好。太多的級數(shù)會讓火箭的結構變得太復雜，影響飛行安全。因此，現(xiàn)在的火箭，大多是2～4級，或是根據(jù)需要添加助推器。