科普·运载火箭
火箭，即通过向后喷射物质获得反作用力以前进的装置。由于这种装置在中国最早被用于发射箭矢，因此被称为火箭。下图是中国明代的“群豹奔横箭”，利用火箭装置驱动大量箭矢，能覆盖较大范围内的敌人。
二战期间德国的V2飞弹是火箭第一次大规模的实际应用，并使得美苏两国在劫掠了德国的技术和科学家后获得了领先于全世界十数年的火箭技术。随着火箭技术的进一步发展，火箭家族正逐步迈向星辰大海：从最开始只能在大气层外打个水漂就回来的弹道导弹，到现在已经越过太阳风顶层的旅行者号，都是搭乘火箭上天的。
而使用火箭探索宇宙，大家耳熟能详的万户自然是世界第一人。但实际上，最早的具有可行性的理论研究则是由苏联人康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基于年提出的。
由于太空中几乎没有空气，因此飞机的飞行机制是无效的。这里稍微跑下题讲一讲飞机的飞行机制。直升机的飞行机制很简单，一个向下吹风的螺旋桨制造升力与重力对抗，便可悬浮于空中。
对于固定翼飞机来讲，无论是喷气式还是螺旋桨式，都是通过空气和燃油的燃烧产生能量并向前推动飞机；并由风和机翼的互相作用产生升力：由于机翼上缘横截长度通常长于下缘，因此导致流经机翼上缘的气流流速快于下缘；而依据伯努利定律，流体速度越快压强越小，故机翼上下表面产生了一个气压差，而这个气压差提供了克服重力飞行所需的升力。由于太空中基本没有空气，不仅引擎无法工作，而且气压差也不可能存在，故飞机无法在大气层外飞行。
对于火箭来讲，由于火箭内部不仅携带了燃料，还携带了氧化剂，因此不需要空气引擎也能够工作；燃料与氧化剂在燃烧室燃烧，使其升温。由于气体温度越高压强和体积越大，因此气体膨胀并向后喷出。由于牛顿第三定律的反作用原理，火箭箭体就获得了一个向前的力。
而关于克服重力的问题，在发射伊始，火箭选择与重力“正面刚”。发射火箭时火箭向下垂直喷射着灼热的气流，徐徐升起。（6秒才加速到44km/h，比轿车还慢...说是徐徐升起没冤枉他）类似直升机的原理，此时由于火箭的推力大于重力，因此总体来讲火箭所受的力是向上的；火箭因此获得了向上的加速度。
随后，火箭通常会逐渐倾斜，并因此获得了水平方向的加速度。最终，由于其水平方向速度逐渐增大，其离心力逐渐增强（虽然在高中教材讲到的惯性参考系中不存在离心力，但此处使用以地球为中心的旋转参考系，以方便理解）。对于绕地球运转的卫星来说，最终离心力与引力会达到平衡，卫星便可在基本不消耗燃料的情况下绕地球一圈又一圈运转。
而随着燃料燃尽，为了避免成为无用的负重，火箭会与载荷分离。由于其速度所产生的离心力不足以抵消重力，会逐渐下坠，最终如流星般在大气层中解体、燃烧、发光。
还有一项不得不提的技术是多级火箭。人们之所以采用多级火箭是因为，当火箭燃料使用了一部分后，空出来的燃料储箱就成为了累赘。通过将这一部分储箱抛掉，便可减少火箭的质量，使火箭更容易达到更高的速度。
不过，SpaceX前阵子研发出了回收一级火箭箭体的技术，极大的降低了火箭发射的成本。由于涉及的技术较为具体，这里不做过多的讲解。
说到火箭的速度不得不提的就是第一宇宙速度与第二宇宙速度。这两个名词相信关注航天的朋友们应该很耳熟了。第一宇宙速度是指使离心力的大小等于地球引力而需要的速度，在海平面约为7.9km/s。这个速度的意义在于，如果火箭关于地球的切向速度达到了这个数值，火箭上运载的卫星就一定可以绕着地球运转。
而第二宇宙速度对于高中物理课本来说则略有些超纲了。它的定义是从地面发射的物体逃脱地球引力束缚直到无限远的远方所需要的速度。简单来说，机械功的值等于力关于位置的函数从初位置到末位置的定积分。对于地球的引力场来说，由于引力的大小随着距离的平方成反比，因此以海平面为初位置、无限远的远方为末位置的定积分是收敛的。而这些转换为重力势能的功，如果都是由速度转换而来，则需要11.2km/s的速度，即第二宇宙速度。
第三宇宙速度与第二宇宙速度类似，是逃逸太阳系的速度，约为16.7km/s。
相较而言，著名的AK-47突击步枪的子弹初速仅为710m/s，不到第一宇宙速度的十分之一。不过，聪明的工程师们发明了以下两种方式来“借”一些速度：
毛主席曾有一句诗，坐地日行八万里。即指地球每天自转一圈，而赤道的长度约为4万千米。如果我们顺着地球自转的方向发射火箭，则可以拥有等于地球自转速度的初速度。虽然地球自转的角速度是15°/每小时是不变的，但由于低纬度的地球比较胖，因此线速度有所增加。这也是为什么我国要在位于中国最南端的海南建立卫星发射基地的原因：相较于纬度在40°左右的酒泉，纬度在20°左右的文昌能够提供435m/s的初速度，而酒泉只能提供355m/s的初速度。美国在卡纳维拉尔角发射场建立卫星发射基地也是基于相同的原因。
而对于遨游在太阳系各个行星间的长途旅客来说，“引力弹弓”效应也是常用的加速/减速方法。
弹力弹弓:对于静止的观察者来说，其中飞行器以速度V向右飞去，而行星以速度U向左绕太阳公转。而从行星的角度看，飞船与其靠近的速度是两者之和，U+V。而当飞船绕了行星转了半圈后，根据能量守恒定律，飞船将以原速度脱离——相对于行星。因此，相对于行星，飞船会以U+V的速度向左飞行。而对于静止的观察者来说，行星本身就在向左飞行，两者速度叠加，飞船的速度就变为了U+2V。
基于相似的原理，如果飞船从右向左接近行星并飞离，则会使飞船的速度降低——这在探索地球内侧的目标时非常好用，因为飞船在向目标飞去时由于释放了关于太阳的引力势能，使得其速度偏快，难以被目标的引力场捕获成为该目标的卫星从而绕其不断旋转并展开研究。
此外，在离行星最近的时候（术语叫近拱点，也许是因为飞船的轨迹像一个拱形）点燃火箭发动机也是不错的选择。我们知道，火箭提供的总冲量是恒定的，但当火箭速度更快时，由于动能关于速度的二次方成正比，而动量关于速度的一次方成正比，同样的速度增量可以带来更多的动能增量。由于位于近拱点时飞船将大量关于行星的引力势能转换成了动能，因此飞船速度达到最大，故在此时启动火箭发动机的效果也是最好的。
人们探索宇宙的脚步是永不停歇的。除上文介绍的化学能火箭外，离子火箭发动机、无工质火箭等新一代黑科技正逐渐从科幻走向现实。
我们的征途，是星辰大海！
The end
谁发明了火箭？ 太空火箭的前世今生
"从地到天，从天到地，万事万物多么神奇，......"中央电视台一款很早的少儿节目，《天地之间》，激发了儿时，我们对太空探索的好奇与幻想。
在地球上，你能做的最兴奋的事情是什么？
那就是：逃离地球！怎么逃离？跳进火箭，冲向太空。
火箭似乎总是把我们推向未来，但是其基本技术植根于过去的技术，甚至追溯到大约800年前，13世纪由中国发明的烟火类型的”导弹“系统。
从第一个现代液体燃料火箭于年飞向天空，火箭已向太空运送了大约500人，几千颗卫星，还有不少无人探测器，到了地球之外的宇宙深处。
虽然探索太空是火箭的主要使命，但是，仅仅”走出地球“这一个动作，就给了我们人类完全不同的视角，让我们更好地理解我们所居住的星球。例如，天气预报、气候研究、卫星导航，这三项成就，就得力于太空火箭。
本篇文章，让我们从历史的角度，了解一下，太空火箭的前世今生。
谁发明了火箭？火箭简史现代火箭之父，罗伯特·哈钦斯·戈达德（照片来源：美国国家航空航天局）这张摄于年11月的照片，展示了现代火箭之父，罗伯特·哈钦斯·戈达德，以及他所发明的”双作用火箭发动机“。
戈达德在十几岁的时候第一次想到太空旅行。他在自家花园里爬上一棵樱桃树之后：“我想象着，制造一些甚至有可能登上火星的装置是多么美妙……”
他的许多发明包括，用液体燃料驱动火箭，以及用液体燃料建造多级火箭，这两个重要的想法，迄今为止依然使用在几乎每一个成功的航天火箭上。
戈达德被誉为“现代火箭之父”。他于年提出了向月球发射火箭的想法，并于年发射了第一个具有可行性的液体燃料火箭。《纽约时报》曾在年斥责其关于月球火箭的想法是是“荒谬的”，“缺乏中学物理的基本常识”。阿波罗11号登月行动的第二天，《纽约时报》为嘲笑戈达德的最初想法而道歉：“现在已经确定火箭既能在真空中工作，也能在大气中工作。《纽约时报》为其错误表示遗憾。”
早期里程碑~700–900年：中国发明火药。年：中国军队像火箭一样使用烟火，名为“飞火之箭”，保卫开封城，抵抗蒙古人的进攻。年：法国作家儒勒·凡尔纳激发了人们对太空的渴望，出版了著名的科幻书籍《从地球到月球》。年：爱德华·埃弗雷特·黑尔发表了一篇故事，名为”砖头月亮“，描述了人造导航卫星的想法。年：俄罗斯教师齐奥尔科夫斯基（-）出版了《进入宇宙空间的火箭》。他的显著成就包括提出液体燃料火箭的构想，火箭级联和火箭方程（太空旅行的基本数学）。年：美国物理学教授罗伯特·哈钦斯·戈达德（-年），他经常被称为“现代火箭之父”，在一份70页的报告，”到达极端高度的方法”，阐述了他的想法。报告中有一个建议，那就是向月亮发射火箭。年：年1月12日，《纽约时报》在一篇社论里，声称戈达德关于月球火箭的想法是“荒谬的”，认为他们“缺乏中学里教的基本常识”。年：德国物理学家，赫尔曼·奥伯特（-）出版一本有影响力的书，名为《进入星际空间的火箭》，解释火箭如何在太空真空中运行。年：苏联科学家建立了星际旅行研究协会。类似的机构，美国星际协会，于六年后成立。年：在年3月16日，罗伯特·哈钦斯·戈达德，发射了第一个具有可行性的液体燃料火箭。年至年：二战期间，德国科学家沃纳·冯·布劳恩（年至年）发展V-2远程火箭导弹，对敌人的城市，包括英国伦敦，发射毁灭性的攻击。战争结束后，冯布劳恩和其他100多名德国火箭科学家迁移到美国，他们开始为美国军方工作，最终为美国国家航空航天局工作。年拍摄的早期阿特拉斯火箭（照片来源：美国国家航空航天局）载人航天年：年10月4日，苏联发射卫星一号，第一颗地球轨道卫星。在一个月后，11月3日，卫星二号发射升空，并携带一名犬类宇航员，名叫“莱卡”。年：一部分是传统飞机，另一部分是火箭，美国宇航局和美国空军的实验X-15型火箭飞机，于年9月进行处女航。在接下来的几年里，它帮助军事飞行员为高速、高空火箭进行飞行训练，并创造了载人飞机的最高速度的记录，几乎是音速的7倍。年：年4月12日，苏联宇航员尤里·加加林，成为第一个进入太空并环绕地球轨道飞行的人。次月，5月5日，艾伦·谢泼德（-）成为美国第一位乘坐“水星”飞船在太空飞行的美国宇航员。年：瓦莲京娜·捷列什科娃（年-）成为苏联“东方六号”任务中第一位进入太空的女性。年：年7月20日，尼尔·阿姆斯特朗和埃德温“巴斯”奥尔德林，成为阿波罗11号登月行动中，第一批登上月球的人。他们的同事，迈克尔·柯林斯，当时留在月球轨道，提供协助。之后，美国又进行了五次阿波罗登月任务。最后一次是阿波罗17号，于年12月19日结束。登月的第二天，《纽约时报》为嘲笑戈达德关于月球火箭的最初想法而道歉：“现在已经确定火箭既能在真空中工作，也能在大气中工作。《纽约时报》为其错误表示遗憾。”年至年：苏联发射了一系列七人载人空间站，“萨柳特"空间站。宇航员在空间站中创造了一系列在太空中持续时间最长的记录。年：美国发射了与苏联相竞争的空间站，“天空实验室”空间站。它一直在轨道上，直到年，最终坠毁回地球。年：美国航天飞机，一架可重复使用的太空飞机，进行处女航。年：年1月28日，航天飞机机队之一，挑战者号航天飞机，于STS-51-L任务启动后一分钟爆炸，机上7人全部遇难。航天飞机项目因此突然告终。年：苏联发射和平号空间站，一个持续载人的空间站。它在轨道上运行到年，是计划寿命的三倍多。年：从年11月20日起，开始建造国际空间站。随着此后的115次太空飞行，其目前的结构比和平号空间站大4倍，比天空实验室空间站大5倍，与一个（美式）足球场同样长。年发射的SpaceX猎鹰9号火箭。（照片来源：美国国家航空航天局）二十一世纪年：特立独行的发明家埃隆·马斯克创立了太空探索技术公司SpaceX，它在年发射了第一枚私人资助的液体燃料火箭进入轨道。年：太空船一号赢得了安萨里X奖（开发第一架可重复使用的非政府太空飞机的竞赛），其于年6月21日首次进入太空。年：美国国家航空航天局和美国空军成功测试了一架9米（30英尺）长的，可重复使用的，无人驾驶太空飞机X-37B型，由波音公司制造。年：航天飞机机队在完成135次任务后正式退役。四架幸存的航天飞机现存放于美国各地的博物馆。年：欧洲航天局试飞成功它自己的可重复使用的太空飞机中级实验车（IXV）.年：美国国家航空航天局启动一项新的火星任务InSight，将探测这颗红色星球内部结构（地壳、地幔和核心）的秘密。年：中国的嫦娥四号无人探测器成为第一艘登陆月球远端的航天器。年晚些时候，印度月船2号功亏一篑，没能把一个正在工作的登月器和月球车送上月球。年：自数十年前的阿波罗计划之后，中国的嫦娥五号探测器，再次将一批月球样本带回地球。~ ~ ~
原文：Woodford, Chris. (/) Space rockets. Retrieved from [Accessed /06/05]
编译：徐健（谷奔），”创新“项目 - 创新故事、发明简史、科普知识
运载火箭的各组成部分
1、箭头运载火箭是由多级火箭组成的航天运输工具，其组成部分有箭体、动力装置系统和控制系统。除这三大主系统外。箭上还装有遥测系统、外测系统和安全控制系统等。
箭头是运载火箭的基体，它用来维持火箭的外形，承受火箭在地面运输、发射操作和在飞行中作用在火箭上的各种载荷；安装连接火箭各系统的所有仪器和设备，把箭上的所有系统、组件连接组合成一个整体。
2、动力装置系统是推动运载火箭飞行并获得一定速度的装置。对液体火箭来说，动力装置系统由推进剂输送、增压系统和液体火箭发动机两大部分组成。固体火箭的动力装置系统较简单，主要部分就是火箭发动机推进剂，直接装在发动机的燃烧室壳体内。
3、控制系统控制系统是用来控制运载火箭沿预定轨道正常可靠飞行的部分。控制系统由制导和导航系统、姿态控制系统、电源供配电和时序控制系统三大部分组成。制导和导航系统的功用是控制运载火箭按预定的轨道运动，把有效载荷送到预定的空间位置，并使之准确进入轨道。姿态控制系统的功用是纠正运载火箭飞行中的俯仰、偏航、滚动误差，使之保持正确的飞行姿态。电源供配电和时序控制系统则按预定飞行时序实施供配电控制。
4、遥测系统是把运载火箭在飞行中各系统的工作参数及环境参数测量下来，通过运载火箭上的无线电发射机将这些参数送回地面，由地面接收机接收。也可将测量所得的参数记录在运载火箭上的磁记录器上，在地面回收磁记录器。这些测量参数既可用来预报航天器入轨时的轨道参数，又可用来鉴定和改进运载火箭的性能。一旦运载火箭在飞行中出现故障，这些参数就是故障分析的依据。
5、安全系统安全系统的功用是当运载火箭在飞行中一旦出现故障不能继续飞行时，将其在空中炸毁，避免运载火箭坠落时给地面造成灾难性的危害。安全系统包括运载火箭上的自毁系统和地面的无线电安全系统两部分。其自毁系统由测量装置、计算机和爆炸装置组成。当运载火箭的飞行姿态、飞行速度超出允许的范围时，计算机会立即发出引爆爆炸装置的指令，使运载火箭在空中自毁。无线电安全系统则是由地面雷达对运载火箭的飞行轨道进行测量，当运载火箭的飞行超出预先规定的安全范围时，由地面发出引爆箭上爆炸装置的指令，箭上的接收机接收后将火箭在空中炸毁。
6、运载火箭瞄准系统运载火箭瞄准系统，就是给运载火箭在发射前进行初始方位的定向的装置。瞄准系统由地面瞄准设备和运载火箭上的瞄准设备共同组成。运载火箭讲究精准运行，瞄准系统可以保证没有任何燃料浪费，使得运载火箭在最低燃料消耗下，准确进入预定运行轨道，从而保证发射任务的圆满成功。
7、外弹道测量系统外弹道测量系统的功用是利用地面的光学和无线电设备与装在运载火箭上的对应装置一起，对飞行中的运载火箭进行跟踪，并测量其飞行参数，用来预报航天器入轨时的轨道参数。也可用来作为鉴定制导系统的精度和故障的分析依据。
8、”长征1号“运载火箭“长征1号”是为发射我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”而研制的三级运载火箭。“长征1号”是在两级中远程导弹上再加一个第三级固体火箭所组成。火箭全长29.86米，起飞总重81.57吨。年4月24日，“长征1号”火箭首次发射，将我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”顺利送入轨道，发射获得圆满成功。年3月3日，“长征1号”火箭第二次发射，把“实践1号”科学试验卫星准确送入轨道，又一次取得圆满成功。
中国长征系列运载火箭详细全解析
长征一号、长征二号、长征三号、长征四号、长征六号、长征十一号、长征七号、长征五号等，形成了具有中国特色的长征系列运载火箭家族。长征七号发射前，长征系列运载火箭已完成229次发射任务。 长征一号 长征一号运载火箭是一种三级火箭，主要用于发射近地轨道小型有效载荷。 年4月24日，长征一号成功地将东方红一号卫星送入预定轨道。 长征二号 长征二号运载火箭是一种两级火箭，是中国航天运载器的基础型号。年11月26日，长征二号完成了中国第一颗返回式卫星发射任务。 长征二号先后有长征二号Ｃ、长征二号Ｄ、长征二号Ｅ、长征二号Ｆ等改进型。其中长征二号Ｆ是我国的载人航天火箭，截至目前，已将我国10艘神舟系列飞船和10名航天员安全送到太空。 长征三号 长征三号运载火箭是在长征二号基础上于年研制成功的，增加了第三级低温高能液氢液氧发动机。为了适应通信卫星容量和重量不断增大和变化的要求，此后我国相继研制出长征三号甲、长征三号乙、长征三号丙三种运载火箭。“长三甲”系列不仅拓展了我国火箭使用范围，也成功打入国际市场。 长征四号 长征四号系列运载火箭包括风暴一号、长征四号、长征四号Ａ、长征四号Ｂ等火箭，主要担负地球同步轨道卫星的备份火箭、发射太阳同步轨道的对地观察应用卫星等任务。 长征六号 长征六号运载火箭是三级液体运载火箭，动力系统采用液氧煤油发动机，具有无毒无污染、发射准备时间短等特点，主要用于满足微小卫星发射需求。 年9月20日，长征六号成功将20颗微小卫星送入太空，创造了我国航天一箭多星发射的新纪录。 长征十一号 长征十一号运载火箭是我国新型四级固体运载火箭，也是我国新一代运载火箭中唯一一型固体型号，主要用于满足自然灾害、突发事件等应急情况下微小卫星发射需求，能实现24小时以内的快速发射。 年9月25日，长征十一号在酒泉卫星发射中心首次点火发射，成功将4颗微小卫星送入太空。 长征七号 长征七号运载火箭是我国载人航天工程为发射货运飞船而全新研制的新一代中型运载火箭，也可用于发射人造卫星等其他航天器。 长征七号运载火箭计划年6月25日至29日择机发射，执行首次飞行试验任务。火箭采用了液氧煤油发动机等新技术，箭体总长53.1米，芯级直径3.35米，捆绑4个直径2.25米的助推器，起飞质量约597吨，近地轨道运载能力13.5吨。 长征五号 作为我国目前起飞规模和运载能力最大的运载火箭。 长征五号火箭首次采用5米大直径的箭体结构，总加注量达到780吨，起飞时共有10台发动机产生吨的推力，具备近地轨道25吨、地球同步转移轨道14吨的运载能力。 长征五号直接服务于我国探月三期工程、载人空间站工程和火星探测工程等具有里程碑意义的国家重大科技工程，并用于不同轨道大型载荷及深空探测任务载荷的发射。
