知识扩展

火箭上升到外太空的力来源于高速喷射的尾气所提供的反作用力。反作用力产生于高温尾气，作用于发动机内部，合力方向与尾气喷射方向相反。期间反作用力与是否存在空气无关，但大气压会影响喷气速度，进而影响比冲。

基础概念

维懂百科——火箭发动机

一、发动机推力与推重比 

当发动机出口压强等于大气压强时，火箭具有最大的总推力（因为这种条件下喷管具有最佳的膨胀比）；对于一个确定的发动机而言，当其外界压强为零时其推力最大。
故火箭发动机的真空推力总是大于海平面推力，不过由于压力项在发动机总推力中所占的比例不高，故真空推力不会比海平面推力大太多，二者的差距一般在5%~20%的区间内。
显而易见，如果一个火箭（的某一级）装有多台发动机，则它获得的总推力为其所有发动机推力的总和；而一个火箭若想升空，那么它的总推力大小必须大于它所受到的重力（事实上，1.3倍左右为佳）。
二、比冲
比冲被定义为推进剂所产生的冲量比推进剂所受的重量（地球表面），比冲是火箭有效排气速度的直接表征，在定常假设下（大部分情况）其数值为火箭的有效排气速度除以地表重力加速度。
下次别人在你面前提起“XXX发动机的真空比冲怎么只有263啊。”的时候，你就不会一脸懵逼了，你知道，他其实是在说XXX发动机的有效排气速度，而不是其它什么神秘的东西。而且你还知道，一般的液体火箭发动机的真空比冲大概为280~450，像263这么低的真空比冲很可能属于某个固体火箭发动机（263其实是APCP，即高氯酸铵复合推进剂的理论比冲）。所以你大可以回一句“固推的比冲向来拉跨”作为回应，来打破他淡淡的优越感。

一般而言，火箭的比冲主要取决于4个部分：

  1. 火箭发动机的燃料选择

  2. 火箭发动机的喷管设计

  3. 火箭发动机的循环方式

  4. 火箭发动机的制造以及装配工艺

其中第一点决定了一款火箭发动机比冲的理论上限，后三点则决定了火箭发动机的比冲能够接近理论上限到什么程度。

三、速度增量

想要理解火箭速度增量的概念，就必须先理解齐奥尔科夫斯基火箭方程。很多同学可能一看见带人名的公式就发怵，但是不用慌，齐奥尔科夫斯基火箭方程并不非常复杂，我们从牛顿第二定律开始很容易就能将其推导出来。由牛顿第二定律，我们知道，在任意一个瞬间物体的加速度大小等于该瞬间物体所受合外力大小与物体该瞬间的质量之比，即：

齐奥尔科夫斯基火箭方程的意义是非常深刻的，它告诉我们，火箭能够获得的速度增量与火箭发动机的排气速度成正比，与火箭初质量与末质量之比的对数成正比。
速度增量是航天发射任务中最核心的概念（几乎没有之一），只要看一个任务所需的速度增量，就可以定性地估计该任务的难度。所以，产生速度增量的能力也就是运载火箭的核心指标之一。
四、质量比/干质比

火箭的质量比定义为火箭的初始质量与最终质量的比值，火箭能够获得的速度增量与火箭发动机的排气速度成正比，与火箭初质量与末质量之比的对数成正比。火箭的干质比越大就意味着火箭能够产生越多的速度增量，能够执行更高难度的航天任务，所以我们一般希望干质比越大越好。

航天发射任务中所需火箭的质量比取决于很多因素，主要有以下几点：
  1. 任务所需的速度增量：运载火箭执行不同的发射任务时，进入目标轨道所需的速度增量是不同的，所需火箭的质量比自然也是不同的。
  2. 火箭发动机的比冲：从质量比的计算公式可以看出，减小质量比最好的方式就是减小e的指数，在速度增量不变的情况下，最高效的做法就是增大排气速度 。一般而言，火箭的比冲越高，则其质量比越低。
  3. 火箭的结构裕度：火箭的结构裕度越大则其结构质量也越大，等效于火箭载荷的增重，自然，发射更重的载荷需要燃烧更多燃料，从而也就需要更大的质量比。所以从这个角度看，火箭的结构裕度越小越好。当然，火箭的结构裕度也不能太小，毕竟要保证安全性的嘛。
  4. 火箭的燃料选择：这里特别指出，当使用液氢这种低密度燃料时，为了装载足够的液氢，燃料箱通常需要做地很大，这会显著增加火箭的结构质量，进而增加任务所需火箭的质量比。
  5. 火箭的任务设计：一般而言，火箭在大气层内加速越快，则重力损耗的速度增量就越小，但是由于火箭内结构的承受能力有限，所以火箭的加速度存在一个上限。尤其是执行载人任务时，由于人类对过载的承受能力较弱，火箭的加速度通常不能达到很大，这就会造成更多的重力损失，抬高任务所需的速度增量，进而增大任务所需火箭的质量比。

有趣的是，当我们讨论特定型号火箭的干质比时，我们希望它越大越好，因为这代表该型号火箭可以执行更加多样化，更加高难度的任务，泛用性更强。但是当我们讨论某个航天任务所需火箭的质量比时，我们希望它越小越好，因为这意味着该任务可以选用较小的火箭，消耗较少的燃料，以较低的成本完成。