航天小百科：火箭到底能飞多快？
[摘要]我们知道第一宇宙速度是指地球上发射的物体绕地球飞行作圆周运动所需的最小初速度，大约7.9千米/秒。那么这个速度究竟有多快，有哪些因素影响火箭的速度呢？
精选优质自媒体文章，文中所述为作者独立观点，不代表腾讯太空立场。文/宗文 大雨（微信公众号：微）生活中，人们常用“火箭速度”来形容速度快，但是你知道火箭的飞行速度究竟有多快吗？又是什么因素影响火箭的飞行速度呢？据了解，发射不同的目标轨道，火箭的飞行速度是不一样的。一般来说，发射高度500公里的太阳同步轨道，火箭入轨时速度为7.6千米/秒；发射地球同步转移轨道，火箭入轨时速度可以达到10.1千米/秒；而发射地月转移轨道，火箭入轨时速度甚至可达10.8千米/秒。只看数字可能不能直观感受这样的速度究竟有多快，那么我们来举两个例子：如果用出膛子弹的速度作比较，我国小口径自动步枪打出子弹的那一瞬间，速度为1千米/秒左右。也就是说，火箭最慢的飞行速度，至少是出膛子弹速度的7倍多。如果用世界百米冠军博尔特的速度来比较，他百米最快的速度是9秒58，相当于每秒跑10米左右。这样算起来，火箭1秒钟飞行的距离，博尔特以最快的速度也要跑上17分钟。火箭飞行速度取决于火箭发动机的推力和火箭的质量比。发动机的推力越大，火箭飞行的速度越快；火箭的质量比越大，火箭飞行能达到的速度越高。火箭的质量比是火箭起飞时的质量(包括推进剂在内的质量)与发动机相关机(熄火)时刻的火箭质量(火箭的结构质量,即净重)之比。因此，质量比大，就意味着火箭的结构质量小，所携带的推进剂多。火箭发动机推力取决于推进剂的性能和发动机的设计和水平。推进剂的能量越高，可获得的喷气速度越高；设计水平越高，所获得的能量效率越高。资料图：世界航天之父齐奥尔科夫斯基在齐奥尔科夫斯基提出火箭公式的1903年，自然无从谈及火箭发动机的设计水平，就是公认的理想燃料液氢在当时也制造不出来。计算表明，用液氧、煤油等作推进剂,喷气速度也只能达到4.2千米/秒，其单级火箭还是无法达到约8千米/秒的第一宇宙速度。因为考虑到空气阻力，从地面起飞的火箭，实际上应达到9.5千米/秒以上的速度。这样一来，火箭的质量比应达到11以上才行。也就是说，推进剂应占火箭总质量的91%以上。这比蛋清蛋黄占整枚鸡蛋的份量比还大，像软皮蛋一样单薄的火箭是造不出来的，即使造出来了也无法使用。但是，的思想不应钻牛角尖，退一步或拐个弯就是海阔天空。齐奥尔科夫斯基正是这样，他设想用多级火箭的办法来达到宇宙速度，就是在火箭垂直发射时，让最下面一级先工作，完成任务后脱离，接着启动上面一级，进一步提高速度。这样轻装前进,逐级提高,总能达到所需要的宇宙速度。采用多级火箭发射航天器，现在看来似乎是很平常的事，但在大约一百年前，却是了不起的思想突破，是构筑航行大道石破天惊、振聋发聩的巨大里程碑。当然，火箭的级数不可能无限制地增加，因为对下面一级火箭来说，前面的各级火箭都是它的有效载荷。理论计算和实践经验表明，每增加1份有效载荷，火箭需要增加10份以上的质量来承受，随着火箭级数的增加，最下面的一级和随后的几级变得越来越庞大，以致于无法起飞。因此，多级火箭一般不超过4级。（宗文 大雨）
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解读美国新一代猎鹰9号火箭研制成功经验
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美国SpaceX公司的新一代猎鹰9号运载火箭近期在范登堡空军基地进行首次验证飞行试验，携加拿大试验通讯卫星(CASSIOPE)和数颗小卫星冲上九霄，验证飞行试验最终取得成功。SpaceX公司创建者和CEO官埃隆&马斯克在验证飞行试验前透露，除了将几个载荷送入太空，这次发射还有个更重要的目的，那就是进行新一代猎鹰9号火箭的首次研制飞行，主要针对新一代猎鹰9号火箭可重复使用技术进行验证。飞行：验证可重复使用技术这次研制飞行的验证项目非常全面，涵盖火箭总体设计方案的各个部分，SpaceX公司对于快速推进新一代猎鹰9号火箭可重复使用的意图显而易见。具体而言，验证项目包括改进的发动机、改进的一级结构、改进的电气系统、全新的整流罩、首次在范登堡空军基地发射。研制飞行对新一代猎鹰9号火箭一级的可重复使用进行了验证，SpaceX公司在火箭飞行过程中重新启动了火箭一级发动机，尝试使第一级在太平洋海面进行软降落。发射之前，SpaceX公司实事求是地称，与其他大胆的第一次尝试一样，这次试验可能会失败。但火箭飞行结果证明，他们过于谦虚了。火箭第一级在升空3分钟后与二级分离，之后，一级发动机进行了两次重新启动，前一次点火工作正常，只是在后一次发动机启动后，火箭发生了自旋现象，导致过早关机，火箭一级坠毁于范登堡空军基地几百英里以南的太平洋中。虽然没有完全成功，但显然远不能用&失败&形容。 火箭二级也进行了两次启动验证，但结果就不如一级那么幸运了。卫星有效载荷释放后，火箭的第二级梅林1D发动机应该重新启动，以测试其在太空中的重新启动能力。但发动机在重新启动期间检测到一个问题，然后中止了点火。埃隆&马斯克表示，SpaceX公司工程师相信，他们明白该问题，并且可以在火箭下一次发射通信卫星SES 8时完成改进，SES 8任务需要二级两次点火，将卫星送入GTO(地球同步转移轨道)。埃隆&马斯克是在当天下午召开的发布会上作出以上承诺的，他对本次验证任务结果进行了总结，认为新一代猎鹰9号火箭完成了其发射的主要目标，不仅将有效载荷准确送入极地轨道，还成功地验证了该运载火箭升级后的发动机、飞行计算机和级间分离系统运行状况，但两个次要任务在飞行中没有完成。虽然没有取得圆满成功，但埃隆&马斯克仍然欣喜地表示，本次验证试验成果巨大。改进：&最好液体火箭发动机&猎鹰9号运载火箭于2010年首飞，除了为其他国家的政府机构和商业卫星运营商发射小型卫星外，SpaceX公司还与美国宇航局签署了16亿美元合同，负责为国际空间站提供太空货运服务，迄今为止已经用其龙飞船完成了两次送货任务。作为一家商业公司研制的火箭，猎鹰9号火箭早已成为闪耀在太空的明星，如今，升级版的新一代猎鹰9号火箭又闪亮登场，它与猎鹰9号火箭差别甚大，甚至可以说是一个全新的设计。最重要的改进是发动机。猎鹰9号火箭前5次飞行均使用了梅林1C发动机，该发动机推力为480千牛，推重比达92。新一代猎鹰9号火箭使用了梅林1D发动机，推力达到654千牛，推重比达到150。SpaceX公司通信主管克里斯蒂娜&拉称之为&历史上最好的液体火箭发动机&。梅林1D发动机不仅可用于新一代猎鹰9号火箭，还可应用于猎鹰重型火箭，并且为了能在未来执行载人任务，还采用了结构和热防护安全设计。梅林1D发动机研制过程并非一帆风顺，曾发生了多次事故。今年5月31日的一子级热试车，因一台发动机的燃气发生器超出设计范围而被迫中止。6月1日的试车则因燃气发生器入口温度异常中止，试验仅持续10秒。之后，SpaceX公司的工程师更换并修复了包括3个燃烧室内壁在内的受损部件。随后的第三次热试车原定持续180秒，但在112秒时又因一子级受热氦气影响、液氧箱顶超温报警器启动而被迫中止。此后，在6月13日的第四次一子级热试车中，一台发动机在试验70秒时起火，试验再度中止。整流罩也进行了改进。新一代猎鹰9号火箭整流罩高13.1米，直径5.2米，选用轻型碳纤维材料，并采用蜂窝夹心结构。在飞行试验前，SpaceX公司在真空舱成功完成5.2米整流罩分离试验，验证了该整流罩的飞行环境适应能力。此外，为了完成一级回收，新一代猎鹰9号火箭需要加注更多的液氧/煤油推进剂，因此增加了贮箱的长度；由于一级发动机布局改变，因此姿控系统控制算法也随之进行了研究改进&&借鉴：低成本商业发射模式在美国商业航天运输政策的支持下，猎鹰9号火箭坚持低成本研制原则并取得了极大成功。2014年～2016年3年间，猎鹰9号火箭目前预计共计有29项发射合同，可以预见，新一代猎鹰9号火箭的成功研制将对国际商业发射市场带来极大的冲击。作为国际航天大国和商业发射市场的有生力量，中国运载火箭可借鉴SpaceX公司的发展经验，未来在低成本发展方向上走得更远，为用户提供更加良好的发射服务。梅林1D为具备大范围推力调节能力的开式循环煤油火箭发动机，具有简单可靠低成本的特点，该发动机为猎鹰9号系列火箭的成功研制奠定了基础。对我国而言，开展大推力开式循环液氧煤油发动机研制不失为一种可选择的方案。另外，推力调节能力对运载火箭性能优化设计起到至关重要的作用，我们也应当加快相关技术的深入研究和工程应用。在本次试验后，埃隆&马斯克宣布一级重复使用验证试验将会继续在预计明年执行的CRS-3任务中进行。今年同为SpaceX公司研发的蚱蜢火箭已经在发射744米后成功着陆，火箭可回收技术成为当前航天领域的大热门。中国也不应落后，可以助推器回收为切入点，加快推进重复使用运载火箭研制，进一步研究大型地面试验验证及飞行试验验证的可行性，加大推进力度。跨进航天领域仅11年，SpaceX公司的最新利器新一代猎鹰9号火箭俨然已能与德尔它4和宇宙神5初步对抗，充分说明了其在运载火箭设计、生产、试验等方面的成功之处。它山之石，可以攻玉，我国运载火箭研制应当充分借鉴经验，其高效的组织管理模式、清晰的研究发展方向、敏锐的行业前瞻能力等均值得我们深入思考。具体而言，例如SpaceX公司重视验证型火箭在火箭研制过程中的重要性，通过增加火箭规模实现运载能力要求，而非单纯追求有效载荷系数等做法，都有助于我们打开新的思路，探索更高效的发展模式。（陈海鹏）
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亚马逊CEO创立宇航公司与NASA 携手 共推火箭新技术
日消息，亚马逊 CEO 杰夫&贝索斯创立的宇航公司 BlueOrigin 将与NASA 合作 ，使用 Blue Origin 的 New Shepard 运载火箭将科研载荷送入亚轨道，并进行测试。
Blue Origin 是 NASA 的&亚轨道可重复使用运载火箭飞行&计划和&载荷集成服务&计划选中的第六个合作伙伴。Blue Origin 将与其他入选的公司共同竞争计划中的合同，入选的公司包括 Virgin Galactic、World View Enterprises 等。合同总额将达 4500 万美元。
与 NASA 的合作是 Blue Origin 近年来快速发展进程中的一个新里程碑。虽然公司早在 2000 年就已成立，但一直对其计划、进展和技术研发守口如瓶，直到最近才开始透露一些信息。该公司甚至直到 2000 年代末才有了一个详细的官方网站。今年年初，当贝索斯首次邀请记者进入 Blue Origin 位于肯特的总部参观后，Blue Origin 马上登上了 新闻头条 。由于缺乏透明度，公众看到的大部分有关 Blue Origin 的新闻都已经是去年发生的事了。现在，公司正在对 New Shepard 火箭的例行发射和回收进行宣传。2015 年 4 月，Blue Origin 进行了的第一次 研制试飞。此后，研制进展很快。
2015 年 11 月，公司首次将 New Shepard 火箭送入亚轨道，并成功回收火箭，迈出了历史性的一步。此次试飞还搭载了 New Shepard 设计为可载六名宇航员的太空舱。太空舱到达超过 62 英里的最大高度之后，在三个降落伞的帮助下返回地球。New Shepard 首次试飞之后的短短六个月内，Blue Origin 又进行了两次发射和回收。三次试飞都对太空舱进行了回收。太空舱降落到地面的过程中，三个降落伞均成功部署。
目前，Blue Origin 正在准备用回收的 New Shepard 火箭进行第四次发射。虽然发射日期尚未公布，但贝索斯提到很可能是在本月底之前。此次试飞将在太空舱下降时故意让其中一个降落伞发生故障。在给邮件订阅者 发送的声明中，贝索斯举了 1971 年阿波罗 15 号任务中的降落伞故障为例，来解释了这种情况的可信度。
你们可能记得，阿波罗 15 号的太空舱在返回地球时有一个降落伞发生了故障，导致美国&冲绳号&回收舰提醒指令舱中的沃尔登、艾尔文和斯科特：&有一个降落伞故障了。请为剧烈冲击做好准备。&
今年年初，在请少数记者参观公司时，贝索斯称 BlueOrigin 计划在 2017 年进行第一次载人试飞，并最早在 2018 年将付费乘客送入太空。除了不断改进用于研究和太空旅行的可重复使用亚轨道火箭，Blue Origin 还在与 联合发射联盟公司合作研制 BE-4 高性能发动机。BE-4 发动机于 2011 年开始研制，是首个使用液化天然气和液氧推进剂的大型发动机之一。
BE-4 是唯一一个能在 2019 年之前在国会指定的消除对俄制发动机依赖的期限内发射上天的发动机。&&Blue Origin 网站
BE-4 既能用于 Blue Origin 未来的轨道火箭计划，也能卖给 ULA，用在他们的下一代火箭 Vulcan上。目前还有其他火箭发动机可供 ULA 选择用于此用途，但 Blue Origin 的 BE-4 是其中最有竞争力的。在后来迫使他辞职的一番有争议的言论中，ULA 前工程副总裁布雷特&托比暗示Blue Origin 的发动机显然是他们的下一代火箭最合适的选择。
这好比是有两个未婚妻。BlueOrigin 是个富家女，还有一个未婚妻是个穷姑娘，她叫 Aerojet Rocketdyne。但我们必须继续筹备婚礼，进行婚宴彩排、买蛋糕等等。我们帮两个姑娘都做了准备，但 Aerojet Rocketdyne 打败富家女的几率非常低。所以我们把大量精力放在了 Blue Origin 的 BE-4 上。&&ULA 前工程副总裁布雷特&托比
Blue Origin 在过去的 12 个月中进展顺利。他们成为了首家垂直发射、着陆以及重复使用太空火箭的公司。他们的 BE-4 发动机将在三年后安装在火箭上，将可帮助美国摆脱对俄制火箭发动机的依赖。他们还在与 NASA 合作，开展科学研究。另外，如果试飞能像过去的一年中一样顺利，他们将成为第一家把游客送入亚轨道的私人公司。当然，他们还有很长的路要走，还有很多东西要去论证。但是，Blue Origin 已经有将近 15 年时间没有取得什么引人瞩目的成就了。现在，他们正在努力迎头赶上。
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