從第一次進(jìn)入太空起，到現(xiàn)在已經(jīng)過去了半個(gè)多世紀(jì)，但我們依然對(duì)火箭發(fā)射抱有萬般熱情，甚至前幾天的胖五發(fā)射時(shí)最佳觀景區(qū)人滿為患，因?yàn)樗B接的是天地，通向的是星辰大海和未知。
但從1926年3月16日羅伯特·戈達(dá)德在麻省奧邦城發(fā)射的第一枚液體火箭（液氧和汽油）之后，人類的火箭技術(shù)在原理和燃料上并沒有太大的改變，即使到現(xiàn)在為止化學(xué)燃料火箭仍然是人類前往太空的主力，但火箭技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，除了前往近地軌道化學(xué)火箭主力以外，星際航行真的局限太大了，難道就沒有更先進(jìn)的燃料或者技術(shù)了嗎？
第一枚液體火箭發(fā)明者戈達(dá)德
關(guān)于火箭燃料
剛剛我們聊到了羅伯特·戈達(dá)德的第一枚火箭用的是液氧和汽油，其實(shí)最早的火箭應(yīng)該算中國古代的黑火藥推進(jìn)的火箭，因此在火箭領(lǐng)域里有固體火箭和液體火箭兩種！
固體火箭：燃料中含有氧化劑，比如最早的就是黑火藥
液體火箭：燃料和氧化劑是分離的，兩者在燃燒室相遇點(diǎn)燃
當(dāng)然黑火藥現(xiàn)在僅僅是用在俗稱二踢腳的炮仗上了，再也么有人將它用在火箭上。固體推進(jìn)劑就是氧化劑、燃料（可燃劑）和其他添加劑組成的固態(tài)混合物，按配方可分為單基推進(jìn)劑、雙基推進(jìn)劑、復(fù)合推進(jìn)劑、改性雙基推進(jìn)劑等，或者按能量水平分為低能、中能和高能推進(jìn)劑，或者有煙無煙推進(jìn)劑（導(dǎo)彈這方面比較講究）
固體火箭的燃料常常也作為導(dǎo)彈的燃料，比如PBAN推進(jìn)劑就被民兵III和航天飛機(jī)的固體助推器使用，法國的M4導(dǎo)彈用的CTPB推進(jìn)劑，我國的巨浪-1也用CTPB復(fù)合推進(jìn)劑！ 法國的M51使用的是高能NEPE推進(jìn)劑，當(dāng)然高能推進(jìn)劑作為助推器再合適不過！
液體燃料則最早是汽油與液氧，或者酒精液氧，或者液氧與煤油，或者硝酸與烴類，當(dāng)然還有我國除了長(zhǎng)九與長(zhǎng)五以外用的最多的是化二氮與偏二甲肼等，除了燃料不同以外還有不同的燃料供應(yīng)方式（比如渦輪泵，早期是擠壓式）以及不同的燃燒循環(huán)（比如膨脹循環(huán)和分級(jí)燃燒循環(huán)）等，當(dāng)然這些結(jié)構(gòu)都對(duì)火箭的比沖和推力都有非常大的區(qū)別，但本質(zhì)上并沒有太大的差異！
關(guān)于推力和比沖
上文說的推力和比沖都是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)有兩個(gè)非常關(guān)鍵的指標(biāo)，很多人搞不清楚推力和比沖之間的關(guān)系，認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)推力越大越好，我們以當(dāng)年的土星五號(hào)第一級(jí)火箭F1發(fā)動(dòng)機(jī)和俄羅斯最牛逼的RD180發(fā)動(dòng)機(jī)為例
F1單臺(tái)推力6672.333千牛，比沖260秒，
RD180單臺(tái)推力4151.9千牛，比沖311秒
F1發(fā)動(dòng)機(jī)
看起來F1的推力秒殺了RD180，但大家都知道RD180比F1發(fā)動(dòng)機(jī)要先進(jìn)得多， 我們可以這樣來理解比沖，即單位燃料產(chǎn)生同樣的推力，比沖高的要持續(xù)得更久，簡(jiǎn)單的說兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，如果推力一樣，比沖高的明顯省節(jié)省燃料。
如何提高推力和比沖？
F1發(fā)動(dòng)機(jī)和RD180都是煤油機(jī)，F(xiàn)1是燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，RD180是高壓分級(jí)燃燒循環(huán)，當(dāng)然它們的比沖讓這高下立分，F(xiàn)1發(fā)動(dòng)機(jī)是阿波羅登月時(shí)期的杰作，到現(xiàn)在已經(jīng)過去了半個(gè)世紀(jì)，而最NB的煤油機(jī)比沖仍然只有進(jìn)步了不到100S（RD180是前蘇聯(lián)的產(chǎn)物，到現(xiàn)在仍然神一樣的存在），因此在結(jié)構(gòu)和燃燒方式上的進(jìn)步是有天花板的，比如在大氣層內(nèi)工作的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)可以輕易達(dá)到3000S以上
渦輪噴氣-沖壓-火箭的空天發(fā)動(dòng)機(jī)
所以改變工作機(jī)制是最快的捷徑，將0-60千米內(nèi)的工作階段切換成利用大氣層內(nèi)氧氣的工作方式，那么輕易的就可以將煤油機(jī)的比沖從300多秒提高到2000秒以上，再不濟(jì)1000S也是火箭望其項(xiàng)背一樣的存在，在60千米以上的高空則切換到火箭模式，那么至少在這段時(shí)間內(nèi)比沖可以大大增加，但到了太空還是會(huì)存在極大的局限性，因此必須要有一種革命性的機(jī)制來替代化學(xué)燃料。
- 離子電推和霍爾電推
前者比沖比后者高，但后者推力更大，這種發(fā)動(dòng)機(jī)原理也不復(fù)雜，“燃料“電離后將離子和電子分離，比較重的離子在電場(chǎng)下加速向后導(dǎo)出，根據(jù)作用與反作用定律，飛行器將會(huì)獲得一個(gè)向前的推力，而電子則從電子槍或者以發(fā)動(dòng)機(jī)加速的模式與離子中和，避免發(fā)動(dòng)機(jī)電荷積累！
離子電推的噴氣速度比化學(xué)火箭噴氣速度高成百上千倍以上，因此這種發(fā)動(dòng)機(jī)比沖極高，可以達(dá)到3000S以上，VASIMR則可以達(dá)到30000S以上，對(duì)于化學(xué)火箭來說碾壓的，但它們的推力極小，化學(xué)火箭以千牛計(jì)，離子發(fā)動(dòng)機(jī)以毫牛計(jì)！可惜兩者從原理上來說完全不能相通，無法做到高推力與高比沖兼顧！
- 使用高能燃料
兩條路子，一條是增加燃料密度，比如全氮陰離子鹽，它的威力是TNT的10-100倍以上，這對(duì)固體助推器來說如何利用是一個(gè)問題，另外還有金屬氫，這個(gè)密度下能量密度非常可觀，但無論哪個(gè)難度都極大，特別是金屬氫，迄今為止尚未有機(jī)構(gòu)制造出來過（各位相信哈佛大學(xué)物理學(xué)家把金屬氫弄丟了嗎？不如再造一塊？）。
美國宣布合成出金屬氫
另一條路子就是利用現(xiàn)有的核裂變技術(shù)，裂變材料裂變時(shí)的質(zhì)量虧損轉(zhuǎn)換為能量，這種原子能的能量密度是化學(xué)材料無法比擬的，因此它的比沖將高達(dá)5000-10000秒（利用氣體堆芯），但它的后遺癥也是非常明顯的，放射性污染，或者潛在的放射性污染，即使我們?cè)O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不會(huì)將放射性污染帶出噴氣口，那么它萬一故障墜毀呢？
所以這條路依然難以走通！
關(guān)于星際航行發(fā)動(dòng)機(jī)
我們所說的星際航行可能是太陽系內(nèi)的，時(shí)間一般為數(shù)月數(shù)年甚至數(shù)十年，如果是恒星際，那么可能是數(shù)百年甚至上千年，當(dāng)然我們以現(xiàn)有的作用與反作用力原理的發(fā)動(dòng)機(jī)類型為例！那么我們將會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，即使發(fā)動(dòng)機(jī)比沖再高，它所攜帶的介質(zhì)總會(huì)有耗盡時(shí)候，而且極有可能的情況是燃料依然非常充足，但介質(zhì)沒有了，比如離子發(fā)動(dòng)機(jī)和核裂變發(fā)動(dòng)機(jī)！
- 離子發(fā)動(dòng)機(jī)：電能加速氙離子或者其它介質(zhì)
- 核裂變發(fā)動(dòng)機(jī)：裂變高溫加熱氣體或者其它介質(zhì)
化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)這種比沖只有幾百秒的渣渣就不考慮了，但在這種超高比沖的發(fā)動(dòng)機(jī)上，將會(huì)裝載大量的介質(zhì)，也就是所謂的工質(zhì)，因此這會(huì)有一個(gè)問題，也就是《三體》中章北海極力推崇的無工質(zhì)核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)，其實(shí)這還是有工質(zhì)，只不過工質(zhì)與燃料一體了，這對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間在深空工作的發(fā)動(dòng)機(jī)意義非常大，因?yàn)橹灰獢y帶燃料一種，不僅降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，也降低總裝質(zhì)量。
- 不需要多余工質(zhì)的發(fā)動(dòng)機(jī)有嗎？
當(dāng)然有，當(dāng)前的暴力型在飛船屁股后面丟核彈的發(fā)動(dòng)機(jī)就算不需要多余工質(zhì)（其實(shí)化學(xué)火箭也是），或者《三體》直接用核聚變輻射推進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)，或者現(xiàn)實(shí)點(diǎn)EMDRIVER（無工質(zhì)微波推進(jìn)），這些都是不需要多余工質(zhì)的發(fā)動(dòng)機(jī)，但提供能量的的燃料明顯是少不了的，其中EMDRIVER是不丟棄質(zhì)量，理論上來看是非常理想的發(fā)動(dòng)機(jī)。但推力比離子電推還要小，實(shí)在夠嗆。
翹曲空間的曲速引擎則是最理想的發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)樗脑韺⒆屗辉偈艿焦馑俚南拗疲耆梢栽谌祟悏勖鼉?nèi)跨越銀河系甚至到達(dá)仙女星系，這是任何一種作用于反作用力發(fā)動(dòng)機(jī)無法達(dá)到的，但很可惜，到現(xiàn)在為止還僅僅停留在想象中！
