新的一学期开始啦，连小编的摸鱼软件都出现了喜迎新学期的“青少年模式”。这让小编不禁想起自己的童年似乎并没有手机……那个没有手机的童年里，只有一架飞得没有别人远的纸飞机，还有一只经常没能被拴住口的【暴走的气球】。不过，那时候光顾着追踪气球的飞行路径了，对于在气球里发生的事情一无所知。没想到，小小气球里，竟然发生着和火箭推进器里一样的事情！
话不多说，就让我们开始今天的正题——为什么说童年的我们离造火箭只差yi丢丢？
我们首先回顾一个很基本，但在太空又很麻烦的事情，叫做牛顿第三定律：作用力和反作用力总是成对出现的，大小相等，方向相反，还在一条线上。这件事情意义非凡：你想有向前的动力，就必然有什么东西受到向后的力。在火箭里，我们一般把这部分用于消耗的质量称为“工质”。自己带一点工质，是什么都可以，然后把它向后扔出去，它就受到了向后的力；然后，你就有动力了。这就是迄今为止所有能用的火箭的基本原理：工质反冲。
我们可以简单地估计一下火箭发动机的效率。既然是扔东西，一个问题就是扔出去的东西（相对于你）飞得有多快——也就是工质的喷口速度ve。另一方面是你在单位时间内扔出多少东西，也就是质量流R（单位时间里扔出去的质量，单位：kg/s）。把它们乘起来就得到了你扔东西的力，根据牛顿第三定律，它也就是东西对你的反作用力，或者说是火箭的推力。
剩下的事情会需要一点点微积分。
我们知道加速度是速度的变化率，那么对时间积分，也就得到了速度的变化量：其中t0与tf分别是加速初始时间与结束时间，m0与mf分别是初始质量与末质量。这就是大名鼎鼎的【齐奥尔科夫斯基公式】。事实上，他是那样有名，以至于好多时候，Δv成了度量燃料量的标准：不管带了几吨燃料，我只关心我有多少Δv。做飞行规划，也更愿意算一步步变轨需要多少Δv。
事实上火箭的Δv决定了它能飞多远，飞到哪里，是火箭设计中至关重要的量。
一般的化学推进火箭喷口速率可以达到2km/s − 5km/s，也就是说比冲是200s − 500s。这样大的比冲是什么概念呢？我们知道第一宇宙速度是7.9km/s，但实际上想要入轨的话，还要考虑大气阻力以及轨道高度等等——可以假定Δv要达到9km/s。
如果喷口速度取4km/s（比冲为400s），按照【齐奥尔科夫斯基公式】，很容易算出m0/mf= 9.5。
也就是说，在这个比冲下，为了送1吨货物上天，你需要至少9.5-1=8.5吨燃料……但是这还没完，燃料罐和发动机等的质量也不小，如果我们留1/10的火箭质量（除货物以外）给这些死重，那么初始质量和末质量分别是：m0=m货物+m火箭mf=m货物+0.1m火箭再由m0/mf= 9.5，可以算出m火箭/m货物=170。折腾半天，居然只有0.6%的质量是我们真正想要送上天的货物……（火箭：带货真不容易啊）
好在实际上有一种技巧叫做【分级】，可以让这个数字不那么夸张。简单地说，就是飞一飞，把用完的空燃料罐都扔掉。另外，火箭是越飞越轻的，刚起飞的时候需要好大的推力，但是飞一飞轻了，按一般的发射程序也不一定需要推力高于重力了，因此需要的推力小了，还可以扔掉几个发动机。虽说化学推的比冲看起来有点可怜，但它推力（Rve，其中质量流R较大）很大，便宜可靠（相比而言），可以轻松地带着上千吨的火箭腾空而起。
而入轨之后，并不经常需要用到发动机，做变轨或者维护轨道的时候开一开就可以了，因此还是很好用的。
那么有没有比冲高一点的发动机呢？有！比如【核推】。以“核热火箭”为例，简单地说，核燃料只负责反应释放热能，而工质吸收热能喷出，只负责提供反作用力，工质与燃料分开，不再具备“双重身份”。
原则上用什么工质都可以，但普遍看好氢气，因为它分子量小，加热到同样温度可以跑得更快，在上世纪已经实现了850s左右比冲（化学推的两倍）、同时250kN左右推力。这个比冲已经较高，如果想让它更高，就需要把反应堆烧的更热——但温度总归是有上限的，比如考虑反应堆材料熔点的制约。再考虑到核废料的处理问题等等，目前阶段，核推还没有真的上天，只有地面测试。
真正实用的还要数【电力推进】。
当然电力推进你依然可以故伎重演，用电加热工质然后扔出去……但实际上更常用的电力推进，是用太阳能板捕获的电能对工质进行离子化和加速，以提供推动力。工质用什么原则上都没关系，但是考虑到电离工质挺麻烦的，好不容易电离出一个来，我会希望它提供尽可能大的动力，所以希望工质分子质量大一点，习惯上用氙气（Xe，原子量131.2）。
电推主要消耗电能和极少量惰性气体，但它形成的喷射速度却是惊人的——通常是运载火箭发动机的十倍，因此具有极高的比冲，可达4000s。但是，推力却非常小，一般在1N数量级以下。所以对于电推来说，大推力任务是完成不了（比如起飞、快速变轨等），但像调整航天器朝向与姿态这种细活，或者为小卫星提供动力保持轨道，还是绰绰有余的。
目前，天宫空间站“天和”核心舱正在近地点352公里、远地点385公里、轨道倾角41.47°的近地轨道上运行着，它的30台姿轨控发动机中有4台是【HET-80霍尔推力器】，单台推进器最大推力80mN（这样大小的力如果放在地面上，仅能举起8根头发），额定功率1.35kW。这4台霍尔推力器就是上面所讲的电力推进器，是人类首次在载人航天领域应用电推进系统（此处应该有掌声~）。
天和核心舱集各种功能于一体，还能够拥有高达50立方米的活动空间，这四个推进器功不可没——毕竟电推省工质省下来的质量真不少……
再次打开了摸鱼视频软件汤姆被吹成了气球气球的工质就是空气能量来自气球皮的弹性势能气球皮收缩挤压里面的空气就能使空气向后喷涌而出看汤姆横冲直撞，所向披靡再看看电推核推化学推…咳咳气球和火箭原来真就只差那么亿点点嘛piu新的学期已经开始啦祝愿读者朋友及小朋友们新的学期，芜湖起飞