一个常见疑问

"太空中没有空气，火箭靠什么反推？"

答案：不靠空气。

火箭发动机自带氧化剂和燃料（或自带工质），喷出高速气体产生反作用力。这遵循牛顿第三定律（作用力与反作用力），与有没有空气无关。

喷气式飞机才需要空气——它吸入空气作为氧化剂。所以飞机飞不出大气层，而火箭可以。

真空中点火的挑战

一、点火

地面的发动机可以用火花塞、点火器点燃。

在真空中，上面级的发动机需要在失重、真空、极低温环境下可靠点火，有时还要多次启动（如转移轨道、修正、进入目标轨道分别点火）。

解决方式：

  • 自燃推进剂：两种推进剂一接触就自燃（如四氧化二氮 + 偏二甲肼），不需要点火装置，可靠性高；
  • 火炬点火器 / 火花点火：用于液氧煤油、液氢液氧等。需要确保点火能量和时序；
  • 固体点火器：用于固体发动机。

二、推进剂管理

在失重环境下，推进剂不会"沉"在贮箱底部，而是漂浮成团或与气体混合。

如果泵吸进了气体，发动机就会熄火甚至损坏。

解决方案：

  • 沉底发动机（Ullage Motor）：先点火小型发动机产生加速度，让推进剂沉到贮箱底部（"沉底"）；
  • 表面张力管理装置（PMD）：贮箱内部的特殊结构，利用表面张力把液体引到出口；
  • 膜片式或活塞式贮箱：用柔性膜片把推进剂和增压气体隔开。

三、喷管设计

喷管的效率取决于环境压力。

  • 地面发动机：喷管按海平面大气压优化（膨胀比不能太大，否则气流会与大气"过度膨胀"导致分离，损坏喷管）；
  • 真空发动机：可以做得大得多（膨胀比大），因为没有大气压限制，能让燃气充分膨胀，效率更高。

这就是为什么火箭的上面级发动机往往有非常巨大的喷管——它在真空中工作，可以充分利用膨胀。

说明：本文为航天推进的知识整理。