小科普：固体火箭发动机和液体火箭发动机各有什么优缺点？

既然推来了标签话题#固体火箭发动机和液体火箭发动机有何特点?#，就来一个小科普吧。

火箭其实是一个俗称，更准确的名字叫喷射推进器。是一种依靠排出物质制造反作用力的推进装置。所以用“火”这个词并不准确。

为什么咱们不写“燃气”呢，实际上火箭并不一定需要喷出高温高速的燃气就可以获得推进力。例如咱们在中学物理实验中使用的水火箭，实际上就是依靠高速喷水（液体物质）来获得推进力的。

当然了，你别笑话这种原始的“火箭”推进方式，在2021年美国的一家航空创业公司ARAC就改良了水火箭的技术，在大型运载火箭火箭中灌水，然后利用电热丝来加热这些水，使之成为高温高压的水蒸气。

把火箭发射这么高大上的事情“逆转历史的车轮”，硬生生的拉回到了烧开水时代。

这样做的一个好处就是便宜。水这玩意吧，哪里都有，电热丝价格也不高，把火箭立在发射架上，通过外部电源烧开水，电源部分不增加火箭重量，且可以反复利用。每次发射成本仅仅需要几百万美元。这是目前W君最看好的一种近地轨道发射方式（没有之一）。等2027年大家看“飞天热得快”的表演吧。

之所以在讨论固体燃料火箭和液体燃料火箭的时候给大家提一嘴“飞天热得快”，是因为火箭的主要工作原理就是高速的喷出物质获得反作用力这一特性。知道这一点也就能明白为什么火箭的学名叫做“喷射推进器”了。

火箭能喷出物质，首先是其内部的压力要高于外部压力。获得高压的最简单方式除了加热之外就是燃烧了。这也是“某某”燃料火箭的根本所在。

燃烧——是人类自从学会用火以来最直接也是最简单的释放化学能的方式。当燃料燃烧的时候，内部所蕴含的能量就会以热能的方式释放出来。

但要注意的一点是，不同的燃料燃烧所能释放的能量是不一样的。例如，我们常见的打火机中的丁烷，每克充分燃烧后所释放的能量是45.8千焦、每克汽油燃烧所释放的能量为42.5千焦、每克木头燃烧会释放15.1千焦能量、每克TNT爆炸会释放出4.182千焦的能量……

在人类已知的燃料中，氢是燃烧释放出最大能量的燃料。每克氢在充分燃烧后会释放出141.6千焦的能量。这已经是我们能够找到的最高热值的燃料了。

通过将氢气注入到一个封闭容器中，和空气混合后点燃。

你就可以制造出一个“气体燃料”火箭。如果调整把饮料瓶子中的空气替换成氧气，并精确的调整氢气和氧气的含量达到氢气和氧气完全反应的比例，这时候你就可以让“气体燃料”火箭的效率最大化。

但是我们要注意一点——一个瓶子的体积装气体的确装不了多少。因此这种“气体燃料”火箭往往仅仅能爆一下就因为燃料耗尽无法继续工作。

这件事实际上处理起来就简单了。我们可以把氢气和氧气低温液化。利用液态的氢气和氧气作为燃料。

用液态物质作为燃料的火箭也就是液体燃料火箭了。最优的解决方案当然是液氢和液氧作为燃料和氧化剂的火箭系统了。不过，液氢也好液氧也好都是需要低温储存的。

以液氢为例：液态的氢要在-252.87摄氏度下存储。零下252.87度其实就是氢的沸点，温度如果高于这个度数的话，液氢就会沸腾由液态转化为气态。

这也是为什么很多以液态燃料为推进剂的火箭在发射之前箭体上不断的冒出白色蒸汽的原因。这是由于液态物质蒸发吸热导致的周围温度下降，空气中的水分凝结形成的雾气。

液氧会好一些，只需要在零下182.96度就可以保存。

既然是液体，那么我们就可以使用泵来抽取了。这是液体火箭技术很关键的一点。

简单的说就是依靠燃料泵“抽水”将液氢和液氧抽入燃烧室内。和一般的水泵不同，火箭发动机上的燃料泵会以每分钟数万转的速度旋转，快速的抽取燃料到燃烧室。大功率的燃料泵可以在几分钟内将燃料罐内的几百吨液氢和液氧抽得一干二净。

这些注入燃烧室内的燃料会剧烈的燃烧燃气就会从火箭的喷管中喷出，完成了喷射推进器向外排出物质的动作。

为什么会用液体燃料火箭呢？主要的优点是燃料罐内的燃料可以根据发射任务的负荷而调节，同时在火箭点火后，液体燃料也可以根据不同的工况需求调节流量。这就让液体火箭发动机具有相当大的比冲，可以工作较长的时间。

不过，液氢和液氧也有自己的问题，主要的问题就是液氢和液氧都需要低温存储，一旦温度升高其沸腾出的氢气和氧气会造成燃料罐内的压力增加。造成工程和结构上的不安全因素。因此热值相对低了一些但温度要求不那么多的液体燃料也就成了液氢和液氧以外的其他选择——例如液态甲烷、煤油、酒精、发烟硝酸和双氧水。这些常温下是液态的物质也都可以作为火箭的燃料加注到液体燃料火箭中。当然了相对于液氢来说，并不给力。但这些燃料减少了火箭对抗压、隔热器材的需求。减少这些材料火箭的结构重量就降低了，这时候这些燃料也就可以发挥出较大的作用。

此外还有一类的推进剂例如偏二甲肼（联胺）易燃、有剧毒、且具有强大的腐蚀性。这类的物质如果长试时间的注入火箭燃料罐中会导致燃料罐腐蚀。一般的情况下都会在火箭发射前加注。

这就让火箭需要有较长的准备时间和“日久生变”带来的不确定性。

一些场合中需要火箭发动机长时间待命可以立即投入工作。这时候更加稳定的推进方案也就出现了，这就是固体火箭发动机。

简单的说固体火箭发动机燃料就是炸药。但是大部分固体火箭发动机燃料已经钝化或采用爆炸性并不强的化学物质。例如硝酸钾或者锌硫，甚至直接使用黑火药。

在点燃后也会剧烈燃烧，向外喷出燃气。

固体燃料火箭有着易于存储结构简单的特性。并不需要象液体火箭一样有复杂的燃料罐、燃料泵、燃烧室结构。本身也没有储存压力的限制。因此它们的结构都会相对简单很多，成本也就低了很多。

但是，固体燃料火箭也有自己的缺点，首先是无法调节火箭流量。流字嘛“氵”子旁，是针对于液体的，固体燃料就没有办法用泵了。因此在燃烧过程中功率不可调，甚至不能中途停机再启动。当然了也不能随着发射任务对火箭燃料的装载进行调节。

因此，固体燃料火箭任务复杂性就比液体燃料火箭低得多了。仅仅是在特定的固定设计中使用。因此大部分固体燃料火箭发动机仅仅是作为运载火箭火箭辅助动力装置而参与商用发射的。

例如我们的长征系列捆绑火箭，有一部分捆绑在主火箭之外的小火箭其实就是固体燃料火箭。起到的作用就是火箭发射前半阶段的助推任务。并不会参与到全程的推进之中。

对于相对固定的任务，例如洲际导弹，以DF-41为例子：

这种洲际导弹，目标就是抛射弹头到预定距离上，通过射角（关机点角度）来把相对固定的载荷（弹头）投掷到相对固定的距离（射程）。利用固体火箭就可以涵盖整个推进过程了。

另外，固体燃料的燃烧也有一个难题。大部分固体燃料火箭并不会象前面给大家看的动图一样沿着轴线从后向前燃烧。这是因为在燃烧过程中会导致火箭的重心大幅度变化增加控制难度。而是沿着径向的方式从内层向外层燃烧。

这就导致了在燃烧开始的时候，燃烧面的面积和燃烧结束的时候燃烧面面积有很大差异。

这就造成了固体燃料火箭的推力不均匀（液体燃料火箭就没有这种问题）。此时就要对固体燃料火箭的截面进行额外的设计，让固体燃料的燃烧满足火箭的推力设计需求。

一般的情况下固体火箭燃料药柱都会是星形的。

这就是为让火箭在初始地点燃到燃烧结束的大部分时间内燃烧面面积尽量相同。以获得稳定推力。这也是为什么我们有《大国工匠》去雕刻火箭发动机药柱的原因了。

读到这里，你应该对液体燃料火箭和固体燃料火箭有个基本的了解了，其实这两种火箭并没有让对方淘汰的优缺点，而是需要在衡量了发射任务之后，选择最适合的火箭发动机类型而已。