为什么火箭发动机难以在多个方面做得好？

　　任何一枚火箭的核心，都是火箭发动机。这个道理，可以应用到几乎每一种运载工具上，但相对汽车轮船发动机，火箭发动机的应用难度显然更大。
　　对于一枚传统火箭发动机而言，它需要同时做到：
　　1。推力足够大。一枚火箭动辄数百吨乃至数千吨，发动机的推力至少也要把火箭推起来，为了产生足够加速度则需要推力更大。
　　航天飞机整体结构（图改自：NASA）
　　例如，航天飞机总重达2030吨，它主要依靠两枚强大的固体助推器提供推力，单枚固体助推器的推力达到惊人的1250吨，一枚就足以把中国现役最强的长征五号（800多吨）推动。
　　而人类史上最强登月火箭土星五号火箭一级总推力超过了3500吨，苏联的重型火箭能源号推力甚至达到了4000吨级别！
　　2。爆发力够强。火箭一旦起飞，就需要受到巨大重力和空气阻力的影响，消耗巨量的燃料和能量，但最终需要达到7。9千米秒的第一宇宙速度才可能环绕地球运动，从性价比方面就要求火箭尽可能快进入地球轨道。
　　对于一般的近地轨道（入轨轨道200千米高）发射任务，火箭需要在约10分钟左右就完成发射任务。再次使用航天飞机助推器的例子，这枚重达590吨的助推器仅需127秒便会燃烧殆尽，此时它已经将航天飞机推到了45千米高，帮助航天飞机逃离最大挑战、也最大威胁的大气稠密区域。
　　超级钢铁巨无霸土星五号发射（图源：NASA）
　　对于土星五号，它的第一级总重约2290吨，大约2160吨为燃料，发动机工作时间标准流程仅为165秒。这意味着土星五号一级平均每一秒燃烧了13。1吨燃料。汽油和煤油能量和热值比较接近，以一辆百公里油耗为10升的小汽车为例。火箭1秒钟消耗的能量足够让一辆小汽车行驶17。95万公里，大概够绕地球赤道4圈半。
　　是的，你没有看错，就是你家汽车开这么远耗的油人家一秒就喷光了。那么土星五号第一级在两分多钟内消耗的燃料够你家小汽车开个740圈赤道的。
　　3。质量够轻。目前人类的火箭受限于化学燃料，最终运输效率其实并不高，有效载荷比仅为15不等，这就意味着燃料之外的结构、发动机质量必须尽量小。例如土星五号火箭重达3000吨、仅能运45吨到月球、效率1。5。发动机的质量毫无疑问是个至关重要的因素，如果它太重势必影响总体效率。
　　巨大的F1发动机和土星五号总设计师冯布劳恩合影，这么巨大的暴力机器实际上并不重（图源：NASA）
　　土星五号一级使用了5台洛克达因的F1液氧煤油燃料发动机。其中，全部壳体、燃料箱结构和发动机等质量仅为130吨，而F1发动机本身单发仅重8。4吨！这与它粗放的外表和撼天动地的能力相比简直微不足道。
　　4。材料够强。火箭发动机上面对接燃料，下面排出燃气，燃料温度极低、燃气温度却极高。例如，液氧液氢燃料温度在零下180250摄氏度左右，但它们燃烧后燃气温度高达数千摄氏度。火箭发动机，要同时经受极冷和极热的考验。
　　猎鹰九号火箭发射，下面是燃气的烈焰，上面是低温燃料导致的寒冰（图源：SpaceX）
　　5。强度够大。一枚大型火箭发动机，每秒钟烧掉的燃料要以吨计，这意味着非常强力的泵在极低温下快速循环。燃气排出时速度高达数千米秒，带来强力震动、噪声和高压，严重挑战结构强度。
　　俄罗斯王牌联盟火箭的完美整体设计，使得如此复杂的结构并不影响它成为人类史上最成功的火箭家族（图源：NASA）
　　6。整体设计复杂。火箭发动机有推力室、喷注器、燃烧室、喷管、泵循环、控制系统、冷却隔热装置、等诸多结构，任一环节都对性能有着不同要求，但它们有个共同的特点：不能出任何问题。
　　RS25发动机管线一瞥（图源：NASA）
　　7。控制要精细。尽管火箭已经是超级钢铁巨兽，释放出巨大的力量，它却要完成很精细的穿针引线工作，程序转弯、姿态控制、变轨入轨都操作精度要求都很高，最终实现航天器的精确入轨。
　　8。稳定性要高。火箭动辄造价数亿、乃至几十亿一枚，加上所携带的昂贵航天器，一旦失败必定损失惨重。而火箭一般设计成多级、每级又可能携带多枚发动机、所用燃料也不尽相同，这意味着任何一枚发动机都不能出问题。
　　因为火箭发射只有两种结果：成功和失败，不存在中间值。
　　失败的N1（上）和成功的猎鹰重型（下）（图源：SpaceXNASA）
　　例如，猎鹰重型火箭一级使用了27台发动机墨林发动机，它们都要保持在理想的工作状态才能保证火箭的正常工作。历史上苏联跟美国竞争的N1登月火箭，就因为始终无法解决多发动机并联工作稳定性的问题而接连出现发射试验失败，最终导致苏联丧失了登月竞争的资格。
　　此外，以上这些仅是完成了最基本任务，而为了满足多种航天任务需求、使用更加环保高效的燃料、降低对发射场的需求等方面，火箭发动机的设计将变得更加艰难。
　　人类航天进入新阶段后，对火箭发动机的需要变得更加多元，例如先进极低温液体火箭上面级、多次点火复用发动机、变推力甚至矢量控制发动机、离子电推进发动机等的需求越来越高，它们往往带来完全不同的应用环境，要求彻底的技术革新。
　　猎鹰重型火箭助推器回收（图源：SpaceX）
　　例如，SpaceX公司赖以成名的火箭一级回收技术，就要求发动机必须做到并联工作精确可控、发动机推力可变、发动机可多次复用点火、伺服机构控制舵面着陆腿精细控制、燃料供应系统适应发动机着陆期间工作需求、高动态环境下精密导航制导与控制等，这些都建立在前文提到的各项技术基础之上，而又全部要求崭新的技术支撑。
　　再比如，离子电推进发动机的燃料使用效率大大高于传统化学燃料，它使用被超高电压电离的惰性气体元素（例如氙、氪等），电离后在磁场和电场作用下高速离开发动机，从而产生精准、可变、高效的微推力系统。作者研究相关的GOCE低轨卫星就是一个应用的实例，它的电推进发动机极限推力极小、控制精度却要求极高，在工作期间需要根据极其微弱的空气阻力实时产生对应推力以克服阻力，这个阻力产生的加速度变化范围是以纳米秒平方来评价的，1纳米秒平方是地球重力（9。8米秒平方）的100亿分之一！
　　使用了氙等离子电推进发动机的GOCE卫星（图源：ESA）
　　因而，火箭发动机技术，不仅是运载火箭技术的核心，也是整个航天技术的核心。它的发展水平，也直接决定了一个航天大国的整体航天水平。