为什么火箭方程式阻碍了我们？在火箭科技的发展推动下

在火箭科技的发展推动下，我们环游了地球，登上了月球，并且发射了探测器去探索内行星，也曾冒险穿过小行星带，穿越了外行星并拍摄了它，甚至越过了太阳系，进入了星际空间的深处。然而“科学”带给我们成功的同时，也给我们带来了严重的限制，限制着我们到底能到达多远的未来？今天我们要回答一个特别的问题：火箭方程式是否阻碍了我们？

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火箭方程的发展可以追溯到17世纪中叶，当时，艾萨克·牛顿（IsaacNewton）和戈特弗里德·莱布尼茨（GottfriedLeibniz）发展了微积分，在此之下，对动量有了更好的理解。时间快进到1903年，俄罗斯科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(KonstantinTsiolkovsky)将牛顿的理论应用于火箭的建造，由此，太空飞行的时代开始了。

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火箭本质上是通过在它的另一端进行聚焦和引导精确的能量来实现发射的物体，并且火箭是有动量的物体，它们甚至依靠动量来逃离大气层。不过，这个想法并不新鲜，例如，古代中国曾在公元100年左右就使用火箭技术来制作烟花；几个世纪以来，火箭技术也以某种方式在各种军队和军事中被使用，为许多毁灭性武器提供了基础。
当然，在整个20世纪，这些武器变得越来强大，越来越具有破坏性……但也正是在这个时候，我们开始建造更高级的火箭，目的不是杀人，而是探索。目前，我们已经实现了很多探索：在月球上插上了国旗，在轨道上建了空间站，还以某种方式观测了太阳系中所有已知的行星。那么，火箭方程怎么会限制我们呢？

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火箭方程等式本身包含三个主要变量：DeltaV ，这是对抗重力的能量消耗(或它可能达到的速度)；排气速度，即火箭燃料的功率(或它可能产生的能量)；推进剂质量分数，它告诉你一艘质量固定的船上用于装载燃料的质量百分比。简单地说，火箭方程的重点在于1)飞行器需要以多大的速度才能摆脱重力， 2)燃料可能产生多大的速度， 3)需要携带多少燃料才能到达目的地。

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考虑到所有因素，我们主要受制于火箭燃料所需量，这往往非常重。举个例子，假如我们想将一支一磅的火箭升离地面，还需要一磅的燃料来克服重力从而实现。在我们开始前，那么火箭就两磅重了，这又需要更多的燃料来发射…那么它就更重了，意味着我们将需要更多的燃料，等等。在所有依赖燃料的交通工具中，没有任何其他工具像火箭一样更严重受制于燃料。虽然汽车的燃料质量大约4% ，而战斗机的燃料质量则达到了40% ，但建造一艘火箭飞船必须将其总质量的85%用于提供使其起飞所需的燃料。

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剩下的15%则要包含宇航员，各种复杂的生命供给系统，食物储存，氧气罐，舱内管道，计算机，通信设备…还有航天任务需要的任何东西的质量。一些火箭比其他火箭更能体会到空间限制，据报道，土星五号燃料之外只剩余4%的船体质量！但是，这确定全都因为我们所用的燃料吗？我们就不能找到一些更高效的燃料吗？这是NASA、ESA、Roscosmos和其他所有航天机构思考过很多次的问题。
我们一直在试验不同的燃料类型，但仍然明显回避了火箭方程参数。在各种迭代中，看似“更轻”的燃料往往会更快地消耗能量，或者一开始就没那么有动力。 NASA最常使用的是液氢和液氧的混合物。在我们所能获取的燃料中，它燃烧最充分并能提供最大能量，但是它也是最复杂的选择—它仍然受到同样的限制。在很多方面，这仅仅是化学的问题；我们不能从迄今开发的燃料中获得更多的能量。但如果我们从其他外部因素入手呢？也许我们可以使用相同燃料但获得更高效果。最大难关之一在于我们所有的资源都来自地球，而逃离地球轨道需要巨大能量。火箭至少在大约25000英里/小时的速度才能刚好克服地球引力。