化学火箭不是太空运输的理想工具

当今能成功地让人类登上太空的运输工具，只有化学火箭，但它却是著名的“花花公子”。如果它升空时相当于一栋“摩天大楼”，那么重返地球后就只剩下一个“卫生间”。其他的东西要么烧掉，要么被抛弃了。以美国航天飞机为例：起飞重量约2040吨，只能将36吨货物送至近地轨道。

化学火箭这种超级败家的行为，是由火箭运输方式“命中注定”的。根据齐奥尔科夫斯基公式，在不受任何外力的理想条件下：

其中m0表示火箭初始质量，mk表示火箭在运行途中某一刻的质量，它包括燃料耗尽的火箭空壳和有效载荷。v表示该时刻火箭的理想速度，w表示火箭喷气速度。

当火箭在地面发射时，由于地球引力和空气阻力，实际达到的速度与理想速度会有较大的差距。假定在理想条件下，火箭能在100秒内使速度增加到4千米/秒，当它垂直发射时，仅仅因为地球引力，就会使它的速度降到3千米/秒。只有理想状态下的3/4。虽然人造卫星在近地轨道上运行所需的速度，还不到8千米/秒。但实际上大约要有10千米/秒的理想速度，才能将载荷送到近地轨道。

以液氧液氢为推进剂的化学火箭，喷气速度w≈4千米/秒。这时质量比将超过12。考虑到耗尽燃料的火箭空壳质量，火箭总质量与有效载荷的比值还将更高。以美国太空探索技术公司的“猎鹰9”火箭为例，火箭总质量与载荷的比值达到了20以上。相比之下，载重汽车的燃料一般不到总重量的2%，而化学火箭的推进剂却将近火箭总重量的90%。可见化学火箭并不是理想的太空运输工具。

要将有效载荷与火箭结构重量之和减少到总重量的10%以内，很不容易，也不经济。齐奥尔科夫斯基提出了多级火箭的构想，解决了这一难题。研究表明：当理想速度与喷气速度之比≥2.5时，二级火箭比单级火箭有明显优势。所以发射地球卫星皆用多级火箭。

当≤1.5时，多级火箭优势不明显。因为增加火箭级数，将增加火箭结构的复杂性，降低可靠性，增加制造成本。所以军事上的近程导弹都用单级火箭。有些特殊的商用单级火箭，能安全返回地面，加注推进剂后，即可再次发射，从而大大节约成本。不过这种火箭必需造得很结实，要把燃料耗尽的空壳也带着飞行，必然要挤占有效载荷的分量。这就决定它的不能太高。

火箭这种喷射自身物质才能前进的工作方式，决定了火箭运输不便宜。当今美国太空探索技术公司的猎鹰火箭收费最低，它将货物发射到近地轨道上的费用约1000万元/吨（书中如未特别提示，一律以人民币计价），发射货物到火星附近，至少要4000万元/吨。尽管随着技术进步，费用还会降低，但要使航天成为一种有利可图的事业，这种运输费用还是太高了。另外，尽管地球上有貌似无穷无尽的海水，然而一旦大航天时代来临，这些水资源也满足不了氢氧火箭的消耗。