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地表最强化学火箭阿耳忒弥斯,其实“慢得很”

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2026 年 4 月 2 日,阿尔忒弥斯 2 号任务搭载猎户座飞船成功发射[1],四名宇航员开启时隔 53 年人类重返月球附近的载人飞行,其核心运载工具 SLS 重型火箭也再度成为全民热点。中国老百姓对大火箭的渴望也再次被点燃。


而这枚承载着人类登月梦想的 SLS 重型火箭,确实配得上“地表最强化学火箭”的称号,其体量之庞大、性能之强悍,堪称人类工程史上的奇迹。它的高度达到了 98.15 米,差不多相当于 33 层高楼,比曾经的“登月功臣”土星五号还要略高一筹。


国内建筑33层高楼仰视图


它的起飞质量更是高达 2608 吨,起飞时的总推力更是高达 3991.6 吨,能在短短几分钟内将 27 吨重的猎户座飞船送入地月转移轨道。要知道,我国现役最强的长征五号火箭,近地轨道载荷约25吨,地月转移轨道载荷只有 8 吨,和SLS 相比仍有不小差距。


那么问题来了,作为目前地表最强的化学火箭,你猜猜它能把猎户座飞船推到多快呢?



我敢说,绝大多数读者的猜测都会偏差极大。

超级火箭慢得很


结合 NASA 官方数据及阿尔忒弥斯2 号任务实测信息,SLS 火箭把猎户座飞船送入近地轨道的时候,速度约为 7.8 公里/秒,二级火箭点火后,将速度提升到了 10.9 公里/秒,这个速度刚好能让飞船摆脱地球引力束缚,进入地月转移轨道,完成奔月之旅。


我估计,很多人看到这个数字都会有点吃惊,不能吧,地表最强火箭也这么慢的吗?



是的,真就这么慢。不到 11 公里/秒的速度,合算成大家更熟悉的导弹速度,就是大约 30 马赫,比一个洲际导弹再入大气层时的最高速度略快一点点。


估计有人会说,不对,SLS 火箭飞得慢,是因为它要克服地球重力和大气阻力。要是把 SLS 火箭放在太空无重力环境里发射,肯定能飞得快得多。


这个想法很合理,也很符合大众直觉,但真相却足够反直觉:即便把 SLS 完全置于太空真空环境,不考虑任何重力和大气阻力,它能给猎户座飞船带来的速度增量,依然快不到哪里去。




根据模拟计算的数据,SLS 火箭即便放在没有重力和大气阻力影响的太空中发射,极限速度也就只能达到 12 公里/秒而已,只快了一点点。

速度上限


难以置信是吧?


我们不妨再进一步,做一个更极端的假设:如果允许你把化学火箭造到 SLS 的 100 倍大,尽可能降低载荷占比,把更多重量留给燃料,这个总重量是SLS 火箭 100 倍的超级大火箭,最终能把猎户座飞船推到多快?



答案依然是残酷的——哪怕做到这种程度,这枚大火箭的速度极限,也仅仅达到了 25 公里/秒而已。而且,这样的火箭其实早已突破了人类所能达到的工程学极限。


如果我们再狠狠心,再把这个已经不可能的超级大火箭再扩大 100 倍,也就是比 SLS 火箭大 10000 倍,会怎样?



答案让人触目惊心,最终的速度仅仅提升了 1 公里而已。


说白了,按照当前的条件造火箭,这就是所能达到的速度极限。

什么阻碍了速度?


看到这里,相信你已经满脸疑惑了:为什么?凭什么!火箭造得再大、环境再理想,也飞不快吗?为什么好像有个终极天花板把速度封顶了呢?这就要从决定火箭终极性能的核心规律——齐奥尔科夫斯基火箭方程[2][3],说起了。


其实火箭的速度上限,和起飞环境、火箭大小没有本质关系,大火箭能做到的事情,是提供更多的载荷。而真正能决定它最终能飞多快的,只有两个关键因素:一是火箭发动机喷口的喷出物速度,二是质量比,也就是火箭总质量与除了燃料以外的剩余质量的比值,通俗说就是载荷占比。


先说说喷出物速度。


这是化学火箭最难以突破的一道枷锁。化学火箭的动力来自燃料的化学反应,而化学反应的能量上限,是化学键决定的。说白了,就是点燃燃料,让燃料爆燃着从喷口冲出去。燃料燃烧速度越快,爆燃越猛,喷出物速度就越快。


SpaceX的火箭发动机正在进行地面测试

我们可以看看目前主流化学推进方案的喷出物速度:

  • 液氧煤油推进,喷出速度大约在 3.0-3.3 公里/秒;
  • 液氧甲烷推进,略高一些,约 3.5-3.7 公里/秒;
  • 而当前最先进的液氢液氧推进,喷出速度也只能达到 4.4 公里/秒左右。


无论我们如何优化燃料配方、改进喷管设计,化学火箭的喷出物速度,几乎不可能突破 5公里/秒。这是化学键决定的理论上限。


所以,化学火箭想从提高喷出物速度找突破口,只有微弱的提升空间,想找到大的突破口,不可能!


再说说化学火箭的第二道枷锁,载荷占比。


根据火箭方程,火箭能获得的速度增量,和质量比是对数关系。也就是说,想让速度翻倍,质量比需要呈指数级增长。举个直观的例子:


如果喷出物速度按 5 公里/秒计算:

想获得 5 公里/秒的速度增量,质量比需要达到 2.7;

想获得 10 公里/秒的速度增量,质量比就要达到 7.4;

想获得 20 公里/秒的速度增量,质量比就要达到 55。

这意味着,要让火箭达到 20 公里/秒的速度,燃料重量需要是剩余重量的 55 倍
。


著名的土星五号火箭,其质量比是23.1

很多人津津乐道的多级火箭,本质上没有什么黑科技,无非是通过提前扔掉已经空了的燃料桶,减少无效载荷,变相提高质量比而已。


无限制地提高火箭的个头,可以让最终有效载荷的占比无限缩小。但是,燃料总要装进壳子里,只要装燃料的不锈钢桶还存在,那么结构重量占比就很难变小。最后,总的质量比会被锁死在结构质量上。速度的上限也就到了。


这也是为什么,即便把 SLS 放大10000 倍,速度也不过只能达到可怜的 25.9公里/秒的原因。


想象图:在宇宙中建造的超级火箭

让火箭长时间加速是谎言


这里必须戳破一个大众最常见的科普误区:“很多科普书上都说,很小的加速度,只要经过很长时间加速,就能得到极高的速度”。


很多人对火箭的理解都是这样。所以很多人推崇得离子火箭之类的推进方式。他们以为,只要慢慢加速,总能无限逼近光速。但真相是,火箭不能一直加速。当火箭把自己携带的工质全部扔完之后,就会停止加速了。


火箭的总速度增量,只取决于喷出物速度和总喷出质量,和喷得快还是喷得慢、加速时间长还是短,没有任何关系。


不信,咱们算算看。假设等离子火箭喷出物的速度可以达到 30 公里/秒[4],那么无论加速多长时间,这枚火箭的最终速度也会停在 76 公里/秒的水平上。




这还是非常理想的状况下计算出来的结果。因为等离子火箭很难做到如此之高的载荷比。


化学火箭是猛喷几分钟,燃料耗尽就停止加速。等离子火箭是慢慢喷上几年,工质耗尽也一样停止加速。


只要总喷出质量和喷出物速度不变,最终能达到的速度几乎没有差别。所谓“长时间小加速度能逼近光速”,其实是一种理想主义的科幻想象。现实中,火箭的工质都是自带的,一旦喷完,加速就彻底结束了。

无工质火箭的误区


说到这里,就不得不提大家常听说的“无工质火箭”了。其实,世界上根本就不存在真正的无工质火箭。所有靠反冲力前进的推进装置,本质上都是把火箭上的质量往屁股后面扔。唯一的区别只在于扔出物的速度快慢。


化学火箭扔的是高温气体,最快速度不会超过 5 公里/秒。而等离子火箭扔的是高速离子,速度可以达到 30 公里/秒。《三体》里的能够用“前进四”星际航行的战舰,是核聚变发动机,靠的是把核聚变产生的高能粒子往后喷来获得推进力。你看,没有任何一种火箭,能摆脱“扔东西获得反冲”的基本规律。


很多人觉得等离子火箭是星际航行的希望,其实它的局限性非常大。等离子火箭推力小,根本原因就是单位时间内抛出去的质量太少。


常见的离子推力器,推力只有几十到几百毫牛,差不多只能托起一张 A4 纸。即便未来技术突破,能让它单位时间内喷出更多质量、提升推力,它依然逃不出火箭方程的约束。


想真正实现星际航行,唯一的出路只能是核动力火箭,因为只有核能,才能把喷出物速度提升到一个全新的量级,比如我们熟悉的《流浪地球》中,行星发动机喷出物速度可以达到惊人的 10000 公里/秒,这足足是化学火箭的几千倍!

流浪地球不可能


那么,如果不限时间,让地球在行星发动机的推动下慢慢加速,流浪地球真的是可能的吗?


我们不妨认真地算一笔账。


流浪地球中,火箭的总质量,也就是地球的质量约为 5.97×10²⁴ 千克[5]。假如行星发动机可以拿任意地球物质当作燃料,那么我们可以把地表所有的物质都拿来烧掉,只要让 500 米深的地下城不被挖出来就行。


这么做的结果是,我们可以用来当作燃料的物质总量,占据了地球总质量的大约万分之一。


现在参数清楚了。地球这个大火箭中,有 1/10000 的燃料和 9999/10000 的载荷,我们看看这艘火箭最快能飞多快。



答案非常扎心:只燃烧掉 500 米深的地壳物质,无法改变地球的速度。


那么,如果我们把整个地壳都当作燃料烧掉,会怎么样呢?



太棒了,烧光了地壳之后,地球终于被我们推动了,不过速度也只有可怜的 160 米/秒。


这就是质量比的终极威力——哪怕喷出速度再高,只要有效载荷占比极端巨大,速度增量依然极其有限。《流浪地球》里的行星发动机再震撼,从火箭方程的角度看,也终将是一场绝望的挣扎。


物理定律从一开始就注定,要么你无法移动半分,要么你把地球家园彻底当作燃料烧掉。没有第三条路可走。

总结


最后我们总结一下:SLS 作为化学火箭的巅峰,拼尽全力也只能把飞船推到 10 公里/秒左右;即便在太空建造、造得再大,化学火箭也很难突破 25 公里/秒的极限。


这不是化学火箭的无能,所有的火箭都是如此。


科幻电影里的星际战舰

科幻电影里的星际战舰,看起来很炫酷,但实际上质量比极低,即便安上强大的核聚变发动机,也必然如同流浪地球一样,只能龟速爬行。


不要妄想用携带一个核燃料箱就奔向星辰大海,为了星际探索设计的飞船,必须把 90% 以上的重量都用来放核燃料,然后把这些核燃料全部烧掉,才能获得一个恒星际航行的入场券。

参考资料

[1]https://www.nasa.gov/artemis-ii

[2]https://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E7%81%AB%E7%AE%AD%E6%96%B9%E7%A8%8B

[3]https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/rocket/rktpow.html

[4]https://www1.grc.nasa.gov/research-and-engineering/space-propulsion/ion-propulsion/

[5]https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/earthfact.html

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