地表最強(qiáng)化學(xué)火箭阿耳忒彌斯，其實(shí)“慢得很”

2026 年 4 月 2 日，阿爾忒彌斯 2 號(hào)任務(wù)搭載獵戶座飛船成功發(fā)射[1]，四名宇航員開(kāi)啟時(shí)隔 53 年人類重返月球附近的載人飛行，其核心運(yùn)載工具 SLS 重型火箭也再度成為全民熱點(diǎn)。中國(guó)老百姓對(duì)大火箭的渴望也再次被點(diǎn)燃。

而這枚承載著人類登月夢(mèng)想的 SLS 重型火箭，確實(shí)配得上“地表最強(qiáng)化學(xué)火箭”的稱號(hào)，其體量之龐大、性能之強(qiáng)悍，堪稱人類工程史上的奇跡。它的高度達(dá)到了 98.15 米，差不多相當(dāng)于 33 層高樓，比曾經(jīng)的“登月功臣”土星五號(hào)還要略高一籌。

國(guó)內(nèi)建筑33層高樓仰視圖

它的起飛質(zhì)量更是高達(dá) 2608 噸，起飛時(shí)的總推力更是高達(dá) 3991.6 噸，能在短短幾分鐘內(nèi)將 27 噸重的獵戶座飛船送入地月轉(zhuǎn)移軌道。要知道，我國(guó)現(xiàn)役最強(qiáng)的長(zhǎng)征五號(hào)火箭，近地軌道載荷約25噸，地月轉(zhuǎn)移軌道載荷只有 8 噸，和SLS 相比仍有不小差距。

那么問(wèn)題來(lái)了，作為目前地表最強(qiáng)的化學(xué)火箭，你猜猜它能把獵戶座飛船推到多快呢？

我敢說(shuō)，絕大多數(shù)讀者的猜測(cè)都會(huì)偏差極大。

超級(jí)火箭慢得很

結(jié)合 NASA 官方數(shù)據(jù)及阿爾忒彌斯2 號(hào)任務(wù)實(shí)測(cè)信息，SLS 火箭把獵戶座飛船送入近地軌道的時(shí)候，速度約為 7.8 公里/秒，二級(jí)火箭點(diǎn)火后，將速度提升到了 10.9 公里/秒，這個(gè)速度剛好能讓飛船擺脫地球引力束縛，進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，完成奔月之旅。

我估計(jì)，很多人看到這個(gè)數(shù)字都會(huì)有點(diǎn)吃驚，不能吧，地表最強(qiáng)火箭也這么慢的嗎？

是的，真就這么慢。不到 11 公里/秒的速度，合算成大家更熟悉的導(dǎo)彈速度，就是大約 30 馬赫，比一個(gè)洲際導(dǎo)彈再入大氣層時(shí)的最高速度略快一點(diǎn)點(diǎn)。

估計(jì)有人會(huì)說(shuō)，不對(duì)，SLS 火箭飛得慢，是因?yàn)樗朔厍蛑亓痛髿庾枇ΑＲ前?SLS 火箭放在太空無(wú)重力環(huán)境里發(fā)射，肯定能飛得快得多。

這個(gè)想法很合理，也很符合大眾直覺(jué)，但真相卻足夠反直覺(jué)：即便把 SLS 完全置于太空真空環(huán)境，不考慮任何重力和大氣阻力，它能給獵戶座飛船帶來(lái)的速度增量，依然快不到哪里去。

根據(jù)模擬計(jì)算的數(shù)據(jù)，SLS 火箭即便放在沒(méi)有重力和大氣阻力影響的太空中發(fā)射，極限速度也就只能達(dá)到 12 公里/秒而已，只快了一點(diǎn)點(diǎn)。

速度上限

難以置信是吧？

我們不妨再進(jìn)一步，做一個(gè)更極端的假設(shè)：如果允許你把化學(xué)火箭造到 SLS 的 100 倍大，盡可能降低載荷占比，把更多重量留給燃料，這個(gè)總重量是SLS 火箭 100 倍的超級(jí)大火箭，最終能把獵戶座飛船推到多快？

答案依然是殘酷的——哪怕做到這種程度，這枚大火箭的速度極限，也僅僅達(dá)到了 25 公里/秒而已。而且，這樣的火箭其實(shí)早已突破了人類所能達(dá)到的工程學(xué)極限。

如果我們?cè)俸莺菪模侔堰@個(gè)已經(jīng)不可能的超級(jí)大火箭再擴(kuò)大 100 倍，也就是比 SLS 火箭大 10000 倍，會(huì)怎樣？

答案讓人觸目驚心，最終的速度僅僅提升了 1 公里而已。

說(shuō)白了，按照當(dāng)前的條件造火箭，這就是所能達(dá)到的速度極限。

什么阻礙了速度？

看到這里，相信你已經(jīng)滿臉疑惑了：為什么？憑什么！火箭造得再大、環(huán)境再理想，也飛不快嗎？為什么好像有個(gè)終極天花板把速度封頂了呢？這就要從決定火箭終極性能的核心規(guī)律——齊奧爾科夫斯基火箭方程[2][3]，說(shuō)起了。

其實(shí)火箭的速度上限，和起飛環(huán)境、火箭大小沒(méi)有本質(zhì)關(guān)系，大火箭能做到的事情，是提供更多的載荷。而真正能決定它最終能飛多快的，只有兩個(gè)關(guān)鍵因素：一是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴口的噴出物速度，二是質(zhì)量比，也就是火箭總質(zhì)量與除了燃料以外的剩余質(zhì)量的比值，通俗說(shuō)就是載荷占比。

先說(shuō)說(shuō)噴出物速度。

這是化學(xué)火箭最難以突破的一道枷鎖。化學(xué)火箭的動(dòng)力來(lái)自燃料的化學(xué)反應(yīng)，而化學(xué)反應(yīng)的能量上限，是化學(xué)鍵決定的。說(shuō)白了，就是點(diǎn)燃燃料，讓燃料爆燃著從噴口沖出去。燃料燃燒速度越快，爆燃越猛，噴出物速度就越快。

SpaceX的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)正在進(jìn)行地面測(cè)試

我們可以看看目前主流化學(xué)推進(jìn)方案的噴出物速度：

• 液氧煤油推進(jìn)，噴出速度大約在 3.0-3.3 公里/秒；
• 液氧甲烷推進(jìn)，略高一些，約 3.5-3.7 公里/秒；
• 而當(dāng)前最先進(jìn)的液氫液氧推進(jìn)，噴出速度也只能達(dá)到 4.4 公里/秒左右。

無(wú)論我們?nèi)绾蝺?yōu)化燃料配方、改進(jìn)噴管設(shè)計(jì)，化學(xué)火箭的噴出物速度，幾乎不可能突破 5公里/秒。這是化學(xué)鍵決定的理論上限。

所以，化學(xué)火箭想從提高噴出物速度找突破口，只有微弱的提升空間，想找到大的突破口，不可能！

再說(shuō)說(shuō)化學(xué)火箭的第二道枷鎖，載荷占比。

根據(jù)火箭方程，火箭能獲得的速度增量，和質(zhì)量比是對(duì)數(shù)關(guān)系。也就是說(shuō)，想讓速度翻倍，質(zhì)量比需要呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。舉個(gè)直觀的例子：

如果噴出物速度按 5 公里/秒計(jì)算：

想獲得 5 公里/秒的速度增量，質(zhì)量比需要達(dá)到 2.7；

想獲得 10 公里/秒的速度增量，質(zhì)量比就要達(dá)到 7.4；

想獲得 20 公里/秒的速度增量，質(zhì)量比就要達(dá)到 55。

這意味著，要讓火箭達(dá)到 20 公里/秒的速度，燃料重量需要是剩余重量的 55 倍
。

著名的土星五號(hào)火箭，其質(zhì)量比是23.1

很多人津津樂(lè)道的多級(jí)火箭，本質(zhì)上沒(méi)有什么黑科技，無(wú)非是通過(guò)提前扔掉已經(jīng)空了的燃料桶，減少無(wú)效載荷，變相提高質(zhì)量比而已。

無(wú)限制地提高火箭的個(gè)頭，可以讓最終有效載荷的占比無(wú)限縮小。但是，燃料總要裝進(jìn)殼子里，只要裝燃料的不銹鋼桶還存在，那么結(jié)構(gòu)重量占比就很難變小。最后，總的質(zhì)量比會(huì)被鎖死在結(jié)構(gòu)質(zhì)量上。速度的上限也就到了。

這也是為什么，即便把 SLS 放大10000 倍，速度也不過(guò)只能達(dá)到可憐的 25.9公里/秒的原因。

想象圖：在宇宙中建造的超級(jí)火箭

讓火箭長(zhǎng)時(shí)間加速是謊言

這里必須戳破一個(gè)大眾最常見(jiàn)的科普誤區(qū)：“很多科普書上都說(shuō)，很小的加速度，只要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間加速，就能得到極高的速度”。

很多人對(duì)火箭的理解都是這樣。所以很多人推崇得離子火箭之類的推進(jìn)方式。他們以為，只要慢慢加速，總能無(wú)限逼近光速。但真相是，火箭不能一直加速。當(dāng)火箭把自己攜帶的工質(zhì)全部扔完之后，就會(huì)停止加速了。

火箭的總速度增量，只取決于噴出物速度和總噴出質(zhì)量，和噴得快還是噴得慢、加速時(shí)間長(zhǎng)還是短，沒(méi)有任何關(guān)系。

不信，咱們算算看。假設(shè)等離子火箭噴出物的速度可以達(dá)到 30 公里/秒[4]，那么無(wú)論加速多長(zhǎng)時(shí)間，這枚火箭的最終速度也會(huì)停在 76 公里/秒的水平上。

這還是非常理想的狀況下計(jì)算出來(lái)的結(jié)果。因?yàn)榈入x子火箭很難做到如此之高的載荷比。

化學(xué)火箭是猛噴幾分鐘，燃料耗盡就停止加速。等離子火箭是慢慢噴上幾年，工質(zhì)耗盡也一樣停止加速。

只要總噴出質(zhì)量和噴出物速度不變，最終能達(dá)到的速度幾乎沒(méi)有差別。所謂“長(zhǎng)時(shí)間小加速度能逼近光速”，其實(shí)是一種理想主義的科幻想象。現(xiàn)實(shí)中，火箭的工質(zhì)都是自帶的，一旦噴完，加速就徹底結(jié)束了。

無(wú)工質(zhì)火箭的誤區(qū)

說(shuō)到這里，就不得不提大家常聽(tīng)說(shuō)的“無(wú)工質(zhì)火箭”了。其實(shí)，世界上根本就不存在真正的無(wú)工質(zhì)火箭。所有靠反沖力前進(jìn)的推進(jìn)裝置，本質(zhì)上都是把火箭上的質(zhì)量往屁股后面扔。唯一的區(qū)別只在于扔出物的速度快慢。

化學(xué)火箭扔的是高溫氣體，最快速度不會(huì)超過(guò) 5 公里/秒。而等離子火箭扔的是高速離子，速度可以達(dá)到 30 公里/秒。《三體》里的能夠用“前進(jìn)四”星際航行的戰(zhàn)艦，是核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)，靠的是把核聚變產(chǎn)生的高能粒子往后噴來(lái)獲得推進(jìn)力。你看，沒(méi)有任何一種火箭，能擺脫“扔?xùn)|西獲得反沖”的基本規(guī)律。

很多人覺(jué)得等離子火箭是星際航行的希望，其實(shí)它的局限性非常大。等離子火箭推力小，根本原因就是單位時(shí)間內(nèi)拋出去的質(zhì)量太少。

常見(jiàn)的離子推力器，推力只有幾十到幾百毫牛，差不多只能托起一張 A4 紙。即便未來(lái)技術(shù)突破，能讓它單位時(shí)間內(nèi)噴出更多質(zhì)量、提升推力，它依然逃不出火箭方程的約束。

想真正實(shí)現(xiàn)星際航行，唯一的出路只能是核動(dòng)力火箭，因?yàn)橹挥泻四埽拍馨褔姵鑫锼俣忍嵘揭粋€(gè)全新的量級(jí)，比如我們熟悉的《流浪地球》中，行星發(fā)動(dòng)機(jī)噴出物速度可以達(dá)到驚人的 10000 公里/秒，這足足是化學(xué)火箭的幾千倍！

流浪地球不可能

那么，如果不限時(shí)間，讓地球在行星發(fā)動(dòng)機(jī)的推動(dòng)下慢慢加速，流浪地球真的是可能的嗎？

我們不妨認(rèn)真地算一筆賬。

流浪地球中，火箭的總質(zhì)量，也就是地球的質(zhì)量約為 5.97×102? 千克[5]。假如行星發(fā)動(dòng)機(jī)可以拿任意地球物質(zhì)當(dāng)作燃料，那么我們可以把地表所有的物質(zhì)都拿來(lái)燒掉，只要讓 500 米深的地下城不被挖出來(lái)就行。

這么做的結(jié)果是，我們可以用來(lái)當(dāng)作燃料的物質(zhì)總量，占據(jù)了地球總質(zhì)量的大約萬(wàn)分之一。

現(xiàn)在參數(shù)清楚了。地球這個(gè)大火箭中，有 1/10000 的燃料和 9999/10000 的載荷，我們看看這艘火箭最快能飛多快。

答案非常扎心：只燃燒掉 500 米深的地殼物質(zhì)，無(wú)法改變地球的速度。

那么，如果我們把整個(gè)地殼都當(dāng)作燃料燒掉，會(huì)怎么樣呢？

太棒了，燒光了地殼之后，地球終于被我們推動(dòng)了，不過(guò)速度也只有可憐的 160 米/秒。

這就是質(zhì)量比的終極威力——哪怕噴出速度再高，只要有效載荷占比極端巨大，速度增量依然極其有限。《流浪地球》里的行星發(fā)動(dòng)機(jī)再震撼，從火箭方程的角度看，也終將是一場(chǎng)絕望的掙扎。

物理定律從一開(kāi)始就注定，要么你無(wú)法移動(dòng)半分，要么你把地球家園徹底當(dāng)作燃料燒掉。沒(méi)有第三條路可走。

總結(jié)

最后我們總結(jié)一下：SLS 作為化學(xué)火箭的巔峰，拼盡全力也只能把飛船推到 10 公里/秒左右；即便在太空建造、造得再大，化學(xué)火箭也很難突破 25 公里/秒的極限。

這不是化學(xué)火箭的無(wú)能，所有的火箭都是如此。

科幻電影里的星際戰(zhàn)艦

科幻電影里的星際戰(zhàn)艦，看起來(lái)很炫酷，但實(shí)際上質(zhì)量比極低，即便安上強(qiáng)大的核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)，也必然如同流浪地球一樣，只能龜速爬行。

不要妄想用攜帶一個(gè)核燃料箱就奔向星辰大海，為了星際探索設(shè)計(jì)的飛船，必須把 90% 以上的重量都用來(lái)放核燃料，然后把這些核燃料全部燒掉，才能獲得一個(gè)恒星際航行的入場(chǎng)券。

參考資料

[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