把一枚火箭放平擺在拖車上,從外面看只有三樣東西:一根很長的白色管子、頂端一個罩子、底部一圈噴嘴。

真正決定它能做什麼、要花多少錢的,全在你看不見的地方——這根管子要斷成幾截、噴嘴裡怎麼燒、管子裡裝的是什麼。

這一章把它拆開。

大部分的火箭,就是推進系統

NASA 把一枚火箭分成四個系統:結構、酬載、導引、推進。結構是骨架,像飛機的機身,用又強又輕的材料;酬載是任務本身;導引負責控制與穩定。然後 NASA 用一句話說完剩下的:「一枚全尺寸火箭的大部分,就是推進系統。」

第 1 章算過那筆帳——入軌火箭大約九成的起飛重量是推進劑。這一章要問的是另一半問題:剩下那一成的硬體,是怎麼配出來的。

從上往下拆一遍(以獵鷹 9 號為例)。最上面是整流罩,碳纖維複合材料的蚌殼,任務一離開大氣層就丟掉。裡面是酬載。再往下是二級:一具真空版引擎,配一個固定的 165:1 膨脹噴嘴——SpaceX 特別說明選固定式是為了消掉噴嘴展開失敗這個失效模式。

接著是級間段,連接兩節的複合結構,鋁蜂巢芯外面包碳纖維面層。再往下就是一級的槽體,鋁鋰合金蒙皮、攪拌摩擦焊,液氧槽與煤油槽之間只隔一道共用隔艙——省掉一整片箱底的重量。

有個細節很能說明這種設計的個性:液氧在上、煤油在下,所以液氧得穿過整個煤油槽才能到達引擎,SpaceX 用一根雙層壁的輸送管把它從煤油槽正中央穿下去。同樣的思路還出現在推力向量控制上:一級的作動系統直接抽高壓煤油來用,而不是另外裝一套液壓油與增壓系統——少一個系統,就少一組會壞的東西,也不會有液壓油用完這回事。

幾節?兩節,理由是「少出一次錯」

分級為什麼有效,第 1 章講過:丟掉燒完的空槽,質量比重新變好。但方程式只說「多分幾級比較省」,它不會告訴你該在哪裡停。

停在哪裡是工程與帳本的事。每多一級,就多一整套槽、引擎、航電,以及一次分離。多出來的速度增量越來越少,多出來的失效模式卻是實打實的。

SpaceX 在用戶指南裡把這個判斷寫死了:獵鷹 9 號選兩節架構,是為了把分離事件的數量壓到最少,同時消掉三、四級的分離、引擎展開與點火失效模式。獵鷹重型用的是同一套架構,只是多了兩具會分離的側掛核心。

也不是所有人都停在二。NASA 的 SLS 是芯級加兩具固體助推器,上面再疊一節上面級——芯級燒完約 500 秒後與上面級和獵戶座太空船分離。要去高軌或深空的火箭常常多一節,因為那一段工作和爬升完全不同:它要在真空裡安靜等上很久,再重新點火。

引擎:同樣的燃料,不同的燒法

把推進劑從槽裡送進燃燒室要靠泵,泵要靠動力,動力也得從推進劑本身來。怎麼安排這件事,叫引擎循環。它幾乎決定了一具引擎的難度、價格,以及你敢不敢一次裝很多具。

灰背隼引擎(Merlin)走的是氣體發生器循環。SpaceX 在用戶指南裡講得很坦白:用氣體發生器,「而不是更複雜的分級燃燒循環」。做法是分出一小股推進劑另外燒,推動渦輪帶動泵,廢氣直接排掉。它的渦輪泵是單軸的——液氧泵、燃料泵、渦輪串在同一根軸上;噴注器用針栓式,燃燒穩定性是結構本身給的。

那股排掉的廢氣就是代價:燒了卻幾乎沒換到推力,效率天生打折。換到的是零件少、好造、好修。

RS-25 走的是另一條路:分級燃燒。NASA 的描述是,兩具低壓渦輪泵先把推進劑餵給兩具高壓渦輪泵,高壓泵再供給燃燒裝置,其中包含兩具預燃室與主燃燒室。預燃室的廢氣不排掉,全部灌進主燃燒室繼續燒——沒有一克推進劑白費,真空推力 2,279 kN。代價就寫在那串清單裡:四具泵、兩具預燃室,外加一整套把高溫富燃氣體送進主室的管路。

兩具火箭引擎剖面對比:左側引擎只有一具單軸渦輪泵與少數管路,側邊有一根排廢氣的小導管;右側引擎有四具泵體與兩具預燃室,被密集管線纏滿
圖:星際前沿自製概念插畫(非實拍、非工程圖)

星艦的猛禽引擎(Raptor)也是分級燃燒。SpaceX 官網的說法是「可復用的甲烷─氧分級燃燒引擎」,單具推力是灰背隼的兩倍。

這裡沒有正確答案,只有你想把難度放在哪裡。SpaceX 的用戶指南乾脆把「造得多」列為可靠度來源之一:獵鷹 9 號每飛一次要十具灰背隼、獵鷹重型二十八具,這種產量會逼出穩定的製程與大量飛行數據。而 RS-25 從太空梭時代算起飛了 135 趟,是史上被測試得最徹底的大型引擎之一——那是另一種可靠度,靠時間與試車台換來的。

燒什麼:液氫會讓火箭變胖

最後一格是推進劑。這件事很容易被講成「誰的比衝高」,但真正咬人的往往是密度。

NASA 公布的 SLS 芯級數字,一次就把話說完。液氫槽裝 317,000 磅、約 144 公噸的液氫,佔掉 537,000 加侖、大約 200 萬公升;液氧槽裝 186 萬磅、約 844 公噸,只用掉 196,000 加侖、大約 74 萬公升。

同一枚火箭,燃料吃掉將近四分之三的槽體積,卻只佔不到 15% 的推進劑重量。

液氫的性能是化學火箭裡最好的一檔,RS-25 就是靠它。但你得付出一根直徑 8.4 公尺、長 64.6 公尺的芯級來裝,還得讓它一直待在極低溫、防它從任何一條縫漏掉。煤油走另一個極端:密度高、槽可以做小、常溫可存、便宜好買。甲烷夾在中間——第 1 章提過星艦為什麼選它。

所以「哪種推進劑最好」是個假問題。真正的問題是:這個任務願意為性能付出多少體積和多少麻煩。

固體助推器:點了就關不掉

液體之外還有一條路。

SLS 的兩具五節段固體助推器,每具最大推力 360 萬磅,在飛行的前兩分鐘提供全箭七成五以上的推力。固體火箭的結構簡單到近乎粗暴:一個殼、一塊固態推進劑、一個噴嘴。沒有泵、沒有閥、沒有輸送管路,氧化劑直接混在推進劑裡。

固體與液體火箭剖面對比:左側殼體內填滿固態推進劑,中央是星形孔道,除噴嘴外沒有任何管路;右側則是兩個低溫液體槽加上底部一整叢泵、閥與管線
圖:星際前沿自製概念插畫(非實拍、非工程圖)

代價 NASA 講得很白:液體火箭要停,把推進劑的流量關掉就行;固體火箭要停,「你得把殼體破壞掉」。點火的那一刻,這一段飛行就已經寫死了。

反過來,它也有液體給不了的東西。NASA 同一頁提到,固體火箭好處理得多,可以擺上好幾年再點火。要的是起飛那兩分鐘的蠻力、或是長期待命,固體就是答案。

這三格會互相鎖死

分幾節、什麼循環、燒什麼——這三格不能各自最佳化。

選了液氫,槽就得做大,結構重量跟著上去,起飛推力可能得靠固體助推器補回來(SLS 正是這個組合)。選了分級燃燒,單具引擎的價格與工期就上去,你不會想一次裝二十七具。決定要回收,你會偏好燒得乾淨、積碳少的燃料,因為同一具引擎接下來還要點很多次。

下次看規格表,把這三格連起來讀。一枚火箭的個性,大概就在裡面了。

下一章談發射流程:從倒數到入軌,每一分鐘各自在幹嘛。

現在就能做的事

挑一枚你叫得出名字的火箭,先別查資料,用這一章的三格自己填一次:分幾節、一級有幾具引擎、燒什麼。

前兩格光看發射照片就能數:箭體上明顯的橫向接縫,還有底下那一圈噴嘴。

填完再去火箭圖鑑對答案。對不上的那一格,通常就是這枚火箭最有話講的地方。