火箭是逃离地球大气层到达太空的最有效方式。几个世纪以来，天文学家和科学家一直梦想着探索宇宙，但进入太空旅行的技术问题直到19世纪才得到解决。

苏联的研究和发展实验室气体动力学实验室，在火箭技术的最初发展中发挥了至关重要的作用。1921年，他们开始专注于固体推进剂火箭，最终于1928年首次发射。虽然火箭只飞行了1300米，但这是一个重大的里程碑。

1926年，克拉克大学的罗伯特·戈达德教授将超音速喷嘴连接到高压燃烧室，使推力加倍，发动机效率从2%提高到64%。他用液体推进剂代替火药来减轻火箭的重量，使火箭的效能最大化。他的工作开启了现代火箭的新纪元。

从那时起，我们已经走过了漫长的道路。今天的火箭要复杂得多，用途也多种多样，比如用作人造卫星、太空探索和载人航天的运载火箭。

为了帮助你理解这些复杂机器的设计，这里列出了一些最常见的火箭部件及其用途。已经涵盖了火箭所有重要的组件，包括那些为火箭提供动力，控制和纠正运动方向的组件。

火箭的结构(或框架)是由轻质但坚固的材料制成的。虽然航天飞机火箭重达数十万公斤，但它们被设计得尽可能轻，这样它们就可以用最少的燃料将货物运送到地球轨道。与此同时，这种结构需要足够坚固，以承受高层大气的极端温度。

结构由不同的部件组成:

1）鼻锥体

阿特拉斯5号运载火星2020“毅力号”探测器的鼻锥体

火箭的顶部是锥形的，以调节迎面而来的气流行为，减少气动阻力。在这个圆锥体内是一个仓室，在那里有携带的卫星、辅助设备、植物或动物。鼻锥体的外表面设计可以承受空气动力加热产生的极端温度。

2）火箭体

火箭体装有燃料、氧化剂和发动机。燃料和氧化剂一起构成推进剂。燃料是一种化学物质;如果没有氧化剂(氧气)，它就不能燃烧或为火箭发动机提供动力。由于火箭进入太空(那里没有空气)，它们必须携带氧气。

每次任务需要携带的燃料和氧化剂的数量都是精确计算的。只有当火箭产生的推力大于火箭的总质量时，火箭才能离开地面。更高的质量意味着你需要一个更强大的发动机，这反过来又需要更多的燃料。这就是为什么每一盎司的重量都很重要，质量被削减到最基本的部分。

在一个典型的火箭中，大约90%的总质量是推进剂，6%是结构(箭体，发动机，尾翼)，4%是有效载荷(宇航员，卫星，附加仪器，食物)。

3）尾翼

尾翼安装在火箭体的下部。它们在飞行过程中提供稳定性。换句话说，它们保持飞行器的方向和预定的飞行路径。它们的工作原理与箭尾处的羽毛相同。羽毛上的阻力使尾巴保持在后面，这样箭尖就可以直接迎向风。

如果没有尾翼，火箭将在离开发射器后几秒钟内失去控制。这是因为几种力(包括空气动力学、重力以及发动机产生的力)同时作用于车辆。一旦重心低于压力中心，火箭就会变得不稳定。

在制造火箭时，设计师会考虑各种因素，如尾翼的形状、数量、大小和位置。它们通常位于后部，除非火箭有机载自动制导系统。

4）材料

火箭的主体由几种坚固而轻便的材料制成。例如，硬铝是火箭舱中最常用的合金。这种合金由铝、铜以及少量的锰和镁组成，这使得它更坚硬、更坚固。由于它的可焊性很低，硬铝零件通常是用螺栓或铆接的。

美国和苏联之间的太空竞赛导致了含有多达10种成分的大量坚固铝合金的发展。其中大部分，包括铝和锂合金，仍然用于制造多级火箭部件。

另一种常见的合金是不锈钢。它在许多方面优于铝合金。它又硬又轻，它可以承受极端载荷而不变形，而且比铝合金便宜得多。现在，它被用来建造推进剂储罐(壁厚约0.5-1毫米)。

铜合金也用于某些部件。例如，铬铜合金被用来制造火箭发动机的内壁。它可以承受发射过程中喷嘴喷出的极端高温(3500开尔文)。

此外，钛还用于制造火箭发动机的叶轮。与其他材料不同，钛及其合金在航空航天环境中不会被腐蚀。它们在大多数氧化性、中性和抑制还原条件下都具有优异的抗氧化性。但由于它们比铝合金和合金钢更重、更昂贵，它们的使用量非常有限。

有效载荷取决于太空任务。同一枚火箭可以被修改为发射不同目标的有效载荷，例如用于天气监测、通信、间谍或探索外层空间的卫星。

然而，任何火箭携带的最有价值的有效载荷是人。20世纪60年代初，美国的土卫六、阿特拉斯和红石等军用火箭将双子座和水星宇宙飞船送入轨道。双子座3号宇宙飞船将两名宇航员送入近地轨道，以研究太空飞行的影响。

将卫星和复杂的仪器送入太空并不像听起来那么容易。有效载荷不仅需要被送入太空，而且还必须安全到达预期的轨道。由于火箭推力引起的极端加速或发动机节流引起的加速度大小或方向的快速变化，不应造成物理损坏。此外，生物、化学或电气有效载荷也可能因温度或压力的突然变化以及宇宙射线的辐射暴露而受损。

为了确保这种情况不会发生，大多数有效载荷都是在到达目的地的途中承受一定程度的恶劣条件。此外，它们被封闭在一个鼻锥体(也称为有效载荷整流罩)中，这使它们免受极端温度和压力的影响。

三人阿波罗飞船、双人双子座飞船和一人水星飞船的相对有效载荷大小

土星5号火箭保持着向近地轨道及更远轨道发射最重、最大载荷的记录。它被用来向近地轨道发射14万公斤的有效载荷，包括将阿波罗号和登月舱送往月球所需的未使用的推进剂。

在1967年到1973年之间，土星5号总共向月球发射了24名宇航员，并向近地轨道发射了一个空间站(名为天空实验室)。

火箭的制导系统由复杂的雷达、传感器、通信设备和机载处理单元组成。它有两个主要功能:

——在发射过程中提供稳定性

——在机动过程中控制飞行器

科学家已经开发了许多技术来控制火箭的飞行。这些技术大多涉及分析作用在火箭上的所有力，这些力有助于最终的运动。一旦系统有了所有的数据，它就可以精确地计算出飞入目标轨道的路径。

早期的火箭（以及目前的一些）通常在后部使用可移动的尾翼。这些鳍片为飞行器提供适当的空气动力，使其在飞行过程中保持稳定。

总的来说，制导系统有三个组成部分:

1）输入: 它包括传感器、无线电和卫星链路以及其他数据源。

2）处理: 它包含多个CPU，处理数据并计算“下一步”以实现适当的方向。

3）输出: 然后将数据直接发送到数字自动驾驶仪以采取必要的行动。自动驾驶仪不断向制导系统提供飞行控制状态的反馈。

由SpaceX公司开发的猛禽发动机

火箭发动机的目的是产生推力。虽然不同类型的发动机以不同的方式工作，但它们都基于牛顿第三运动定律: 每一个作用力都有一个相等和相反的反作用力。

发动机向一个方向抛出质量(以高压气体的形式)，以产生相反方向的反应。质量来自于燃料。

与飞机发动机不同，火箭发动机需要燃料和氧化剂(氧气的来源)。这是因为太空中没有氧气，所以火箭必须自己携带氧气。燃料和氧气在燃烧室中混合并点燃。这种反应产生排放气体，排放气体通过喷嘴产生推力。

产生的推力的数量是基于流过发动机的质量和气体的出口速度(当燃料燃烧时，它会从固体变成气体或从液体变成气体。)

火箭发动机主要有两种: 固体推进剂火箭和液体推进剂火箭。

前者可以储存数年而没有明显的推进剂降解，并且它们可以可靠地发射。然而，由于它们的性能差(与液体燃料火箭相比)，它们目前不用于主要任务。它们被用来发射较轻的有效载荷(小于2吨)到近地轨道。

液体燃料火箭更重，储存和操作更复杂。然而，它们提供了更高的推力单位重量的推进剂燃烧。一旦启动，它们可以很容易地关闭，这提供了额外的安全层。这些发动机可以设计成在轨道机动飞行期间多次启动和关闭。。

一些火箭发动机由电力(电弧喷射火箭和电阻喷射火箭)或核能(气体堆芯火箭和裂变碎片火箭)提供动力。然而，它们目前效率非常低，需要大量的研究和测试。

推进剂是大量储存在燃料箱中，然后作为高速物质(以气体的形式)从火箭喷嘴喷射出来产生推力。最常见的推进剂包括煤油或液氢等燃料，以及硝酸或液氧等氧化剂。

燃料在燃烧室中与氧化剂一起燃烧，产生大量的热气体。现代火箭，如猎鹰重型、猎鹰9号、阿特拉斯5号、长征6号、安加拉和天顶特都使用液氧和高度精炼的煤油。这种混合物用于在地面升空的第一级助推器。

有些推进剂(称为单推进剂)不需要燃烧就能发生化学反应。它们可以用催化剂分解，产生热气体。过氧化氢、氧化亚氮和联氨是这种单一推进剂的完美例子。

早期的火箭使用固体推进剂，其中含有固体氧化剂颗粒的混合物，如高氯酸铵、二硝酰胺铵和硝酸铵，在聚合物结合剂中，与HMX或RDX等爆炸性化合物的粉末混合。稳定剂、燃烧速率调节剂和增塑剂也被添加到固体推进剂中。

资料来源：5 Most Important Parts Of A Rocket [Explained] | 2023 Edition - RankRed