事实证明，它们仍然依赖于燃烧和牛顿第三运动定律。

SpaceX 的猎鹰重型火箭在浓烟中发射。 （图片来源：SpaceX）

在太空中，火箭在没有空气可以推动的情况下四处飞行。他们的秘密是什么？

事实证明，为火箭提供动力的发动机不同于为飞机或其他地球设备提供动力的发动机。火箭发动机将所需的一切都带入太空，而不是依靠空气。

像地球上的发动机一样，火箭发动机使用燃烧来运行。由于所有形式的燃烧都需要氧气，因此火箭会携带像液氧这样的氧化剂进入太空。这意味着他们不必像汽车发动机那样依赖周围的空气。

渥太华加拿大航空航天博物馆的科学顾问卡桑德拉·马里恩告诉 Live Science：“那么火箭仍然有燃料，无论是煤油、甲烷还是液氢，都可以产生反应。”

她解释说，火箭的设计包括一个燃烧室，氧化剂和燃料在此发生反应，然后是一个喷嘴，燃烧产物从中喷出。

“由燃烧引起的爆炸会产生非常热的气体，这些气体会从火箭底部排出，”马里恩说。 “如果你把足够的力推到火箭底部，反作用就是火箭向相反方向运动。”

这是对艾萨克牛顿第三运动定律的引用。我们经常说每一个动作都会产生一个相等和相反的反应，尽管这并不是牛顿所说的那样。

他在 1766 年的“自然哲学的数学原理（第 1 卷）”中对他的拉丁文的一个较旧的英文翻译描述了该定律：“对于每一个动作，总是有一个相等的反应：或两个物体的相互作用彼此总是平等的，并且指向相反的部分。”

换句话说，火箭是在一个充满力量的宇宙中工作的。有时力量是不平衡的，我们看到火箭的加速度将其惰性物体向上推入太空。然而，有时力量是平衡的，例如放在桌子上的一本书（或在发射台上等待发射的火箭）。

“根据第三定律，桌子对书施加相等且相反的力。这种力的发生是因为书的重量导致桌子轻微变形，因此它像螺旋弹簧一样推回书本，”Britannica 写道。

运动规则还必须考虑到轨道力学。简单地说，在像地球这样的大行星周围，每个可能的高度都有一个与之相关的特定速度。

轨道的最高点是近点，最低点是远点。正如 NASA 解释的那样，火箭只能通过在远点时打开引擎（或以其他方式增加能量）来增加近点。或者如果火箭想要降低它们的高度，它们需要在近点移除能量（打开发动机）。

地球大气层对航天器和国际空间站的持续拖累，迫使它们定期发射火箭发动机以防止落回地球。因此，除了最高地球轨道之外的所有任务都必须携带足够的燃料，以防止这种“后退”的发生。

“根据火箭的大小、燃料的类型以及增加火箭质量的一切因素，可以非常精确地测量要在火箭中放入多少燃料，”马里恩说。设计师还必须考虑牛顿第二定律。一种改写方式：施加在物体上的力使它们产生加速度，加速度的大小取决于物体的质量。

因此，在将飞行器送入轨道之前，设计人员必须考虑火箭的比冲。美国宇航局表示，这是衡量火箭燃料效率的指标，即每燃烧燃料量的推力。该机构补充说：“比冲越高，每磅燃料获得的‘推离垫’就越多，”该机构补充道。

为火箭添加更多燃料并不总是解决轨道问题的方法。这是因为更多的燃料意味着更多的质量，这增加了任务的成本，因为将航天器和火箭推离发射台需要更多的能量。

据该机构称，美国宇航局经常使用液氢和液氧，因为这种组合提供了所有常用火箭燃料中最高的比冲。然而，氢气的密度如此之低，单独使用推进剂是不切实际的：该机构表示，储罐“太大、太重，而且保护低温推进剂的绝缘层过多，不实用”。

这就是为什么许多发射火箭任务需要助推器的原因。今天的一个例子是美国宇航局的太空发射系统，这是一种用于月球任务的深空火箭，旨在使用两个助推器。这些助推器共同提供了使 SLS 起飞所需的总发射推力的 75%。

对于更遥远的目的地，航天机构会发挥创意。为了在拍摄遥远的行星（如木星）时节省资金，一些航天器绕着行星（比如金星）旋转，并利用它的重力来提高速度。这缩短了到达其他目的地所需的时间，并且需要火箭携带的燃料少于前往这么远的地方所需的燃料。