在火箭科技的發(fā)展推動下，我們環(huán)游了地球，登上了月球，并且發(fā)射了探測器去探索內(nèi)行星，也曾冒險穿過小行星帶，穿越了外行星并拍攝了它，甚至越過了太陽系，進(jìn)入了星際空間的深處。然而“科學(xué)”帶給我們成功的同時，也給我們帶來了嚴(yán)重的限制，限制著我們到底能到達(dá)多遠(yuǎn)的未來？今天我們要回答一個特別的問題：火箭方程式是否阻礙了我們？
火箭方程的發(fā)展可以追溯到17世紀(jì)中葉，當(dāng)時，艾薩克·牛頓（Isaac Newton）和戈特弗里德·萊布尼茨（Gottfried Leibniz）發(fā)展了微積分，在此之下，對動量有了更好的理解。時間快進(jìn)到1903年，俄羅斯科學(xué)家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)將牛頓的理論應(yīng)用于火箭的建造，由此，太空飛行的時代開始了。
火箭本質(zhì)上是通過在它的另一端進(jìn)行聚焦和引導(dǎo)精確的能量來實現(xiàn)發(fā)射的物體，并且火箭是有動量的物體，它們甚至依靠動量來逃離大氣層。不過，這個想法并不新鮮，例如，古代中國曾在公元100年左右就使用火箭技術(shù)來制作煙花；幾個世紀(jì)以來，火箭技術(shù)也以某種方式在各種軍隊和軍事中被使用，為許多毀滅性武器提供了基礎(chǔ)。
當(dāng)然，在整個20世紀(jì)，這些武器變得越來強(qiáng)大，越來越具有破壞性……但也正是在這個時候，我們開始建造更高級的火箭，目的不是殺人，而是探索。目前，我們已經(jīng)實現(xiàn)了很多探索：在月球上插上了國旗，在軌道上建了空間站，還以某種方式觀測了太陽系中所有已知的行星。那么，火箭方程怎么會限制我們呢？
火箭方程等式本身包含三個主要變量：Delta V，這是對抗重力的能量消耗(或它可能達(dá)到的速度)；排氣速度，即火箭燃料的功率(或它可能產(chǎn)生的能量)；推進(jìn)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，它告訴你一艘質(zhì)量固定的船上用于裝載燃料的質(zhì)量百分比。簡單地說，火箭方程的重點在于1)飛行器需要以多大的速度才能擺脫重力，2)燃料可能產(chǎn)生多大的速度，3)需要攜帶多少燃料才能到達(dá)目的地。
考慮到所有因素，我們主要受制于火箭燃料所需量，這往往非常重。舉個例子，假如我們想將一支一磅的火箭升離地面，還需要一磅的燃料來克服重力從而實現(xiàn)。在我們開始前，那么火箭就兩磅重了，這又需要更多的燃料來發(fā)射…那么它就更重了，意味著我們將需要更多的燃料，等等。在所有依賴燃料的交通工具中，沒有任何其他工具像火箭一樣更嚴(yán)重受制于燃料。雖然汽車的燃料質(zhì)量大約4%，而戰(zhàn)斗機(jī)的燃料質(zhì)量則達(dá)到了40%，但建造一艘火箭飛船必須將其總質(zhì)量的 85% 用于提供使其起飛所需的燃料。
剩下的15%則要包含宇航員，各種復(fù)雜的生命供給系統(tǒng)，食物儲存，氧氣罐，艙內(nèi)管道，計算機(jī)，通信設(shè)備…還有航天任務(wù)需要的任何東西的質(zhì)量。一些火箭比其他火箭更能體會到空間限制，據(jù)報道，土星五號燃料之外只剩余4%的船體質(zhì)量！但是，這確定全都因為我們所用的燃料嗎？我們就不能找到一些更高效的燃料嗎？這是NASA、ESA、Roscosmos 和其他所有航天機(jī)構(gòu)思考過很多次的問題。
我們一直在試驗不同的燃料類型，但仍然明顯回避了火箭方程參數(shù)。在各種迭代中，看似“更輕”的燃料往往會更快地消耗能量，或者一開始就沒那么有動力。NASA最常使用的是液氫和液氧的混合物。在我們所能獲取的燃料中，它燃燒最充分并能提供最大能量，但是它也是最復(fù)雜的選擇—它仍然受到同樣的限制。在很多方面，這僅僅是化學(xué)的問題；我們不能從迄今開發(fā)的燃料中獲得更多的能量。但如果我們從其他外部因素入手呢？也許我們可以使用相同燃料但獲得更高效果。最大難關(guān)之一在于我們所有的資源都來自地球，而逃離地球軌道需要巨大能量?；鸺辽僭诖蠹s25000英里/小時的速度才能剛好克服地球引力。
所有這些說明，在前往火星的旅程中，整個旅程所需燃料的一半左右將僅僅用于使航天飛機(jī)離開地球并進(jìn)入軌道。因此，如果我們能在其他地方建立一個發(fā)射基地--比如說月球，重力僅為地球的1/6--那么，發(fā)射火箭所需的能量就會少很多。我們已經(jīng)知道月球上有冰，那么如果有足夠的資源，理論上我們可以把冰變成氫氧燃料來用于火箭發(fā)射。
不過，還有一個明顯的問題：雖然這個假設(shè)能幫我們解決燃料問題，但困難在于將物資運(yùn)送到月球，以完成項艱巨的任務(wù)--而且這個運(yùn)送過程甚至?xí)訌?fù)雜。因此，一些科學(xué)家已經(jīng)建議使用核能來代替發(fā)動機(jī)燃料了。而一些早期的實驗性的核能方案的結(jié)果顯示，核能確實能夠提供我們現(xiàn)在使用的燃料的能量輸出的兩倍。如果核替代方案在未來廣泛應(yīng)用，也許我們可以比從前任何時候都探索得更遠(yuǎn)。
但是，這一選擇也將帶來一切新的、必然存在的風(fēng)險。就像切爾諾貝利和福島這些災(zāi)難所證明的那樣，核能的使用具有極其危險的潛在性。因此，在本就復(fù)雜艱險，一步都不能錯的太空航行中再添上核能這一項風(fēng)險極大的技術(shù)，這對許多人來說都是最主要的擔(dān)憂。在火箭上，即使是最小最小的故障也能夠造成最嚴(yán)重、乃至毀滅性的災(zāi)難。以挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)為例——它起飛后不久的爆炸，原因僅僅是一個有問題的（用于密封的）小小O型環(huán)，以及比預(yù)期略冷了一點點的天氣?，F(xiàn)在想象一下，由于類似的、看起來非常小的失誤，而導(dǎo)致核能火箭有爆炸的危險......其結(jié)果將會是災(zāi)難性的。
不過，也并不是只有壞消息。美國宇航局還對離子發(fā)動機(jī)進(jìn)行了實驗，到目前為止已經(jīng)取得了有希望的結(jié)果。離子發(fā)動機(jī)的工作原理是利用群星中唯一常見的能量來源--恒星本身。離子火箭裝有太陽能電池板，將光能導(dǎo)入其發(fā)動機(jī)，通過給電子通電使其砸向核心中的氙氣，然后釋放出一股離子射流。這些離子射流的加速速度比傳統(tǒng)燃料慢得多，但在相同的能量輸出下，其重量僅為液體燃料的十分之一左右。美國宇航局已經(jīng)在過去多次使用過離子引擎了--值得一提的是，在2007年的破曉任務(wù)中，該任務(wù)使用離子引擎到達(dá)了小行星灶神星。
因此，未來是有希望的！雖然目前我們所實現(xiàn)的大部分太空航行都依賴于火箭方程，但是科學(xué)家開始將目光放在火箭方程之外。如果有一天我們可以解決火箭方程的問題，長期的星際航行將會更有可能實現(xiàn)。太空任務(wù)會因為沒有花費大量的燃料而更加便宜；每一個火箭將會有更多的空間運(yùn)送補(bǔ)給，從而減少理論上所需的航行次數(shù)。我們將會向成為星際文明邁進(jìn)一步。而我們的航天飛機(jī)也會因為更多的空間而變得更快，更舒適，更安全。但是在我們找到另一種推進(jìn)方式之前，火箭方程仍然是統(tǒng)治著太空旅行，限制了我們對太空旅行的想象。這就是火箭方程阻止我們前進(jìn)的原因。
星際旅行是目前理論上的概念，即星際探測器或載人航天器在星系的恒星或行星系統(tǒng)之間旅行。星際旅行將比行星際旅行復(fù)雜得多。太陽系中行星之間的距離通常不到30個天文單位（AU），而恒星之間的距離卻是數(shù)十萬AU，經(jīng)常以光年表示。由于這些距離太過遙遠(yuǎn)，根據(jù)已知的物理學(xué)，實際的星際旅行需要以較高比例光速的速度進(jìn)行；即使如此，旅行時間也會很長，至少幾十年，也許幾千年或更長。
在人類的一生時間中進(jìn)行星際旅行所需要的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了目前太空旅行的方法所能提供的速度。即使有一個理想的完美功效的推進(jìn)系統(tǒng)，以今天的能量標(biāo)準(zhǔn)，與這樣的速度相對應(yīng)的動能也是巨大的。此外，航天器與宇宙塵埃和氣體的碰撞對乘客和航天器本身都有可能非常危險。
無論是載人還是非載人的星際旅行，都需要解決相當(dāng)大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)。即使是對星際旅行最樂觀的看法也認(rèn)為它在幾十年后才是可行的。然而，盡管存在這些挑戰(zhàn)，如果一旦實現(xiàn)了星際旅行，預(yù)計會帶來廣泛的科學(xué)利益。
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