运载火箭是如何工作的
运载火箭就是一个很好的例子牛顿的第三运动定律“每一个作用力，都有一个大小相等、方向相反的反作用力。(如需详细解释，看到火箭)。就运载火箭而言，“作用”是运载火箭燃料在火箭发动机中燃烧产生的废气从运载火箭后部流出，而“反应”是施加在运载火箭内部结构上的压力，称为推力，将运载火箭推向与排气流相反的方向。喷气发动机的工作原理与此相同，但从大气中获取燃烧燃料所需的氧气。与喷气发动机不同的是，火箭自带氧化剂。这样，它们就可以在大气层之外的真空中工作。
运载火箭设计者的首要目标是最大限度地提高运载火箭的重量能力同时以可接受的成本提供足够的可靠性。在这三个因素之间取得平衡是具有挑战性的。为了使运载火箭离开地球，它向上的推力必须大于运载飞船有效载荷、运载火箭推进剂和运载火箭结构的总重量。这就要求飞行器的机械结构、燃料箱和火箭发动机都要尽可能轻，但又要足够坚固，以承受在抗阻力大气中快速加速所产生的力和应力。大多数情况下，在发射前，推进剂占运载火箭-航天器组合总重量的80%或更多。
阶段
一种基本的运载火箭设计方法，首先由康斯坦丁·Tsiolkovsky方法是将飞行器分为“阶段”。第一级是运载火箭最重的部分，有最大的火箭发动机，最大的燃料和氧化剂罐，最大的推力;它的任务是传授最初的推力需要克服地球引力，从而将飞行器的总重量和有效载荷从地球上提起来。当第一级推进剂用完后，第一级与运载火箭的其余部分分离，并落到地球上，要么坠入海洋，要么落在人口稀少的地区。第一级的重量消失后，第二级用它自己的火箭发动机和推进剂继续加速飞行器。目前使用的大多数一次性运载火箭只有两到三级，但在过去，需要达到五级，每级都比前一级轻轨道速度．当上面的一级完成任务后，它要么掉回地球表面，要么进入轨道本身，或者，最常见的，分解和蒸发遇到在落到地球时产生的大气热量
一个特定的运载火箭可以以几种不同的方式配置，这取决于它的任务和要发射的航天器的重量。这种重新配置可以通过增加不同数量的捆绑式助推器来完成，通常是固体火箭发动机，在飞行器的第一级或使用不同的上部级。
原则上，太空发射器只需使用一级就可以到达地球轨道，事实上，已经有几次尝试开发可重复使用的“单级入轨”运载器。然而，所有的尝试都失败了;推进和材料技术需要使单级飞行器足够轻和强大，以达到轨道速度，同时携带有意义的有效载荷尚未开发。
上阶段
所有的运载火箭都采用一个以上的级来将航天器加速到轨道速度。自第一次轨道发射以来(人造卫星)，在1957年，有许多不同的上层阶段。大多数火箭只能作为一种运载火箭的一部分使用。这些上层舞台的演变是由引入更现代的愿望所驱动的技术这将提高运载火箭的整体提升能力，降低成本，提高可靠性——或者这些因素的组合。上层级的微小改进可以显著提高运载火箭的性能，因为这些级只在第一级发射完毕后才开始工作加速飞行器以高速穿过大气层最厚的部分。
几个上面的级已经用于不止一个系列的运载火箭。例如，阿金纳上层阶段最早发展于美国作为最初侦察卫星计划的一部分。“雷神-阿吉纳”运载火箭的“阿吉纳”上部将“科罗纳”号航天器推进轨道，并与之相连，为航天器的运行提供动力和指向。Agena使用自燃推进剂;它还与阿特拉斯和土卫六第一阶段的后续任务。后来版本的阿吉纳能够在轨道上重新启动引擎，携带其他国家安全有效载荷,发送管理员而且月球轨道器宇宙飞船到月球和水手宇宙飞船到金星和火星，并作为交会的目标车辆由双子座双人飞船。Agena上部级的使用一直持续到20世纪80年代中期。
美国的另一个上层级，与阿特拉斯和泰坦运载火箭一起使用半人马．这是美国第一个采用低温推进剂的火箭级。阿特拉斯-半人马运载火箭的第一次使用是发送验船师1966年和1967年分别向月球发射了宇宙飞船;它在阿特拉斯第一级上执行了许多后续任务。当结合拥有强大版本的泰坦运载火箭，半人马还被用于向火星和外行星发送各种航天器，并发射各种重型国家安全有效载荷。
使用固体推进剂的各种上层被用来携带有效载荷航天飞机的低地球轨道到高轨道。曾计划在航天飞机上携带液体燃料的半人马飞船发射行星飞船，但这些计划在1986年之后被取消挑战者号事故是因为安全考虑。固体推进剂上层也被用于δ以及泰坦运载火箭。
苏联和俄罗斯的运载火箭使用了各种各样的上部级;大多数人都用过传统的煤油作为燃料。最近的两种上层级，使用低温推进剂的Block DM和更流行的使用自燃推进剂的Briz M，已经开发出来质子发射器。有一个不断发展的上层阶段与使用联盟号发射器;1999年，带有可重新启动火箭发动机的上层开始服役。
的欧洲航天局其上部采用低温级阿丽亚娜1 - 4发射器。阿丽亚娜5号最初的版本在上层使用自燃推进剂，尽管在2006年引入了新的低温上层。日本而且印度分别在其最强大的运载火箭H-IIA和GSLV的上层使用低温推进剂。
燃料
的燃料用于火箭动力的燃料可分为两大类:液体燃料和固体燃料。液体燃料的范围可以从广泛可用的物质，如普通的煤油而液氢必须保持在20°K(- 253°C，或- 423°F)的极低温度。液氢被称为低温燃料。另一种液体燃料称为自燃燃料，与氧化剂接触时自燃;这种燃料通常是某种形式的联氨．自燃燃料是非常有毒因此很难处理。然而，由于它们可靠的点火和重新启动的能力，它们被用于一些火箭的第一级或第二级以及其他应用，如轨道机动发动机。在阿波罗按照计划，它们被用来将登月舱的乘员舱从月球表面提离。
为了燃烧，液体火箭燃料必须在火箭发动机的燃烧室中与一种称为氧化剂的富氧物质混合。煤油和液氢常用的氧化剂是液氧。氧气必须保持在低于- 183°C(- 298°F)的温度下，以保持在一个安全的环境中液态．与自燃燃料一起使用的氧化剂通常是四氧化二氮或硝酸．像自燃燃料一样，氧化剂是剧毒物质，因此很难处理。
液体燃料火箭发动机是复杂的机器。为了达到最大效率在美国，燃料和氧化剂都必须以高速率、高压和适当的混合物泵入发动机的燃烧室。燃油泵是由燃烧少量燃料的涡轮驱动的。有各种各样的方法来为火箭发动机的叶轮机械提供动力，但都需要高性能的机制，并且是运载火箭故障的主要潜在来源之一。燃烧后，产生的废气通过喷嘴排出，喷嘴的形状将其加速到高速。
固体推进剂火箭发动机设计简单，在许多方面类似大型烟花。它们由一个填充有固体橡胶混合物的外壳组成化合物(包括燃料和氧化剂)在点火后迅速燃烧。燃料通常是一些有机材料或铝粉;氧化剂通常是高氯酸铵。这些混合在一起，用粘合剂固化，形成火箭推进剂。固体火箭发动机最常用于运载火箭的液体燃料第一级，在升空和飞行的前几分钟提供额外的推力。(然而，美国已经开始开发一种名为“战神-1”的新型运载火箭，它将使用一个大型固体火箭发动机作为第一级火箭。)与一些使用液体燃料的火箭发动机不同，液体燃料在点火后可以关闭，固体火箭发动机一旦点火就会燃烧燃料直到耗尽。燃料燃烧产生的废气通过火箭外壳底部的一个喷嘴排出，这个喷嘴形成和加速排气提供反应向前推力。
有效的保护
运载火箭送入太空的航天器几乎总是与运载火箭的顶部相连。在穿越大气层的过程中，有效载荷受到某种整流罩的保护，这种整流罩通常由轻质材料制成复合材料．一旦运载火箭飞出大气层最密集的部分，这个整流罩就会脱落。飞船到达初始轨道后速度在美国，它可能会从运载火箭的最后一级分离，开始执行任务。或者，如果航天器打算被放置在低地球轨道以外的地方，当航天器有效载荷在轨道上滑行时，上层火箭发动机可以关闭一段时间。然后，发动机重新启动，以提供额外的速度，使有效载荷移动到更高的地球轨道，或将其注入将其带入太空深处的轨道。
导航、引导和控制
为了将航天器送入预定轨道，运载火箭必须具备导航、制导和控制能力。导航是用来确定飞行器在轨道上任何一点的位置、速度和方向的。当这些变量被测量时，车辆的制导系统决定需要哪些航向修正来引导车辆到达预期目标。控制系统都习惯了实现该制导系统通过火箭发动机的运动或车辆推力方向的变化来指挥。大多数运载火箭的导航、制导和控制是通过复杂的软件、计算机和其他硬件设备的组合来实现的。
可靠性
这样的运载火箭包括一个或多个火箭发动机;燃料箱载运的发动机燃料;制导、导航和控制系统;一个有效载荷;一个包含所有这些元素的结构，可以附加额外的发动机以增加升力。在运载火箭和它的发射台和相关结构之间也有各种附件。一次性运载火箭只有一次成功执行任务的机会，因此它的所有部件都必须精确设计和制造，并具有非常高的操作可靠性。此外，如上所述，运载火箭被设计得尽可能轻，以便最大限度地提高其有效载荷提升能力。因此，在发射过程中，运载火箭的每一个部件都在接近其断裂点的地方工作，因为运载火箭在加速超过极限时承受着与之相关的压力声速在穿越大气层的过程中，它的火箭发动机在极端的压力、温度、冲击和振动下工作。
最终的结果是，向外层空间发射宇宙飞船仍然是一项极其困难的任务，对于那些寻求进入太空的人来说，发射失败是生活中的一个事实。许多航天发射，特别是运载商业宇宙飞船的发射，都有失败保险，因为它们的投资往往超过1亿美元。
载人进入太空的运载火箭是“人类专用的”。这意味着他们使用的部件具有最高的可靠性冗余在关键的系统中，在发射前要比运载自动航天器的运载火箭进行更多的测试，并包含对即将发生的问题发出警告的系统，以便机组人员能够逃脱事故。迄今为止，只有一次运载火箭在发射时发生故障，导致机组人员死亡;这就是爆炸挑战者号1986年1月28日，7名宇航员全部遇难。
发射到外太空
尽管在不同的运载火箭和不同的发射基地，它们在许多细节上有所不同，但准备发射运载火箭及其航天器有效载荷所需的步骤总体上是相似的。
通常情况下，运载火箭的不同阶段和其他部件是分开制造的，然后运到发射基地进行组装。这种组装既可以在远离发射台的设施中进行，也可以在发射台本身进行。单独的组装大楼的好处是，为火箭发射做准备所需的许多步骤，包括组装和检查集成车辆，可在封闭状态下进行环境．这也意味着发射台在组装和检查期间可用于其他用途。
运载火箭的组装和检验是垂直或水平进行的。垂直组装需要一个足够高的设施，以庇护整个车辆和宇宙飞船．各种组件都是“堆叠”的，从第一级开始，通常以航天器与运载火箭的连接结束。(有时航天器和运载火箭只在发射台上配对。)捆绑式固体火箭发动机，如果他们被使用，是附加在核心第一级。水平组装是在端到端基础上进行的，不需要有多层车辆通道的高层建筑。组装后，在集成飞行器上进行尽可能多的测试，以检查其发射准备情况，然后将其运送到发射台。
一旦到达发射台，运载火箭就被连接到一个发射塔上，发射塔上有完成检查过程所需的各种脐带连接和接入点，并监测运载火箭的最终发射准备情况。如果火箭是水平组装的，那么当它到达发射台时，必须将其提升到垂直位置。发射台通常包括某种遮蔽物，以保护运载火箭和宇宙飞船在接近发射时间之前不受外界因素的影响，并使技术人员能够继续检查过程。运载火箭由某种形式的附加装置固定在发射台上。
如果运载火箭在发射台上组装，以上所有步骤都在那里进行。组装和检查可能需要几个月的时间，在此期间发射台不能用于其他目的。
随着发射时间的临近，开始倒计时。倒计时时间从小时到天不等。在倒计时期间，在特定的时间执行各种最后步骤，以使飞行器为发射做好准备。如果火箭使用液体推进剂，它们会在发射前几个小时装载，然后被储存在发射台附近的油箱中。低温推进剂很难保持在液体状态;它们往往会变成气态，从飞行器上“蒸发”掉。因此，它们在尽可能接近发射的时候被装进车辆的燃料箱，并且必须不断加油，以确保燃料和氧化剂油箱是满的。在预定发射前几个小时，保护火箭的结构会从火箭和发射塔之间旋转离开。
发射基地必须能进入最新的天气信息。关于太空发射可接受的天气条件，通常有预先设定的规则，包括发射场和高空的风力、能见度(用于在飞行前几分钟监测飞行器)和温度。这些条件因发射场和不同的运载火箭而异。例如，载人宇宙飞船在俄罗斯发射场发射时的天气条件要比美国航天飞机在佛罗里达发射基地发射时可接受的天气条件恶劣得多。
在倒计时的最后几分钟，要进行最后的检查，以确保飞行器和航天器已经为发射做好了准备，并且所有其他条件都处于“启动”状态。发射塔和运载器之间的所有脐带连接都断开了。在火箭发射前，液体燃料火箭发动机通常允许点火几秒钟;计算机进行快速检查，如果有任何问题的迹象，引擎可以关闭。一旦固体火箭发动机被点燃，运载火箭就开始发射。当发射时刻到来时，将飞行器固定在发射台上的装置爆炸分离，飞行器开始升空。
发射台上有沟槽，用于引导尾气火焰远离车辆，并且经常向火焰中注入大量的水。这是完成将发射过程中产生的热量和声波振动对火箭和发射台的损害降到最低。
与每个发射基地相关联的是一个发射靶场，该靶场设有跟踪和密切监测运载火箭执行任务的各个阶段的设施。射击场安全员负责确保射击场的任何性能都不会对公共安全或财产造成威胁。如果出现这种情况，军官将能够命令运载火箭自行毁灭。