2021年4月29日11时23分，长征五号B运载火箭搭载空间站天和核心舱，在海南文昌航天发射场发射升空。
天和核心舱是中国空间站的第一个舱段，长16.6米，最大直径4.2米。长征五号B运载火箭是专门为空间站建设、以长征五号火箭为基础改进而成的一型新型运载火箭，近地轨道运载能力大于22吨，整流罩长度20.5米、直径5.2米，容积超过345立方米，是我国目前运载能力最大的火箭。
事实上，很多大型飞机的尺寸都能满足运载火箭整流罩内的容积要求。历史上载人航天器和飞机产生联系的最著名案例就是波音747背着航天飞机了，但也并未用于发射，而是运输。
波音747-N905NA运送哥伦比亚号（图片来源：维基百科）
此外还有空中发射。飞机将火箭运送到距离地面十余公里处，以较高的速度将火箭释放，之后火箭发动机点火完成后续发射流程。
波音747-400改装飞机“Cosmic Girl”执行空中发射任务
（图片来源：virgin orbit官网）
那么，为什么不直接用飞机将航天器送入轨道呢？这就要讲到航空与航天的区别了。飞机和火箭是两种完全不同的飞行器，航空和航天也是两个完全不同的概念。
第一点大不同：是否依赖空气飞行。
航空，是指人类在地球大气层中的活动。所谓“空”可以理解为“空气”即Air，这也是为什么航空公司叫Airline，飞机叫Airplane了。飞机是飞行在空气中的，其动力来自航空发动机，燃料为航空燃油。而飞机能在空中飞行，是因为特殊的气动外形设计和飞行姿态使得飞机在高速飞行过程中与空气产生相互作用而获得升力，从而抵消重力。飞行姿态的调整，则是通过气动舵面和空气相互作用所产生的气动力矩来实现。此外，民航客机的飞行高度约为10公里，这个高度空气中的氧气含量可以支持燃料高效燃烧，空气从进气道进入发动机，经过压缩后作为燃烧剂进入燃烧室，与航空燃油混合燃烧。因此，飞机发动机以空气中的氧气作为氧化剂，发动机不需要有氧化剂容器等相关设计。换句话说，离开了空气，飞机就不能飞行。
航空发动机（图片来源：GE官网）
而火箭属于航天领域。航天，是指人类冲出地球大气层、到宇宙太空中开展的活动。所谓“天”可以理解为“空间”，即日月星辰罗列的广大的空间，译作Space。火箭在浓密大气层中飞行的时间很短，很快就越过国际航空联合会承认的大气层与太空界线——卡门线（海拔100km处）了。那里的空气极其稀薄，几乎没有氧气，因此火箭在带有燃烧剂的同时还必须携带氧化剂，这使得火箭飞行不依赖于空气，其升力完全依靠发动机尾喷管中高速喷出的气体推力带来的反作用力。火箭的气动外形设计也与升力无关，目的是尽量减小飞行过程中由空气带来的阻力。
火箭发动机（图片来源：SpaceX官网）
卫星、空间站等航天器也是如此，轨道的调整通过发动机点火实现，发动机同时带有燃烧剂和氧化剂。同时，不返回地球的航天器外形设计几乎不需要考虑空气阻力。
第二点大不同：能达到的最大速度不同。
火箭必须达到第一宇宙速度即每秒7.9公里，才能把航天器送入地球轨道。而人类历史上最快的飞机仅能达到每秒1.8公里的速度，我们平时乘坐的民航客机的速度一般为900公里/小时即每秒0.25公里。
火箭是怎么达到这么快的速度的？根据牛顿第二定律即F=ma，质量一定的情况下，物体加速度的大小跟作用力成正比，作用力越大加速度越大。也就是说，推力越大、加速时间越长，能达到的速度就越快；在推力一定的情况下，物体质量与加速度成反比，即质量约轻、加速度越大，能达到的速度就越快。
所以，为了让火箭的速度更快，就必须：
· 尽量增大发动机推力
· 尽量降低火箭质量
火箭发动机推力和比冲是两个最重要的性能指标，推力一般取决于发动机大小，而比冲则和燃料及发动机设计水平有关，它代表单位质量推进剂能够产生的冲量。我国长征五号火箭采用了以液氢液氧为推进剂的发动机，是一种比冲较高的发动机。
增加火箭的有效载荷运载能力，最行之有效的方式就是多级火箭设计。我们先来了解一下火箭的构成：箭体结构、燃料贮箱、发动机、气瓶、管路、阀门、电源系统及制导与控制系统等，最上面的整流罩内安装有效载荷。
火箭结构示意图
有效载荷即被火箭运送的航天器，而有效载荷与火箭起飞质量的比值通常不会超过5%。也就是说，火箭大部分重量为火箭自身及燃料的重量。飞行过程中随着燃料的逐步消耗，一部分火箭自重就会成为废重，此后行程中只会白白消耗能量。多级火箭理论的诞生解决了这一问题——火箭分为构造类似的多级结构，每一级都有完整的推进系统，一级的燃料耗尽后就将这一级整体抛掉，下一级发动机开机进一步推动火箭加速，火箭因为重量大幅减轻减少了燃料消耗，从而延长了燃料的使用时间。通过多级接力，火箭最终达到甚至超越第一宇宙速度。多级火箭理论由“航天之父”、俄国科学家齐奥尔科夫斯基在1903年提出。
最后，我们再回顾下两者速度的差别。从北京到四川成都，距离大约是2000公里。如果坐飞机，理论上需要约2.2小时；如果坐每秒7.9公里的火箭，则只需要4分13秒。
有朝一日，我们是不是可以坐着火箭去旅行呢？答案是肯定的。美国SpaceX公司正在开展名为“城市到城市火箭旅行”(City-to-City Rocket Travel)的计划，用一个能够运送大约100人的超大型火箭作为交通工具，人们从纽约到上海只要39分钟。
城市到城市火箭旅行（图片来源：SpaceX官网）
期待这一计划未来能变为现实。那样的话，我们出门旅行既可以选择民用航空，也可以选择民用航天！
参考文献：
[1] 国防科工局. 航空与航天的主要区别.
[2] 爱太空航天科普中心. 大熊猫漫游中国空间站.
科学审核：
王兆魁 清华大学航空宇航工程系主任
杨宇光
责任编辑：王鹏鹏
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