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🚀 科学笔记

火箭为什么那么大

2026年8月13日 ・ Runa ・ 出自 JAXA 与 NASA 的一手文献

火箭为什么那么大

火箭烧燃料才飞得起来，这一点大概谁都知道。可是——听到那庞大的机体几乎都是推进剂的箱子，是不是有点不可思议呢。载人的地方、运送的货物，小得出奇。今天只写这一点。把发动机的原理、种类的差别都放进来就散了，所以只谈「为什么那么大」。

⚖️先来看数字

把国家、年代、设计思想都不同的三种机体并排放着。

NASA 在官方的解说里这样写道。

进入轨道的火箭，重量的 90% 是推进剂的重量。剩下的 10% 里包含结构、发动机和有效载荷。……以现在的技术水平，有效载荷只占理想火箭发射时重量的百分之一左右。（据日文文章转写；此处未复现 NASA 的原文措辞）
🌙 一点说明：这个「1%」是 NASA 在理想化的计算上估出的值。在实机上，会随目标轨道大幅变化。比如 H-IIA 的官方页面写着，到近地轨道约 10 吨，到静止转移轨道约 4 吨——相对离地质量 289 吨，大约是 3.5% 与 1.4%。请不要把「1%」当作实机的数字来读。

是不是真的如此，我用实机的官方资料确认了一下。

01H3 火箭（JAXA）

按 JAXA 公开的媒体资料里的诸元表来算，是这样的。两枚助推器加短整流罩的形态（H3-22S），机体全备质量约 419 吨，其中推进剂约 384 吨。比例约 92%。四枚助推器加长整流罩（H3-24L，572 吨）则是约 91%。

🌙 一点说明：这个「全备质量」不含卫星（JAXA 的英文页明写着「without payloads」）。若用含卫星的真正离地质量来除，比例会下降不到一个百分点。
另外，JAXA 自己的资料之间也有些出入（媒体资料写 572 吨，现行诸元页写 575 吨，英文页上还有 574 吨这个值）。我想是开发推进后更新的，但我不会断定成某一个数字。

02H-IIA 火箭（JAXA）

上一个世代。标准形态下，离地质量 289 吨（不含卫星），推进剂合计约 248 吨。约 86%。

比 H3 略低，但我不会写「H3 更优秀」。机体大小与设计世代都不同，公开数字的取舍方式也未必一样。

🌙 关于比较的基准：幸好，这两者可以放在同一个基准上比。JAXA 的英文页对两者都用同样的说法给出质量：「不含有效载荷」（H3 是 “without payloads”，H-IIA 是 “without payload mass”）。也就是说，两者都不含卫星。
至于整流罩（顶端的罩子）怎么算，资料里我没有找到明写。不过 H3 在长整流罩与短整流罩的形态之间，全备质量相差 1 吨，所以选择似乎是反映在质量里的。……但那 1 吨是「长与短之差」，并不是一套整流罩的重量（单体质量似乎没有公开，我没能找到）。

03土星五号（NASA・1968年）

把人送上月球的火箭。按 NASA 的飞行手册（SA-503 号机，阿波罗8号那一发）来算，发射前的机体重量约 6,094,000 磅，推进剂约 5,663,000 磅。约 93%。

🌙 一点说明：这个重量是火箭本体，不含上面搭载的阿波罗飞船。这 6,094,000 磅约合 2,760 吨。常见的「约 2,800 吨」大概是含飞船的值，但那一点我没有用一手资料确认。另外，手册本身写着「推力、重量、燃烧时间均为概算」。
1960年代的土星五号约 93%，如今的 H3 约 92%，夹在中间的 H-IIA 约 86%。隔了半个世纪，却都落在 86〜93% 这个区间里。

📐原因写在一个式子里

式子并不难。只是有一处，形状很坏心眼。

火箭能加速到多少，由下面这个式子决定（沿用 NASA 的写法，只是这边把记号换了个说法）。

Δv ＝ Isp × g₀ × ln（发射时的质量 ÷ 燃尽之后的质量）

右边的 ln——这就是对数。这里是这个式子最坏心眼的地方。

速度只随质量比的「对数」变化。也就是说，想再快一点，推进剂加「一点」是不够的。它是乘着涨的。

把式子反过来写，就一目了然。需要的质量比，是 e 的（所需速度 ÷ 排气速度）次方。这是指数函数。速度目标一过某条线，需要的推进剂就突然收不住了。

所以——那份大，不是奢侈，而是放弃之后的形状，我这么想。能减的，早就减光了。

减到什么地步呢。比如按 JAXA 的说明，贮箱同时兼作火箭的外壁，而且为了在减重的同时保住强度，内侧被削成格子状（等格栅结构）。……连容器的壁的内侧都削过了，仍然有九成是推进剂。

04把「排气速度」提上去，就轻松一些

式子里的另一个把手，是 Isp（比冲）。粗略地说，就是「把烧完的气体往后喷得有多快」。这个越大，达到同样的速度所需的推进剂就越少。

从官方资料里捡出来的值，大致是这样。

🌙 一点说明：找过之后发现，资料的写法参差不齐。H3 媒体资料里的诸元表，推力有「真空中／海平面」的栏位，可比冲那一栏却没有写条件——SRB-3 的 283.6 秒、LE-9 的 425 秒、LE-5B-3 的 448 秒，就并排放在同一栏里，什么都没标。
不过，别的页面上是写着的。LE-5B-3 在媒体资料的另一章里写作「真空中比冲 448sec」，SRB-3 在 JAXA 的发动机页面上写作「真空中比冲 283.6s 以上」。……也就是说，同一个数字，能不能知道它的条件，要看你碰巧看的是哪份资料。
最后，我没能确认条件的是 LE-9（422〜425 秒）和 LE-7A（440 秒）两个。这两个，我这边没法替它们补上条件。

本来这里不写明「真空中还是海平面」就没有意义。F-1 上，海平面与真空中相差了 39 秒。……而且，即使是同名的发动机，也会随版本变动。LE-7A 因为把喷管加长，真空中比冲提高了 11 秒（这一处是真空对真空的比较）。

🌙 一点说明：H3 的 LE-9 的比冲，JAXA 的资料里载有422 秒与 425 秒两个值（诸元页与媒体资料）。与其说哪一个是错的，不如说是更新的时点不同。这里我也不下断定。
另外，H-IIA 的英文诸元表把 SRB-A 的比冲写作「283」，没有条件。这里我采用了写明条件的发动机页面上的 283.6 秒。
还有，固体的「283.6 秒」是这两种机体的值，并不是固体推进剂一般的代表值。它会随配方与喷管而变。

🪜而且，还要在半路上一件件扔掉

另一个不可思议——为什么要分成好几段。NASA 的解说写得非常明白。

随着推进剂烧掉，机体重量的占比就往「满载时所必需的、几乎空掉的贮箱与结构」那边转移。为了减轻机体以达到入轨速度，多数运载火箭会抛掉自身的一部分。这称为级间分离。（据日文文章转写；此处未复现 NASA 的原文措辞）

推进剂减少之后剩下的，是为了装它而必需的、空掉的容器。任务已经结束了，却只有重量跟着走。所以要扔掉。

NASA 把它分成两种。把用完的级依次切离的叫串联；把横挂在中心机体上的助推器同时点火、提前切离的叫并联。土星五号是串联（三级，入轨前分离 2 次），航天飞机是并联。

H3 是第一级与第二级的两级式，再从0 枚、2 枚、4 枚里挑固体火箭助推器装上去。也就是串联与并联两种都用。形态的叫法也定好了：比如「H3-24L」，就是2＝第一级发动机 2 台，4＝助推器 4 枚，L＝长整流罩的意思。

有意思的是「H3-30」——一枚固体助推器都不装，只靠液体发动机飞的形态。JAXA 的媒体资料里写着，这是 H-IIA／B 所没有的阵容。

一点说明：「为什么要分级」这套道理，取自 NASA 的官方解说。在 JAXA 的日文页面上，我没有找到正面讲同一件事的说明（据说以前有过的解说站点，现在连不上）。H3 的构成本身，是用 JAXA 的资料确认的。
另外，Falcon 9 的质量与推进剂占比，因为在 SpaceX 的官方资料里没能取得佐证，所以没有写。常被引用的数字是有的，但我没能追到一手信息。
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🌙最后

查着查着，最让我安静地吃惊的，是有效载荷 1% 这个数字。……不过那是 NASA 在理想化计算上的估值。实机要稍大一些，H-IIA 到近地轨道约 3.5%，到更远的轨道约 1.4%。

即便如此，那份悬殊也没有变。那么庞大的东西，是为了把百分之几送上天而组装起来的。剩下的几乎全部，是抬起那一点点所需的推进剂、装它的容器，以及把它扔掉的机构。几乎所有的一切，都是为了在半路上被丢掉而存在的。

效率不好，NASA 自己也这么写。我想确实如此。即便如此，人还是接受了这个形状，飞了半个多世纪。……知道有些东西减不掉，仍然决定要运送——那样定下来的形状，这么一想，那份大小在我眼里就有点不一样了。

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