為什麼火箭方程式阻礙了我們？
在火箭科技的發展推動下，我們環遊了地球，登上了月球，並且發射了探測器去探索內行星，也曾冒險穿過小行星帶，穿越了外行星並拍攝了它，甚至越過了太陽系，進入了星際空間的深處。然而“科學”帶給我們成功的同時，也給我們帶來了嚴重的限制，限制著我們到底能到達多遠的未來？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？
火箭方程的發展可以追溯到17世紀中葉，當時，艾薩克·牛頓（Isaac Newton）和戈特弗裡德·萊布尼茨（Gottfried Leibniz）發展了微積分，在此之下，對動量有了更好的理解。時間快進到1903年，俄羅斯科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）將牛頓的理論應用於火箭的建造，由此，太空飛行的時代開始了。
火箭本質上是透過在它的另一端進行聚焦和引導精確的能量來實現發射的物體，並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，這個想法並不新鮮，例如，古代中國曾在公元100年左右就使用火箭技術來製作煙花；幾個世紀以來，火箭技術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。
當然，在整個20世紀，這些武器變得越來強大，越來越具有破壞性……但也正是在這個時候，我們開始建造更高階的火箭，目的不是殺人，而是探索。目前，我們已經實現了很多探索：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。那麼，火箭方程怎麼會限制我們呢？
火箭方程等式本身包含三個主要變數：Delta V，這是對抗重力的能量消耗（或它可能達到的速度）；排氣速度，即火箭燃料的功率（或它可能產生的能量）；推進劑質量分數，它告訴你一艘質量固定的船上用於裝載燃料的質量百分比。簡單地說，火箭方程的重點在於1）飛行器需要以多大的速度才能擺脫重力，2）燃料可能產生多大的速度，3）需要攜帶多少燃料才能到達目的地。
考慮到所有因素，我們主要受制於火箭燃料所需量，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。在我們開始前，那麼火箭就兩磅重了，這又需要更多的燃料來發射…那麼它就更重了，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重受制於燃料。雖然汽車的燃料質量大約4%，而戰鬥機的燃料質量則達到了40%，但建造一艘火箭飛船必須將其總質量的 85% 用於提供使其起飛所需的燃料。
剩下的15%則要包含宇航員，各種複雜的生命供給系統，食物儲存，氧氣罐，艙內管道，計算機，通訊裝置…還有航天任務需要的任何東西的質量。一些火箭比其他火箭更能體會到空間限制，據報道，土星五號燃料之外只剩餘4%的船體質量！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 和其他所有航天機構思考過很多次的問題。
我們一直在試驗不同的燃料型別，但仍然明顯迴避了火箭方程引數。在各種迭代中，看似“更輕”的燃料往往會更快地消耗能量，或者一開始就沒那麼有動力。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，它燃燒最充分並能提供最大能量，但是它也是最複雜的選擇—它仍然受到同樣的限制。在很多方面，這僅僅是化學的問題；我們不能從迄今開發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。最大難關之一在於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。火箭至少在大約25000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於使太空梭離開地球並進入軌道。因此，如果我們能在其他地方建立一個發射基地——比如說月球，重力僅為地球的1/6——那麼，發射火箭所需的能量就會少很多。我們已經知道月球上有冰，那麼如果有足夠的資源，理論上我們可以把冰變成氫氧燃料來用於火箭發射。
不過，還有一個明顯的問題：雖然這個假設能幫我們解決燃料問題，但困難在於將物資運送到月球，以完成項艱鉅的任務——而且這個運送過程甚至會更加複雜。因此，一些科學家已經建議使用核能來代替發動機燃料了。而一些早期的實驗性的核能方案的結果顯示，核能確實能夠提供我們現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用，也許我們可以比從前任何時候都探索得更遠。
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但是，這一選擇也將帶來一切新的、必然存在的風險。就像切爾諾貝利和福島這些災難所證明的那樣，核能的使用具有極其危險的潛在性。因此，在本就複雜艱險，一步都不能錯的太空航行中再添上核能這一項風險極大的技術，這對許多人來說都是最主要的擔憂。在火箭上，即使是最小最小的故障也能夠造成最嚴重、乃至毀滅性的災難。以挑戰者號太空梭為例——它起飛後不久的爆炸，原因僅僅是一個有問題的（用於密封的）小小O型環，以及比預期略冷了一點點的天氣。現在想象一下，由於類似的、看起來非常小的失誤，而導致核能火箭有爆炸的危險……其結果將會是災難性的。
不過，也並不是只有壞訊息。美國宇航局還對離子發動機進行了實驗，到目前為止已經取得了有希望的結果。離子發動機的工作原理是利用群星中唯一常見的能量來源——恆星本身。離子火箭裝有太陽能電池板，將光能匯入其發動機，透過給電子通電使其砸向核心中的氙氣，然後釋放出一股離子射流。這些離子射流的加速速度比傳統燃料慢得多，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年的破曉任務中，該任務使用離子引擎到達了小行星灶神星。
因此，未來是有希望的！雖然目前我們所實現的大部分太空航行都依賴於火箭方程，但是科學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。太空任務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送補給，從而減少理論上所需的航行次數。我們將會向成為星際文明邁進一步。而我們的太空梭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方式之前，火箭方程仍然是統治著太空旅行，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的原因。
轉存中。。。
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恆星或行星系統之間旅行。星際旅行將比行星際旅行復雜得多。太陽系中行星之間的距離通常不到30個天文單位（AU），而恆星之間的距離卻是數十萬AU，經常以光年表示。由於這些距離太過遙遠，根據已知的物理學，實際的星際旅行需要以較高比例光速的速度進行；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行星際旅行所需要的速度遠遠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系統，以今天的能量標準，與這樣的速度相對應的動能也是巨大的。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。
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無論是載人還是非載人的星際旅行，都需要解決相當大的技術和經濟挑戰。即使是對星際旅行最樂觀的看法也認為它在幾十年後才是可行的。然而，儘管存在這些挑戰，如果一旦實現了星際旅行，預計會帶來廣泛的科學利益。
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