火箭（rocket）是火箭发动机喷射工质（工作介质）产生的反作用力向前推进的飞行器。它自身携带全部推进剂，不依赖外界工质产生推力，可以在稠密大气层内，也可以在稠密大气层外飞行，是实现航天飞行的运载工具。火箭按用途分为探空火箭和运载火箭。

基本结构

探空火箭结构

探空火箭是用于将科学仪器以抛物线轨迹送入地球大气层的上部区域，使其进入近地空间的一种火箭。

探空基本结构火箭包括箭体结构、动力装置、稳定尾翼等。大多数探空火箭为单级或两级火箭，也有为3级、4级的。动力装置通常用固体火箭发动机，可以简化和缩短发射操作时间。探空火箭对火箭姿态和飞行弹道的要求不象导弹和运载火箭那样严格，一般不设控制系统，仅靠稳定尾翼或火箭绕纵轴旋转来保证飞行稳定。需要精确定位和定向时才设置控制系统。除探测火箭基本结构外，探空火箭系统还包括有效载荷、发射装置和地面台站等:

(1)有效载荷大多装在箭头的仪器舱内。仪器舱的直径有时可大于箭体直径。有效载荷采集到的信息通过遥测装置发送到地面台站接收处理，或者在火箭下降过程中将有效载荷从火箭内弹射出来，利用降落伞等气动减速装置安全降落到地面回收。有效载荷的重量和尺寸取决于探测要求，一般为几公斤到几百公斤，最大可达几吨。

(2)发射装置通常用导轨和塔式发射架，使火箭获得足够大的出架速度。无控制火箭的飞行弹道受风的影响较大，为了保证达到预定的高度和减小弹道散布，探空火箭发射时尚需根据发射场的高空风资料采用风补偿技术来调整和确定发射角度。大多数探空火箭从地面以接近垂直状态发射，也有从移动式发射车发射的，根据需要还可从舰船或升在空中的气球上发射。

(3)地面台站主要包括接收测量信息的地面接收设备、跟踪火箭的定位测速设备(如雷达)和电子计算机等。雷达跟踪方式有反射式和应答式两种，应答式比反射式的跟踪距离更大。地面接收设备接收的遥测数据直接输入电子计算机处理，实时给出探测结果。

运载火箭结构

无论固体运载火箭还是液体运载火箭，无论单级运载火箭还是多级运载火箭，其主要的组成部分均包括结构系统（又称箭体结构）、动力装置系统（又称推进系统）和控制系统。这三大系统称为运载火箭的主系统，主系统的可靠与否，将直接影响运载火箭飞行的成败。此外，运载火箭上还有一些不直接影响飞行成败并由箭上设备与地面设备共同组成的系统，例如遥测系统、外弹道测量系统、安全系统和瞄准系统等。其中：

1）箭体结构是运载火箭的基体，它用来维持火箭的外形，承受火箭在地面运输、发射操作和在飞行中作用载火箭上的各种载荷，安装连接火箭各系统的所有仪器、设备，把箭上所有系统、组件连接组合成一个整体。

2）动力装置系统是推动运载火箭飞行并获得一定速度的装置。对液体火箭来说，动力装置系统由推进剂输送、增压系统和液体火箭发动机两大部分组成。固体火箭的动力装置系统较为简单，它的主要部分就是固体火箭发动机，推进剂直接装在发动机的燃烧室壳体内。

3）控制系统是用来控制运载火箭沿预定轨道正常、可靠飞行的部分。控制系统由制导和导航系统、姿态控制系统、电源供配电和时序控制系统三大部分组成。制导和导航系统的功用是控制运载火箭按预定的轨道运动，把有效载荷送到预定的空间位置并使之准确进入轨道。姿态控制系统（又称姿态稳定系统）的功用是纠正运载火箭飞行中的俯仰、偏航、滚动误差，使之保持正确的飞行姿态。电源供配电和时序控制系统则按预定飞行时序实施供配电控制。

4）遥测系统的功用是把运载火箭飞行中各系统的工作参数及环境参数测量下来，通过运载火箭上的无线电发射机将这些参数送回地面，由地面接收机接收；亦可将测量所得的参数记录在运载火箭上的磁记录器上，在地面回收磁记录器。这些测量参数既可用来预报航天器入轨时的轨道参数，又可用来鉴定和改进运载火箭的性能。一旦运载火箭在飞行中出现故障，这些参数就是故障分析的依据。

5）外弹道测量系统的功用是利用地面的光学和无线电设备与装在运载火箭上的对应装置一起对飞行中的运载火箭进行跟踪，并测量其飞行参数，用来预报航天器入轨时的轨道参数，也可用来作为鉴定制导系统的精度和故障分析的依据。

6）安全系统的功用是当运载火箭在飞行中一旦出现故障不能继续飞行时，将其在空中炸毁，避免运载火箭坠落时给地面造成灾难性的危害。安全系统包括运载火箭上的自毁系统和地面的无线电安全系统两部分。

箭上的自毁系统由测量装置、计算机和爆炸装置（炸药筒）组成。当运载火箭的飞行姿态、飞行速度超出允许的范围时，计算机发出引爆爆炸装置的指令，使运载火箭在空中自毁。无线电安全系统则是由地面雷达测量运载火箭的飞行轨道，当运载火箭的飞行超出预先规定的安全范围时，从地面发出引爆箭上爆炸装置的指令，由箭上的接收机接收后将火箭在空中炸毁。

7）瞄准系统的功用是给运载火箭在发射前进行初始方位定向。瞄准系统由地面瞄准设备和运载火箭上的瞄准设备共同组成。

发展历程

火箭是中国古代的重大发明之一。公元969年，中国已经发明了火药（火药是在唐朝发明的）。

北宋军官岳义方、冯继升造出了世界上第一个以火药为动力的飞行兵器–火箭。这种火箭由箭身和药筒组成。药筒用竹、厚纸制成，内充火药，前端封死，后端引出导火绳，点燃后，火药燃烧产生的气体向后喷出，以气体的反作用力把火箭推向前，飞行中杀伤敌兵。一种最早的原始火箭在工作原理上与现代火箭没有什么不同。

公元12世纪中叶，原始的火箭经过改进后，广泛地用于战争。如公元1161年宋军与金兵的“采石之战”中所使用的“霹雳炮”，其实就是一种火箭兵器。当时在中国民间广为流行的能高飞的“火流星”（亦称“起火”），实际就是世界上第一种观赏性火箭。

元、明之后，即公元13世纪以后，中国的火箭兵器在战争中有了很大发展，并发明了许多与现代火箭类型相近的火箭形式。

中国是火箭诞生的故乡。在中国科学技术馆的“中国古代传统技术”展厅里，就展出着“火龙出水”、“神火飞鸦”和“一窝蜂”等中国古代火箭的复原模型，它们充分展现了古代中国人民的杰出智慧和卓越才能。

中国古代还曾有过火箭载人飞行的尝试。据史书记载，14世纪末，明朝一勇敢者万户坐在装有47个当时最大的火箭的椅子上，双手各持一大风筝，试图借助火箭的推力和风筝的升力实现飞行的梦想。尽管这次试验是一次失败的悲剧，但万户被公认是尝试利用火箭飞行的世界第一人。为了纪念万户，月球上的一个环形山以万户的名字命名。

13世纪中叶，蒙古人入侵中亚、西亚和欧洲，阿拉伯人侵略西班牙，他们把中国的火箭技术传入了欧洲及世界其它地区。到了这时，德意志的艾伯特斯·麦格诺才在欧洲首次记述了关于制作火箭的技术。欧洲人最早使用火箭兵器，是在1379年意大利的帕多亚战争和1380年的威尼斯之战中。

近代将火箭用于战争开始于英国人康格列夫。1807年英军围攻丹麦的哥本哈根，发射了康格列夫制造的火箭，烧毁了城内的大部分建筑，使城市一半化为平地。据说在滑铁卢与拿破仑大战中英军也使用了这种火箭。

使用火箭进行宇宙航行，俄国的齐奥尔科夫是理论上的奠基人。他首次说明了火箭推进的理论，奠定了日后研制远程火箭的基础。

1957年10月4日，前苏联发射了人类第一颗人造卫星"史普尼克"。几个月后，1958年1月31日，美国也成功的发射了人造地球卫星"探险者"1号。1961年4月12日，苏联成功地发射了世界上第一个载人宇宙飞船，加加林成为世界上第一名宇航员。此后，美国人格伦也乘飞船完成了绕地球轨道的飞行。这些重大的宇宙飞行都是以火箭技术的发展为前提的。

运作原理

推进原理

看似复杂的火箭，原理其实非常简单，早在17世纪，牛顿就很清晰地进行了描述：如果以一定速度向后抛出一定质量，就会受到一个反作用力的推动，向前加速。简单的火箭甚至早在牛顿提出这一原理前几百年就在中国被发明出来，并得到了应用，包括军用的火药箭和节日庆典的烟花。

火箭向后抛出一定质量是靠火箭发动机来完成的。火箭发动机点火以后，推进剂（液体的或固体的燃料和氧化剂）在发动机燃烧室里燃烧，产生大量高压气体；高压气体从发动机喷管高速喷出，对火箭产生的反作用力，使火箭沿气体喷射的反方向前进。固体推进剂是从底层向顶层或从内层向外层快速燃烧的，而液体推进剂是用高压气体对燃料与氧化剂贮箱增压，然后用涡轮泵将燃料与氧化剂进一步增压并输送进燃烧室。推进剂的化学能在发动机内转化为燃气的动能，形成高速气流喷出，产生推力。

火药曾经是原始的火箭推进剂，目前战术型火箭或较小导弹大多采用火药推进剂。人们习惯性把这样的固体燃料叫做“单元推进剂”。需要燃烧剂加氧化剂的燃料被称为：“二元推进剂”。组合使用液体和固体燃料推进剂的称为混合推进剂。使用混合推进剂的火箭发动机比冲和体积比冲介于液体和固体火箭推进剂之间。

1950年代美国研制成功氧化氢和聚乙烯作为火箭发动机的混合推进剂。1964年法国首先发射成功采用混合推进剂为动力的气象火箭。我国“长征一号D”运载火箭第一级、第二级用液体燃料火箭发动机，第三级用固体燃料火箭发动机。也是采用混合推进剂。

选择推进剂所需要考虑的因素很多，如要求高的化学能焓、低分子量的燃烧产物。比热大、导热率高。饱和蒸汽气压低，化学稳定性好，比重大、无毒、无腐蚀性等。一种推进剂不可能完全具备以上的这些性能，因此不断研究新燃料是开发空间航行的首要任务。

使用核能燃料的火箭发动机的比冲量高、寿命长。但技术复杂，只适用长期工作的航天器及运载火箭的高能末级。1986年前苏联已在和平号空间站应用核动力发动机。核燃料的危害性是放射性污染环境。

发射方式

目前火箭发射有三种方式：一是地面发射，二是空中发射，三是海上发射。

早期，运送有效载荷的火箭都是从地面发射场发射的。地面发射场受地理位置的制约，限制了有效载荷的发射范围，难以满足各种有效载荷的需求，于是出现了从空中发射和从海上平台发射火箭的方式。

从空中发射火箭是用飞机将火箭运送到高空后，再释放火箭，火箭在空中点火飞向预定轨道。采用这种发射方式，飞机可以在不同地点的机场起飞，从空中任何地点发射，它不受地理位置的限制。这样，不仅增加了发射窗口，而且还会扩大轨道倾角的范围，因而具有很大的机动性。载机相当于火箭的基础级，能提高火箭本身的运载能力，同样火箭从空中发射比从地面发射，其运载能力几乎可以提高一倍。

与地面发射场相比，从海上平台发射火箭同样具有多种优势。首先，可以灵活选择发射地点，当选择在赤道附近海域发射时，能充分借助地球的自转速度，提高火箭的运载能力；其次，周围没有居民点，火箭落区的选择范围较大，从而可使多级火箭的设计更加优化，进一步提高火箭的运载能力。

发射前准备

与运载火箭的研制一样，运载火箭的发射同样是一项综合性的系统工程。它涉及的面很广，包括运载火箭的检查、测试、转运、加注推进剂、发射程序与数据的计算和装订、点火发射、跟踪测量、安全控制、指挥通信、地面勤务保障等多方面的工作。

运载火箭首先进入技术准备区的专用厂房。在这里先对箭上的仪器设备进行单元测试，即对仪器设备单独进行测试，检查其性能和精确测量其参数。单元测试合格后进行分系统测试，它是在系统处于工作状态下，对系统内各仪器设备工作的协调性和功能进行检查，并测量其工作参数。接下来各分系统之间进行匹配测试，检查系统之间工作是否协调匹配。

最后进行箭上所有系统都参加的总检查，总检查一般要进行多次，以模拟各种飞行状态来验证运载火箭全系统的技术性能和可靠性，并使火箭达到符合发射状态的要求。总检查之后，开始在运载火箭上安装各种火工品和火工装置，并准备转场。

在运载火箭进行技术测试的同时，发射场内的测控系统要进行设备联试。先是进行场内设备联试，然后再与分布在各地的测控站设备联试。与此同时，地面勤务保障部门对发射设备、加注设备进行调试；气象保障部门开通气象情报网和天气会商网，启动气象测量雷达，开始进行天气的长、中、短期预报。

当运载火箭在技术准备区经检查测试达到可以进行发射的状态后，即可转运到发射区。发射区内有发射台、勤务塔和脐带塔等主要发射设施。运载火箭分级运至发射区后，由勤务塔上的吊装设备对运载火箭分级吊装、对接和总装，并将其竖立在发射台上。随后在竖立状态下对运载火箭再一次进行分系统测试、系统间性能匹配测试、总检查和发射演练等。在发射区测试的内容要比在技术区的测试简化。

在检查测试工作结束后，就可向运载火箭加注推进剂，并进行瞄准定位。与此同时，地面勤务保障部门要进行推进剂化验，确定推进剂的加注参数；气象部门要提供临发射前发射场区的天气情况及发射场区上空的高空风场等情况，以及火箭飞行经过地区的气象情况。

发射程序

当一切准备工作基本结束之后，发射工作便可进入倒计时阶段。倒计时阶段开始时，由指挥中心向发射场、火箭飞行过程中箭体分离后的落区、分布在各地的测控站、远洋测量舰队和有关部门统一发布口令。各部门、各单位接到口令后，根据时间统一勤务系统提供的统一时钟各自进入临射前的工作程序。

一般运载火箭的倒计时从由发射窗口确定的发射时间前1个小时开始，叫做1小时准备。然后是30分钟准备、15分钟准备、5分钟准备、1分钟准备，最后是从10开始倒数至1，运载火箭点火起飞。采用低温推进剂的运载火箭，由于低温推进剂极易蒸发，必须严格控制推进剂加注后的时间，因此常提前到离发射时间4-7小时就开始进入倒计时阶段。

发射工作进入1小时准备后，发射场的各项工作均按时间程序由地面测试发射控制设备来操作，它可以是半自动的，也可以是全自动的。

在这段时间的准备过程中，主要的工作有：对箭上系统通电以进行射前功能检查，对火箭装订飞行程序和数据，进行精确瞄准，对推进剂贮箱进行增压，对采用低温推进剂的火箭补加推进剂，气路连接器、加注连接器自动脱开，遥测系统、外测系统的连接插头自动脱落。到1分钟准备时，箭上系统由地面供电转为由箭上电池供电，经10秒钟自检正常后，电缆连接器自动脱落，电缆摆杆离开运载火箭摆到预定位置。

这时运载火箭除底部只有一个经脱拔插头连接的电缆尚与地面连接外，其他一切与地面连接的插头均已完全脱开。射前30秒钟，发射场的测控系统与各地测控跟踪站开始启动；射前7秒钟，发射台周围的高速摄影机开拍，开始记录火箭点火起飞的实况；到0秒时火箭点火。当火箭离开发射台时，底部唯一尚连接着的电缆脱拔插头被拉脱，火箭与地面的有线控制完全中断。但如果在火箭点火尚未离开发射台前，发现火箭发动机工作不正常，地面可通过这根电缆对火箭实施紧急关机。

火箭起飞后，在控制系统的控制下，分别完成程序转弯、助推器脱落、上面级火箭的点火与关机、级间分离和整流罩分离等；当火箭到达入轨点时，有效载荷与火箭分离、进入预定轨道运行，这时，运载火箭的发射工作完满结束。

主要分类

按级数

按级数来分，可分为单级火箭、多级火箭两种类型。由于单级火箭在实际应用上很难实现宇宙飞行所必需的宇宙速度，因此需要采用多级火箭来解决这一问题。多级火箭的一子级在发射点火后就开始工作，工作结束后与整个火箭分离，再由二子级继续将有效载荷推向太空，以此类推，直至把有效载荷送入预定轨道。多级火箭一般由2-4级组成，有串联、并联和串-并联三种联接方式。

按动力能源

按动力能源分为化学能火箭、电能火箭、核能火箭、太阳能火箭及光子火箭等。目前最常用的是化学能火箭，它又分为液体推进剂火箭、固体推进剂火箭和固-液混合推进剂火箭。作为新能源火箭的代表，核能火箭的优点是其发动机比冲比化学能火箭的高，而推进剂只有一种，简化了火箭结构，适合执行长时间任务或星际任务。

按用途

按用途分为探空火箭和运载火箭。探空火箭指在近太空进行探测、科学试验的火箭，一般不设控制系统，是30～200千米高空的有效探测工具。探空火箭还可按研究对象或用途分翔如地球物理火箭、气象火箭、生物火箭、技术试验火箭和防雹火箭等。运载火箭又分为卫星运载火箭和载人运载火箭。

按控制形式

按控制形式分为有控火箭和无控火箭。

按运载能力

按运载能力分为小型火箭、中型火箭、大型火箭和重型火箭。

按轨道

按轨道分为近地轨道火箭、太阳同步轨道火箭、地球同步轨道火箭及月球轨道火箭等。

按可否重复使用

按可否重复使用分为一次性使用火箭、部分重复使用火箭和完全重复使用火箭等。

国际发展

美国

美国从事火箭探空研究的主要机构有：美国国家航空航天局（NASA）、陆海空军、能源研究与发展委员会（ERDA）和大学等单位。据统计，1959-1976年NASA在全球37个发射场（国内24个）发射探空火箭30种1912枚。

其中，1968年发射175枚，20世纪70年代中期后，每年发射70-80枚，近年来发射数量仍据世界之首。对于微重力火箭发展有两次重要的火箭发射任务。1971年10月NASA发射了“空蜂”170A，首次利用探空火箭进行了空间材料加工实验尝试；1972年1月再次发射“黑雁”5C火箭进行金属熔炼实验。这两枚火箭的发射，证实了利用探空火箭进行微重力科学实验是一条可行的技术途径，揭开了微重力火箭研制和应用的序幕。

20世纪70年代初美国开始利用探空火箭进行空间材料加工实验。NASA于1974年初制定空间材料加工应用火箭（SPAR）计划，这是世界上第一个微重力火箭研究应用计划。从1975年12月至1981年1月，NASA共发射9枚SPAR火箭，其中6枚成功，2枚失败，1枚局部成功，共进行了49项空间材料科学和加工的实验研究。随着1989年3月“伙伴”1号火箭首次成功发射，NASA决定20世纪90年代根据需要每年发射2-4枚类似火箭，其中大部分为生物技术实验，其他为空间材料科学和加工实验。

NASA著名的火箭探空项目NSROC（NASA SoundingRocket Operations Contract）从1999年开始实施，为其火箭探空研究提供了完整的前期计划、设计、开发、集成、测试、发射和后期分析等工作。NSROC于2000年8月达到ISO9000标准，平均每年发射约20次，涵盖了不同的探测高度和科学应用范围。

日本

日本在火箭探空方面进行了非常广泛的研究，在大气科学、电离层、太阳物理、天体物理以及大气气候和预报方面取得了许多科学成果，并与美、英、法、西德等合作完成了多种类型的火箭实验，进行了独具特色的赤道区高层大气、电离层和天文学的探测研究。

1977年日本宇宙开发事业团（NASDA）制定了TT-500A微重力火箭计划。1980年9月至1983年8月共发射了6枚，均用于空间材料加工实验，有19台设备进行了飞行实验，只有约一半的设备获得实验结果。20世纪80年代后期，NASDA重新制定了微重力火箭研究计划，命名为TR-1A的微重力火箭于1991年9月首次发射成功，搭载了5种用于空间材料科学研究和加工的实验装置。

之后，又制定了继续发射3枚TR-1A微重力火箭计划。2003年10月，为了提高日本的空间研究水平，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）重组完成，所属ISAS继续用探空火箭等独特的手段提高空间科学研究水平。JAXA目前使用的探空火箭系列有S-310、S-52和SS-520。

欧洲

欧洲空间局（ESA）将微重力科学实验研究作为主要任务之一，制定了全面的发展研究计划，包括用探空火箭进行微重力实验研究，1990-1996年间，每年发射1枚长时间探空火箭，4枚短时间探空火箭。

在德国政府2001年5月批准的新航天计划中，用于微重力实验的探空火箭为其重要的组成部分。德国的两种朗缪尔探针设备分别于2002年和2003年搭载NASA的探空火箭上天。探空火箭是德国空间项目中的重要工具，主要涉及空间科学、对地观测、微重力研究和返回技术。2004年10月23日，德国宇航中心（DLR）研制的VSB-30型火箭试飞成功，它标志着欧洲微重力探空火箭计划的复兴。

中国

火箭探空是中国发展航天事业的起步项目之一。中国于1958年开始发展火箭探空事业，在著名科学家钱学森、赵九章、杨南生、王希季等倡导和领导下创建了火箭探空事业。

在研制发射了多种型号的试验研究、试验性探空火箭的基础上，中国的第一枚探空火箭于1960年9月首次发射。中国最早开展研究和利用的探空火箭是用于气象探测的气象火箭，研制并发射了多种气象火箭，在20世纪发射的约260枚探空火箭中有半数以上为气象火箭，用于中层大气（海拔20～80公里）的大气温度、压力、密度、风速和风向等气象要素的探测，在气象火箭的研究和应用中取得了丰硕的成果。另有一些取样火箭、生物火箭和试验火箭。

2008年开始的国家大科学工程“子午工程”的建设由中国科学院牵头，其中由空间中心负责建设实施的探空火箭系统的建设目标是进行海南火箭发射场的改造建设，以适应新的体制和新的探空技术要求，将为火箭探空事业的发展提供有利支撑，是重振中国火箭探空事业的重要一步。“子午工程”的探空火箭系统主要由探空运载火箭、有效载荷舱、地面遥测系统、地面数据处理系统和地面发射支持保障系统组成。

其目标是在海南建成探空火箭探测和地面联合监测大气和电离层参数的综合探测系统。联合观测时，探空火箭上的探测设备、电离层观测设备和大气观测设备等同步工作，其目的是获取全面的200公里以下的空间环境资料，同时进行各个空间层次的耦合效应及应用研究，以期发现新的物理机制和规律。

2019年8月，我国完成了火箭残骸的精准控制，落在了设定的落区范围内。这次技术验证的成功，标志着我国成为继美国之后的第二个掌握这项技术的国家。这次验证技术的成功，栅格舵发挥了重要作用，通过它们可以控制回收时的姿态，确保火箭残骸能够落在设定的区域。此次技术的验证成功，则可以免去落区居民疏散问题，也为我国运载火箭后续助推器及子级的可控回收、软着陆、重复使用等技术奠定坚实基础。