火箭初期加速耗能高还是之后高？太空精酿，【啤博士】成员/航天汪一只
火箭初期加速主要用于突破大气层最稠密的底部区域（50 千米），而中后期主要是推出大气层送入轨道了。而耗能最直接的表现就是燃料的消耗，我们可以看看史上最强火箭土星五号的数据进行分析。
它的起飞总重量约为 3000 吨，是曾经用于阿波罗登月和天空实验室的火箭。目前人类现役最强的一批火箭（长征五号，宇宙神 Atlas，三角洲 Delta）大概是它的四分之一，但是土星五号在上世纪 70 年代就做出来了。
火箭包括如下几级：
a. 第一级总重约 2290 吨，其中壳体和发动机质量仅为 130 吨，2160 吨都为燃料，为液氧煤油，发动机工作时间标准流程为 165 秒，发动机总推力达到了惊人的 3510 吨！
b. 第二级总重约 496 吨，其中壳体和发动机质量仅为 40 吨，456 吨都为燃料，为液氧液氢，发动机工作时间标准流程为 360 秒，发动机总推力为 514 吨；
c. 第三级总重约 123 吨，其中壳体和发动机质量仅为 13 吨，110 吨都为燃料，为液氧液氢，发动机工作时间标准流程为两次共计 500 秒，发动机总推力为 100 吨。
带的有效载荷各个阿波罗飞船平均下来大约 45 吨。
先看下述图表，这是官方公布的执行阿波罗 11 号任务时的发射数据记录。
看不懂不要紧，大致的信息量如下：
a. 对于第一级，在 165 秒内，2160 吨液氧煤油全部消耗掉，平均每一秒燃烧了 13.1 吨。这是个什么概念呢，汽油和煤油能量和热值比较接近，我们以一辆百公里油耗为 10 升的小汽车为例。它 1 秒钟消耗的能量足够让一辆小汽车行驶 17.95 万公里，大概够绕地球赤道 4 圈半。是的，你没有看错，就是你家汽车开这么远耗的油人家一秒就喷光了。那么土星五号第一级消耗的燃料够你家小汽车开个 740 圈赤道的；
b. 对于第二级，这个数据是（液氧液氢是液氧煤油的 1.6 倍左右）绕地球赤道 250 圈的；第三圈的数据是 60 圈。
c. 虽然推力在逐渐减小，但有效载荷也在减小（对于第一级而言，第二级、第三级和阿波罗都是有效载荷，而对于第二级就只有第三级和阿波罗是载荷了），火箭的加速度也在逐渐减小。但中学物理告诉我们，它的绝对速度依然在迅速增加。
下图是高度和空气阻力（动压）图。
消耗能量最为夸张的第一级，只是把火箭推高了 70 公里左右就完成使命了。第二级把它推高到 200 千米，这已经是绝大多数火箭的目标轨道了。而第三级刚用到第一部分开机，就推到 300 多公里，后续开始往月球飞就不好按照高度算了。
此外第一级消耗能量最大一个很重要的原因是空气动压，可对等为稠密大气的阻力：可以看到在 20 公里左右空气动压达到最大，在超声速突破音障前后，这跟我们的认识是一致的。
我这样计算还有一点不够科学，因为第一级火箭的工作环境是大气中，效率要低一些；而第二级和第三级的工作环境可认为是真空，工作效率会大大提高（土星的发动机可以高出 15% 左右）。
其他火箭相比土星五号都是一样的，就是体型小点，总体思路和分析是一致的。
所以结论是，火箭的初期能耗大大高于后期，原因：
1. “有效载荷”太大，要把整个后面几级和最终航天器一并推起来，太累，用完后下面用完的会被扔掉，使得后面轻装上阵；
2. 穿越低空大气，面对强大的空气阻力，被迫消耗掉了很多能量，而另外几级不会有；
3. 在大气中火箭发动机的工作效率本身又低于真空环境，其他上面级会有进一步优势；
吃力不讨好，就是这个节奏啊，但没它你可啥事儿都办不了。
参考图来源 Saturn V - Apollo Performance Characteristics
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