天津
看火箭发射时，人最容易盯着那团火。几千吨重的机器缓慢离开地面，直觉会告诉你：它花这么大力气，是为了爬到几百公里高空。
高度只占了账单的一小部分。把一公斤物体抬到离地 400 公里处，需要能量；可要让它留在那里，还得给它接近每秒 7.8 公里的横向速度。没有这股速度，它很快就会落回地面。
航天最难买的东西没有形状，就是物体每秒多走出去的那几公里。为了获得它，火箭起飞时把大部分质量留给了推进剂。
一、进入轨道先要获得横向速度
离地 400 公里，大约是北京到呼和浩特的直线距离。放在地面交通里，这算不上一个惊人的数字。但国际空间站每小时要飞大约 2.8 万公里，九十多分钟就绕地球一圈。
轨道飞行的关键是横向速度。物体仍被地球引力向下拉，同时又不断向前飞；当地表弯下去的速度和它下落的速度配合起来，它就会持续绕行。
国际空间站所在高度的重力仍有地面的九成左右。空间站和宇航员一起处于自由落体，舱内的人因此漂浮起来。
这也是普通火箭需要侧着转弯的原因。它升空后很快开始倾斜，大量推进剂被用来增加横向速度。单纯飞到同样的高度，再直直落下来，要容易得多。
你以为火箭在爬山，它其实在追赶地球弯下去的速度。
二、火箭方程会放大新增质量
火箭有一个麻烦：能源不能只放在地面上。推进剂、贮箱、发动机都得跟着飞，最初几分钟里，火箭还要加速这整套东西。
假设任务临时多带一吨载荷。增加的绝不只是一吨。火箭需要额外推进剂来推动它，新增的推进剂又增加了起飞质量，随后还需要更多推进剂。
齐奥尔科夫斯基火箭方程描述的正是这层关系。火箭能够获得的速度增量，与初始质量和燃尽后质量之比的对数有关。想把速度预算继续往上加，质量需求会越来越难看。
现实发射还要支付额外损失。火箭加速期间一直受到重力拉扯，也会穿过稠密大气。把载荷送入近地轨道，所需速度增量通常接近每秒 9 到 10 公里，高于入轨后的每秒 7.8 公里。
分级由此成了常规设计。一级耗尽后，空贮箱和发动机被抛掉；上面几级不必再拖着这些死重继续加速。发射画面里那些壮观的分离，首先是一场减重。
三、太空没有按距离绘制的价目表
到了轨道上，工程师会把沿途每一段速度变化相加，用这个总量衡量任务难度。它叫作 Δv，一张 Δv 地图就能直接显示各段飞行需要多少推进能力。
飞船靠近一个天体后，通常要点火减速才能进入轨道。下降到表面会继续消耗推进剂。样品返回任务还要安排起飞、会合与返航。
行星引力可以替经过的飞船改变方向和速度，这就是引力辅助。着陆器要靠自己的推进系统控制下降，返回器还要从表面重新起飞。
发射窗口由行星的相对位置决定。合适的位置能降低飞船进入转移轨道所需的速度增量。窗口关闭后，需求可能超过飞船的推进能力，很多深空任务因此要等上几年。
航天任务随身带着一只看不见的油箱。每次点火改轨，里面可用的未来都会少一块。
四、低运力把每次发射都变成孤注一掷
工程师一直在想办法绕开这道限制。引力辅助借行星改变飞行状态，电推进用很小的推力工作很久，在轨加注则试图让飞船不必从地面一次带齐全部推进剂。
可重复使用火箭解决的是另一部分问题。回收发动机和箭体，可以降低硬件被一次性丢弃的代价，却不会让入轨所需的能量凭空消失。回收本身还要预留推进剂。
低运力还改变了航天器本身。发射机会昂贵，工程团队会尽量降低单次失败的概率，于是增加测试、冗余和审查。可靠性因此提高，研制周期和成本也随之上升。
深空探测器启程后，工程师很难把它叫回来换个零件。很多设计必须在发射前几年冻结，错一处就可能损失整个任务。地面产品常用的小批量试错在这里很难实现。
发射频率低，试错也会变慢。一种新发动机、一套新材料或一条新生产线，需要多次飞行才能积累数据；每次机会之间隔得太久，改进就只能按年计算。
运力充足后，单台卫星的发射成本会下降。工程师可以增加备份和实验次数，一次失败也不会拖住整个项目。今天的航天仍要把太多希望压在少数发射上。
人类已经把机器送到几十亿公里外，至今仍很难承受它在那里坏掉。一个文明付得起多少次重来，正在限制它向太空扩张的速度。
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