為什麼中國航天發展這麼多年但是載荷所佔火箭總重的比例卻沒有很大提高？

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這麼多年以來，中國航天取得了舉世矚目的發展，從1970年中國發射的第一顆近地點軌道437.7km，遠地點軌道2057.6km，質量173kg的東方紅一號衛星，到長征5號的低地球軌道（LEO）運載能力達到25噸，地球同步軌道（GEO）運載能力達到5.1噸，從飛行高度和載重量上看，中國航天都取得了非常巨大的進步。
但是長征一號起飛質量81.57噸，運載能力為300千克，運載能力佔比0.37%，長征五號乙起飛質量837噸，近地軌道運載能力為23噸，運載能力佔比2.75%，總體來說火箭中的絕大部分質量還是由推進器佔去。
至於火箭的軌道高度，從東方紅的幾百千米，到地球同步軌道的36000千米，因為火箭打得越高，消耗的能量越多，難度越大，這是顯而易見的，但是從能量的角度來看，火箭發射在軌道時的能量：

聯立得：

火箭發射前的速度為地球自轉線速度，以赤道為例：

很顯然，這遠小於火箭發射時的第一宇宙速度7.9km/s，在估算時，我認為火箭的初始速度為0。所以箭發射時的初始能量為：

火箭發射中，被運載部分的能量變化為：

畫一條曲線如圖：

而且如果再考慮到空氣阻力的損耗做功，僅存在於飛出大氣層之前。所以在從最低的LEO軌道，到最高的飛出太陽系，都再沒有空氣阻力的事了，那也就是火箭在飛出大氣層之前，要做的功再多一些，這一點是多少我不知道，就算一點點吧。那麼直觀來說，給我這樣一種感覺，在發射東方紅時，我們取得了60分，把火箭打上去了。當然，我們拼盡了全力才得到了60分，想要再提高分數是困難的，但是，經過50年的發展，我們打到了地球同步軌道，打出了地球引力範圍，但那也就是得到了100分（滿分無上限）。就像是小孩子參加期中考試，考了個30分，我們不怪他，他努力了就好，但是他拿回去卷子，仔細研讀，開發了計算器，發明了電腦，運用了資料庫，提高了閱讀速度，幾十年如一日在研究這張卷子，讓他重新再考這張卷子，考了50分，那我就很困惑了，明明技術手段提高了這麼多，為啥分數就提高了這麼點？明明考試是同一張卷子啊！同一張！發射衛星的地球引力勢能又沒有變化，發射難度又沒有提高，算是「同一張卷子」吧？
反觀SpaceX，我認為它是有進步的，有大量的燃料被使用在了回收的減速過程中，返回回收裝置也佔了很大體積重量，而且他們用的是同一種發動機，對火箭指定飛行狀態的優化效率肯定沒有達到最佳，他們加了一大堆亂七八糟的東西在裡面，所以雖然載荷的運載能力沒有提升，但是技術還是有很大突破的。
這幾十年火箭研製的材料、發動機、燃料等等方面的技術進步，從鋼材變為碳纖維、燃料和發動機效率的提高、數字化技術推進使得火箭中的控制中心越來越小型化集成化，從直觀上來看，雖然火箭相比以前增加了更多的控制和檢測環節（其實火箭的可靠性也沒有很大的提高），但是前述的技術進步每一次變化都是巨大的重量的減輕（我覺得肯定比載荷上增加的載重重量多）。但是，仍然97%以上的質量是在推進器（和各種運送載荷的輔助器件）上，載荷的能量提高也沒有提高很多，就這個發展速度還要飛出太陽系吶？
請業內人士能不能幫我科普一下，中國火箭的整體技術進步體現在哪裡了？為啥中國火箭的載荷沒有大幅度提高，是我之前說的這些有認知上的錯誤，或者有我一些沒有了解到的困難、瓶頸？

根據你的問題描述，你大概是不知道齊奧爾科夫斯基火箭方程。

$Delta V=v_e lnfrac{m_0}{m_1}$

其中 $Delta V$ 是速度增量， $v_e$ 是噴氣速度， $m_0,m_1$ 分別是初始質量和終末質量。

注意到那個ln沒有？對數，這就是為啥絕大部分的質量都花在了推進上。

化學能火箭的絕大部分質量就是由推進劑佔掉。原理所致，誰來都沒用。

舉個二級入軌LEO的例子，LEO一般需要9.4km/s以上的 $Delta V$ （考慮了阻力、重力等損失），算一級關機速度4000m/s好了。

而噴氣速度 $v_e$ ，一級液氧煤油3300m/s，二級氫氧機4400m/s。

1級死重 $m_{1d}$ ,燃料 $m_{1f}$ ，2級總重 $m_2$ 死重 $m_{2d}$ 燃料 $m_{2f}$ 載荷 $m_p$

總重量 $m_0={{m_{1d}} + {m_{1f}} + {m_{2d}} + {m_{2f}} + {m_p}}$

那麼有

$frac{{4000}}{{{ m{3300}}}}{ m{ = }}ln frac{{{m_{1d}} + {m_{1f}} + {m_{2d}} + {m_{2f}} + {m_p}}}{{{m_{1d}} + {m_{2d}} + {m_{2f}} + {m_p}}}$

$frac{5400}{4400} = ln frac{m_{2d} + m_{2f} + m_p}{m_{2d} + m_p}$

有啥結果呢?

$m_{1f}=0.7m_0$ 光第一級燃料就得佔總重量的70%！！！

$m_{2f}=0.71m_2$ ，第二級的燃料得占第二級重量的71%！！！

其實對數字敏感的同志這裡應該已經能看出來了

$[{m_p} = 0.087{m_0} - {m_{2d}} - 0.29{m_{1d}}]$

也就是說，光打個最弱雞的LEO，就算髮動機、結構各種部件統統不科學地沒有任何重量，運載能力佔比也就只有個8.7%，火箭中的絕大部分質量還是由燃料佔去。再考慮一下結構重量、發動機重量，嘖嘖，目前最高的貌似就是土星五號，5%。

從300kg到25噸，從0.37%到2.75%，這個進步不可謂不大。

從能量的角度，GEO也就LEO的不到2倍。但是從速度增量的角度，LEO到GEO，又得3.8km/s的速度增量，需要的燃料可真少不了。

而且很多東西不是等比放大就完事的，都得改。改設計，改方案，複雜性提高，可靠性降低，一堆事兒。不然要啥長二長五啊，長1可勁的往大了造不就完事了？

而且還不僅僅是火箭本身的事兒，測控，通信，啥的都得提高。

給我這樣一種感覺，在發射東方紅時，我們取得了60分，把火箭打上去了。當然，我們拼盡了全力才得到了60分，想要再提高分數是困難的，但是，經過50年的發展，我們打到了地球同步軌道，打出了地球引力範圍，但那也就是得到了100分

其實可以說是第一個60分，是小學的60分。第二個100分，是初中的100分。然後美國已經考過了高考在上大學了，大概是這麼個感覺。

那我就很困惑了，明明技術手段提高了這麼多，為啥分數就提高了這麼點？明明考試是同一張卷子啊！同一張！發射衛星的地球引力勢能又沒有變化，發射難度又沒有提高，算是「同一張卷子」吧？

如果算作同一張卷子的話，那就是這張卷子上從小學難度一直到博士難度的題都在上面，分數的每一點提高，其實都是技術巨大的進步。

化學能火箭的極限就在這裡了，能不能光憑化學能火箭飛出太陽系？當然能，又沒說花多久飛出去不是。

不過從地面上太空，目前也就只有化學能火箭這一條路。

太空中的軌道機動，電推才是未來。

多說兩句：電推是通過電場/電磁場加速電離氣體/等離子體工質的推進方式，一般特點是比沖高，推力小，耗電高（回憶一下中學物理P=FV)。

（名詞解釋：比沖，單位推進劑的量產生的衝量，工程上習慣用s為單位，乘9.8m/s2就是有效排氣速度，作為參考，化學能火箭比沖一般就300s~450s）

電推比沖可以達到化學能火箭的幾十倍，可以大大節省燃料。或者說，同樣的燃料，可以大大提高速度增量。比方說，1噸的航天器，50%重量是燃料，如果是化學能，可以達到大約3000m/s的速度增量，而如果是電推，那就能達到30000m/s的速度增量，飛出太陽系不是夢。

下面舉幾個實際的例子：

美帝從上世紀五十年代開始實用化的離子推進器，電場加速離子，比沖1000~9000s。

（小歷史：這玩意是1911年齊奧爾科夫斯基第一個公開提出的）

NASA NSTAR離子推進器圖片來自：https://en.wikipedia.org/wiki/Ion_thruster

蘇聯從上世紀七十年代開始發展的霍爾效應推進器，比沖1000~8000s

NASA JPL 6kw霍爾推進器實驗圖片來自：https://en.wikipedia.org/wiki/Hall-effect_thruster

以及美帝從八十年代開始搞，最近快搞成了的神器：VASIMR 可變比沖磁等離子體火箭，使用磁場約束加熱到10,000,000K以上的等離子體，再通過電磁加速，無電極，不需要中和電荷，理論上啥氣體都能當工質，壽命長，推力大（相對於其他電推）。目前已經做到了比沖5000s（排氣速度50km/s），理論上貌似能做到30000s的比沖，喪心病狂。

VASIMR VX-200地面實驗圖片來自：https://en.wikipedia.org/wiki/Variable_Specific_Impulse_Magnetoplasma_Rocket

國內在這方面的進展請各位自行搜索新聞。

（是不是看起來很像各類科幻遊戲/電影中太空戰艦的引擎噴口啊）。

因為人類的發動機都TM還是化學動力的發動機啊！

你黑到中國航天頭上幹什麼？

現在的技術雖然提高了，但對於發動機而言，也就提高了那麼幾十秒的比沖啊，能幹什麼啊……

想提高速度增量，那就提高比沖啊，吼哇！

核推下馬了，電推推力這麼低，聚變工質引擎還不知道在哪裡。

怎麼打？

別YY了，目前能這樣就偷著樂了，要啥自行車？

發動機推重比不夠高

火箭結構設計水平不夠高，使用金屬而不是複合材料儲箱，造成干質比低

用液氧煤油而不是液氫，比沖不夠高，燃料重量更大

結果就是這樣了

載荷比確實不算高但是還可以長征5的理論LEO 具備32/878=0.036的載荷比能超過0.035的火箭都算不錯了。這個數字不低了超過0.04的就能算是很優秀的火箭了
雖說有2級氫氧的巨大優勢
只是長征7隻有14/595 0.023這個就比較可憐了

題主可以去玩一下坎巴拉太空計劃，（最好帶一個rss mod）體驗一下載人航天的感覺（這個比抽象的公式感受直觀多了）

因為化學能基本上就這水平了，從偏二甲肼四氧化二氮到液氧煤油液氧液氫，引擎噴氣速度頂死四千五百米每秒了，而噴氣速度直接意味著燃料效率，除非出現便宜的能大規模製造的強度極高的材料用作火箭的結構，否則化學能火箭就只能這樣了，想運大傢伙只能搞更大的火箭

根本原因：化學發動機比沖有限

糾正一下題主的思路：全世界化學火箭引擎比沖都差不太多，沒有革命性的差距，畢竟都是化學火箭發動機。
但是天朝的火箭載荷比相對更先進的火箭要低一點是因為其他如材料，技術，系統設計等方面的原因
所以這個題目里把「天朝」兩個字去掉就可以當正常科普了
黑天朝航天的交給其他問題和回答就好了

火箭燃料本身的速度增量你就不算了嗎？

你可以查一查Delta IV，Atlas V，Ariane V火箭的載荷係數。

總之，先把齊奧爾科夫斯基火箭公式搞懂。

你提到的是運載能力的發展，上面那個答案已經說的很詳細了，但三大工程：載人、探月、北斗，取得的成就可是實實在在的。