火箭初期加速耗能高還是之後高？

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汽車起步的時候油耗高，速度慢。火箭升空的時候是不是一樣的概念？

ì謝邀

火箭初期加速主要用於突破大氣層最稠密的底部區域（50千米），而中後期主要是推出大氣層送入軌道了。而耗能最直接的表現就是燃料的消耗，我們可以看看史上最強火箭土星五號的數據進行分析。

它的起飛總重量約為3000噸，是曾經用於阿波羅登月和天空實驗室的火箭。目前人類現役最強的一批火箭（長征五號，宇宙神Atlas，三角洲Delta）大概是它的四分之一，但是土星五號在上世紀70年代就做出來了。

火箭包括如下幾級：
a. 第一級總重約2290噸，其中殼體和發動機質量僅為130噸，2160噸都為燃料，為液氧煤油，發動機工作時間標準流程為165秒，發動機總推力達到了驚人的3510噸！
b. 第二級總重約496噸，其中殼體和發動機質量僅為40噸，456噸都為燃料，為液氧液氫，發動機工作時間標準流程為360秒，發動機總推力為514噸；
c. 第三級總重約123噸，其中殼體和發動機質量僅為13噸，110噸都為燃料，為液氧液氫，發動機工作時間標準流程為兩次共計500秒，發動機總推力為100噸。

帶的有效載荷各個阿波羅飛船平均下來大約45噸。

先看下述圖表，這是官方公布的執行阿波羅11號任務時的發射數據記錄。

看不懂不要緊，大致的信息量如下：
a. 對於第一級，在165秒內，2160噸液氧煤油全部消耗掉，平均每一秒燃燒了13.1噸。這是個什麼概念呢，汽油和煤油能量和熱值比較接近，我們以一輛百公里油耗為10升的小汽車（基本上寶馬5系了）為例。它1秒鐘消耗的能量足夠讓一輛小汽車行駛17.95萬公里，大概夠繞地球赤道4圈半。是的，你沒有看錯，就是你家汽車開這麼遠耗的油人家一秒就噴光了。那麼土星五號第一級消耗的燃料夠你家小汽車開個740圈赤道的；
b. 對於第二級，這個數據是（液氧液氫是液氧煤油的1.6倍左右）繞地球赤道250圈的；第三圈的數據是60圈。
c. 雖然推力在逐漸減小，但有效載荷也在減小（對於第一級而言，第二級、第三級和阿波羅都是有效載荷，而對於第二級就只有第三級和阿波羅是載荷了），火箭的加速度也在逐漸減小。但中學物理告訴我們，它的絕對速度依然在迅速增加。

下圖是高度和空氣阻力（動壓）圖。

消耗能量最為誇張的第一級，只是把火箭推高了70公里左右就完成使命了。第二級把它推高到200千米，這已經是絕大多數火箭的目標軌道了。而第三級剛用到第一部分開機，就推到300多公里，後續開始往月球飛就不好按照高度算了。

此外第一級消耗能量最大一個很重要的原因是空氣動壓，可對等為稠密大氣的阻力：可以看到在20公里左右空氣動壓達到最大，在超聲速突破音障前後，這跟我們的認識是一致的。

我這樣計算還有一點不夠科學，因為第一級火箭的工作環境是大氣中，效率要低一些；而第二級和第三級的工作環境可認為是真空，工作效率會大大提高（土星的發動機可以高出15%左右）。

其他火箭相比土星五號都是一樣的，就是體型小點，總體思路和分析是一致的。

所以結論是，火箭的初期能耗大大高於後期，原因：
1. 「有效載荷」太大，要把整個後面幾級和最終航天器一併推起來，太累，用完後下面用完的會被扔掉，使得後面輕裝上陣；
2. 穿越低空大氣，面對強大的空氣阻力，被迫消耗掉了很多能量，而另外幾級不會有；
3. 在大氣中火箭發動機的工作效率本身又低於真空環境，其他上面級會有進一步優勢；

吃力不討好，就是這個節奏啊，但沒它你可啥事兒都辦不了。

參考圖來源Saturn V - Apollo Performance Characteristics

@太空精釀的回答基本把要素都說全了，但對於一些方面還有探討的空間。
實際上來說，在發射過程中，空氣阻力的影響是並不大的，特別是對於大型運載火箭而言。

按照地球大氣分層情況來看，大氣層絕大多數的質量都分布在30km以下的位置。
實際上在大約10km的高度上，大氣壓強就已經降到比較可觀的數值了。
那麼在前10km的高度中，雖然大氣比較濃厚，但實際上火箭的速度也是比較低的。
而我們知道空氣阻力與物體運動速度的平方成正比，因此實際上空氣阻力影響並不大。
那麼隨著物體運動速度增加，大氣也在變薄，空氣阻力也不大。

更進一步，由於空氣阻力與物體橫截面成正比，而物體質量與體積成正比，因此這兩者之間的比值，即相反方向的加速度實際上是與（橫截面/體積）=（1/長度）成正比。
顯然火箭越大，其所受到的阻力影響越小。

事實上按照△
v表進行計算，地面到LEO的需要9km/s，LEO運行速度約7.7km/s，克服重力做功約1.1km/s，那麼克服空氣阻力做功約0.2-0.4km/s

實際上阻力因素佔比不是很大。
這也直接宣判了熱氣球/飛機發射大運力運載火箭的方案的死刑。

初期。火箭燃料也是由火箭推動的。

火箭的加速有一個很重要的數據為速增量，描述的是燃燒一定質量的燃料能夠獲得的最終速度。

速增量的要求主要看軌道，第一宇宙速度是載荷需要達到的速度的話，那麼火箭就必須至少擁有第一宇宙速度大小的速增量。但是實際飛行上，飛出大氣、抵消大氣阻力都需要燃料，當然實際上這方面消耗的速增量很小，飛出30KM就可以幾乎無視了。

速增量【DeltaV=發動機比沖*In（總質量/燃料燃盡後的質量）】，看公式應該可以知道，決定速增量的主要是發動機比沖和燃料占火箭質量的比。

多級火箭的情況下，末級通常燃料佔比最高，所以其速增量通常是最高的一級。而一級火箭為了擁有足夠的速增量，燃料就必須達到一定比例。而上面的幾級火箭包括載荷等質量就已經很大，那麼就不得不增加一級火箭的燃料攜帶量。很多時候的一級火箭只有1000-2000m/s的速增量，卻必須攜帶近總體一半甚至更多的燃料。因為上面的速增量計算沒有考慮空氣阻力，實際上一級火箭工作結束時火箭的速度會更低。

這樣就能看出來，越接近末級的部分，加速的燃料消耗就越低。

【8/30】

emmmm

我感覺直接用文字表述還是不怎麼直接

舉個例子

我這裡有1Kg的載荷。也有一個2級火箭，每級火箭自身干質比8，發動機比沖為260s，每級速增量相同，都是4565.41m/s。

來猜一猜每級火箭有多重？

PS：速增量公式使用的比沖單位是m/s，但是通常比沖使用的單位是s

比沖本質是等效排氣速度，既然是速度，那麼就要用速度的單位~，將以秒為單位比沖/G，於是我們知道，等效排氣速度為2548m/s

至於為什麼是等效排氣速度，我覺得沒有人要求的話，就不用再講了。

好

公布答案：

一級火箭質量總質量為420Kg

末級/二級火箭質量為20Kg

這麼對比就強烈了許多

要達到相同的最終速度差，一級因為已經有了上面的二級和載荷的質量，要達到相同的燃料佔比，便不得不將自己的總質量提高，甚至這個程度會顯得很不可思議。

當然前期了。。。你看火箭的第一級那麼大，而且大多還在下面綁那麼多個助推器，那些裡面可都是燃料啊，這些都是前期用的。你可以理解成初期不僅要給載荷提供加速度而且還要給上面級的燃料提供加速度，火箭越高也就越輕了，所以越不「費油」。但是這個和汽車起步費油還不是一回事

結合新技術的發展，新的發射平台可建設在0-50KM之間，更高載荷火箭技術將應運而生。技術上可行了，知識產權保護的問題怎麼解哪？

初期，因為要克服地球引力，空氣阻力，巨大質量載荷的慣性

你問這個幹嘛？想自己造火箭嗎？這屬於國家機密不告訴你。
嘿嘿，我自己摺疊自己。

當然是前期啦前期自重大引力大空氣密度大後期自重輕空氣密度小陰曆小所以耗能是越來越小