众所周知，火箭要飞上天，就要突破地球重力达到宇宙第二速度（11.2km/s）。也就是牛顿第三定律的反作用力要超过地球对火箭的重力，航天上称为“火箭推力”。火箭就是利用发动机燃料在燃烧时产生的高速热气流（工质）向后使力，从而形成一股推力，根据“牛顿第三定律”，这股推力大于或等于火箭重力时，火箭就飞起来了。
在年，人类宇航史的理论奠基人康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基推导出火箭速度公式：V＝ω·Ln（Mo/Mk）（ω是发动机喷气速度，Ln是对数表达式，Mo和Mk分别是火箭最初质量和发动机熄火时的质量，Mo/Mk就是火箭质量比）。由式中可以得知，火箭的速度决定于火箭推力和质量。
由于火箭都是自带推进剂和氧化剂，这让它变得更加沉重。比如长征五号火箭，它的起飞质量重达吨，运载能力最多只有25吨，其余大部分是燃料。有人计算一台火箭的燃料约占总质量的15/16。
于是给火箭“减负”成了航天科学重要科研课题之一。
给火箭“减负”就是减轻它的质量，可以从两方面入手，一是改进火箭材料，二是使用能量密度更高的推进剂。
这里就简单介绍一下火箭的主要材料。
轻便耐用的材料是让火箭提速的原因之一，火箭的构成部分不同，材料也不同。现代运载火箭主要由“头部整流罩”、“弹体”及“级段发动机”等组成。
火箭在空中快速飞行时，由于空气摩擦力，头整流罩部温度可达到～℃，所以头部的材料需以抗高温及强度为主。科研人员先后试用过铜制金属、高硅氧复合纤维酚醛树脂、石墨纤维多向纤维碳材料等等来做头部材料，这些材料虽能抗高温，但是火箭非常沉重，需要更多的燃料去推动。在70年代已经使用了耐烧蚀性和抗损伤性的碳纤维织物增强材料，这种材料的高强一级碳纤维织物的力学指标有g/㎡，既提高了火箭头部的强度和刚度，又减轻了火箭质量。
居中的弹体主要由仪器舱、箱体、过滤段及尾段构成，主要作用是支撑结构，虽然不需要头部整流罩那样耐高温，但也需一定的强度。目前常用的是铝、铜、镁系，或铝、锌、镁系等高强度铝合金材料，然后制作成半硬壳式或蜂窝结构。但这样的外壳非常薄，只有0.8mm左右，大约是鸡蛋壳的厚度。这种材料具有强度高、质量轻、耐腐蚀、成本低和综合性能高的优势，而成为了火箭外箱和理想选择。它的内箱体则采用钛合金或高强度的钢制成。
底部的发动机起的是推力作用，由于燃料在室内燃烧温度高达℃以上，任何材料都会在这种严酷的环境中软化至熔化，唯一的办法就是使燃烧室冷却以保障材料强度。燃烧室按冷却方式可分为“再生冷却式”、“辐射冷却式”和“烧蚀冷却式”三种，这里就以简单环保的“烧蚀性冷却式”为例说说它的材料：它的内壁是用高硅氧纤维增强树脂为烧蚀材料，外部的承力壳体是钛合金，喷管用石墨镶块或碳纤维增强材料加强抗烧蚀力。
按燃料来分，可分为液体火箭和固体火箭。液体火箭常用的燃烧剂有液氢、偏二甲肼和煤油等，氧化剂有液氧和四氧化二氮等。原理是燃料燃烧时产生的高温高压燃气被加速为超音速气流向后喷出而产生推力；固体火箭是以固体物质（常用的有HTPB和NEPE）产生的化学能转化为热能，然后转化为动能为推进的火箭。由于固体推进剂的能量密度高、推力大及结构简单等优势，在二战后得到了迅速发展。
除了以上液体燃料和固体推进剂，科学家计划在未来使用一种能量密度更高的推进剂——核动力。据NASA有关资料显示：核燃料铀U的能量密度是常用的推进剂肼（N2H4）的万倍，能让火箭提速2～3倍。
什么是能量密度？核动力火箭的能量密度有多高？
能量密度就是单位体积内包含的能量，单位是焦耳/立方米（J/m），兆焦/立方米（MJ/m）等。比如太阳的能量密度是6.45亿MJ/kg；铀-的核裂变能量密度是万MJ/kg；硝基甲烷（CH2NO2）是11.3MJ/kg；锂离子电池是0.72MJ/kg。
铀的核裂变
物理学上，超过J/m的物质就是高能量密度。以铀为例，那么铀-的密度是19.05g/cm，1立方米就有kg，每立方米铀-的能量密度是1.亿兆焦。
核能量如此惊人，如果将它用在火箭上，就像是装上了一个小太阳，使火箭的推力大幅提升，同时减轻了火箭质量。与成百上千吨的液态燃料相比，携带小量铀简直就是“轻如鸿毛”。
核动力火箭飞得有多快，有多远？
如果要探索月球、火星以及浩瀚的宇宙，就目前的液态或化学火箭速度远远不够。就算飞到万km外的火星，最快也要6个月左右才能到达。如果是载人航天，宇航员是无法承受这么长时间宇宙辐射的，因此缩短航天时间是宇航员安全健康的重要保障。我们亟待研制推力更大与射程更远的核动力火箭。
科学家为未来航天设计了两种主要类型的核动力火箭系统：核热推进和核电推进。
核动力火箭除了能量密度高，一个显著优势是比冲大，比冲越大，发动机效率越高，射程越远。
一、核热火箭
核热火箭的原理与液体火箭原理相似，不同的是液体燃料被小型核裂变反应堆所取代。它是利用氢气做工质和冷却剂，经过高温的核反应堆后被加热，再由收缩扩张喷管以超音速的速度喷出，来作为推力。
裂变反应取决于核裂变反应时产生的中子数与非裂变吸收及泄露消失的中子数两者之间的平衡。
反应堆里的控制棒用来控制中子流，当反应堆里的中子数与上一次中子数比值（Keff）＞1时，为启动或升功率过程，是超临界状态；比值＝1时，反应堆正在稳定运行，为临界状态；那么比值＜1时，反应堆正在停止或降功率，为次临界状态。
核热火箭工作原理
核热火箭具有比冲大、推力大、可多次启动、自身质量轻、结构简单等优势，没有液、固体火箭的多级与繁复的程序。目前最快的液氢火箭比冲是秒，最大加速度是10km/s，想再快些就不能了。如果是核热火箭，比冲可有秒，加速度可有22km/s。据NASA的科学家估算，核热火箭的推进效率是化学推进剂的两倍以上，到达火星的时长会缩短20%～25%，火星探测器飞到火星最快大约是4～5个月左右。
二、核电火箭
核电火箭的原理就是用大功率核裂变反应堆发电，使电推进器产生推力。核电火箭的能量比核热火箭还要大，“质量效率（相同的质量推力更大）大约是后者的3倍”，可为多个独立的推进系统提供电力以产生更大的推力。
不过目前为止，还没有核电火箭的建造，只有美国和俄罗斯正在研发。
另外，除了核热和核电火箭，未来还有“混合核热与核电火箭”，它利用核热能与核电能之间的转换在星际间航行；有“核裂变碎片火箭”，它利用核裂变时释放的能量碎片高速逃逸产生推力，美国的哈普林等一些科学家设计了一种以放射性元素“钚”或“镅”为燃料的石墨结构的核裂变火箭，可让火箭速率提高到光速的6%；还有“核脉冲火箭”和“核冲压火箭”等等，这里不一一列举了。
核辐射问题
尽管核动力火箭原理简单，能量巨大，但目前仍然没有应用在太空航天，因为它存在一些亟待解决的问题。
年美国三里岛核泄漏事故、年苏联的切尔诺贝利核事故、年日本的福岛核事故...一例例惨重的核事故使科学家放缓了核火箭的研制脚步，核火箭自然也逃不过核辐射的隐患。宇航员乘坐一次核火箭可让肌肉量减少30%，骨密度会下降。长时间的核火箭航天会对宇航员的身体健康带来严重伤害。
不过科学家研究出来一种新型核燃料——镅，它的裂变反应容易得多，只需1%铀的质量就能完成裂变的临界状态，并且可持续裂变。这让太空航天既节省了资源，又保障了宇航员的健康，还节省了时间。目前的液体火箭到达火星需要6～10个月那么久，那么镅燃料的核动力火箭飞到火星只需两个星期左右。这种火箭预计年前后可研制成功。
总之，人类在探索太空和宇宙之路上会不断推陈出新，让航天器技术日趋成熟，速度日益增快，性能更为安全可靠！
中国首个火星探测器“天问一号”明天就要搭载“长征五号”火箭发射了，预祝发射成功，让我们静待佳音！我国的太空探索定会越走越远！