为啥火箭要“分级”?

发布时间 : 2016-05-10     来源 : 中国运载火箭技术研究院新闻中心

  运载火箭有“单级”和“多级”之分。但你知道火箭为啥要这样“分级”吗?
  原来,要把卫星送上地球轨道,有一个必须的条件,就是火箭要达到每秒7.9千米的第一宇宙速度。

△齐奥尔科夫斯基

  1903年俄国科学家齐奥尔科夫斯基在他的论文《用火箭推进器探索宇宙》一文中提出了著名的“齐奥尔科夫斯基火箭理想速度公式”。

△“齐奥尔科夫斯基火箭理想速度公式”

  根据这个公式,有两种方法能提高火箭的末速度:一是采用高能量的推进剂,即采用高比推力的推进剂;二是采用高强度的结构材料,尽量减轻火箭的结构质量。
  但科学家们最终发现,单级火箭无论采用性能多么好的固体或液体燃料,按当时的技术所能达到的最大速度也只有每秒6千米。而增加推进剂质量就要求火箭贮箱要造得更大、更厚、更结实,否则,火箭就会变成一个又薄又脆的“鸡蛋”,完全应对不了飞行时的恶劣环境。也就是说,在当前技术条件下,单级火箭根本达不到发射卫星的要求,更别提用更快的速度飞向月球,飞向深空了。
  最终,齐奥尔科夫斯基自己提出了一种解决方案:建造被称为“火箭列车”的多级火箭。
     这种多级火箭由两节以上的火箭串联组成。“火箭列车”从地面开出时,先是第一节火箭点火,达到一定速度后燃料耗尽自动脱落。接着,第二节火箭点火,加大速度继续飞行,燃料用完后关机并自行脱离。然后第三节火箭接着点火飞行,直到速度提高到所需数值,把卫星或飞船等有效载荷送入预定轨道。
  这个方案确实有效。1949年,美国人制造出了世界上第一枚多级火箭。世界各国也纷纷使用多级火箭作为运载工具。中国第一枚长征一号运载火箭就是一枚三级运载火箭。

△长征一号运载火箭

  那么,火箭分级都有什么好处呢?一院运载火箭总体设计人员邓新宇介绍说:“这个好处可是显而易见的,由于第一级火箭推进剂燃烧完以后可以把它整个抛弃,剩下第二级火箭单独前进,无需再消耗推进剂来带着它和有效载荷一起飞行。不仅可以提高火箭飞行的速度,还能增加运载能力。”
  有人做过这样的假设:如果有两枚火箭,一枚是单级火箭,一枚是两级火箭。第一枚火箭的发射重量是2吨,其中装有1.5吨的推进剂。根据速度公式可以算出,它的最终速度可以达到3.47公里/秒。第二枚火箭由各重1吨的两级火箭组成。它们分别装有750公斤的推进剂。表面看来后者的总重与推进剂的重量都与前者相同,但效果明显不同。计算表明,依靠第一级火箭的推力,只可以达到1.175公里/秒的速度,然而依靠第二级火箭,则可以进一步把速度提高到5.2公里/秒,其速度比单级火箭整整快了50%。
  既然火箭分级可以让火箭飞得更高,飞得更快,那么,火箭级数是不是越多越好呢?邓新宇说:“增加级数导致需要的连接和分离结构增加,从而增加结构质量并降低可靠性。火箭在采取一次分级后,可以大大提高速度,再增加分级对提高速度的作用越来越不明显。相反,分离导致结构增加和可靠性降低的负面作用更加明显。所以,现在世界航天的主流发展趋势是大推力、少级数。”这样看来,火箭的级数是根据其自身的需求决定的,并不是越多越好。

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