[科普中国]-发射火箭为什么要分级？带你了解背后的原理

“航天之父”齐奥尔科夫斯基曾说，地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。人类要想走出地球，首先需要摆脱地球引力的束缚，这就需要具备很大的速度，这个速度叫第一宇宙速度，它大概为7.9公里每秒。

众所周知，我国的高铁技术全球领先，复兴号设计运营时速能达到350公里每小时，从北京到上海只要大概5个小时。然而，复兴号高铁相较于航天器，简直是小巫见大巫。这段路程对于以第一宇宙速度飞行的航天器来说用不到5分钟，可以想象航天器的速度有多快了，航天器获得这么高的速度靠的是多级运载火箭。那么问题来了，单级火箭可不可以把航天器送上天？为什么要使用多级火箭呢？

提到火箭分级，不得不提到齐奥尔科夫斯基，让火箭飞向太空探测宇宙就是他最先提出来的。火箭的质量比是指火箭的原始质量与火箭的最后质量的比值。在经过一系列数学运算以后，他又指出，对于使用某种推进剂火箭来说，要使最终速度达到第一宇宙速度，火箭的质量比要非常之大，火箭的壳体将要做的非常薄，甚至比鸡蛋壳还要薄。如此严酷的条件，还要耐受高温、高压、真空等恶劣工作环境，火箭升空真的很不容易。

使用单级火箭来提高火箭的质量比遇到了瓶颈，如何提高火箭的质量比，便成为一个亟待解决的课题。齐奥尔科夫斯基为解决这一难题作出了贡献，提出了把火箭分级的方案。

通过把火箭分级，多级火箭在每级工作结束后可以抛掉不需要的质量，提高了火箭的质量比，因而在火箭飞行过程中，能够获得更好的加速性能，逐步达到预定的飞行速度。多级火箭各级发动机也是独立工作的，可以按照每一级的飞行条件设计发动机，使发动机处于最佳工作状态，更好地提高了火箭的飞行性能。

那是不是火箭的级数越多越好了？理论上确实如此，级数越多，意味着抛掉的多余质量越多，火箭的质量比就越大，能达到的飞行速度就越高。但是级数太多，每级之间的连接和分离机构部分也要相应增多，这也会影响火箭的整体重量和强度，并带来一些复杂的技术问题，可靠性也会降低。所以，现代火箭往往用两级、三级或四级火箭（四级火箭即末级火箭）来发射人造地球卫星。

总的来看，火箭目前是唯一能达到宇宙速度、摆脱地球引力、进入宇宙空间的运载工具。火箭的分级能够提高火箭的质量比，从而提高火箭的发射速度，所以现在发射卫星使用的皆是多级火箭。

本文由空军指挥学院教授徐邦年进行科学性把关。