[科普中国]-多级入轨火箭

组合方式

由于目前单级火箭还不能使航天器入轨，所以必须采用多级运载火箭。通常是两级或三级，很少多于四级。多级火箭各级间的组合方式可有串联式。并联式或混合式，如图3-1所示。串联式是把几个单级火箭依次同轴首尾配置，其优点是气动阻力小、结构紧凑、级间连接容易、分离时故障少，发射装置也简单，但细长比(最大直径与总长度之比)小，特别是大型火箭的弯曲刚度差，运输、贮存和起竖也不够方便。并联式是各子级的轴线围绕基本级(称芯级)的纵轴周围或对称配置，俗称“捆绑式”。发射时各级同时起动或依次起动。由于可以利用已有的单级火箭组合起来，故能简化和加快火箭研制过程，由于细长比较大，竖直在发射台上时稳定性好。但气动阻力增大，级间连接分离机构复杂，且分离时干扰大。混合式组合是将并联、串联式结合在一起的配置方案，如第一级与第二级为并联式，第二级与第三级为串联式，组成三级火箭。采用这种方式可以扬长避短。2

构造多级火箭的构造多级火箭是单级火箭的组合。以美国的“先锋号”运载火箭为例，说明它的构造。

这是一个三级火箭，全重10.2吨。第一、第二级是液体火箭,第三级是固体火箭。

火箭在地面起飞时，第一级火箭工作，推力有12.2吨。它也是靠摆动发动机来进行操纵的，不过它还装有两个能转动的小喷管，可以产生22公斤的推力，用来防止火箭发生滚转。第一级工作140秒以后，就自动脱离，然后第二级开始工作，又工作126秒以后，发动机停车，但并不立刻脱离，第三级也暂不工作。第二级和第三级连在一起，靠惯性继续飞行，直到到达预定的轨道高度以后，第三级才开始工作。由于先锋号尺寸和重量太小，所以在第三级上不可能安装控制仪器。它的控制仪器是装在第二级上，因此只能用来控制第一级和第二级的飞行，第三级已经成为不能控制的火箭。为了保持飞行稳定，第三级火箭像纺锤一样绕纵轴一面转动，一面前进，因此它也就不可能达到很高的精确度。所以它是此较原始的。先锋号第三级工作终了，可以达到第一宇宙速度，这时卫星就从火箭里被弹出来，进入轨道(第三级火箭的壳体也进入轨道)。3

像先锋号这样安排的多级火箭，叫做宝塔式多级火箭。因为它是一级级叠上去的，好象一座宝塔一样。还有很多运载火箭，都采取这个形式。例如，美国用来进行月球飞行的运载火箭“雷神—艾帕”(图22)，就是一个三级火箭。它的第一级是“雷神”(美国的中程弹道火箭)，第二级就是“先锋号”的第二级，第三级则是固体火箭。

宝塔式多级火箭，可以利用现成的单级火箭凑起来，一般地说，由于每一级单级火箭比较完善，所以整个多级火箭也就此较可靠。当然，达并不是说，解决了单级火箭问题，也就解决了多级火箭的问题。怎样使多级火箭各级之间连接可靠和准确分离，怎样使各级火箭发动机准时点火和熄火，以及如何保证各级发动机的正常工作，都是在构造上需要解决的问题。例如，美国发射宇宙飞行器所用的运载火箭，很多都是用现成的单级火箭凑成的，用它来发射宇宙飞行器的早期试验中，几乎有一半左右是失败的。究其原因，除了控制系统的毛病以外，几乎都是由于各级火箭之间不能正常分离，或者发动帆不能按时点火，或者不能正常工作致，有时甚至还发生爆炸。3

由于宝塔式多级火箭是一级一级叠上去的。所以长度非常之大，(雷神-艾帕全长约27米，立起来和五、六层楼房差不多高)，使用起来很不方便。而且，当第一级发动机工作的时候，上面几级发动机不但不起作用，还耍成为第一级的“负担”，从重量上看，也是不利的。因此，就产生了另外一种构造形式(图23)，它是由几个火箭并排连在一起组成的，所以有时又把它nll做“火箭束”。这种多级火箭，在“第一级”工作的时候，工，2，3三个发动机同时开始工作，但用的却是1和2燃料箱中的燃料，当1和2的燃料用完之后，就算第一级工作完毕，l、2的发动机和燃料箱都被抛掉。这时只有3在继续工作，用的是3燃料箱的燃料，这就算是火箭的第二级。由此可见，中央的发动机，既是第二级的发动机，又是第一级发动机组中的一个，这样整个火箭的重量，就可以减小一些。另外，火箭成束地排列，它的总高度也可以减小，使用上比较方便。但是这种多级火箭在单个火箭之间的连接，比较复杂，组合式多级火箭飞行时空气阻力也此较大。3

如果在中央火箭上，再叠上一个第三级(或再多几级)，就成为组合式多级火箭(如图24)。当火箭较大，级数较多时，可以考虑采用这种形式。

为了降低发射宇宙飞行器的成本，有人建议回收运载火箭，至少回收共第一级，以便再用。如果把运载火箭装在高速飞机上，飞机先加速到很高的速度(例如每秒l公里左右)，然后运载火箭再在飞机上发射，这时飞机好像成了运载火箭的第一级，飞机是可以多次使用的，所以一次发射的成本就可以大为降低。当然，要在飞机上发射宇宙飞行器，还有很多新的技术问题需要解决。3

燃料对于多级火箭来说,燃料的要求较多。首先，燃料的单位质量发热量要高。燃料的单位质置发热量越高，燃烧时产生的气体的温度就越高，它的体积膨胀就越大，从喷口喷出来的速度就越快，产生的反作用力也就越大，因而火箭上升的速度越快。其次，燃料的比重要大，换句话说，单位质量的体积要小，火箭用的燃料比重较大，燃料箱就可以做得小一些，整个多级火箭也就可以做得小一些，轻一些。第三，燃料要比较稳定。这就要求燃料本身不容易爆炸，它对燃料箱和动力装置的腐蚀性要小，燃烧的时候容易控制。4

我们知道，燃烧就是剧烈的氧化。燃烧的时候必须有能够氧化的东西(燃烧剂)，也必须有供给氧的东西(氧化剂)，火箭的燃料就是由燃烧剂和氧化剂组成的。所以火箭的燃料不需要空气中的氧气帮忙，在地球大气层的外面也能燃烧。这是为什么必须用火箭才能发射宇宙飞船的一个原因。4

火药里，燃烧剂和氧化剂是全部混合在一起的，所以一点着就猛烈地燃烧起来，一刹那间就全部烧完了。固体燃料一般都有这样的缺点，所以不能用于多级火箭。因此，现代的多级火箭一般都用液体燃料。

性能特点齐奥尔科夫斯基曾指出，想要进入太空，必须使用多级火箭才能实现。

火箭所能达到的最大速度，由两个因素决定：第一是发动机的特性，它综合考虑了燃料能量特性和发动机构造的完善程度，一般这个因素可以用发动机喷出燃气的速度来表示，喷出速度越大，就认为发动机的特性越好。第二是火箭结构的完善程度，这个因素可以用火箭的质量比，也就是火箭的全部重量和燃料烧完之后空重之比来表示。火箭结构越完善，质量此就越大。3

这两个因素的物理本质，粗略地说就是：在火箭发动机工作过程中，耍靠燃料燃烧，但是任何发动机都免不了有能量损失，特性好的发动机，不但燃料放出的能量多，而且能量损失较少，因此能够用来推进火箭的有用能量就此较大，火箭就可以利用这部分能量来增加自己的速度。这是第一个因素所考虑的问题。但是，这里讲的火箭增加速度，是指火箭的有用载荷(例如弹头、人造卫星或宇宙飞船)和壳体同时增加了速度，也就是说发动机的有用能量，是消耗在两个部分身上，一个是有用载荷，一个是壳体。如果壳体的结构重量愈大(火箭的空壳愈重)，那么，壳体所消耗的能量也越大，整个火箭(包括有用载荷和壳体)所能达到的速度就愈小。所以质量此小的火箭，所能达到的最大速度也不会大。这是第二个因素所考虑的问题。加大单级火箭的尺寸，增加燃料的数量，当然可以增加燃料所放出来的总能量。但是由于燃料增加了，盛燃料的箱子就得加大，火箭壳体的重量也就相应地增加。如果壳体重量增加得慢，燃料总能量增加得快，当然可以不断提高火箭的速度。但是，实践证明，当单级火箭的尺寸加大到一定程度的时候，如果为了多带燃料而继续加大尺寸，那么，结构的重量就会急剧增加，火箭的速度也就无法继续提高了。所以，在20世纪六七十年代的技术水平下，单级火箭无法达到宇宙速度，不能做为宇宙飞行器的运载火箭。3

采取多级火箭之后，速度就可以继续增加。这是由于：当火箭加速到一定的速度之后，就把一部分对以后航行没有作用的空壳体抛掉，剩下的燃料所发出的能量，只用来加速没被抛掉的部分，工作一段以后，再抛掉另广部分空壳。这样一来，在航行过程中随时把没用的空壳抛掉，更多的能量被用来加速需要加速的部分——有用载荷(弹头，卫星或飞船)，因此它就可以得到更高的速度。3

一般来讲，多级火箭所能达到的最大速度约等于每级火箭所能达到的最大速度之和。这么说，不断增加火箭的级数，似乎就可以不断地提高多级火箭的速度了。事实并非如此，因为随着级数的增加，火箭的构造变得过分复杂，而且整个火箭也会很庞大，使用上非常困难。所以级数不可能很多，目前的火箭，一般都在三级左右，很少有超过四级的火箭。3

最早的多级火箭北宋时期，利用反冲力推进原理，发明并使用了以火药为推进动力的火箭。到了明代，火箭的使用更加广泛，种类多样，装置也大为改进。其中，有一·种二级火箭，人们称之为“火龙出水”，这是我国和世界上最早的多级火箭。5

据明代军事著作《武备志》记载，“火龙出水”的构造，是取一段五尺长的竹筒，里面打通磨光。在竹筒的一头安装木制的龙头，另一头安装木制的龙尾，竹筒即为龙身。龙头的口部向上，龙腹内装有几支火箭，将火箭的药线总连在—-起，由龙头上部的扎中引出。同时，在龙身外的前部和后部，分别斜装着两支火箭筒，把它们的药线也总连在一起。再把龙腹内火箭的总药线，连在龙身外的火箭筒底部。这样，点燃龙身外前部的两个火箭筒，龙身就按一定弧线在空中飞行。当前部两个火箭筒(第一级)燃烧完时，就引起后部两个火箭筒(第二级)继续燃烧。火箭筒里的火药燃烧完以后，便引着龙腹内的火箭，使其飞射出去杀伤敌人。5

“火龙出水”的制作方法，完全符合现代多级火箭的构造原理。它的发明，充分体现了我国古代人民卓越的创造能力。

总体评价采用多级入轨火箭发射航天器其优点是：

（1）可以比较容易获得加速度性能，以达到航天器入轨的高度和速度；

（2）多级火箭的每一级具有独立性，飞行高度不同可采用不同形式发动机以发挥最大效率；

（3）灵活选择各级推力、速度及速度方向以控制飞行轨道有利于监控、安全以及任务要求的完成；

（4）加速度能逐渐增加，可使航天器不遭受太大的加速度冲击（载人航天尤为重要）。6

但是多级入轨火箭也存在缺点，需要在技术上予以弥补，如多级组合式系统控制复杂化（点火、关机、级间分离），其参数量多，变化大而且多级的落点也需要从安全角度考虑；多级组合使火箭发射到入轨的影响因素增多，系统可靠性降低。6