[科普中国]-多级火箭

发展过程

二战结束后，美国继承了德国的研究成果，于1949年研制了第一枚多级火箭。

形式多级火箭可以是串联式的、并联式的或串并联式的，但常用的形式是串联和串并联。串联就是将多个火箭通过级间连接/分离机构连成一串，第一子级在最底下，先工作，工作完毕后通过连接/分离机构被抛弃掉，接着，其上面级火箭依次工作并被依次抛弃，直到有效载荷进入飞行轨道。并联就是将多个火箭并排地连接在一起，周围的子级火箭先工作，工作完毕后被依次抛弃，直至有效载荷进入飞行轨道，中央的芯级火箭最后工作。以这种方式连接的多级火箭又称为捆绑式火箭。如果芯级火箭本身是串联式多级火箭，这种形式就是串并联。

特点优点多级火箭与单级火箭相比有以下优点：

(1)多级火箭在每级工作结束后可以抛掉不需要的质量，因而在火箭飞行过程中，能够获得良好的加速性能，逐步达到预定的飞行速度；

(2)多级火箭各级发动机是独立工作的，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，从而也就提高了火箭的飞行性能；

(3)多级火箭可以灵活地选择每一级推力的大小和工作时间，以适应发射轨道的要求、轨道测量要求以及载人飞船对飞行过载的要求。

缺点但多级火箭也有缺点，主要是：

(1)火箭结构复杂，使用的发动机数量多；

(2)级与级之间需增加级间段多级火箭结构示意图进行连接，分离次数多；

(3)结构细长，弯曲刚度差，不容易实现气动稳定。多级火箭由于这些原因使得可靠性降低，成本增加。12

用多级火箭来发射航天器的原因火箭原理概述火箭是一种运输工具，它的任务是将具有一定质量的航天器（又称有效载荷）送入太空。航天器在太空中的运行情况与它进入太空时的初始速度的大小和方向有关。一般地说，如果航天器进入飞行轨道的速度小于第一宇宙速度（7.91千米/秒），航天器将落回地面；如果航天器进入轨道的速度介于第一宇宙速度与第二宇宙速度（11.2千米/秒）之间时，它在地球引力场内飞行，成为人造地球卫星；当航天器进入轨道的速度介于第二宇宙速度与第三宇宙速度（16.7千米/秒）之间时，它就飞离地球成为太阳系内的人造行星；当航天器进入轨道的速度达到或超过第三宇宙速度时，它就能飞离太阳系。

理想速度公式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。该公式可表述为：

VK=Pb g0 Ln [（GT+GJ）/GJ]

式中: VK一一火箭的末速度;Pb一一比推力（比冲）；g0一地面的重力加速度；GT——火箭起飞时的推进剂质量；GJ——火箭的结构质量，其中包括有效载荷。

所谓理想速度就是该公式中忽略了许多因素，如未考虑气动阻力和地球引力造成的损失，也未考虑g0随高度递减的变化及其他因素。根据该公式计算出来的速度比实际数值大，所以称之为理想速度。尽管如此，该公式仍足以说明速度与比推力、质量比之间的关系。

火箭提速从理想速度公式可以看出，有三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，但比推力的提高受到科学技术水平的限制，如今常用的高比推力的化学能推进剂为液氧和液氢；二是采用高强度的结构材料，尽量减轻火箭的结构质量，这种办法也受当前科学技术水平的限制；三是增加火箭的推进剂质量，但单纯增加推进剂质量也不行，当GT增加时贮箱的容积也增加，结构质量随之增加。（GT +GJ）/GJ的比值是非线性增长的，当推进剂适量增多时该比值增长幅度较大。但当GT 越来越大时，该比值的增长幅度将越来越小，最终会趋于一个常值。也就是在Pb不变的情况下，无论GT 怎样增加，火箭的末速度会停留在某个数值上而不再增大。这一结果可以比较直观地说明，即当推进剂增加时，除了贮箱容积增大之外，贮箱所受到的载荷也在增加，因而贮箱的箱壁越来越厚，贮箱也越来越重。火箭飞行一段时间之后，推进剂被消耗，贮箱越来越空，推进剂释放出来的能量不仅要加速有效载荷，还要加速这部分空贮箱，如果贮箱越重，用于加速空贮箱的推进剂比例就越大，直到速度不再增加。

多级火箭原理随着人类逐渐进入深空探测和空间飞行器的功能增多，要求火箭具有更大的运载能力，因而出现了多级火箭。简单地说，多级火箭就是把几个单级火箭连接在一起形成的，其中的一个火箭先工作，工作完毕后与其他的火箭分开，然后第二个火箭接着工作，依此类推。由几个火箭组成的就称为几级火箭，如二级火箭、三级火箭，等等。需要指出的是，如果多个火箭同时工作，它们只能算作一个级。多级火箭的优点是每过一段时间就把不再有用的结构抛弃掉，无需再消耗推进剂来带着它和有效载荷一起飞行。因此，只要在增加推进剂质量的同时适当地将火箭分成若干级，最终可以使火箭达到足够大的运载能力。应当注意，火箭在某个确定的起飞质量(GT+GJ)下并非级数越多越好，因为每一级火箭除了贮箱外至少还必须有动力系统、控制系统、伺服机构以及连接各级火箭的连接结构等。每增加一级，这些组成部分就增加一份。级数太多不仅费用增加，可靠性降低，火箭性能也会因结构质量增加而变坏。因为在起飞质量不变的前提下，增大结构质量必然要减少推进剂，从能量守恒原理可知其运载能力必然下降。总之，为了提高火箭的运载能力，采用多级火箭是个好办法，但不是级数越多越好，它与起飞质量之间有着某种对应关系。3

应用“长征”系列火箭中，长征二号E、长征二号F和长征三号B是串并联式火箭，而其余的“长征”系列火箭则都是串联式火箭。3