發射火箭為什麼要分級?帶你了解背後的原理

2020-12-17 網易新聞

(原標題:發射火箭為什麼要分級?帶你了解背後的原理)

「航天之父」齊奧爾科夫斯基曾說,地球是人類的搖籃,但人類不可能永遠被束縛在搖籃裡。人類要想走出地球,首先需要擺脫地球引力的束縛,這就需要具備很大的速度,這個速度叫第一宇宙速度,它大概為7.9公裡每秒。

眾所周知,我國的高鐵技術全球領先,復興號設計運營時速能達到350公裡每小時,從北京到上海只要大概5個小時。然而,復興號高鐵相較於太空飛行器,簡直是小巫見大巫。這段路程對於以第一宇宙速度飛行的太空飛行器來說用不到5分鐘,可以想像太空飛行器的速度有多快了,太空飛行器獲得這麼高的速度靠的是多級運載火箭。那麼問題來了,單級火箭可不可以把太空飛行器送上天?為什麼要使用多級火箭呢?

提到火箭分級,不得不提到齊奧爾科夫斯基,讓火箭飛向太空探測宇宙就是他最先提出來的。這位科學家的貢獻還不限於此,他還提出了著名的火箭運動方程式(這個公式被後人稱為齊奧爾科夫斯基公式,其奠定了火箭飛行理論的基礎),即火箭最終的速度等於火箭的噴氣速度與火箭質量比的對數的乘積。

火箭的質量比是指火箭的原始質量與火箭的最後質量的比值。在經過一系列數學運算以後,他又指出,對於使用某種推進劑火箭來說,要使最終速度達到第一宇宙速度,火箭的質量比要非常之大,火箭的殼體將要做的非常薄,甚至比雞蛋殼還要薄。如此嚴酷的條件,還要耐受高溫、高壓、真空等惡劣工作環境,火箭升空真的很不容易。

使用單級火箭來提高火箭的質量比遇到了瓶頸,如何提高火箭的質量比,便成為一個亟待解決的課題。齊奧爾科夫斯基為解決這一難題作出了貢獻,提出了把火箭分級的方案。

通過把火箭分級,多級火箭在每級工作結束後可以拋掉不需要的質量,提高了火箭的質量比,因而在火箭飛行過程中,能夠獲得更好的加速性能,逐步達到預定的飛行速度。多級火箭各級發動機也是獨立工作的,可以按照每一級的飛行條件設計發動機,使發動機處於最佳工作狀態,更好地提高了火箭的飛行性能。

那是不是火箭的級數越高越好了?理論上確實如此,級數越高,意味著拋掉的多餘質量越多,火箭的質量比就越大,能達到的飛行速度就越高。但是級數太多,每級之間的連接和分離機構部分也要相應增多,這也會影響火箭的整體重量和強度,並帶來一些複雜的技術問題,可靠性也會降低。所以,現代火箭往往用兩級、三級或四級火箭(四級火箭即末級火箭)來發射人造地球衛星。

總的來看,火箭目前是唯一能達到宇宙速度、擺脫地球引力、進入宇宙空間的運載工具。火箭的分級能夠提高火箭的質量比,從而提高火箭的發射速度,所以現在發射衛星使用的皆是多級火箭。(劉奇)

本文來源:人民網 責任編輯:王曉易_NE0011

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