【科普】發(fā)射火箭為什么要分級(jí)？

空中的月亮

“航天之父”齊奧爾科夫斯基曾說(shuō)，地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠(yuǎn)被束縛在搖籃里。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(gè)速度叫第一宇宙速度，它大概為7.9公里每秒。

眾所周知，我國(guó)的高鐵技術(shù)全球領(lǐng)先，復(fù)興號(hào)設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)時(shí)速能達(dá)到350公里每小時(shí)，從北京到上海只要大概5個(gè)小時(shí)。然而，復(fù)興號(hào)高鐵相較于航天器，簡(jiǎn)直是小巫見大巫。這段路程對(duì)于以第一宇宙速度飛行的航天器來(lái)說(shuō)用不到5分鐘，可以想象航天器的速度有多快了，航天器獲得這么高的速度靠的是多級(jí)運(yùn)載火箭。那么問題來(lái)了，單級(jí)火箭可不可以把航天器送上天？為什么要使用多級(jí)火箭呢？

提到火箭分級(jí)，不得不提到齊奧爾科夫斯基，讓火箭飛向太空探測(cè)宇宙就是他最先提出來(lái)的。這位科學(xué)家的貢獻(xiàn)還不限于此，他還提出了著名的火箭運(yùn)動(dòng)方程式（這個(gè)公式被后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(chǔ)），即火箭最終的速度等于火箭的噴氣速度與火箭質(zhì)量比的對(duì)數(shù)的乘積。

火箭的質(zhì)量比是指火箭的原始質(zhì)量與火箭的最后質(zhì)量的比值。在經(jīng)過一系列數(shù)學(xué)運(yùn)算以后，他又指出，對(duì)于使用某種推進(jìn)劑火箭來(lái)說(shuō)，要使最終速度達(dá)到第一宇宙速度，火箭的質(zhì)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(yán)酷的條件，還要耐受高溫、高壓、真空等惡劣工作環(huán)境，火箭升空真的很不容易。

使用單級(jí)火箭來(lái)提高火箭的質(zhì)量比遇到了瓶頸，如何提高火箭的質(zhì)量比，便成為一個(gè)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(xiàn)，提出了把火箭分級(jí)的方案。

通過把火箭分級(jí)，多級(jí)火箭在每級(jí)工作結(jié)束后可以拋掉不需要的質(zhì)量，提高了火箭的質(zhì)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(dá)到預(yù)定的飛行速度。多級(jí)火箭各級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)也是獨(dú)立工作的，可以按照每一級(jí)的飛行條件設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳工作狀態(tài)，更好地提高了火箭的飛行性能。

那是不是火箭的級(jí)數(shù)越高越好了？理論上確實(shí)如此，級(jí)數(shù)越高，意味著拋掉的多余質(zhì)量越多，火箭的質(zhì)量比就越大，能達(dá)到的飛行速度就越高。但是級(jí)數(shù)太多，每級(jí)之間的連接和分離機(jī)構(gòu)部分也要相應(yīng)增多，這也會(huì)影響火箭的整體重量和強(qiáng)度，并帶來(lái)一些復(fù)雜的技術(shù)問題，可靠性也會(huì)降低。所以，現(xiàn)代火箭往往用兩級(jí)、三級(jí)或四級(jí)火箭（四級(jí)火箭即末級(jí)火箭）來(lái)發(fā)射人造地球衛(wèi)星。

總的來(lái)看，火箭目前是唯一能達(dá)到宇宙速度、擺脫地球引力、進(jìn)入宇宙空間的運(yùn)載工具?；鸺姆旨?jí)能夠提高火箭的質(zhì)量比，從而提高火箭的發(fā)射速度，所以現(xiàn)在發(fā)射衛(wèi)星使用的皆是多級(jí)火箭。

本文由空軍指揮學(xué)院教授徐邦年進(jìn)行科學(xué)性把關(guān)。

來(lái)源：人民網(wǎng)