火箭为什么要采用分级发射的方式,这样有什么好处?
人类对于太空的探索从来没有停止过,“航天之父”齐奥尔科夫斯基是第一个提出通过发射火箭探索太空的人。而要想将火箭成功升入太空,那必须要摆脱地球引力的控制,火箭的速度必须要超过第一宇宙速度,也就是7.9千米每秒。
要想让火箭达到这个速度,齐奥尔科夫斯基提出了著名的火箭运动方程式,以此测算火箭最终的速度,齐奥尔科夫斯基得出火箭的最终速度与火箭的喷气速度和火箭的质量比有关,也就是说火箭的喷气速度越高,质量比越高,火箭最终脱离地球时的速度就会越快。而使用多级火箭的发射方式,在保证喷气速度的情况下可以提高火箭的质量比,从而使火箭顺利升入太空。
火箭的质量比越高,火箭的速度越快,分级发射可以提高火箭的质量比。
火箭的质量比是火箭的最初质量和火箭最后质量的比值,而质量比是火箭能否顺利升入太空的关键一步,火箭的质量比必须要足够大,这也就意味着火箭在飞行过程中必须要抛掉足够多的重量,因此科学家提出了分级发射火箭的方法,每级工作结束后,都可以抛掉足够多的重量,以此提高火箭的质量比。
一般火箭发射会分两级、三级或者四级发射。
从理论上来说,火箭分级越多,它在上升过程中能够甩掉的重量也就越多,最终在飞出地球时质量比也就会越高,其实这是理想的一种说法,在现实操作中,每增加一级,就会增加与之相连的构件,会增加火箭整体的质量,那么势必会消耗更多的燃料,而火箭携带的燃料又有非常大的重量。不仅如此,如果火箭在升入太空的过程中分级过多,那么势必会带来一系列复杂的技术问题,所以安全稳定起见,火箭分级一般会分二级、三级或者四级。
多级火箭可以灵活的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。
火箭在升入太空前,必须要做一系列的测算,测算出火箭最佳的行使路线,而且火箭在升空的过程中,必须要顺着地球自转的方向发射,以此给火箭一个最初速度,便于摆脱地球的引力。所以多级发射的好处在于可以灵活的选择每一级的推力,以及每一级推力所作用的时间,以此来更好的控制火箭的轨迹,使它顺利升入太空,到达指定位置。
经过科学家们的不懈探索,才得出了火箭最佳的发射方式,采用多级火箭发射的方式,如此一来可以在飞行的过程中减掉不必要的重量,增加火箭的质量比。而在分级的选择上,如今的火箭发射一般选用二级三级或者四级,如果分级越高反而会增加不必要的重量和技术问题,适得其反。而多级发射火箭还可以通过分级控制每一级推力的大小和工作时间,来适应发射轨道的要求。随着科技的进步,相信未来火箭发射的技术会越来越完善。
运载火箭一般由2-4级火箭组成,单级火箭串联或并联起来,就组成了多级火箭。而火箭为什么不能做成一级呢?
火箭要实现宇宙航行,有一个必须条件,飞行速度理论上至少要达到7.91千米/秒,即第一宇宙速度。而在目前技术条件上,单级火箭最大速度只能达到6千米/秒,要把卫星送上几百或几万千米的高空,并具有冲破地球引力的速度,用单级火箭很难达到。
假如把巨大的运载火箭做成单级,那么全部推进剂只能贮存在这一级火箭的贮箱内。这样,贮箱不但要增大容积,还因为承受的推进剂增多而必须加厚箱壁,这将增加贮箱重量。而贮箱越重,所耗费的推进剂就越多,以致火箭最终无法达到第一宇宙速度。
1903年,俄国科学家齐奥尔科夫斯基提出了著名的“齐奥尔科夫斯基火箭理想速度公式”。根据公式,有两种方法可以提高火箭的末速度:一是采用高能量的推挤剂,即采用高比冲推力的推进剂;二是采用高强度的结构材料,尽量减轻火箭的结构质量。
但科学家们经过反复试验,最终发现,单级火箭无法达到发射卫星的要求。最后,齐奥尔科夫斯基提出了一种解决方案:建造多级火箭。
根据齐奥尔科夫斯基的多级火箭理论,多级火箭能够胜任这一任务。多级火箭接力飞行,先是第一级火箭点火“开跑”,达到一定速度后燃料耗尽自动脱落;接着第二级火箭接过“接力棒”,进一步加速,燃料用完后再次关机并自动脱离。然后,“接力棒”这样传递下去,第三级甚至第四级火箭再加速。
就这样,火箭速度逐级提高,而“身体”逐级减轻。运用这种多级火箭的“接力”技术,最终可以超越第一宇宙速度,实现宇宙航行。