Question

多级火箭

Answer 1

多级火箭

多级火箭是由多级火箭组成的运载工具。每级都装有发动机和燃料，目的是提高火箭的连续飞行能力和终端速度。从尾部的第一级开始，每一级的燃料用完后会自动脱落，同时下一级的火箭发动机开始工作，使飞行器继续加速。

多级火箭的发展

二战结束后，美国继承德国的研究成果，于1949年研制出第一枚多级火箭。

随着人类逐渐进入深空探索和航天器功能的增加，要求火箭具有更大的运载能力，于是出现了多级火箭。简单来说，多级火箭就是将多枚单级火箭连接在一起。其中一枚火箭先工作，然后与其余火箭分离，然后第二枚火箭继续工作，以此类推。由数枚火箭组成的火箭称为多级，如二级火箭、三级火箭等。需要指出的是，如果多枚火箭同时工作，只能算作一级。多级火箭的优势在于它每隔一段时间就会抛弃不再有用的结构，从而无需消耗推进剂将其与有效载荷一起携带。因此，只要在增加推进剂质量的同时，适当地对火箭进行分段，火箭最终还是可以达到足够大的运载能力的。需要注意的是，对于具有一定起飞质量的火箭来说，级数越多越好，因为每一级火箭至少要有动力系统、控制系统、伺服机构和级间连接结构。火箭除了储罐。每个额外的级别都会添加这些组件的副本。级数过多不仅会增加成本，还会降低可靠性，而且火箭的性能也会因为结构质量的增加而变差。因为在起飞重量相同的前提下，增加结构质量必然会减少推进剂，而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，采用多级火箭是一个很好的方法，但并不是级数越多越好，它与起飞质量有一定的对应关系.

多级火箭形式

多级火箭可以是串联的、并联的或串并联的，但最常见的形式是串联和串并联。串联是将多枚火箭通过级间连接/分离机构串联起来。第一个子阶段在底部，首先工作。工作完成后，通过连接/分离机制丢弃。喷气式飞机一个接一个地下降，直到有效载荷进入飞行轨道。并联是将多个火箭并排连接。周围的子级火箭先工作，工作完成后依次丢弃，直至有效载荷进入飞行轨道。并联是将多个火箭并排连接。周围的子级火箭先工作，工作完成后依次丢弃。中央核心级火箭最后工作。以这种方式连接的多级火箭也称为捆绑式火箭。如果核心级火箭本身是串联多级火箭，这种形式就是串并联。 “长征”系列火箭中，长征二号E、长征二号F、长征三号B为串并联运载火箭，其余“长征”系列运载火箭均为串并联运载火箭。多级火箭的特点编辑本段

优势

与单级火箭相比，多级火箭具有以下优点：

(1) 多级火箭在每一级做完功后甩掉不必要的质量，因此在火箭飞行过程中，可以获得良好的加速性能，逐渐达到预定的飞行速度；

(2)多级火箭各级发动机独立工作，可根据各级飞行条件设计发动机，使发动机处于最佳工作状态，从而提高火箭的飞行性能火箭；

(3)多级火箭可灵活选择各级推力大小和工作时间，以满足发射轨道要求、测轨要求和载人航天器飞行过载要求。

缺点

但是多级火箭也有缺点，主要是：

(1)火箭结构复杂，使用的发动机数量多；

(2)级间需要加多级火箭结构示意图进行连接，分离数量多；

(3)结构细长，抗弯刚度差，不易达到气动稳定性。由于这些原因，多级火箭降低了可靠性并增加了成本。

使用多级火箭发射航天器的原因编辑本段

火箭原理概述

火箭是一种交通工具，其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与其进入太空时初速度的大小和方向有关。一般来说，如果航天器进入轨道的速度小于第一宇宙速度（7.91公里/秒），航天器就会坠落回地面；如果航天器进入轨道的速度在第一宇宙速度和第二宇宙速度之间（11.2公里/秒），它就在地球引力场中飞行，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和第三宇宙速度之间（16.7公里/秒）时，它将飞离地球，成为太阳系中的人造行星；当航天器入轨速度达到或超过第三宇宙速度时，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号论文《用火箭推进器探索宇宙》中提出了著名的齐奥尔科夫斯基火箭理想速度公式。这个公式可以表示为：

VK=Pb  g0 Ln  [(GT+GJ)/GJ]

式中， VK为火箭的终速； Pb为比推力（specific  impulse）； g0为地面重力加速度； GT——火箭起飞时的推进剂质量； GJ—— 火箭的结构质量，包括有效载荷。

所谓理想速度就是这个公式忽略了很多因素，比如空气动力阻力和地球引力造成的损失，也没有考虑g0随高度的变化和其余的因素。按此公式计算出的速度大于实际值，故称为理想速度。尽管如此，这个公式仍然足以解释速度与比推力和质量比之间的关系。火箭速度

从理想速度公式可以看出，增加火箭终速的方法有3种：一是使用高能推进剂，即使用高比推力推进剂，但比推力的增加是受科技水平的限制。高比推力化学能推进剂有液氧和液氢；二是采用高强度结构材料，尽量减少火箭的结构质量，这也是受限于目前的科技水平；三是提高火箭的推进剂质量，但单纯提高推进剂质量是不够的。当GT增加时，储罐容积也随之增加，结构质量也相应提高。 (GT  +GJ)/GJ  的比值呈非线性增加，并且随着推进剂用量的增加，该比值大幅增加。但是当GT越来越大的时候，这个比例的增长幅度会越来越小，最终会趋于一个常数值。也就是说，在Pb不变的情况下，无论GT如何增加，火箭的终速都会保持在一定值，不再增加。这个结果可以直观的解释一下，就是当推进剂增加的时候，除了油箱容积增加之外，油箱所承受的载荷也随之增加，所以油箱壁越来越厚，油箱也越来越厚.越来越重。火箭飞行一段时间后，推进剂消耗殆尽，储罐越来越空。推进剂释放的能量不仅加速了有效载荷，也加速了这部分空的储罐。如果储罐较重，则用于加速空储罐。燃料箱中推进剂的比例增加，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索和航天器功能的增加，要求火箭具有更大的运载能力，于是出现了多级火箭。简单来说，多级火箭就是将多枚单级火箭连接在一起。其中一枚火箭先工作，工作完后与其余火箭分离，然后第二枚火箭继续工作，以此类推。由数枚火箭组成的火箭称为多级，如二级火箭、三级火箭等。需要指出的是，如果多枚火箭同时工作，只能算作一级。多级火箭的优势在于它每隔一段时间就会抛弃不再有用的结构，从而无需消耗推进剂将其与有效载荷一起携带。因此，只要在增加推进剂质量的同时，适当地对火箭进行分段，火箭最终还是可以达到足够大的运载能力的。需要注意的是，在火箭一定的起飞质量（GT+GJ）下，级数越多越好，因为火箭的每一级至少要有动力系统、控制系统、伺服机构和除储罐外的连接级。火箭的连接结构等。每增加一个级别都会添加这些组件的副本。级数过多不仅会增加成本，还会降低可靠性，而且火箭的性能也会因为结构质量的增加而变差。因为在起飞质量不变的前提下，增加结构质量必然会减少推进剂，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，采用多级火箭是一个很好的方法，但并不是级数越多越好，它与起飞质量有一定的对应关系.