為什么說“拋棄”才是火箭的最高智慧？多級設(shè)計改變航天史！

關(guān) 鍵 詞

#火箭 #多級火箭 #單級火箭 #火箭分級發(fā)射

我們經(jīng)?？吹交鸺l(fā)射時通過不同級別分類不斷的上升的，那么我們不能有一體化火箭，一次性升空嗎？從而節(jié)省發(fā)動機的配置？

火箭之所以有多個級，是因為火箭的效率與其質(zhì)量成反比，而使用級數(shù)可以減少火箭運行時的質(zhì)量。

齊奧爾科夫斯基火箭方程告訴我們：

換句話說，可達(dá)到的速度變化量等于有效排氣速度乘以初始質(zhì)量與最終質(zhì)量的自然對數(shù)。因此我們可以看出，火箭初始質(zhì)量與最終質(zhì)量之比越大，火箭的效率就越高。

下圖展示了兩枚火箭。左邊的是單級火箭，右邊的是多級火箭。

現(xiàn)在我們來看看這兩枚火箭飛行到一半時的狀態(tài)。單級火箭的燃料箱體積龐大，重量也很大，我們必須帶著它繼續(xù)飛行。而多級火箭則拋棄了空燃料箱，變成了一枚體積更小、重量更輕、效率更高的火箭。

火箭發(fā)射時壓力最大，因為它需要將最大的質(zhì)量（所有未燃燒的燃料）送入重力最大的環(huán)境（最接近地球）和最濃厚的大氣層中。這意味著發(fā)射時需要比更高位置更大的發(fā)動機。

單級火箭必須繼續(xù)使用這種超大型發(fā)動機，而多級火箭則可以舍棄這種笨重的發(fā)動機，轉(zhuǎn)而使用專為真空環(huán)境設(shè)計的發(fā)動機。

許多火箭采用“分級”設(shè)計。它們本質(zhì)上是由兩枚或多枚火箭堆疊而成。第一枚火箭（一級）將其余火箭高速發(fā)射到高空，然后與其他級分離，之后第二級開始發(fā)射。

換句話說，如果你想讓火箭飛得更快，就需要更多的燃料。

燃料越多，油箱就越大；油箱越大，重量就越重，因此需要更多的燃料來平衡重量，以此類推。通過分段投放，拋棄那些沉重但空的油箱，第二級火箭就不必承受這些油箱帶來的重量增加。

但分級推進(jìn)也意味著需要多臺發(fā)動機—至少每級一臺。大多數(shù)將衛(wèi)星送入軌道或向其他行星發(fā)射探測器的火箭本質(zhì)上都是三級系統(tǒng)：前兩級將第三級送入軌道，第三級再將第三級送入預(yù)定軌道。這至少需要三臺不同的發(fā)動機。

其次，制造一臺小型發(fā)動機比制造一臺大型發(fā)動機更容易保證其可靠性?；鸺l(fā)動機的推力取決于燃料和發(fā)動機設(shè)計，與燃料消耗量成正比。

為了產(chǎn)生更大的推力，它需要快速燃燒大量的燃料。為了獲得更高的推力，這意味著所有部件都需要更大—更大的泵、更大的燃燒室、更大的燃料輸送管等等。

確保燃料在大型燃燒室中充分混合和燃燒更加困難。當(dāng)所有部件都更大時，啟動火箭也更加困難（泵難以啟動，燃燒室難以實現(xiàn)穩(wěn)定的燃燒等等）。

多臺發(fā)動機也有助于消除“單點故障”。阿波羅13號任務(wù)中，第二級J-2發(fā)動機的一臺發(fā)生故障，但并沒有導(dǎo)致任務(wù)失敗。其他四臺J-2發(fā)動機能夠彌補這一缺陷，任務(wù)得以繼續(xù)進(jìn)行（該任務(wù)后來還出現(xiàn)了其他無關(guān)的問題）。

現(xiàn)代火箭—尤其是像SpaceX的獵鷹9號或藍(lán)色起源的新謝潑德號這樣的可重復(fù)使用火箭—需要比單臺發(fā)動機更精準(zhǔn)的控制。

獵鷹9號的第一級有9臺梅林發(fā)動機，它們?nèi)坑糜趯⑦@枚大型火箭及其有效載荷送入太空。

然而，著陸時，火箭的重量要輕得多。它著陸所需的推力遠(yuǎn)小于起飛時，因此需要降低發(fā)動機推力，而且是大幅降低。每臺發(fā)動機的推力可以降低到起飛推力的40%。即便如此，40%的起飛推力仍然過大，因此著陸時使用的發(fā)動機數(shù)量必須少于起飛時。

著陸時，火箭僅使用一臺發(fā)動機，并將推力降至最低，通過精準(zhǔn)的著陸時機控制，使火箭在觸地瞬間由下落轉(zhuǎn)為上升（這種機動被稱為“懸停著陸”）。

如果使用單個大型發(fā)動機，著陸難度會更大。

SpaceX 的新型“星艦”發(fā)射系統(tǒng)更進(jìn)一步：它不再像傳統(tǒng)火箭那樣在第一級使用 9 臺梅林發(fā)動機，第二級使用 1 臺梅林發(fā)動機，而是在第一級使用 29 至 33 臺猛禽發(fā)動機，第二級使用 6 臺猛禽發(fā)動機，每臺猛禽發(fā)動機的推力是梅林發(fā)動機的兩倍。

第二級著陸時，只需使用其中 1 或 2 臺發(fā)動機。同樣，第一級著陸時也只需使用少量發(fā)動機。否則，發(fā)動機的推力無法降低到足夠低的程度。

最主要的就是【效率】
如果采用大型燃料箱，隨著燃料的消耗，發(fā)動機需要不斷推動一個重量不斷減少的燃料箱。這樣做需要更大的燃料容量。這是一個惡性循環(huán)：增加燃料意味著增加重量，這意味著需要更大的發(fā)動機，這意味著需要更多的燃料……如此循環(huán)往復(fù)。

• 通過減少級數(shù)，可以減輕重量。剩下的部分可以用更小的電機驅(qū)動，從而獲得更快的速度。

還有一個非常重要的原因，那就是噴嘴效率。為海平面和純真空環(huán)境設(shè)計的火箭噴嘴是不同的。真空噴嘴如果在海平面運行時很可能會爆炸，而且海平面噴嘴在真空環(huán)境下的效率也很低。
軌道火箭需要極其高效的設(shè)計。所有部件都必須優(yōu)化，以實現(xiàn)最小重量、最大推力和最小燃料消耗。即便如此，我們?nèi)匀粵]有真正意義上的單級入軌火箭（即僅靠一級就能進(jìn)入軌道的火箭）。最接近的當(dāng)屬航天飛機，但它配備了大量的固體火箭助推器，導(dǎo)致最終的軌道器非常沉重，而且中央燃料箱也被拋棄。與現(xiàn)代火箭相比，航天飛機的效率極低，原因就在于其第二級（軌道器）實在太重了。

• 在一個就是【提高安全性】
• 如果一體化火箭，那么可能需要的是一組的發(fā)動機，如果一個發(fā)動機出現(xiàn)問題，那么可能連接其他發(fā)動機發(fā)射問題，從而失去控制。
  如果多級火箭那么可以減少這種情況發(fā)生，一級分離后，就不會再對二級或后面的產(chǎn)業(yè)威脅。大大降低了風(fēng)險。
  

那么除了這種方式，你是否還有更好的火箭方式，既能提高效率，又能降低風(fēng)險？