為什么說“拋棄”才是火箭的最高智慧？多級設計改變航天史！

關 鍵 詞

#火箭 #多級火箭 #單級火箭 #火箭分級發(fā)射

我們經常看到火箭發(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量成反比，而使用級數可以減少火箭運行時的質量。

齊奧爾科夫斯基火箭方程告訴我們：

換句話說，可達到的速度變化量等于有效排氣速度乘以初始質量與最終質量的自然對數。因此我們可以看出，火箭初始質量與最終質量之比越大，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，轉而使用專為真空環(huán)境設計的發(fā)動機。

許多火箭采用“分級”設計。它們本質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。

但分級推進也意味著需要多臺發(fā)動機—至少每級一臺。大多數將衛(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。火箭發(fā)動機的推力取決于燃料和發(fā)動機設計，與燃料消耗量成正比。

為了產生更大的推力，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號任務中，第二級J-2發(fā)動機的一臺發(fā)生故障，但并沒有導致任務失敗。其他四臺J-2發(fā)動機能夠彌補這一缺陷，任務得以繼續(xù)進行（該任務后來還出現了其他無關的問題）。

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

獵鷹9號的第一級有9臺梅林發(fā)動機，它們全部用于將這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，通過精準的著陸時機控制，使火箭在觸地瞬間由下落轉為上升（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。

• 通過減少級數，可以減輕重量。剩下的部分可以用更小的電機驅動，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計。所有部件都必須優(yōu)化，以實現最小重量、最大推力和最小燃料消耗。即便如此，我們仍然沒有真正意義上的單級入軌火箭（即僅靠一級就能進入軌道的火箭）。最接近的當屬航天飛機，但它配備了大量的固體火箭助推器，導致最終的軌道器非常沉重，而且中央燃料箱也被拋棄。與現代火箭相比，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業(yè)威脅。大大降低了風險。
  

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，又能降低風險？