關(guān) 鍵 詞

#火箭 #多級(jí)火箭 #單級(jí)火箭 #火箭分級(jí)發(fā)射

我們經(jīng)?？吹交鸺l(fā)射時(shí)通過(guò)不同級(jí)別分類(lèi)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(dòng)機(jī)的配置？

火箭之所以有多個(gè)級(jí)，是因?yàn)榛鸺男逝c其質(zhì)量成反比，而使用級(jí)數(shù)可以減少火箭運(yùn)行時(shí)的質(zhì)量。

齊奧爾科夫斯基火箭方程告訴我們：

換句話說(shuō)，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(duì)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(jí)火箭，右邊的是多級(jí)火箭。

現(xiàn)在我們來(lái)看看這兩枚火箭飛行到一半時(shí)的狀態(tài)。單級(jí)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(jí)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(shí)壓力最大，因?yàn)樗枰獙⒆畲蟮馁|(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(shí)需要比更高位置更大的發(fā)動(dòng)機(jī)。

單級(jí)火箭必須繼續(xù)使用這種超大型發(fā)動(dòng)機(jī)，而多級(jí)火箭則可以舍棄這種笨重的發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)而使用專(zhuān)為真空環(huán)境設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)。

許多火箭采用“分級(jí)”設(shè)計(jì)。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(jí)）將其余火箭高速發(fā)射到高空，然后與其他級(jí)分離，之后第二級(jí)開(kāi)始發(fā)射。

換句話說(shuō)，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(lái)平衡重量，以此類(lèi)推。通過(guò)分段投放，拋棄那些沉重但空的油箱，第二級(jí)火箭就不必承受這些油箱帶來(lái)的重量增加。

但分級(jí)推進(jìn)也意味著需要多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)—至少每級(jí)一臺(tái)。大多數(shù)將衛(wèi)星送入軌道或向其他行星發(fā)射探測(cè)器的火箭本質(zhì)上都是三級(jí)系統(tǒng)：前兩級(jí)將第三級(jí)送入軌道，第三級(jí)再將第三級(jí)送入預(yù)定軌道。這至少需要三臺(tái)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)。

其次，制造一臺(tái)小型發(fā)動(dòng)機(jī)比制造一臺(tái)大型發(fā)動(dòng)機(jī)更容易保證其可靠性?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)的推力取決于燃料和發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，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(shí)，啟動(dòng)火箭也更加困難（泵難以啟動(dòng)，燃燒室難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的燃燒等等）。

多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)也有助于消除“單點(diǎn)故障”。阿波羅13號(hào)任務(wù)中，第二級(jí)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)的一臺(tái)發(fā)生故障，但并沒(méi)有導(dǎo)致任務(wù)失敗。其他四臺(tái)J-2發(fā)動(dòng)機(jī)能夠彌補(bǔ)這一缺陷，任務(wù)得以繼續(xù)進(jìn)行（該任務(wù)后來(lái)還出現(xiàn)了其他無(wú)關(guān)的問(wèn)題）。

現(xiàn)代火箭—尤其是像SpaceX的獵鷹9號(hào)或藍(lán)色起源的新謝潑德號(hào)這樣的可重復(fù)使用火箭—需要比單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)更精準(zhǔn)的控制。

獵鷹9號(hào)的第一級(jí)有9臺(tái)梅林發(fā)動(dòng)機(jī)，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(shí)，火箭的重量要輕得多。它著陸所需的推力遠(yuǎn)小于起飛時(shí)，因此需要降低發(fā)動(dòng)機(jī)推力，而且是大幅降低。每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)大，因此著陸時(shí)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量必須少于起飛時(shí)。

著陸時(shí)，火箭僅使用一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，并將推力降至最低，通過(guò)精準(zhǔn)的著陸時(shí)機(jī)控制，使火箭在觸地瞬間由下落轉(zhuǎn)為上升（這種機(jī)動(dòng)被稱(chēng)為“懸停著陸”）。

如果使用單個(gè)大型發(fā)動(dòng)機(jī)，著陸難度會(huì)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(jí)使用 9 臺(tái)梅林發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)使用 1 臺(tái)梅林發(fā)動(dòng)機(jī)，而是在第一級(jí)使用 29 至 33 臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)使用 6 臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)，每臺(tái)猛禽發(fā)動(dòng)機(jī)的推力是梅林發(fā)動(dòng)機(jī)的兩倍。

第二級(jí)著陸時(shí)，只需使用其中 1 或 2 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。同樣，第一級(jí)著陸時(shí)也只需使用少量發(fā)動(dòng)機(jī)。否則，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力無(wú)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(dòng)機(jī)需要不斷推動(dòng)一個(gè)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(gè)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(dòng)機(jī)，這意味著需要更多的燃料……如此循環(huán)往復(fù)。

• 通過(guò)減少級(jí)數(shù)，可以減輕重量。剩下的部分可以用更小的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而獲得更快的速度。

還有一個(gè)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(jì)的火箭噴嘴是不同的。真空噴嘴如果在海平面運(yùn)行時(shí)很可能會(huì)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(jì)。所有部件都必須優(yōu)化，以實(shí)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](méi)有真正意義上的單級(jí)入軌火箭（即僅靠一級(jí)就能進(jìn)入軌道的火箭）。最接近的當(dāng)屬航天飛機(jī)，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(jī)的效率極低，原因就在于其第二級(jí)（軌道器）實(shí)在太重了。

• 在一個(gè)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(dòng)機(jī)，如果一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題，那么可能連接其他發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)射問(wèn)題，從而失去控制。
  如果多級(jí)火箭那么可以減少這種情況發(fā)生，一級(jí)分離后，就不會(huì)再對(duì)二級(jí)或后面的產(chǎn)業(yè)威脅。大大降低了風(fēng)險(xiǎn)。
  

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(xiǎn)？