为什么发射航天器需要多级火箭 为什么发射航天器要用多级火箭

首先解释一下什么叫多级火箭 , 其实就是多个火箭堆叠在一起 , 其中每一节火箭都有自己的火箭发动机和推进燃料 。(如下图所示就是火箭中的一节)

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那怎么将这些火箭堆叠在一起形成一个最终的火箭呢?主要有两种方式 , 一种是堆叠分节(串联) , 就是将一节装在另一节上边 , 还有就是平行分节(并联)将多个多个火箭互相堆叠或放置于其它火箭的旁边 。
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了解了什么是多级火箭理解为什么要多级火箭就很容易了 , 我们总是想把越来越多的东西带上太空 , 随之而来的问题就是货物越来越重 , 解决方式一是采用更高能量的推进剂 , 减轻火箭结构质量 , 也就是需要越来越牛逼的燃料 , 越来越轻的火箭材料 , 但技术有限 , 一时也开发不出更牛逼的燃料和更轻的火箭 , 解决方式二就是加更多的燃料 , 但燃料也有重量 , 火箭重量也会增加 。
所以还得另寻他途 , 我们发现火箭燃料烧一部分时 , 原本储存燃料及发动机本身的空间与结构就再也没用 , 只会增加载具的重量并且降低之后的加速 , 所以就能直接抛掉就最好了 , 所以就采用多级火箭 。当丢弃一段分节时 , 剩余部分的火箭仍然以近似整个组合体在燃尽时的速度移动 。这表示它仅需要更少的总燃料以达到想要的速度或高度 。(下图为美国阿波罗11土星V第一阶段分离)
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但使用多级火箭并不只有这一个好处 , 另一个优点是每一节火箭都可使用不同种类的火箭发动机 , 而每个分节/发动机都可依其运行时的状况调整 。因此低层节的发动机设计用在有大气压力的状况下 , 上层节可用较适合于近似真空状态的发动机 , 低层节比高层节需要更多结构 , 因为他们需要搭载自身的重量加上上层的重量 , 将各层结构最佳化可减少整体载具的重量并提供更多好处 。
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当然任何东西都是有两面性的 , 有优点自然也有缺点 , 使用分级技术也使得整个火箭变得更加复杂更加难建造 , 多级火箭的每个部分的分离对发射任务的成功也带来了额外的风险 , 多级火箭还可能会造成太空垃圾 , 因此 , 随着科技的发展 , 多级技术的实用性因科技发展也有人质疑 。然而多级技术给人类航天所带来的好处是绝对是巨大的 , 以致于现在几乎所有用来运送酬载至轨道的火箭都用分节技术 。


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首先多级火箭在每级工作完成后 , 火箭可以通过逐级分离的方式来抛掉不需要的质量 , 这样可以提高火箭的飞行性能 , 简单来说就是燃料消耗更少 , 飞行速度更快 。其次火箭飞行到不同的高度 , 所需发动机也是不同的 , 采用多级火箭设计 , 火箭的每一级发动机都是独力工作的 , 可以说每一级火箭都是为所需环境定制的 , 以确保每一级火箭的发动机都能有一个最佳的工作状态 。最好的利用每一级火箭发动机特性 。比如将长征火箭一级的发动机用到火箭的上面级 , 火箭一级大部分在大气层內工作 , 而火箭的上面级几乎在没有空气阻力的地方飞行 , 它们的工作环境是不一样的 , 这样会白白浪费火箭发动机的推力 。火箭也难以达到最佳的入轨速度 。

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