为什么说“抛弃”才是火箭的最高智慧？多级设计改变航天史！

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#火箭 #多级火箭 #单级火箭 #火箭分级发射

我们经常看到火箭发射时通过不同级别分类不断的上升的，那么我们不能有一体化火箭，一次性升空吗？从而节省发动机的配置？

火箭之所以有多个级，是因为火箭的效率与其质量成反比，而使用级数可以减少火箭运行时的质量。

齐奥尔科夫斯基火箭方程告诉我们：

换句话说，可达到的速度变化量等于有效排气速度乘以初始质量与最终质量的自然对数。因此我们可以看出，火箭初始质量与最终质量之比越大，火箭的效率就越高。

下图展示了两枚火箭。左边的是单级火箭，右边的是多级火箭。

现在我们来看看这两枚火箭飞行到一半时的状态。单级火箭的燃料箱体积庞大，重量也很大，我们必须带着它继续飞行。而多级火箭则抛弃了空燃料箱，变成了一枚体积更小、重量更轻、效率更高的火箭。

火箭发射时压力最大，因为它需要将最大的质量（所有未燃烧的燃料）送入重力最大的环境（最接近地球）和最浓厚的大气层中。这意味着发射时需要比更高位置更大的发动机。

单级火箭必须继续使用这种超大型发动机，而多级火箭则可以舍弃这种笨重的发动机，转而使用专为真空环境设计的发动机。

许多火箭采用“分级”设计。它们本质上是由两枚或多枚火箭堆叠而成。第一枚火箭（一级）将其余火箭高速发射到高空，然后与其他级分离，之后第二级开始发射。

换句话说，如果你想让火箭飞得更快，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来平衡重量，以此类推。通过分段投放，抛弃那些沉重但空的油箱，第二级火箭就不必承受这些油箱带来的重量增加。

但分级推进也意味着需要多台发动机—至少每级一台。大多数将卫星送入轨道或向其他行星发射探测器的火箭本质上都是三级系统：前两级将第三级送入轨道，第三级再将第三级送入预定轨道。这至少需要三台不同的发动机。

其次，制造一台小型发动机比制造一台大型发动机更容易保证其可靠性。火箭发动机的推力取决于燃料和发动机设计，与燃料消耗量成正比。

为了产生更大的推力，它需要快速燃烧大量的燃料。为了获得更高的推力，这意味着所有部件都需要更大—更大的泵、更大的燃烧室、更大的燃料输送管等等。

确保燃料在大型燃烧室中充分混合和燃烧更加困难。当所有部件都更大时，启动火箭也更加困难（泵难以启动，燃烧室难以实现稳定的燃烧等等）。

多台发动机也有助于消除“单点故障”。阿波罗13号任务中，第二级J-2发动机的一台发生故障，但并没有导致任务失败。其他四台J-2发动机能够弥补这一缺陷，任务得以继续进行（该任务后来还出现了其他无关的问题）。

现代火箭—尤其是像SpaceX的猎鹰9号或蓝色起源的新谢泼德号这样的可重复使用火箭—需要比单台发动机更精准的控制。

猎鹰9号的第一级有9台梅林发动机，它们全部用于将这枚大型火箭及其有效载荷送入太空。

然而，着陆时，火箭的重量要轻得多。它着陆所需的推力远小于起飞时，因此需要降低发动机推力，而且是大幅降低。每台发动机的推力可以降低到起飞推力的40%。即便如此，40%的起飞推力仍然过大，因此着陆时使用的发动机数量必须少于起飞时。

着陆时，火箭仅使用一台发动机，并将推力降至最低，通过精准的着陆时机控制，使火箭在触地瞬间由下落转为上升（这种机动被称为“悬停着陆”）。

如果使用单个大型发动机，着陆难度会更大。

SpaceX 的新型“星舰”发射系统更进一步：它不再像传统火箭那样在第一级使用 9 台梅林发动机，第二级使用 1 台梅林发动机，而是在第一级使用 29 至 33 台猛禽发动机，第二级使用 6 台猛禽发动机，每台猛禽发动机的推力是梅林发动机的两倍。

第二级着陆时，只需使用其中 1 或 2 台发动机。同样，第一级着陆时也只需使用少量发动机。否则，发动机的推力无法降低到足够低的程度。

最主要的就是【效率】
如果采用大型燃料箱，随着燃料的消耗，发动机需要不断推动一个重量不断减少的燃料箱。这样做需要更大的燃料容量。这是一个恶性循环：增加燃料意味着增加重量，这意味着需要更大的发动机，这意味着需要更多的燃料……如此循环往复。

• 通过减少级数，可以减轻重量。剩下的部分可以用更小的电机驱动，从而获得更快的速度。

还有一个非常重要的原因，那就是喷嘴效率。为海平面和纯真空环境设计的火箭喷嘴是不同的。真空喷嘴如果在海平面运行时很可能会爆炸，而且海平面喷嘴在真空环境下的效率也很低。
轨道火箭需要极其高效的设计。所有部件都必须优化，以实现最小重量、最大推力和最小燃料消耗。即便如此，我们仍然没有真正意义上的单级入轨火箭（即仅靠一级就能进入轨道的火箭）。最接近的当属航天飞机，但它配备了大量的固体火箭助推器，导致最终的轨道器非常沉重，而且中央燃料箱也被抛弃。与现代火箭相比，航天飞机的效率极低，原因就在于其第二级（轨道器）实在太重了。

• 在一个就是【提高安全性】
• 如果一体化火箭，那么可能需要的是一组的发动机，如果一个发动机出现问题，那么可能连接其他发动机发射问题，从而失去控制。
  如果多级火箭那么可以减少这种情况发生，一级分离后，就不会再对二级或后面的产业威胁。大大降低了风险。
  

那么除了这种方式，你是否还有更好的火箭方式，既能提高效率，又能降低风险？