基本介紹
- 中文名：多級入軌火箭
- 外文名：Multi - stage rocket
- 簡稱：多級火箭
組合方式,構造,燃料,性能特點,最早的多級火箭,總體評價,
組合方式
由於目前單級火箭還不能使太空飛行器入軌，所以必須採用多級運載火箭。通常是兩級或三級，很少多於四級。多級火箭各級間的組合方式可有串聯式。並聯式或混合式，如圖3-1所示。串聯式是把幾個單級火箭依次同軸首尾配置，其優點是氣動阻力小、結構緊湊、級間連線容易、分離時故障少，發射裝置也簡單，但細長比(最大直徑與總長度之比)小，特別是大型火箭的彎曲剛度差，運輸、貯存和起豎也不夠方便。並聯式是各子級的軸線圍繞基本級(稱芯級)的縱軸周圍或對稱配置，俗稱“捆綁式”。發射時各級同時起動或依次起動。由於可以利用已有的單級火箭組合起來，故能簡化和加快火箭研製過程，由於細長比較大，豎直在發射台上時穩定性好。但氣動阻力增大，級間連線分離機構複雜，且分離時干擾大。混合式組合是將並聯、串聯式結合在一起的配置方案，如第一級與第二級為並聯式，第二級與第三級為串聯式，組成三級火箭。採用這種方式可以揚長避短。
構造
多級火箭的構造多級火箭是單級火箭的組合。以美國的“先鋒號”運載火箭為例，說明它的構造。
這是一個三級火箭，全重10.2噸。第一、第二級是液體火箭,第三級是固體火箭。
火箭在地面起飛時，第一級火箭工作，推力有12.2噸。它也是靠擺動發動機來進行操縱的，不過它還裝有兩個能轉動的小噴管，可以產生22公斤的推力，用來防止火箭發生滾轉。第一級工作140秒以後，就自動脫離，然後第二級開始工作，又工作126秒以後，發動機停車，但並不立刻脫離，第三級也暫不工作。第二級和第三級連在一起，靠慣性繼續飛行，直到到達預定的軌道高度以後，第三級才開始工作。由於先鋒號尺寸和重量太小，所以在第三級上不可能安裝控制儀器。它的控制儀器是裝在第二級上，因此只能用來控制第一級和第二級的飛行，第三級已經成為不能控制的火箭。為了保持飛行穩定，第三級火箭像紡錘一樣繞縱軸一面轉動，一面前進，因此它也就不可能達到很高的精確度。所以它是此較原始的。先鋒號第三級工作終了，可以達到第一宇宙速度，這時衛星就從火箭里被彈出來，進入軌道(第三級火箭的殼體也進入軌道)。
像先鋒號這樣安排的多級火箭，叫做寶塔式多級火箭。因為它是一級級疊上去的，好象一座寶塔一樣。還有很多運載火箭，都採取這個形式。例如，美國用來進行月球飛行的運載火箭“雷神—艾帕”(圖22)，就是一個三級火箭。它的第一級是“雷神”(美國的中程彈道火箭)，第二級就是“先鋒號”的第二級，第三級則是固體火箭。
寶塔式多級火箭，可以利用現成的單級火箭湊起來，一般地說，由於每一級單級火箭比較完善，所以整個多級火箭也就此較可靠。當然，達並不是說，解決了單級火箭問題，也就解決了多級火箭的問題。怎樣使多級火箭各級之間連線可靠和準確分離，怎樣使各級火箭發動機準時點火和熄火，以及如何保證各級發動機的正常工作，都是在構造上需要解決的問題。例如，美國發射宇宙飛行器所用的運載火箭，很多都是用現成的單級火箭湊成的，用它來發射宇宙飛行器的早期試驗中，幾乎有一半左右是失敗的。究其原因，除了控制系統的毛病以外，幾乎都是由於各級火箭之間不能正常分離，或者發動帆不能按時點火，或者不能正常工作致，有時甚至還發生爆炸。
由於寶塔式多級火箭是一級一級疊上去的。所以長度非常之大，(雷神-艾帕全長約27米，立起來和五、六層樓房差不多高)，使用起來很不方便。而且，當第一級發動機工作的時候，上面幾級發動機不但不起作用，還耍成為第一級的“負擔”，從重量上看，也是不利的。因此，就產生了另外一種構造形式(圖23)，它是由幾個火箭並排連在一起組成的，所以有時又把它nll做“火箭束”。這種多級火箭，在“第一級”工作的時候，工，2，3三個發動機同時開始工作，但用的卻是1和2燃料箱中的燃料，當1和2的燃料用完之後，就算第一級工作完畢，l、2的發動機和燃料箱都被拋掉。這時只有3在繼續工作，用的是3燃料箱的燃料，這就算是火箭的第二級。由此可見，中央的發動機，既是第二級的發動機，又是第一級發動機組中的一個，這樣整個火箭的重量，就可以減小一些。另外，火箭成束地排列，它的總高度也可以減小，使用上比較方便。但是這種多級火箭在單個火箭之間的連線，比較複雜，組合式多級火箭飛行時空氣阻力也此較大。
如果在中央火箭上，再疊上一個第三級(或再多幾級)，就成為組合式多級火箭(如圖24)。當火箭較大，級數較多時，可以考慮採用這種形式。
為了降低發射宇宙飛行器的成本，有人建議回收運載火箭，至少回收共第一級，以便再用。如果把運載火箭裝在高速飛機上，飛機先加速到很高的速度(例如每秒l公里左右)，然後運載火箭再在飛機上發射，這時飛機好像成了運載火箭的第一級，飛機是可以多次使用的，所以一次發射的成本就可以大為降低。當然，要在飛機上發射宇宙飛行器，還有很多新的技術問題需要解決。
燃料
對於多級火箭來說,燃料的要求較多。首先，燃料的單位質量發熱量要高。燃料的單位質置發熱量越高，燃燒時產生的氣體的溫度就越高，它的體積膨脹就越大，從噴口噴出來的速度就越快，產生的反作用力也就越大，因而火箭上升的速度越快。其次，燃料的比重要大，換句話說，單位質量的體積要小，火箭用的燃料比重較大，燃料箱就可以做得小一些，整個多級火箭也就可以做得小一些，輕一些。第三，燃料要比較穩定。這就要求燃料本身不容易爆炸，它對燃料箱和動力裝置的腐蝕性要小，燃燒的時候容易控制。
我們知道，燃燒就是劇烈的氧化。燃燒的時候必須有能夠氧化的東西(燃燒劑)，也必須有供給氧的東西(氧化劑)，火箭的燃料就是由燃燒劑和氧化劑組成的。所以火箭的燃料不需要空氣中的氧氣幫忙，在地球大氣層的外面也能燃燒。這是為什麼必須用火箭才能發射宇宙飛船的一個原因。
火藥里，燃燒劑和氧化劑是全部混合在一起的，所以一點著就猛烈地燃燒起來，一剎那間就全部燒完了。固體燃料一般都有這樣的缺點，所以不能用於多級火箭。因此，現代的多級火箭一般都用液體燃料。
性能特點
齊奧爾科夫斯基曾指出，想要進入太空，必須使用多級火箭才能實現。
火箭所能達到的最大速度，由兩個因素決定：第一是發動機的特性，它綜合考慮了燃料能量特性和發動機構造的完善程度，一般這個因素可以用發動機噴出燃氣的速度來表示，噴出速度越大，就認為發動機的特性越好。第二是火箭結構的完善程度，這個因素可以用火箭的質量比，也就是火箭的全部重量和燃料燒完之後空重之比來表示。火箭結構越完善，質量此就越大。
這兩個因素的物理本質，粗略地說就是：在火箭發動機工作過程中，耍靠燃料燃燒，但是任何發動機都免不了有能量損失，特性好的發動機，不但燃料放出的能量多，而且能量損失較少，因此能夠用來推進火箭的有用能量就此較大，火箭就可以利用這部分能量來增加自己的速度。這是第一個因素所考慮的問題。但是，這裡講的火箭增加速度，是指火箭的有用載荷(例如彈頭、人造衛星或宇宙飛船)和殼體同時增加了速度，也就是說發動機的有用能量，是消耗在兩個部分身上，一個是有用載荷，一個是殼體。如果殼體的結構重量愈大(火箭的空殼愈重)，那么，殼體所消耗的能量也越大，整個火箭(包括有用載荷和殼體)所能達到的速度就愈小。所以質量此小的火箭，所能達到的最大速度也不會大。這是第二個因素所考慮的問題。加大單級火箭的尺寸，增加燃料的數量，當然可以增加燃料所放出來的總能量。但是由於燃料增加了，盛燃料的箱子就得加大，火箭殼體的重量也就相應地增加。如果殼體重量增加得慢，燃料總能量增加得快，當然可以不斷提高火箭的速度。但是，實踐證明，當單級火箭的尺寸加大到一定程度的時候，如果為了多帶燃料而繼續加大尺寸，那么，結構的重量就會急劇增加，火箭的速度也就無法繼續提高了。所以，在20世紀六七十年代的技術水平下，單級火箭無法達到宇宙速度，不能做為宇宙飛行器的運載火箭。
採取多級火箭之後，速度就可以繼續增加。這是由於：當火箭加速到一定的速度之後，就把一部分對以後航行沒有作用的空殼體拋掉，剩下的燃料所發出的能量，只用來加速沒被拋掉的部分，工作一段以後，再拋掉另广部分空殼。這樣一來，在航行過程中隨時把沒用的空殼拋掉，更多的能量被用來加速需要加速的部分——有用載荷(彈頭，衛星或飛船)，因此它就可以得到更高的速度。
一般來講，多級火箭所能達到的最大速度約等於每級火箭所能達到的最大速度之和。這么說，不斷增加火箭的級數，似乎就可以不斷地提高多級火箭的速度了。事實並非如此，因為隨著級數的增加，火箭的構造變得過分複雜，而且整個火箭也會很龐大，使用上非常困難。所以級數不可能很多，目前的火箭，一般都在三級左右，很少有超過四級的火箭。
最早的多級火箭
北宋時期，利用反衝力推進原理，發明並使用了以火藥為推進動力的火箭。到了明代，火箭的使用更加廣泛，種類多樣，裝置也大為改進。其中，有一·種二級火箭，人們稱之為“火龍出水”，這是我國和世界上最早的多級火箭。
據明代軍事著作《武備志》記載，“火龍出水”的構造，是取一段五尺長的竹筒，裡面打通磨光。在竹筒的一頭安裝木製的龍頭，另一頭安裝木製的龍尾，竹筒即為龍身。龍頭的口部向上，龍腹內裝有幾支火箭，將火箭的藥線總連在—-起，由龍頭上部的扎中引出。同時，在龍身外的前部和後部，分別斜裝著兩支火箭筒，把它們的藥線也總連在一起。再把龍腹內火箭的總藥線，連在龍身外的火箭筒底部。這樣，點燃龍身外前部的兩個火箭筒，龍身就按一定弧線在空中飛行。當前部兩個火箭筒(第一級)燃燒完時，就引起後部兩個火箭筒(第二級)繼續燃燒。火箭筒里的火藥燃燒完以後，便引著龍腹內的火箭，使其飛射出去殺傷敵人。
“火龍出水”的製作方法，完全符合現代多級火箭的構造原理。它的發明，充分體現了我國古代人民卓越的創造能力。
總體評價
採用多級入軌火箭發射太空飛行器其優點是：
（1）可以比較容易獲得加速度性能，以達到太空飛行器入軌的高度和速度；
（2）多級火箭的每一級具有獨立性，飛行高度不同可採用不同形式發動機以發揮最大效率；
（3）靈活選擇各級推力、速度及速度方向以控制飛行軌道有利於監控、安全以及任務要求的完成；
（4）加速度能逐漸增加，可使太空飛行器不遭受太大的加速度衝擊（載人航天尤為重要）。
但是多級入軌火箭也存在缺點，需要在技術上予以彌補，如多級組合式系統控制複雜化（點火、關機、級間分離），其參數量多，變化大而且多級的落點也需要從安全形度考慮；多級組合使火箭發射到入軌的影響因素增多，系統可靠性降低。
