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12　為什麼要採用多級火箭

火箭是一種運輸工具，它的任務是將具有一定質量的航天器（又稱有效載荷）送入太空。航天器在太空中的執行情況與它進入太空時的初始速度的大小和方向有關。一般地說，如果航天器進入飛行軌道的速度小於第一宇宙速度（千米/秒），航天器將落回地面；如果航天器進入軌道的速度介於第一宇宙速度與第二宇宙速度（千米/秒）之間時，它在地球引力場內飛行，成為人造地球衛星；如果航天器進入軌道的速度介於第二宇宙速度與第三宇宙速度（千米/秒）之間時，它就飛離地球成為太陽系內的人造行星；如果航天器進入軌道的速度達到或超過第三宇宙速度時，它就能飛離太陽系。

〃火箭之父〃康斯坦丁？齊奧爾科夫斯基1903年在他的《用火箭推進器探索宇宙》一文中提出了著名的齊奧爾科夫斯基火箭理想速度公式。該公式可表述為：

VK=Pb？g0？Ln　＇（GT＋GJ）/GJ＇

式中：　VK……火箭的末速度；Pb……比推力（比衝）；g0……地面的重力加速度；GT……火箭起飛時的推進劑質量；GJ……火箭的結構質量，其中包括有效載荷。

力大無比的運載火箭（5）

所謂理想速度就是該公式中忽略了許多因素，如未考慮氣動阻力和地球引力造成的損失，也未考慮g0隨高度遞減的變化及其他因素。根據該公式計算出來的速度比實際數值大，所以稱之為理想速度。儘管如此，該公式仍足以說明速度與比推力、質量比之間的關係。

從理想速度公式可以看出，有三種方法能提高火箭的末速度：一是採用高能量推進劑，即採用高比推力的推進劑。但比推力的提高受到科學技術水平的限制，目前常用的高比推力的化學推進劑為液氧和液氫。二是採用高強度結構材料，儘量減輕火箭的結構質量。這種辦法也受當時科學技術水平的限制。三是增加火箭的推進劑質量。但單純增加推進劑質量也不行，當推進劑質量增加時貯箱的容積也增加，結構質量隨之增加。（GT＋GJ）/GJ的比值是非線性增長的，當推進劑適量增多時該比值增長幅度較大。但當推進劑質量越來越大時，該比值的增長幅度將越來越小，最終會趨於一個常值。也就是在比推力不變的情況下，無論推進劑質量怎樣增加，火箭的末速度會停留在某個數值上而不再增大。這一結果可以比較直觀地說明，當推進劑增加時，除了貯箱容積增大之外，貯箱所受到的載荷也在增加，為了承受增加的載荷，貯箱的箱壁厚度也要增加，貯箱也就越來越重。火箭飛行一段時間之後，推進劑被消耗，貯箱越來越空，推進劑釋放出來的能量不僅要加速有效載荷，還要加速這部分空貯箱，如果貯箱越重，用於加速空貯箱的推進劑比例就越大，直到速度不再增加。

隨著人類逐漸進入深空探測和空間飛行器的功能增多，要求火箭具有更大的運載能力，因而出現了多級火箭。簡單地說，多級火箭就是把幾個單級火箭連線在一起形成的，其中一個火箭先工作，工作完畢後與其他的火箭分開，然後第二個火箭接著工作，依此接力工作。由幾個火箭組成的就稱為幾級火箭，如二級火箭、三級火箭等。需要指出的是，如果多個火箭同時工作，它們只能算一個級。多級火箭的優點是每過一段時間就把不再有用的結構拋棄掉，無須再消耗推進劑來帶著它和有效載荷一起飛行。因此，只要在增加推進劑質量的同時適當地將火箭分成若干級，最終可以使火箭達到足夠大的運載能力。應當注意，火箭在某個確定的起飛質量（GT＋GJ）下並非級數越多越好