为什么大型运载火箭都是多级火箭

为什么大型运载火箭都是多级火箭？

要将航天器送入太空，火箭的速度在理论上至少要达到7.91km/s，也就是第一宇宙速度。如果达不到这个速度，火箭将会落回地面。如果运载火箭只做一级，就目前的技术而言，单级火箭最高速度不超过6km/s，是无法完成航天飞行的。

除了速度的问题之外，单级火箭也有它自身的问题。假如把巨大的运载火箭做成单级，那么飞行过程中要用的所有推进剂只能贮存在一级火箭的贮箱内。这样，贮箱就需要增大容积来容纳这些推进剂，而贮箱箱壁也会因为承受了更多的推进剂必须加厚，这也将增加贮箱重量。

火箭在飞行过程中，随着推进剂逐渐消耗，贮箱越来越空。空出的贮箱壳体变得毫无用处，也就是说燃烧推进剂释放出来的能量不仅要加速卫星或飞船，还要加速这部分无用的空贮箱。更加显而易见的是，贮箱越重，加速空贮箱所耗费的推进剂就越多，以至火箭最终无法达到宇宙航行所需的速度。

那么，单级火箭就注定无法飞向太空了吗？在20世纪70年代之前，人们普遍认为实现宇宙飞行只能是多级火箭。随着火箭结构材料和动力系统性能的提高，采用单级火箭实现宇宙飞行是完全可能的。美国从20世纪80年代开始采用轻质高强度的先进复合材料和新型火箭发动机研制单级火箭，至今这项工作仍在探索之中。

由于多级火箭飞行时，是由下一级火箭工作达到一定速度后，完成了任务并被抛掉再由上一级火箭继续工作和加速，火箭在飞行中是被逐级抛掉的。这样，火箭推进剂能量不会过多耗费在加速无用的空贮箱上，能够轻装前进，越飞越轻，所以火箭的速度也在逐级提高。因此，多级火箭的“接力”最终可超越第一宇宙速度，实现宇宙航行。

1903年，俄国科学家齐奥尔科夫斯基提出了著名的“齐奥尔科夫斯基火箭理想速度公式”。根据公式，有两种方法可以提高火箭的末速度：一是采用高能量的推挤剂，即采用高比冲推力的推进剂；二是采用高强度的结构材料，尽量减轻火箭的结构质量。

但科学家们经过反复试验，最终发现，单级火箭无法达到发射卫星的要求。最后，齐奥尔科夫斯基提出了一种解决方案：建造多级火箭。

根据齐奥尔科夫斯基的多级火箭理论，多级火箭能够胜任这一任务。多级火箭接力飞行，先是第一级火箭点火“开跑”，达到一定速度后燃料耗尽自动脱落；接着第二级火箭接过“接力棒”，进一步加速，燃料用完后再次关机并自动脱离。然后，“接力棒”这样传递下去，第三级甚至第四级火箭再加速。

就这样，火箭速度逐级提高，而“身体”逐级减轻。运用这种多级火箭的“接力”技术，最终可以超越第一宇宙速度，实现宇宙航行。

但是，分级并不是越多越好，火箭级数越多，导致需要的连接和分离结构增加，从而增加火箭结构质量并降低可靠性。因此，目前的火箭大多是由2-4级火箭组成。

尽管火箭发射升空需要很大的推力，但火箭飞行时并不是由所有子级共同提供推力的。一个子级工作完成后会被抛掉，下一个子级开始工作，如此循环，直至将卫星或航天飞船送入预定轨道。

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