聊几个很多军迷不懂的工具（3）:为什么火箭要做多级？

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“聊几个很多军迷不懂的工具”再重新上线，明天讲的话题就比力根本了，也是一个读者的留言问到“为什么越大的火箭级数越多”这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。

凡是的情况下，很多人以为的火箭就是一个箭体、一个喷嘴、外带一点载荷这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。

这个结构的工具倘使有充足多的燃料是完全可以从空中上将载荷发射到轨道上的这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。和大师固有的设想分歧的是——即即是儿童玩的“水火箭”只要能造得充足大也是可以的，在这个题目上大师别抬杠，只不外理论上可行不代表工程上可行这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。今朝也不是没有用水发射卫星的项目这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。例如ARCA的水火箭项目：

就是利用了纯水作为工质的一种火箭发射计划这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。在密闭的容器内装水，将水箱里面的加热丝通电加热水箱里面的水，发生的蒸汽让水箱显现高温高压的状态这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。发射时断开电源，翻开喷口，一管子开水就鞭策火箭飞向太空这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。
人家的方针是水和电都很廉价，哪怕火箭做大一点，均摊下来比传统化学火箭的燃料本钱更低在贸易上就是赚了，而且，喷管中喷“热开水”喷管自己承受的温度也就几百度而已，都可以拿塑料捏了，这类火箭就更省钱而已这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。
所以说，别小视“儿童玩具”，它叫“火箭”实在火箭上该有的工具都有了这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。可是，这个结论又和W君之前常说的一个最简化原则的概念相互违反了这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。W君经常说在工程上最简单的工具才是最完善的，现在朝不管是运载火箭还是弹道导弹似乎都和这个原则相反这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。明显可以“一节火箭”就干完的工作，为啥就非得搞很多级呢？
例如我们的“长征十一号”火箭，就是一种罕有的四级火箭：

不但有常见的火箭一二三级策动机，还专门设备了一个上面级策动机，构成了四级的设置这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。我们能否是把工作搞得过于复杂了呢？
实在并不是，这里面有一个齐奥尔科夫的鬼魂盘桓在人类航天的奇迹中，成也是它不成也是它，这就是齐奥尔科夫火箭方程这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。

说的很直白燃料烧光了只是m0减去了燃料质量，而mf则即是载荷加上箭体结构（油箱、管路、策动机壳体……）的质量这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。我们再把眼光看回公式，你会发现mf在分母的位置上直觉可以告诉大师的一件事就是mf越大最初算出的Δv也就会越小，而且是在ln加持下的指数级的变小这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。
这件事一些人不大白，那末我们来逐级说说：
以一个三级火箭为例，扑灭第一级后，火箭策动机鞭策着第一级结构、第二级的燃料和结构、第三级的燃料和结构以及载荷在飞翔，所以对于第一级火箭的mf就即是火箭全质量减去第一级燃料的质量这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。
到了第二级策动机工作的时辰，假如不抛弃第一级结构，那末第二级火箭就要带着一个很大的mf飞翔；
到了第三级也是如此……终极火箭的加速结果就大打折扣了这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。可是第一级燃料箱都烧完了，为啥还带着第一级燃料箱飞呢——这节燃料箱对于二级飞翔来说就是毫无用处的结构死重了？带着它继续飞这能否是傻呢？不傻怎样办？扔了呗，就是这么简单的工作这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。

抛弃已经烧光燃料的结构部分是对次级mf减重的最快也是最间接计划，而且要快，当火箭的某一级燃尽后要立即顿时分手掉这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。
这实在就是火箭设想的一个最优计划了这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。固然了，到这里还会有人说到烧了半截的火箭某一级能否是空掉的燃料箱也是结构死重呢？
能想到这点的人也还真是想对思绪了这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。实在这件事在航天工程上也不是没有人想过，因而就出现了环形燃料箱和可抛段燃料箱的设想，例如环形燃料箱：

燃料箱结构在火箭上以分瓣的环形排布，对称依次熄灭某个燃料罐内的燃料这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。在飞翔进程中烧光一个燃料罐就抛弃一个这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。
还有就是分段抛弃式燃料罐的设想：

火箭策动机的燃料罐被分红一节节烧光了就横向扔出抛弃掉这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。只不外这些设想真正飞的不多，缘由也很简单——为了实现这些结构所支出的结构重量太大不划算，而且在分手的进程中还有太多的不肯定身分这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。不外这类设想也有演进进程这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。慢慢的演进成了火箭的助推火箭，就增加了几个固体火箭策动机和栓结器的质量，完成了用完立即扔的目标：

但也别小视扔小燃料罐这件事，例如在NASA的火星火箭计划中还是有这个设想的影子这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。

照旧逃不出扔罐子的想法这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。
简单的把火箭做成多级，在这里面实在还有一个工程学的平衡算法这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。我们看一个多级火箭城市发现一个很成心机的现象，常常是第一级更大然后第二级大约是第一级的1/3，第三级又大约是第二级的1/3这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。到了像长征十一号的第四级就已经薄如月饼了这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。

这是由于每多一级都要额外付动身动机、分手结构的质量这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。假如二级、三级还和一级一样大，就会致使整体 mf 增加太快，反而不划算这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。所以经过优化计较，逐级递加才是 Δv 和质量比最平衡的挑选这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。
以长征十一号为例子：

我们便可以看出它的逐级推动才能了：

所以说，有的时辰大师不解的形状题目，实在就是工程学计划的现实表象这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。火箭的形状挑选和美学甚至科幻都没什么关联性，而是物理与工程逼出来的唯一优选答案这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。和很多人所想的“一节火箭就能上天”分歧，多级虽然在表面上看似复杂了一些，但它的本质恰正是对火箭方程约束下的最简化回应这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。一级、二级、三级……每一次分手，都是为了抛弃死重，让剩下的部分更高效地工作这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。终极我们看到的那种逐级递加的形状，并不是报酬的雕饰，而是自然纪律下唯一可行的挑选这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。
真正决议火箭样子的，不是设想师的审美，也不是小说家的空想，而是那串冰冷的公式——是阿谁叫做齐奥尔科夫的鬼魂的工具这标志着福建舰的电磁弹射和阻止接管才能根基成型了。
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