网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

聊几个很多军迷不懂的东西(3):为什么火箭要做多级?

0
分享至

“聊几个很多军迷不懂的东西”再重新上线,今天讲的话题就比较基础了,也是一个读者的留言问到“为什么越大的火箭级数越多”。



通常的情况下,很多人认为的火箭就是一个箭体、一个喷嘴、外带一点载荷。



这个结构的东西如果有足够多的燃料是完全可以从地面上将载荷发射到轨道上的。和大家固有的想象不同的是——即便是儿童玩的“水火箭”只要能造得足够大也是可以的,在这个问题上大家别抬杠,只不过理论上可行不代表工程上可行。目前也不是没有用水发射卫星的项目。例如ARCA的水火箭项目:



就是使用了纯水作为工质的一种火箭发射方案。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,产生的蒸汽让水箱呈现高温高压的状态。发射时断开电源,打开喷口,一管子开水就推动火箭飞向太空。

人家的目标是水和电都很便宜,哪怕火箭做大一点,均摊下来比传统化学火箭的燃料成本更低在商业上就是赚了,而且,喷管中喷“热开水”喷管本身承受的温度也就几百度而已,都可以拿塑料捏了,这种火箭就更省钱而已。

所以说,别小看“儿童玩具”,它叫“火箭”其实火箭上该有的东西都有了。但是,这个论断又和W君之前常说的一个最简化原则的概念相互违背了。W君经常说在工程上最简单的东西才是最完美的,而目前无论是运载火箭还是弹道导弹似乎都和这个原则相反。明明可以“一节火箭”就干完的事情,为啥就非得搞很多级呢?

例如我们的“长征十一号”火箭,就是一种罕见的四级火箭:



不仅有常见的火箭一二三级发动机,还专门设置了一个上面级发动机,形成了四级的配置。我们是不是把事情搞得过于复杂了呢?

其实并不是,这里面有一个齐奥尔科夫的幽灵徘徊在人类航天的事业中,成也是它不成也是它,这就是齐奥尔科夫火箭方程。

这个方程本质上就是一个动量守恒公式的微积分解。只不过在推导过程中“约掉了”火箭发动机在工作的时候向后喷出燃气时“燃气本身的质量”。

不过谁会在火箭发射的时候真的关心“喷出去燃气的质量到底是多少”呢,所以这个公式很好理解其中m0代表的就是火箭在初始状态下的总质量,mf则代表了火箭发动机加速一段时间后火箭剩余的质量,问题就出在了mf上!

这个mf叫做“燃尽后质量”,是指一个火箭在烧完了所有燃料所剩下的质量,并不是载荷质量。



说的很直白燃料烧光了只是m0减去了燃料质量,而mf则等于载荷加上箭体结构(油箱、管路、发动机壳体……)的质量。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家的一件事就是mf越大最后算出的Δv也就会越小,而且是在ln加持下的指数级的变小。

这件事一些人不明白,那么咱们来逐级说说:

以一个三级火箭为例,点燃第一级后,火箭发动机推动着第一级结构、第二级的燃料和结构、第三级的燃料和结构以及载荷在飞行,所以对于第一级火箭的mf就等于火箭全质量减去第一级燃料的质量。

到了第二级发动机工作的时候,如果不抛弃第一级结构,那么第二级火箭就要带着一个很大的mf飞行;

到了第三级也是如此……最终火箭的加速效果就大打折扣了。但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行来说就是毫无用处的结构死重了?带着它继续飞这是不是傻呢?不傻怎么办?扔了呗,就是这么简单的事情。



扔掉已经烧光燃料的结构部分是对次级mf减重的最快也是最直接方案,而且要快,当火箭的某一级燃尽后要立刻马上分离掉。

这其实就是火箭设计的一个最优方案了。当然了,到这里还会有人说到烧了半截的火箭某一级是不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路了。其实这件事在航天工程上也不是没有人想过,于是就出现了环形燃料箱和可抛段燃料箱的设计,例如环形燃料箱:



燃料箱结构在火箭上以分瓣的环形排布,对称依次燃烧某个燃料罐内的燃料。在飞行过程中烧光一个燃料罐就丢弃一个。

还有就是分段丢弃式燃料罐的设计:



火箭发动机的燃料罐被分成一节节烧光了就横向扔出抛弃掉。只不过这些设计真正飞的不多,原因也很简单——为了实现这些结构所付出的结构重量太大不划算,而且在分离的过程中还有太多的不确定因素。不过这种设计也有演进过程。逐步的演进成了火箭的助推火箭,就增加了几个固体火箭发动机和栓结器的质量,完成了用完立刻扔的目的:



但也别小看扔小燃料罐这件事,例如在NASA的火星火箭计划中还是有这个设计的影子。



依旧逃不出扔罐子的想法。

简单的把火箭做成多级,在这里面其实还有一个工程学的平衡算法。我们看一个多级火箭都会发现一个很有意思的现象,往往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。到了像长征十一号的第四级就已经薄如月饼了。



这是因为每多一级都要额外付出发动机、分离结构的质量。如果二级、三级还和一级一样大,就会导致整体 mf 增长太快,反而不划算。所以经过优化计算,逐级递减才是 Δv 和质量比最平衡的选择。

以长征十一号为例子:



我们就可以看出它的逐级推进能力了:



所以说,有的时候大家不解的形态问题,其实就是工程学方案的现实表象。火箭的形态选择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。和很多人所想的“一节火箭就能上天”不同,多级虽然在外观上看似复杂了一些,但它的本质恰恰是对火箭方程约束下的最简化回应。一级、二级、三级……每一次分离,都是为了甩掉死重,让剩下的部分更高效地工作。最终我们看到的那种逐级递减的形态,并不是人为的雕饰,而是自然规律下唯一可行的选择。

真正决定火箭模样的,不是设计师的审美,也不是小说家的幻想,而是那串冰冷的公式——是那个叫做齐奥尔科夫的幽灵的东西。

#头条深一度#

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
定了,美国务院宣布重大军事决定!

定了,美国务院宣布重大军事决定!

故事终将光明磊落
2026-09-17 09:53:21
CCTV5直播!U23国足VS伊朗,小组出线关键战,安东尼奥带队争2连胜

CCTV5直播!U23国足VS伊朗,小组出线关键战,安东尼奥带队争2连胜

兵哥篮球故事
2026-09-18 13:08:24
太现实了!17999元买台手机,上海打工67天,西宁却要174天

太现实了!17999元买台手机,上海打工67天,西宁却要174天

可达鸭面面观
2026-09-17 17:06:02
王楚钦透露退赛原因:在上海封闭训练量非常大,每一天都在扛!

王楚钦透露退赛原因:在上海封闭训练量非常大,每一天都在扛!

十点街球体育
2026-09-18 16:10:30
蓝芩喉糖“蓝芩含量为0”引争议:企业称蓝芩是商标,律师称关键看广告话术

蓝芩喉糖“蓝芩含量为0”引争议:企业称蓝芩是商标,律师称关键看广告话术

红星资本局
2026-09-17 18:48:07
中国四戏印度

中国四戏印度

求实处
2026-09-18 00:01:54
解放军重磅点名郭德纲!三大强烈信号出炉,赵本山三次忠告全应验

解放军重磅点名郭德纲!三大强烈信号出炉,赵本山三次忠告全应验

介知
2026-09-17 09:02:24
华为跨界造车为何总被品牌问题卡脖子?

华为跨界造车为何总被品牌问题卡脖子?

小眼睛小世界
2026-09-18 04:24:03
“我没有舍利子,不要烧!”星云大师留遗言,弟子不听竟烧出25颗舍利子

“我没有舍利子,不要烧!”星云大师留遗言,弟子不听竟烧出25颗舍利子

历史龙元阁
2026-09-17 13:45:13
随着广州豹2-1,广西恒宸1-0,大连鲲城1-0,中甲最新积分榜出炉

随着广州豹2-1,广西恒宸1-0,大连鲲城1-0,中甲最新积分榜出炉

侧身凌空斩
2026-09-18 21:29:22
四名华人刚入境澳洲就被抓! 机场突击检查, 打开行李箱竟装满这东西! 全部遣返

四名华人刚入境澳洲就被抓! 机场突击检查, 打开行李箱竟装满这东西! 全部遣返

澳微Daily
2026-09-18 12:11:30
三镇心气踢没了,李昂红牌心态崩了,浙江1场三分,让铁人津门虎缓口气

三镇心气踢没了,李昂红牌心态崩了,浙江1场三分,让铁人津门虎缓口气

替补席看球
2026-09-18 21:37:55
中国不收台湾,说白了,不是中国没实力,而是因为统一台湾是结果

中国不收台湾,说白了,不是中国没实力,而是因为统一台湾是结果

小马姨
2026-09-16 16:23:44
11月15日起北京全域禁存无人机,大疆的麻烦才刚开始

11月15日起北京全域禁存无人机,大疆的麻烦才刚开始

ZAKER新闻
2026-09-17 21:25:08
学生称同济大学痛经请假需脱裤检查,校医院称检查由医生视情况决定,学校有权这么做吗?有更好解决办法吗?

学生称同济大学痛经请假需脱裤检查,校医院称检查由医生视情况决定,学校有权这么做吗?有更好解决办法吗?

冷大先生
2026-09-18 09:58:51
“中国人不来也没关系”?打脸了!

“中国人不来也没关系”?打脸了!

环球时报国际
2026-09-17 17:15:36
为什么沙特高价空军在胡塞武装前不堪一击?

为什么沙特高价空军在胡塞武装前不堪一击?

小眼睛小世界
2026-09-18 04:20:22
两岸统一真的不远了!从部分迹象看,我国极可能早已经做好了准备

两岸统一真的不远了!从部分迹象看,我国极可能早已经做好了准备

迷彩人生
2026-09-15 18:49:22
iPhone 18 Pro首销:标准版破发,Pro Max小幅溢价,首发品控翻车

iPhone 18 Pro首销:标准版破发,Pro Max小幅溢价,首发品控翻车

泡泡网
2026-09-18 13:12:18
美国中将公开承认:打完伊朗,我才看清中国到底有多强大!

美国中将公开承认:打完伊朗,我才看清中国到底有多强大!

果妈聊娱乐
2026-09-17 08:20:56
2026-09-19 02:11:00
军武数据库
军武数据库
军事类兴趣频道,介绍各国武备
1155文章数 6474关注度
往期回顾 全部

军事要闻

中方反对在安理会强推恢复对伊朗制裁

头条要闻

俄杜马选举拉夫罗夫"意外"登顶名单 梅德韦杰夫被拿下

头条要闻

俄杜马选举拉夫罗夫"意外"登顶名单 梅德韦杰夫被拿下

体育要闻

好吧,中国男篮辛苦了

娱乐要闻

陈思诚 佟丽娅不想让儿子知道两人离婚

财经要闻

研发0.25亿理财26亿,敷尔佳豪赌三类器械

科技要闻

直击iPhone 18新机发售:黄牛加价不如前代

汽车要闻

纯电/插混双动力+五座/六座双布局 海狮08应该怎么选?

态度原创

教育
时尚
本地
数码
艺术

教育要闻

家委会气爆了!一小学班委会集资买打印机,被家长投诉,被迫解散,而此后上演的才是大戏

直播|| 私藏几年的小众千元包,这5只越背越香!

本地新闻

中秋逛白塔寺,体验国医妙荟雅集

数码要闻

Realforce静电容键盘GX1 Plus皮卡丘版亮相TGS2026

艺术要闻

好色也分段位?这位时尚摄影大师,直接杀进王者局!

无障碍浏览 进入关怀版