多级火箭

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多级火箭是由数级火箭组成的运载工具。每一级都配备了发动机和燃料,以提高火箭的连续飞行能力和最终速度。从尾端第一级开始,燃料耗尽后,火箭的每一级将自动分离,同时火箭发动机的下一级开始工作,使飞机继续加速前进。因为,在起飞重量恒定的前提下,增加结构质量必然会减少推进剂,根据能量守恒原理,其承载能力必然会下降。总之,采用多级火箭是提高火箭发射能力的好办法,但并不一定多级就更好。它与起飞质量有一定的对应关...

多级火箭

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多级火箭是由数级火箭组成的运载工具。每一级都配备了发动机和燃料,以提高火箭的连续飞行能力和最终速度。从尾端第一级开始,燃料耗尽后,火箭的每一级将自动分离,同时火箭发动机的下一级开始工作,使飞机继续加速前进。因为,在起飞重量恒定的前提下,增加结构质量必然会减少推进剂,根据能量守恒原理,其承载能力必然会下降。总之,采用多级火箭是提高火箭发射能力的好办法,但并不一定多级就更好。它与起飞质量有一定的对应关系。

多级火箭

多级火箭的发展

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第二次世界大战结束后,美国继承德国的研究成果,于1949年研制出第一枚多级火箭。

随着人类逐步进入深空探索,航天飞行器的功能性不断提高,对火箭的承载能力提出了更高的要求,多级火箭应运而生。简单地说,多级火箭是由几个单级火箭连接在一起形成的。需要指出的是,如果多个火箭同时工作,它们只能算作一级。多级火箭的优点是在一段时间后丢弃不再有用的结构,不需要消耗推进剂与有效载荷一起飞行。因此,只要增加推进剂的质量,并适当地将火箭分成若干级,火箭最终就能达到足够的运载能力。需要注意的是,在一定的起飞质量下,火箭的级数并不一定越多越好,因为火箭的每一级除了储罐外,还必须至少有一个动力系统、控制系统、伺服机构和连接火箭各级的连接结构。对于每个附加级别,将添加这些组件。过多的级不仅增加了成本,降低了可靠性,而且由于结构质量的增加,还会降低火箭的性能。

多级火箭的形式

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多级火箭可以是串联、并联或串联并联,但常用的形式是串联和串联并联。串联是将多个火箭通过级间连接/分离机构连接成一个系列的过程,第一级在底部,首先工作。完成后,通过连接/分离机构将火箭丢弃,然后上一级火箭依次工作,直至有效载荷进入飞行轨道。并联连接是多枚火箭并排连接的过程,周围的次级火箭先工作,然后依次放弃,直到有效载荷进入飞行轨道。并联连接是多个火箭并排连接的过程,周围的子级火箭先工作,完成后依次放弃,中心的核心级火箭最后工作。以这种方式连接的多级火箭也被称为捆绑式火箭。如果核心级火箭本身是串联多级火箭,那么这种形式就是串联并联火箭。

多级火箭的特点

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优点

与单级火箭相比,多级火箭具有以下优点:

(1)多级火箭在每一级运行后都可以丢弃多余的质量,从而获得良好的加速性能,在火箭飞行过程中逐渐达到预定的飞行速度;

(2)多级火箭各级发动机独立工作,可根据各级飞行条件进行优化设计,保证最佳运行,从而提高火箭的飞行性能;

(3)多级火箭可以灵活选择每一级推力的大小和工作时间,以满足发射轨道、测轨和载人飞船飞行过载的要求。

缺点

但多级火箭也有缺点,主要是:

(1)火箭结构复杂,发动机数量多;

(2)级间需增加多级火箭结构示意图进行连接,并进行多次分离;

(3)结构细长,抗弯刚度差,难以达到气动稳定性。由于这些原因,多级火箭降低了可靠性,增加了成本。

用多级火箭来发射航天器的原因

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火箭原理概述

火箭是一种运输工具,其任务是将具有一定质量的航天器(也称为有效载荷)送入太空。航天器在太空中的运行与其进入太空时初速度的大小和方向有关。一般来说,如果航天器进入轨道的速度小于第一宇宙速度(7.91千米/秒),航天器将返回地面;如果以第一宇宙速度和第二宇宙速度(每秒11.2公里)之间的速度进入轨道,就会在地球引力场内飞行,成为人造地球卫星。当宇宙飞船以第二宇宙速度和第三宇宙速度(每秒16.7公里)之间的速度进入轨道时,它就会飞离地球,成为太阳系中的人造行星。当航天器进入轨道的速度达到或超过第三宇宙的速度时,它就可以飞离太阳系。

理想速度公式

1903年,俄罗斯科学家齐奥尔科夫斯基在他的论文《用火箭推进探索宇宙》中提出了著名的齐奥尔科夫斯基火箭理想速度公式。该公式可表示为:
VK=Pb g0 Ln [(GT+GJ)/GJ]。式中:VK—火箭的最终速度;比推力(比冲);G0是地面的重力加速度;GT -火箭起飞时推进剂质量;GJ -火箭的结构质量,包括有效载荷。
所谓理想速度,是指在公式中忽略了许多因素,如没有考虑气动阻力和重力造成的损失,以及g0随高度下降的变化等因素。根据此公式计算出的转速大于实际值,故称为理想转速。然而,这个公式仍然足以说明速度、比推力和质量比之间的关系。

火箭提速

从理想速度公式可以看出,提高火箭最终速度的方法有三种:一是使用高能推进剂,即使用比推力高的推进剂,但比推力的提高受到科技水平的限制。目前常用的高比推力化学能推进剂有液氧和液氢;二是采用高强度的结构材料,尽量减少火箭的结构质量,这也是受目前科学技术水平的限制;第三是增加火箭的推进剂质量,但仅仅增加推进剂质量是不够的。当GT增大时,储罐体积也增大,结构质量也增大。(GT+GJ)/GJ的比值呈非线性增长,当推进剂适量增加时,该比值的增长较为显著。但随着GT的增大,该比值的增长率会变小,最终趋于一个常数。也就是说,无论GT如何增加,火箭的最终速度将保持在某一值而不增加,而Pb保持不变。这个结果可以直观地说明,随着推进剂的增加,除了罐体体积的增加外,罐体上的负荷也随之增加,导致罐壁变厚,罐体变重。经过一段时间的火箭飞行,推进剂被消耗,储罐变得越来越空。推进剂释放的能量不仅加速了载荷,也加速了这部分空储罐。如果储罐较重,则用于加速空储罐的推进剂的比例将增加,直到速度不再增加。

多级火箭原理

随着人类逐步进入深空探索,航天飞行器的功能性不断提高,对火箭的承载能力提出了更高的要求,多级火箭应运而生。多级火箭是由几个单级火箭连接在一起,其中一个火箭工作,完成后与其他火箭分离,然后第二个火箭继续工作,以此类推。由多级火箭组成的火箭称为多级火箭,如两级火箭或三级火箭。应该指出的是,如果多个火箭同时工作,它们只能算作一个。多级火箭的优点是在一段时间后丢弃不再有用的结构,不需要消耗推进剂与有效载荷一起飞行。只要适当地将火箭分成若干级,同时增加推进剂的质量,最终就能达到足够的运载能力。需要注意的是,对于一定起飞质量(GT+GJ)的火箭来说,级数并不一定越好,因为火箭的每一级除了储罐外,还必须至少有一个动力系统、伺服机构和连接结构来连接火箭的每一级。对于每增加一个级别,这些组件都会增加。过多的级不仅增加了成本,降低了可靠性,而且由于结构质量的增加,火箭的性能也会下降。因为,在起飞质量恒定的前提下,增加结构质量必然会减少推进剂,根据能量守恒原理,其承载能力必然会下降。为了提高火箭的发射能力,采用多级火箭是一种很好的方法,但多级火箭并不一定越好,因为多级火箭与起飞质量之间存在一定的对应关系。

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词条目录
  1. 多级火箭
  2. 多级火箭的发展
  3. 多级火箭的形式
  4. 多级火箭的特点
  5. 优点
  6. 缺点
  7. 用多级火箭来发射航天器的原因
  8. 火箭原理概述
  9. 理想速度公式
  10. 火箭提速
  11. 多级火箭原理

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