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張景馨
2019-09-02
2104“航天之父”齊奧爾科夫斯基曾說，地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠被束縛在搖籃里。人類要想走出地球，首先需要擺脫地球引力的束縛，這就需要具備很大的速度，這個速度叫第一宇宙速度，它大概為7.9公里每秒。
眾所周知，我國的高鐵技術全球領先，復興號設計運營時速能達到350公里每小時，從北京到上海只要大概5個小時。然而，復興號高鐵相較于航天器，簡直是小巫見大巫。這段路程對于以第一宇宙速度飛行的航天器來說用不到5分鐘，可以想象航天器的速度有多快了，航天器獲得這么高的速度靠的是多級運載火箭。那么問題來了，單級火箭可不可以把航天器送上天？為什么要使用多級火箭呢？
提到火箭分級，不得不提到齊奧爾科夫斯基，讓火箭飛向太空探測宇宙就是他最先提出來的。這位科學家的貢獻還不限于此，他還提出了著名的火箭運動方程式（這個公式被后人稱為齊奧爾科夫斯基公式，其奠定了火箭飛行理論的基礎），即火箭最終的速度等于火箭的噴氣速度與火箭質量比的對數的乘積。
火箭的質量比是指火箭的原始質量與火箭的最后質量的比值。在經過一系列數學運算以后，他又指出，對于使用某種推進劑火箭來說，要使最終速度達到第一宇宙速度，火箭的質量比要非常之大，火箭的殼體將要做的非常薄，甚至比雞蛋殼還要薄。如此嚴酷的條件，還要耐受高溫、高壓、真空等惡劣工作環境，火箭升空真的很不容易。
使用單級火箭來提高火箭的質量比遇到了瓶頸，如何提高火箭的質量比，便成為一個亟待解決的課題。齊奧爾科夫斯基為解決這一難題作出了貢獻，提出了把火箭分級的方案。
通過把火箭分級，多級火箭在每級工作結束后可以拋掉不需要的質量，提高了火箭的質量比，因而在火箭飛行過程中，能夠獲得更好的加速性能，逐步達到預定的飛行速度。多級火箭各級發動機也是獨立工作的，可以按照每一級的飛行條件設計發動機，使發動機處于最佳工作狀態，更好地提高了火箭的飛行性能。
那是不是火箭的級數越高越好了？理論上確實如此，級數越高，意味著拋掉的多余質量越多，火箭的質量比就越大，能達到的飛行速度就越高。但是級數太多，每級之間的連接和分離機構部分也要相應增多，這也會影響火箭的整體重量和強度，并帶來一些復雜的技術問題，可靠性也會降低。所以，現代火箭往往用兩級、三級或四級火箭（四級火箭即末級火箭）來發射人造地球衛星。
總的來看，火箭目前是唯一能達到宇宙速度、擺脫地球引力、進入宇宙空間的運載工具。火箭的分級能夠提高火箭的質量比，從而提高火箭的發射速度，所以現在發射衛星使用的皆是多級火箭。
