火箭一般由2-4级火箭组成,为什么不能做成一级呢?!

文章作者:bianji3 | 2018-08-18
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      运载火箭一般由2-4级火箭组成,单级火箭串联或并联起来,就组成了多级火箭。在火箭一飞冲天的过程中,必须经历多次分离:除了要完成级间分离,还要经历整流罩分离,卫星、飞船等有效载荷与火箭的分离等过程。每个分离过程都需要精心设计,才能保证发射的成功。而火箭为什么不能做成一级呢?

  如果将火箭设计成仅有一级的结构,从起飞到结束工作都是一个整体,那么也就没有一二级分离这样的工作,火箭的飞行过程看起来就要简单不少。

  然而,俄罗斯科学家齐奥尔科夫斯基在1903年提出的齐奥尔科夫斯基公式从理论上否定了这种“捷径”的可行性。在这个公式中,火箭在工作期间所获得的速度增量与发动机开始工作时的火箭总重m0和发动机结束工作时的总重m1相关,m0/m1的比值越大,火箭就能获得越大的速度增量。有效载荷要进入太空工作,至少要被加速到第一宇宙速度。而如果火箭仅有一级,在人类目前的技术条件下,m0/m1的比值难以使火箭最终达到第一宇宙速度。

  于是,火箭设计师们提出了多级火箭的解决方案。通过不断将完成工作的部分抛弃,火箭m0/m1的比值将不断变化,火箭得以被“接力”加速,最终达到理想的入轨速度。此外,采用多级火箭方案时,还可以根据飞行阶段的特点使用不同特性的发动机。例如,对于火箭发动机来说,“比冲”是衡量其燃料使用效率的重要指标。为了获得足够的起飞推力,火箭第一级和助推器的发动机有时要牺牲比冲性能以换取推力。而第二级和上面级则多采用比冲更高且适应真空工作环境的发动机。

  长征三号乙运载火箭飞行过程

  级间分离:快刀斩乱麻

  和轰轰烈烈闹分手的火箭少女们一样,真正的火箭在级间分离时也要制造一些爆炸。以一二级分离为例,在分离发生前,两极火箭通过一种叫做”爆炸螺栓“的装置连接在一起。爆炸螺栓是一种空心的连接装置,内部装有炸药。一旦接到命令,前一秒还紧密的接合着两级火箭的爆炸螺栓会瞬间将自己炸断,切断两级间的联系。

  不过跟火箭少女的退团风波纠缠不清不同,火箭的一二级的分离过程开始后必须尽快让它们之间的距离增大,否则就可能悲剧收场。比如猎鹰1号火箭第三次发射中,已经完成任务的第一级火箭在与第二级分离后,依然“留恋“的徘徊在火箭的第二级附近,与第二级火箭发生撞击导致发射失败。

  目前,完成这个过程的方式有“热分离”和“冷分离”两种方式。在热分离进行时,“蓄谋分手”的火箭第二级会打开自身的发动机,用发动机喷出的高温气流将已经完成使命的第一级火箭喷开,自己则继续飞向太空之中,颇有一点卸磨杀驴的味道。而冷分离进行时,第一级火箭或通过自身安装的反推发动机主动离开第二级,或通过两级间预置的弹簧装置完成分离,而第二级火箭在分离过程完成后再点火工作。

  猎鹰9号火箭一二级分离瞬间。左侧为第一级顶部视角,右侧为第二级底部视角。分离时第二级发动机还未开机。

  由于两种分离方式有着各自的优势,火箭设计师们会根据具体情况选择分离方式。使用热分离时,分离系统和分离程序的设计较为简便,且分离过程对火箭继续飞行的干扰小。而冷分离过程无需在一二级的连接装置上考虑二级尾焰的排出,分离造成的冲击也相对较小,分离过程较平稳。例如,长征2F等我国火箭的一二级分离多采用热分离方式,二三级和第三极与上面级的分离则多采用冷分离。而SpaceX的主力火箭猎鹰9号,则采用冷分离的方式。

  整流罩和有效载荷分离

  在火箭最初的飞行过程中,整流罩将卫星、飞船等有效载荷包裹在其中,使它们能免受高速气流带来的冲击和加热。当火箭飞行到一定高度,大气浓度已经足够稀薄时,整流罩将与火箭分离,以减轻火箭的重量。

  整流罩一般由合抱在一起的两瓣构成。在与火箭分离时,整流罩内部的爆炸螺栓切断两片整流罩间的连接,内置的弹簧机构将整流罩向两侧推动。但此时,整流罩不会立即离开火箭,而是会像绽放的花瓣一样向两侧张开。这是因为整流罩底部与火箭连接的地方安装了可以旋转的挂钩式铰链。当两瓣整流罩张开到足够的角度时,铰链自动脱钩,两瓣整流罩向外抛出,从而不会与火箭和载荷相撞。

神舟九号整流罩分离

  卫星和飞船等有效载荷通过连接解锁装置连接到火箭上。这种装置在尺寸各异的载荷和尺寸相对固定的火箭间提供了一个接口,使载荷能够牢靠的与火箭相连接。在有效载荷与火箭分离时,连接解锁装置不但要保证有效载荷不会与火箭发生碰撞,还不能对有效载荷的姿态造成较大的改变,避免有效载荷入轨后姿态调整的困难。

  有效载荷与火箭的常用分离方法有两种。一种是爆炸螺栓将载荷解锁后,分离弹簧将有效载荷推离火箭。另一种则是火箭的最后一级使用反推发动机,主动减速并与载荷分离。目前,弹簧分离的方式应用的更为普遍。

神舟十号船箭分离瞬间,火箭目送神舟飞船进入轨道

  “分手”后,它们去了哪?

  在可回收重用技术出现之前,完成工作的火箭各部分会被直接抛弃。第一级与火箭分离时,火箭的速度还不是很高,且周围的大气还相对浓密,因此第一级一般会坠落到地面。和火箭这种庞然大物相比,月光宝盒的尺寸和重量都要小很多。乱扔月光宝盒的尚且有砸到小朋友和花花草草的风险,火箭坠落时则更要考虑如何避免人员和财产损失。

  发射风云二号09星时,落入贵州省福泉市境内的长征三号甲运载火箭残骸。据微博    @贵州省人防办 发布的消息,这是该部门第100次完成火箭残骸落区任务,实现了无重大人员财产损失,无责任性事故发生的骄人战绩。

  因此,发射进行前要对火箭飞行路径上可能坠落部件的区域进行估计。如果落区恰好处于人口稠密区域或重要设施所在的区域,就要调整飞行方案,以满足安全要求。如美国的卡纳维拉尔角航天基地,为了避开人口稠密区,只能发射向东北或东南方向飞行(发射方位角35度~120度)的火箭,因而不能发射极轨卫星。由于历史原因,我国酒泉、西昌和太原三个发射基地均设置于内陆地区,完成工作的火箭子级不可避免的会坠落到有人居住的地区。在发射前,有关部门会根据落区的范围对区域内的群众进行疏散。在位于南海海滨的文昌发射场投入使用后,这方面的顾虑就要小很多。

卡纳维拉尔角发射基地的允许发射方向

  火箭的第二级和第三级则一般会在围绕地球的轨道上停留一段时间。向近地轨道发射卫星时,第二级可能会在轨道上停留数月,在高层大气的作用下逐渐降低轨道高度,最终坠入大气层焚毁。而发射位于极轨上的太阳同步轨道卫星时,第二级有可能一去不返,永久的待在太空中转圈。发射地球同步轨道卫星等高轨卫星时,使用的第三级和上面级也能在轨道上逗留数年甚至数十年。这些停留在太空中的火箭子级如果不妥善处理,将会成为轨道上的定时炸弹,其中残存的推进剂、高压气体等物质随时可能诱发爆炸,制造大量太空垃圾。因此,一般会对它们进行“钝化”处理,消耗剩余燃料、排出多余气体,并将其移动到废弃轨道上。

猎鹰9号火箭第一级回收过程。

  在火箭可重复利用技术出现之后,这些完成任务的火箭子级迎来了更好的命运:它们可以回到地面,经过整修后重返太空。

  目前,SpaceX的猎鹰9号火箭已经成熟的应用了一级火箭的回收重用技术。当一级火箭工作完毕后,喷嘴喷出的高压冷气会让第一级在空中翻一个跟头,进入准备“回家”的姿态。之后,第一级上的一部分发动机第一次开机,使火箭进入着陆弹道。随着本次开机的完成,一级火箭顶部的栅格翼展开,以气体动力学方式控制飞行方向。之后,一级火箭还会再开机两次,第一次用于减速,第二次则精准的控制火箭在陆地或海洋上的回收平台上软着陆。猎鹰重型火箭助推器和第一级的回收方式与猎鹰9号第一级基本一样,但首飞过程中第一级的回收试验未能取得成功。

猎鹰9号火箭第一级顶部的栅格翼,用于控制第一级返回时的姿态。

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