多級火箭

二戰結束後，美國繼承了德國的研究成果，於1949年研製了第一枚多級火箭。

多級火箭可以是串聯式的、並聯式的或串並聯式的，但常用的形式是串聯和串並聯。串聯就是將多個火箭通過級間連接/分離機構連成一串，第一子級在最底下，先工作，工作完畢後通過連接/分離機構被拋棄掉，接着，其上面級火箭依次工作並被依次拋棄，直到有效載荷進入飛行軌道。並聯就是將多個火箭並排地連接在一起，周圍的子級火箭先工作，工作完畢後被依次拋棄，直至有效載荷進入飛行軌道，中央的芯級火箭最後工作。以這種方式連接的多級火箭又稱為捆綁式火箭。如果芯級火箭本身是串聯式多級火箭，這種形式就是串並聯。

多級火箭與單級火箭相比有以下優點：

(1)多級火箭在每級工作結束後可以拋掉不需要的質量，因而在火箭飛行過程中，能夠獲得良好的加速性能，逐步達到預定的飛行速度；

(2)多級火箭各級發動機是獨立工作的，可以按照每一級的飛行條件設計發動機，使發動機處於最佳工作狀態，從而也就提高了火箭的飛行性能；

(3)多級火箭可以靈活地選擇每一級推力的大小和工作時間，以適應發射軌道的要求、軌道測量要求以及載人飛船對飛行過載的要求。

但多級火箭也有缺點，主要是：

(1)火箭結構複雜，使用的發動機數量多；

(2)級與級之間需增加級間段多級火箭結構示意圖進行連接，分離次數多；

(3)結構細長，彎曲剛度差，不容易實現氣動穩定。多級火箭由於這些原因使得可靠性降低，成本增加。 ^[1-2] 

火箭是一種運輸工具，它的任務是將具有一定質量的航天器（又稱有效載荷）送入太空。航天器在太空中的運行情況與它進入太空時的初始速度的大小和方向有關。一般地説，如果航天器進入飛行軌道的速度小於第一宇宙速度（7.91千米/秒），航天器將落回地面；如果航天器進入軌道的速度介於第一宇宙速度與第二宇宙速度（11.2千米/秒）之間時，它在地球引力場內飛行，成為人造地球衞星；當航天器進入軌道的速度介於第二宇宙速度與第三宇宙速度（16.7千米/秒）之間時，它就飛離地球成為太陽系內的人造行星；當航天器進入軌道的速度達到或超過第三宇宙速度時，它就能飛離太陽系。

1903年俄國科學家齊奧爾科夫斯基在他的論文《用火箭推進器探索宇宙》一文中提出了著名的齊奧爾科夫斯基火箭理想速度公式。該公式可表述為：

VK=Pb g0 Ln [（GT+GJ）/GJ]

式中: VK一一火箭的末速度;Pb一一比推力（比衝）；g0一地面的重力加速度；GT——火箭起飛時的推進劑質量；GJ——火箭的結構質量，其中包括有效載荷。

所謂理想速度就是該公式中忽略了許多因素，如未考慮氣動阻力和地球引力造成的損失，也未考慮g0隨高度遞減的變化及其他因素。根據該公式計算出來的速度比實際數值大，所以稱之為理想速度。儘管如此，該公式仍足以説明速度與比推力、質量比之間的關係。

從理想速度公式可以看出，有三種方法能提高火箭的末速度：一是採用高能量的推進劑，即採用高比推力的推進劑，但比推力的提高受到科學技術水平的限制，如今常用的高比推力的化學能推進劑為液氧和液氫；二是採用高強度的結構材料，儘量減輕火箭的結構質量，這種辦法也受當前科學技術水平的限制；三是增加火箭的推進劑質量，但單純增加推進劑質量也不行，當GT增加時貯箱的容積也增加，結構質量隨之增加。（GT +GJ）/GJ的比值是非線性增長的，當推進劑適量增多時該比值增長幅度較大。但當GT 越來越大時，該比值的增長幅度將越來越小，最終會趨於一個常值。也就是在Pb不變的情況下，無論GT 怎樣增加，火箭的末速度會停留在某個數值上而不再增大。這一結果可以比較直觀地説明，即當推進劑增加時，除了貯箱容積增大之外，貯箱所受到的載荷也在增加，因而貯箱的箱壁越來越厚，貯箱也越來越重。火箭飛行一段時間之後，推進劑被消耗，貯箱越來越空，推進劑釋放出來的能量不僅要加速有效載荷，還要加速這部分空貯箱，如果貯箱越重，用於加速空貯箱的推進劑比例就越大，直到速度不再增加。

隨着人類逐漸進入深空探測和空間飛行器的功能增多，要求火箭具有更大的運載能力，因而出現了多級火箭。簡單地説，多級火箭就是把幾個單級火箭連接在一起形成的，其中的一個火箭先工作，工作完畢後與其他的火箭分開，然後第二個火箭接着工作，依此類推。由幾個火箭組成的就稱為幾級火箭，如二級火箭、三級火箭，等等。需要指出的是，如果多個火箭同時工作，它們只能算作一個級。多級火箭的優點是每過一段時間就把不再有用的結構拋棄掉，無需再消耗推進劑來帶着它和有效載荷一起飛行。因此，只要在增加推進劑質量的同時適當地將火箭分成若干級，最終可以使火箭達到足夠大的運載能力。應當注意，火箭在某個確定的起飛質量(GT+GJ)下並非級數越多越好，因為每一級火箭除了貯箱外至少還必須有動力系統、控制系統、伺服機構以及連接各級火箭的連接結構等。每增加一級，這些組成部分就增加一份。級數太多不僅費用增加，可靠性降低，火箭性能也會因結構質量增加而變壞。因為在起飛質量不變的前提下，增大結構質量必然要減少推進劑，從能量守恆原理可知其運載能力必然下降。總之，為了提高火箭的運載能力，採用多級火箭是個好辦法，但不是級數越多越好，它與起飛質量之間有着某種對應關係。 ^[3] 

“長征”系列火箭中，長征二號E、長征二號F和長征三號B是串並聯式火箭，而其餘的“長征”系列火箭則都是串聯式火箭。 ^[3]