我們知道,要實現宇宙航行,火箭速度在理論上至少要達到7.91千米/秒,即第一宇宙速度。20世紀,為了達到這一速度,各國都采用了多級火箭,也就是說火箭由很多“節”組成。在這種火箭中,火箭的每一“節”都是一個單級火箭,它們有自己的發動機、推進劑、控制系統和伺服機構。這些單級火箭串聯或并聯起來,就組成了多級火箭。那么,火箭為什么要有這么多節呢?
宇宙速度示意圖
讓我們先做一個假設。假如把巨大的運載火箭做成單級,那么全部推進劑只能貯存在這一級火箭的貯箱內。這樣,貯箱不但要增大容積,還因為承受的推進劑增多而必須加厚貯箱箱壁,這將增加貯箱重量。這種火箭在飛行過程中,推進劑逐漸消耗,貯箱越來越空,空出的貯箱殼體成為無用的質量,而推進劑釋放出來的能量不僅要加速衛星或飛船,還要加速這部分無用的空貯箱。而且,貯箱越重,加速空貯箱所耗費的推進劑就越多,以至火箭最終無法達到宇宙航行所需的速度。實際上,目前單級火箭所能達到的最高速度不超過6千米/秒,無法實現宇宙航行。如果能把無用的貯箱拋掉,顯然可以提高火箭的末速度,這便是把火箭做成很多“節”的原因。
多級火箭飛行時,最下面的第一級先工作并使火箭達到一定速度,完成任務后這一級被拋掉;接著在此速度的基礎上啟動第二級進一步加速,完成任務后再拋掉;隨后再用第三級甚至第四級加速,這樣,飛行中火箭的“身體”被一節一節拋掉,推進劑能量不會過多耗費在加速無用的空貯箱上,火箭輕裝前進,越飛越輕,速度逐級提高。運用這種多級火箭的“接力”技術,最終可超越第一宇宙速度,實現宇宙航行。