火箭为什么要分级？

火箭分级是为了**把死重甩掉**。单级火箭携带的燃料越多，燃料箱就越重，而燃料箱本身也要被加速，形成“自己背自己”的恶性循环。通过把火箭拆成若干级，用完一级就抛掉一级，**后续发动机只需推动更轻的剩余部分**，从而显著提高最终速度。 自问：如果地球引力再小一点，是不是可以不分级？ 自答：理论上可以，但即便在月球，阿波罗登月舱也采用了两级设计，因为分级还能带来冗余和任务灵活性。 ---

分级方式有哪些？

常见的分级思路分为**串联、并联与混合**三种： - **串联**：最直观，一级烧完点火二级，如长征二号F。优点是气动阻力小，缺点是长度惊人。 - **并联**：助推器与芯级同时点火，助推器先分离，如阿丽亚娜5。优点是推力大、长度短，缺点是分离时冲击大。 - **混合**：助推器与芯级都有独立上面级，如SpaceX Falcon Heavy，兼顾推力与轨道适应性。 ---

分级时序如何决定？

时序由**Δv预算**与**动压约束**共同决定。 - **Δv预算**：根据齐奥尔科夫斯基公式，每一级贡献的Δv需满足总需求。工程师会把最难的“最后几公里/秒”留给上面级，因为那里重力损耗最小。 - **动压约束**：大气层内速度越快，动压越大，火箭易被压垮。因此一级通常在动压峰值后关机，**二级在稀薄空气中接力**，既省燃料又保结构。 ---

分级带来的隐藏挑战

1. **分离可靠性**：爆炸螺栓、气动推杆、冷气喷嘴必须同步，误差毫秒级。 2. **推进剂沉底**：失重环境下，液体燃料会漂浮，需用小型火箭或氮气“晃一晃”才能重新点火。 3. **成本权衡**：每多一级就多一套发动机与控制系统，**SpaceX反其道而行，用巨型单级可重复助推器降低成本**，但牺牲了部分Δv。 ---

个人观察：可重复使用正在改写分级逻辑

传统教科书把“抛掉死重”视为金科玉律，但猎鹰9把一级回收后，**死重变成了资产**。未来火箭可能采用“半级”概念：助推器返回，上面级仍抛弃，像飞机换发动机一样快速复用。 自问：如果材料学突破，让燃料箱轻到忽略不计，分级还有意义吗？ 自答：即便箱体重量趋零，分级仍能优化发动机工况——海平面喷管与真空喷管无法兼顾，分级让每一级发动机都工作在**更佳膨胀比**区间。 ---

从读书笔记里挖出的冷门数据

- 土星五号第三级J-2发动机在真空中的比冲为421秒，**比冲每提高10秒，载荷就能增加约8%**。 - 苏联N-1火箭30台发动机并联，分级时序复杂到需要模拟计算一整夜，最终四次试射全部失败。 - 中国长征五号B的助推器分离速度仅2.4 km/s，**低于音速**，这是为了降低再入热负荷，方便未来回收。 ---

写在最后的思考

分级原理看似是物理题，其实是系统工程的艺术。它把“扔掉”与“保留”的哲学写进了金属焊缝里。下一次看直播，当助推器优雅地掉头返回地球，不妨想想：那并不是简单的“分级”，而是**把一次性思维分级淘汰**的开始。