空少问答
小课堂
第103期
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答：多级火箭的不同级是怎么分开的？
上周六，空少为大家留了1个问题，来看看空少的解答以及从留言中选出的最佳答案吧！
想要查看原问题背景介绍的朋友们可以点击《问：多级火箭的不同级是怎么分开的？》~下面就让我们来看看空少的解答吧！
空少正解
上期我们讲到，发射了东方红一号卫星的长征一号（CZ-1）火箭是一枚三级的运载火箭。事实上，全世界大多数的运载火箭都是多级的，一般有2-4级，由单级火箭串联或并联起来就组成了多级火箭。
我们知道地球的第一宇宙速度约为每秒7.91千米，也即要携带其他探测器等（如卫星）不被引力束缚在地面，至少需要加速到这样的速度。1903年，俄国科学家齐奥尔科夫斯基在他的论文《用火箭推进器探索宇宙》一文中，提出了“齐奥尔科夫斯基火箭理想速度公式”。根据这个公式，有两种方法可以提高火箭的最终速度：一是采用高能量的推进剂，即采用高比 推力的推进剂；二是采用高强度的结构材料，尽量减轻火箭的结构质量。但科学家们经过反复试验，最终发现，以当时的技术，单级火箭无法达到发射卫星要求的速度。因此，齐奥尔科夫斯基提出了多级火箭接力飞行的设计，第一级火箭点火达到一定速度后燃料耗尽，第一级脱落；第二级火箭接力继续加大速度飞行，燃料用完后同样关机脱离；像这样可以传递给第三级甚至第四级火箭，直到速度提高到所需数值，把卫星或者飞船等有效载荷送入预定轨道。
长征一号火箭伫立在发射场（来源：中国运载火箭技术研究院，http://www.calt.com/n488/n754/c11482/content.html）
那么，多级火箭的不同级是怎么分开的呢？
级间分离的方式主要有两种，即热分离和冷分离。所谓热分离，是指靠前面一级火箭发动机喷出的高温燃气流把后面一级火箭推开，因此前面一级发动机在连接件解锁时就已经点火了；而冷分离方式中使前、后两级火箭分开的力量，是装在后面一级火箭上的反推火箭的推力，前面一级火箭的发动机要在前、后两级火箭分开后才点火。
如此说来，火箭的级与级之间的连接部位就既需要结实可靠，又需要能容易的断开，还不能产生太多的碎片。这听上去是有点矛盾的。其实，这中间用到的关键部件就是“爆炸螺栓”（Explosive Bolt）。大多数爆炸螺栓的外观和普通螺栓相差不多，不同的是在螺栓内部设计有一个空腔，容纳一定数量的起爆装药和引爆装置。引爆装置接收到动作信号之后点燃装药，将整个螺栓切断成2-3部分。
但我们刚才说了，作为连接部件的爆炸螺栓还得结实，而且炸开了不会变成大大小小的碎片吗？所以，设计者就必须“诱导”它一下，在保证螺栓足够的机械强度的同时，在螺栓上压制应力槽，也就是设计一些更容易断开的地方让螺栓将来更容易从这些地方断断裂。如果设计得当，爆炸螺栓可以做到完全没有爆炸碎片，且断裂带的几何形状十分规则。
一种爆炸螺栓外观（来源：https://www.eba-d.com/products/bolt-explosive/）
所以我们回到火箭级间分离问题上，分离部位一般用爆炸螺栓或其他类似的能接收信号后炸断的部件连接。
热分离的基本程序是：启动前面一级火箭的发动机，关闭后面一级火箭的发动机，起爆炸断连接部件，那么，前面一级火箭的燃气流使被断开抛弃的那部分减速，同时保证剩余火箭继续启动飞行的可靠性，因而十分简便，不过要注意分离时较大的扰动，并且要多消耗一些推进剂。
而冷分离又称减速分离。它的分离指令程序一般是：级间连接部件爆破断开，火箭下面级启动制动火箭或其他制动装置进行减速（制动），同时由上面级正推火箭或以其他方式产生的推力加速上面级，以保证推进剂沉于箱底正常流入燃烧室，在两级分离拉开一定距离时，上面级发动机才点火建立推力，控制系统开始工作。在此种情况下，级间分离机构的组件少、也较轻，工作过程不会受到很大的轴向、侧向、振动等作用力的影响，显得分离平稳。但是，这种分离方式，对于控制系统的精度要求较高。
火箭一步步分离（来源：https://www.researchgate.net/publication/266733877_Dynamic-Envelope_Analysis_of_Clamp-Band_Joint_Considering_Pyroshock_of_Satellite_Separation/figures?lo=1）
留言区·精选
@ Dream Chaser分离原理都差不多，用火工品一炸间级段连接就断了，学问在于分离后。分离后靠上面级推进器点火直接分开的叫热分离，而利用小型冷气推进器拉开距离后上面级再点火的叫冷分离。而侧面助推器的分离则是由火工品切断连接后小型固体燃料推进器点火与芯级拉开距离。
@孟圣峰
火箭分离分为热分离和冷分离两种方式。热分离是通过爆炸螺栓炸断两级之间的连接处。冷分离是利用机械和电磁阀之类装置，在需要分离的时候将“松手”或者“弹射”实现两级分离。
@YBQ
1.冷分离,解锁联结件,通过速度差分离。2.热分离,以一,二级之间为例,启动二级发动机,关闭一级发动机,起爆炸断联结件。
@三千目前已知在使用的有两种，一种是国内主要使用的火工品爆炸螺栓连接不同级，分开时采用电起爆将两级连接螺栓炸开以分离不同级，特点是简单有效、成熟;另一种类似擒纵机构，既机械式冷分离，特点是附带损伤可能性小，更精确。美国太空探索公司的可回收第一级火箭猎鹰九型使用这种方法分离不同级。
感谢大家的支持，我们下期再见！
作者:王铮
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