原标题：多级火箭：“轻装”进入太空
上图：3月20日8时31分，探月工程四期鹊桥二号中继星由长征八号遥三运载火箭在中国文昌航天发射场成功发射升空。新华社图片
下图：火箭助推器分离示意图。资料图片
近日，探月工程四期鹊桥二号中继星在中国文昌航天发射场成功发射升空。长征八号遥三运载火箭飞行24分钟后，星箭分离，将鹊桥二号中继星送入预定地月转移轨道。
在火箭发射的过程中，我们经常能听到“分离”这个词，比如“助推器分离”“整流罩分离”“船舰分离”，等等。一枚火箭造价不菲，为什么又会在发射过程中“分离”出许多结构呢？
今天，我们就来聊一聊火箭“分离”的秘密。
火箭越飞越快的秘密
其实，火箭在升空过程中分离部分结构也是“不得已而为之”。
要实现宇宙航行，火箭的速度至少要达到第一宇宙速度，即每秒7.91千米。
让我们先做一个假设。如果把巨大的运载火箭做成单级，那么，全部推进剂只能贮存在这一级火箭的贮箱内。这样，不但要增加贮箱的容积，还要因为承受推进剂增多而加厚贮箱箱壁，进而导致贮箱重量增加。火箭飞行过程中，贮箱会越来越空。空出的贮箱壳体成为无用的质量，而推进剂释放出来的能量不仅要加速卫星或飞船，还要加速这部分无用的空贮箱。贮箱越重，加速空贮箱所耗费的推进剂就越多。这样会导致火箭最终无法达到第一宇宙速度。
对此，早在1903年，俄国火箭专家齐奥尔科夫斯基就提出了一个著名的“理想火箭方程”。他推导出：提高火箭的输送能力，要么提高推进剂的能量，要么减轻火箭的结构重量。齐奥尔科夫斯基提出，可以建造“用完一级扔一级”的多级火箭，同时实现这两个目的。而这一设想，已经成为现实。
从20世纪开始，为了能让火箭顺利升空，各国大多采用多级火箭。多级火箭由很多“节”组成，每一“节”都是一个单级火箭，它们有自己的发动机、推进剂、控制系统和伺服机构。这些单级火箭串联或并联起来，就组成了多级火箭。
不论是中国的长征二号F运载火箭，还是美国的战神火箭、欧洲的阿丽亚娜火箭，世界上许多国家的火箭，大多采用三级结构。第一级点火后，推动火箭升到一定高度。燃料烧尽后，火箭的第一级脱落，与此同时，第二级开始点火。这样，火箭烧完一级就脱落一级，越飞越轻，速度也越来越快，直至冲出大气层，飞向太空。
那么，火箭的级数是不是越多越好呢？并不是这样的。火箭级数越多，需要连接和分离的结构就越多，这样会增加火箭结构质量并降低其可靠性。而且火箭分级超过一定的次数后，对于提高速度的作用就越来越不明显。因此，目前火箭大多不会超过四级。
分离全靠空中“爆炸”
火箭的每一次空中分离，都靠“爆炸”实现。
所谓“爆炸”，是指爆炸螺栓内部装填炸药，工作时会发生爆炸并炸断螺栓，使连接断开从而实现相应结构分离的过程。
以长征二号F运载火箭为例，在飞行时，它要先后实现逃逸塔分离、助推器分离、级间分离、整流罩分离和船箭分离等几个步骤。
逃逸塔分离——逃逸塔在火箭的最前部。它的作用是，在起飞前900秒到起飞后的160秒之间，如果发生意外，就可以带着火箭的返回舱和轨道舱脱离，从而帮助航天员迅速逃离险境。
助推器分离——助推器是一种小型火箭发动机，它的作用是使火箭迅速飞离发射器并加速到预定的发射速度。长征二号F运载火箭上捆绑着4个助推器，每个助推器与一子级之间有前、后两个连接点。当助推器接到分离指令，助推器上的分离小火箭先点火，随后，爆炸螺栓和药圈组件同时引爆，使前、后连接点断开解锁，4个助推器借助分离火箭的推力离开火箭。
级间分离——级间分离的作用是，抛掉推进剂耗尽的下面级，以确保剩余部分能够以更高的效率继续加速升空。长征二号F运载火箭在实现级间分离时，控制系统同时发出一、二级分离和二级发动机点火指令，级间分离面上的爆炸螺栓同时引爆，使级间连接解除，已点火的二级发动机推动火箭加速向前飞行。此时，二级发动机喷出的高速燃气流喷射在一级氧化剂箱前底上，一级火箭飞行速度随之降低并逐渐离开火箭。
整流罩分离——在火箭发射过程中，为了保护飞船不受外界环境侵害和降低空气阻力，火箭设计师为它套上了一个“罩子”，即整流罩。然而，火箭进入大气层后，整流罩会剧烈振动，并给火箭施加额外的阻力。这时候，就不得不分离整流罩以提高火箭的运行效率。整流罩与箭体的分离过程，也叫抛罩过程。整流罩有一个横向分离面和一个纵向分离面。火箭飞行一段时间后，整流罩横向分离面上的爆炸螺栓起爆，横向分离面被解锁。随后，整流罩的纵向分离面通过机械锁解除连接。此时，整流罩纵向分离面两侧的压缩分离弹簧向外推动两个半罩，使它们绕着横向分离面上的挂钩式铰链旋转。转到一定角度时挂钩式铰链自动脱钩，两个半罩就会向外侧抛出。
船箭分离——当火箭的最后一级将飞船送入预定轨道后，火箭的使命已基本完成。为了使飞船能够独立在轨道上运行，确保火箭的最后一级不对飞船产生影响，需要将飞船与运载火箭进行分离。船箭分离系统由船箭锁紧装置、压缩分离弹簧、反推火箭和侧推火箭组成。分离时，控制系统发出分离指令，船箭锁紧装置的2个爆炸螺栓同时引爆，包带两端解锁，船箭分离面解锁。24根系留弹簧立刻将两条包带拉到飞船支架上，再由4组限位弹簧限制包带横向运动，防止包带碰撞飞船。与此同时，4组压缩分离弹簧推动飞船加速离开二子级箭体，而二子级上的反推火箭和侧推火箭则会减慢二子级箭体的飞行速度，并将它推离飞船轨道，以保证飞船与二子级箭体之间的安全分离。
在一系列复杂的“爆炸”后，飞船就可以顺利达到第一宇宙速度，飞离地球，冲向太空。
掉落的残骸何去何从
通常情况下，火箭在发射过程中被分离出来的结构，会根据其重量、速度和高度等，分别掉落到发射台附近、坠落区和大气层这三个地方。
在火箭发射时，有细心的观众会发现火箭在刚刚呼啸震动时就开始“掉渣”。这些主要是火箭外部的保温泡沫，在火箭发射时，会掉到发射台附近。当然，这些保温泡沫并不会对地面造成太大的影响。
火箭发射后几分钟内，火箭的逃逸塔、助推器、一级火箭、整流罩等重要组成部分，会相继分离。由于再入速度相对较低，有些残骸会回到地面预定范围内。
近年来，火箭发射频次越来越高。火箭残骸降落带来的安全问题，也越来越受人们关注。按照惯例，火箭在发射前会事先划出一个供火箭残骸降落的地区，基本都是选择一些人烟稀少的地区，一般长宽约十公里的范围。火箭残骸掉落后，会由专人进行回收处理。
2019年，长征二号丙火箭成功把3颗卫星送入预定轨道。这次发射还取得了一项成果，即实现了子级火箭的精确落地。简单来说，就是让火箭的残骸精确降落在预定的地点。这项科技又叫“基于栅格舵的落区精确控制技术”。这次试验的成功，让中国成为世界上第二个掌握这种技术的国家。“栅格舵控制技术”出现后，火箭残骸降落的区域范围可以控制在极小范围内，极大减轻了落区工作人员避险和搜救的工作量。
也许会有人担心，火箭残骸掉落下来会不会砸伤人？事实上，从20世纪70年代到现在，每年约有几百枚火箭的残骸掉落，但至今从未发生过一起伤人事件。火箭砸伤人的概率，要远低于被陨石砸中。
火箭的一些部分，如二级或三级火箭，会飞得更高。当它们完成任务后，由于大气层边缘附近的气体足以引起阻力，一部分残骸会逐渐降低轨道高度，直到重新进入大气层。在大气层中，这些部分会因为摩擦而燃烧掉，形成流星般的景象，最终化为灰烬。
当然还有一部分火箭子级，会停留在地球轨道上，变成“太空垃圾”。为了避免火箭残骸占用有限的轨道资源、影响太空环境，我国的火箭设计师们会通过受控离轨的方式进行处理。即利用火箭子级剩余燃料和部分发动机控制箭体脱离原本的运行轨道，向地球靠拢，最终在进入大气层的过程中焚毁殆尽。
近年来，随着航天科技的不断发展，航天器的回收技术日益成熟。这种技术让运载火箭在未来重复使用成为可能。可重复使用火箭是未来太空探索的重要发展方向之一，具有低成本、高效率、更加绿色环保等优势。当然，要实现这些目标，还有许多技术难题等待攻克。（郎子聪本报记者王凌硕）
