Tên lửa nhiều tầng

phải|nhỏ|Tên lửa nghiên cứu Black Brant (rocket)|Black Brant 12 do Bristol Aerospace sản xuất.
phải|nhỏ|Động cơ trên tầng 2 của tên lửa LGM-30 MinutemanMinuteman-III (LGM-30G)|Minuteman III
Tên lửa nhiều tầng đẩy (tiếng Anh: multistage rocket, hay step rocket) là một phương tiện phóng có thiết kế bao gồm 2 hoặc nhiều tầng tên lửa, mỗi tầng sẽ có động cơ và nhiên liệu riêng biệt. Có hai kiểu thiết kế tầng tên lửa, là kiểu nối tiếp hoặc song song, trong đó kiểu nối tiếp là các tầng tên lửa này được xếp chồng lên tầng tên lửa kia, trong khi đó kiểu song song là các tầng tên lửa được gắn cạnh nhau. Tên lửa thông thường có 2 tầng đẩy, tối đa là có 5 tầng đẩy.

Nhờ thiết kế tách tầng sau khi sử dụng hết nhiên liệu, khối lượng của tên lửa còn lại sẽ được giảm đi. Mỗi tầng đẩy cũng được tối ưu hóa cho điều kiện vận hành riêng biệt, ví dụ như trong môi trường áp suất khí quyển giảm đi ở độ cao lớn. Đồng thời nhờ thiết kế thành nhiều tầng đẩy mà động cơ của các tầng đẩy kế tiếp có thể gia tốc tên lửa và dễ dàng đạt tới vận tốc tối đa hơn.

Với cấu hình tên lửa có tầng đẩy sắp xếp kiểu nối tiếp, tầng đẩy I (first stage) nằm ở dưới cùng và thông thường là tầng đẩy có kích thước lớn nhất, các tầng đẩy II (second stage) và tầng đẩy mang theo tải trọng (upper stage) là tầng đẩy kế tiếp đặt bên trên tầng đẩy I, và có đường kính nhỏ hơn. Đối với cấu hình tên lửa có các tầng đẩy đặt song song nhau, thông thường là tầng đẩy tăng cường nhiên liệu rắn hoặc lỏng để hỗ trợ bổ sung lực đẩy cho tên lửa chính. Tầng đẩy tăng cường này thường được gọi là tầng 0 (stage 0). Trong phần lớn các trường hợp, tầng đẩy 1 và động cơ đẩy tăng cường được kích hoạt để đẩy tên lửa bay lên. Khi động cơ đẩy tăng cường tiêu thụ hết nhiên liệu, nó sẽ được tách khỏi phần còn lại của tên lửa (bằng một lượng nổ nhỏ hoặc sử dụng bu lông nổ) và rơi xuống. Tầng đẩy 1 của tên lửa sau đó cũng sẽ sớm tiêu thụ hết nhiên liệu của nó và cũng được tách ra khỏi tên lửa. Phần còn lại của tên lửa bao gồm tầng đẩy 2, lúc này động cơ của tầng đẩy thứ 2 sẽ được kích hoạt. Quy trình kích hoạt động cơ-động cơ tiêu thụ hết nhiên liệu và ngừng hoạt động-tách khỏi thân tên lửa liên tục diễn ra lặp lại như vậy cho đến khi đạt tới vận tốc cuối cùng thiết kế. Trong một số trường hợp ở một vài loại tên lửa, tầng đẩy mang tải trọng upper stage sẽ được kích hoạt trước khi quá trình tách tầng tên lửa bên dưới diễn ra.

Tên lửa nhiều tầng là thiết kế mà bắt buộc phải có để có thể đạt được vận tốc quỹ đạo, các kỹ sư cũng nghiên cứu về khả năng sử dụng phương tiện phóng vũ trụ một tầng đẩy, nhưng chưa thành công.

Đặc tính
phải|nhỏ|Sơ đồ của tên lửa đẩy Nova cùng với thiết kế của tên lửa C-5 (Chính là tên lửa [[Saturn V nổi tiếng) cho thấy thiết kế của tên lửa 3 tầng. ]]
phải|nhỏ|Tầng 1 của tên lửa Saturn V đang được tách ra trong sứ mệnh Apollo 11
phải|nhỏ|Tầng 2 của tên lửa Saturn V đang được hạ xuống để ghép vào tầng 1.
phải|nhỏ|Sơ đồ của tầng 2 tên lửa Saturn V và vị trí của nó trong tên lửa đẩy.
Lí do để thiết kế tên lửa chia làm nhiều tầng đẩy là giới hạn của các định luật vật lý áp dụng lên tốc độ tối đa có thể đạt được của tên lửa phụ thuộc vào tỉ lệ cho trước giữa khối lượng tên lửa lúc phóng chia cho khối lượng tên lửa sau khi đã cạn nhiên liệu. Mối liên hệ này được tính theo phương trình tên lửa Tsiolkovsky:

: \Delta v = v_\text{e} \ln \left(\frac {m_0} {m_f}\right)

trong đó:

: \Delta v\ là delta-v của phương tiện phóng (biến thiên vận tốc cộng với tổn thất do trọng lực và lực cản khí quyển);
: m_0 là khối lượng ban đầu lúc phóng của tên lửa, bằng khối lượng rỗng của tên lửa cộng với khối lượng của chất đẩy của tên lửa, còn gọi là khối lượng "ướt";
: m_f là khối lượng cuối cùng của tên lửa, sau khi tên lửa đã sử dụng hết nhiên liệu, còn gọi là khối lượng "khô";
: v_\text{e} là vận tốc xả khí hiệu dụng (phụ thuộc vào loại nhiên liệu, thiết kế của động cơ và điều kiện hoạt động của miệng xả);

Để có delta v cần thiết để tên lửa đưa tải trọng vào quỹ đạo Trái đất tầm thấp, tỉ lệ giữa khối lượng ướt/khối lượng khô phải lớn hơn tỉ lệ tương ứng của tên lửa thiết kế một tầng đẩy. Tên lửa nhiều tầng đã vượt qua được giới hạn này nhờ nó có nhiều tầng riêng biệt và chia nhỏ delta v theo từng tầng. Cứ mỗi khi tầng đẩy bên dưới được tách bỏ, và tầng đẩy kế tiếp được kích hoạt, thì phần còn lại của tên lửa đã có một vận tốc ban đầu trước khi tách tầng. Khối lượng "khô" của mỗi tầng đẩy thấp hơn bao gồm cả khối lượng nhiên liệu tên lửa ở các tầng đẩy bên trên, và khối lượng "khô" của toàn bộ tên lửa sẽ giảm dần nhờ tách bỏ các tầng tên lửa đã sử dụng hết nhiên liệu.

Một ưu điểm khác là mỗi tầng đẩy sẽ có khả năng sử dụng các động cơ khác nhau, phù hợp với các điều kiện hoạt động khác nhau của tên lửa. Động cơ tên lửa của các tầng đẩy bên dưới sẽ được thiết kế để hoạt động trong môi trường khí quyển, trong khi động cơ sử dụng trên tầng đẩy mang tải trọng sẽ được thiết kế để hoạt động trong môi trường gần chân không. Tầng đẩy thấp hơn sẽ cần có kết cấu cứng vững hơn các tầng bên trên do chúng phải đỡ toàn bộ các tầng đẩy bên trên nó. Việc tối ưu cấu trúc của các tầng đẩy tên lửa sẽ giúp làm giảm tổng trọng lượng của phương tiện phóng.

Nhược điểm của việc chia tên lửa thành nhiều tầng là việc chế tạo tên lửa nhiều tầng sẽ phức tạp và khó khăn hơn việc chế tạo tên lửa một tầng đẩy. Ngoài ra, mỗi tầng đẩy riêng biệt sẽ tăng số lượng lỗi hỏng hóc có thể xảy ra, lỗi khi tiến hành việc tách tầng đẩy, lỗi kích hoạt động cơ, hay va chạm giữa các tầng đẩy. Tuy nhiên, lợi thế về chi phí là rất lớn nên mọi tên lửa đẩy dùng để đưa tàu vũ trụ lên quỹ đạo đều có thiết kế chia làm nhiều tầng.

Một đại lượng vật lý thông dụng nhất dùng để đánh giá hiệu suất của tên lửa là xung lực đẩy riêng, được định nghĩa bằng lực đẩy chia cho tỉ lệ tiêu thụ thuốc phóng (theo giây) của tên lửa:

: I_\mathrm{sp} = \ \frac{T}{\frac{dm}{dt} g_\mathrm{0}}

Hay là

: T = I_\mathrm{sp}g_\mathrm{0} \frac{dm}{dt}

Các phương trình này cho thấy xung lực riêng cao hơn thì tên lửa sẽ có hiệu suất lớn hơn, có khả năng đốt nhiên liệu trong thời gian dài hơn. Đối với tên lửa nhiều tầng, các tầng đẩy đầu sẽ có tỉ lệ xung lực đẩy riêng thấp hơn, tiêu thụ nhiều nhiên liệu, đổi lại là động cơ tạo lực đẩy lớn, giúp tên lửa nhanh chóng leo lên đến độ cao lớn hơn. Các tầng đẩy bên trên thường có xung lực đẩy riêng lớn hơn, bởi vì các tầng đẩy này hoạt động trong môi trường bên ngoài bầu khí quyển và luồng khí phụt của động cơ không phải chống lại áp suất từ khí quyển.

Khi lựa chọn loại động cơ phù hợp cho tầng đẩy bên dưới của tên lửa đẩy, người ta thường quan tâm đến tỉ lệ lực đẩy trên trọng lượng (TWR-Thrust Weight Ratio), được tính bởi công thức:

: TWR = \frac{T}{mg_\mathrm{0}}

Tỉ lệ lực đẩy/trọng lượng thông thường của tên lửa đẩy nằm trong khoảng từ 1,3 đến 2. Đại lượng hiệu suất không thứ nguyên thứ hai là tỷ lệ cấu trúc, là tỷ số giữa khối lượng rỗng của tầng đẩy tên lửa chia cho khối lượng rỗng cộng với khối lượng thuốc phóng như thể hiện trong phương trình này:

Lịch sử và phát triển
Diễn giải và minh họa cổ nhất về tên lửa nhiều tầng là vào thế kỷ 14 của Jiao Yu và Lưu Bá Ôn trong Huolongjing - một chuyên luận về quân sự. Nó có dạng tên lửa hai tầng với tầng đẩy tăng cường có chứa thuốc phóng, có nhiệm vụ châm ngòi cho các mũi tên nhỏ chứa bên trong đầu của tên lửa, với hình dạng của một con rồng đang há miệng. Tên lửa có chiều dài 15&nbsp;cm và 13&nbsp;cm; đường kính là 2,2&nbsp;cm. Nó được gắn vào mũi tên dài 110&nbsp;cm, và theo ghi chép nó có khả năng bắn xa 200 m. Những nghiên cứu đầu tiên về tên lửa nhiều tầng được thực hiện tại châu Âu vào năm 1551 bởi kỹ sư người Áo Conrad Haas (1509–1576), một chuyên gia về súng pháo tại thị trấn Hermannstadt, Transylvania (nay là Sibiu/Hermannstadt, Romania). Đồng thời tên lửa nhiều tầng cũng được nghiên cứu độc lập bởi ít nhất là 5 người nữa:

Kazimieras Simonavičius của Liên bang Ba Lan và Lietuva (1600–1651)
Konstantin Tsiolkovsky (1857–1935)
Robert Goddard (1882–1945)
Hermann Oberth (1894–1989), sinh tại Hermannstadt, Transylvania
Louis Damblanc (1889–1969), sinh tại Lectoure, Pháp

Mẫu tên lửa nhiều tầng tốc độ cao đầu tiên là tên lửa RTV-G-4 Bumper thử nghiệm tại Trung tâm thử nghiệm tên lửa White Sands và sau đó tại Trung tâm phóng tên lửa Mũi Cape Canaveral từ năm 1948 đến năm 1950. Những thử nghiệm này bao gồm cả tên lửa V-2 và tên lửa nghiên cứu WAC Corporal. Tên lửa đã đạt được độ cao lớn nhất là 393&nbsp;km vào ngày 24/2/1949, tại White Sands.

Năm 1947, nhà khoa học tên lửa của Liên Xô Mikhail Tikhonravov đã phát triển lý thuyết về tên lửa gồm nhiều tầng đẩy đặt song song. Theo sơ đồ của ông, 3 tầng đẩy tăng cường sẽ được kích hoạt vào lúc tên lửa cất cánh, nhưng cả ba động cơ được cấp nhiên liệu từ hai tầng đẩy gắn ngoài, cho đến khi chúng cạn nhiên liệu và được tách bỏ, thiết kế khiến tên lửa có hiệu quả cao hơn là tầng đẩy đặt theo chuỗi, do tầng tên lửa thứ 2 không phải là tải trọng vô ích. Năm 1951, nhà khoa học Liên Xô Dmitry Okhotsimsky đã tiến hành những nghiên cứu tiên phong về thiết kế tên lửa tầng đẩy nối tiếp và song song, mà không phải bơm nhiên liệu giữa các tầng tên lửa. Những nghiên cứu này đã trở thành tiền đề cho tên lửa R-7 Semyorka. Tên lửa đẩy Atlas I và Atlas II cũng có thiết kế tầng đẩy song song với 3 động cơ tên lửa đặt thẳng hàng: 2 động cơ đẩy bên ngoài được sử dụng trong giai đoạn phóng ban đầu, sau khi chúng ngừng hoạt động sẽ được tách ra, để lại một động cơ chính duy nhất đẩy tên lửa vào quỹ đạo.

Tên lửa đẩy 3 tầng
Tên lửa đẩy 3 tầng là loại tên lửa đẩy phổ biến để phóng vào quỹ đạo Trái Đất, trong đó nó sử dụng 3 tầng đẩy để đạt được vận tốc quỹ đạo.

Một số ví dụ về tên lửa 3 tầng

Saturn V
Vanguard
Ariane 4 (có tầng đẩy tăng cường)
Ariane 2
Ariane 1 (bốn tầng)
GSLV (ba tầng đẩy + tầng đẩy tăng cường)
PSLV (bốn tầng)
Proton (có thể bổ sung tầng đẩy thứ 4)
Trường Chinh 5
Trường Chinh 1, Trường Chinh 1D
Zenit-3SL
Unha-3 (Triều Tiên)
KSLV-2 "Nuri" (Hàn Quốc)

Tên lửa có 2 tầng đẩy + tầng đẩy tăng cường
Một số thiết kế tên lửa (hạng trung đến hạng nặng) không được thiết kế 3 tầng đẩy mà chúng sử dụng thiết kế 2 tầng đẩy trung tâm cộng thêm tầng đẩy tăng cường (Tầng đẩy "0"). Trong thiết kế tên lửa này, thì các động cơ trên tầng đẩy tăng cường và tầng đẩy 1 sẽ cùng được kích hoạt, thay vì lần lượt như ở thiết kế tầng đẩy nối tiếp, giúp cho tên lửa có lực đẩy rất lớn để cất cánh với đầy đủ trọng tải. Tầng đẩy tăng cường sau đó sẽ được đẩy khỏi thân tên lửa chính sau khi bay vài phút để làm giảm tổng trọng lượng tên lửa.

Tàu con thoi ;
Angara A5
Ariane 5
Atlas V 551
Delta II
Delta III
Delta IV
Falcon Heavy
Geosynchronous Satellite Launch Vehicle Mk III của Ấn Độ (Tuy nhiên, giống như tên lửa Titan IIIC, tên lửa GSLV MkIII chỉ phóng bằng 2 động cơ đẩy tăng cường. Động cơ chính trung tâm sẽ chỉ được kích hoạt sau khi tên lửa bay được vài phút, ngay trước khi động cơ tăng cường được tách bỏ.)
H-IIA, H-IIB
Soyuz
Space Launch System
Titan IV
Trường Chinh 2E, Trường Chinh March 2F, Trường Chinh 3B

Tên lửa đẩy 4 tầng
Một số ví dụ về tên lửa đẩy 4 tầng

Ariane 1
PSLV của Ấn Độ
Minotaur IV
Proton
Minotaur V
ASLV của Ấn Độ

Một số ví dụ về tên lửa gồm 3 tầng đẩy + tầng đẩy tăng cường
Trường Chinh 5

Tham khảo

ja:ロケット多段式ロケット