С помощью ракеты. Научные открытия, которые привели нас в космос: Ракеты

Выбрасывающие языки пламени ракетные двигатели выводят космический корабль на орбиту вокруг Земли. Другие ракеты выводят корабли за пределы Солнечной системы.

Во всяком случае, когда мы думаем о ракетах, то представляем себе космические полеты. Но ракеты могут летать и в вашей комнате, например во время празднования вашего дня рождения.

Ракеты дома

Обычный воздушный шарик тоже может быть ракетой. Каким образом? Надуйте шарик и зажмите его горловину, чтобы воздух не выходил наружу. Теперь отпустите шарик. Он начнет летать по комнате совершенно непредсказуемо и неуправляемо, толкаемый силой вырывающегося из него воздуха.

Вот другая простенькая ракета. Поставим на железнодорожную дрезину – пушку. Направим ее назад. Допустим, что трение между рельсами и колесами очень мало и торможение будет минимальным. Выстрелим из пушки. В момент выстрела дрезина тронется вперед. Если начать частую стрельбу, то дрезина не остановится, а с каждым выстрелом будет набирать скорость. Вылетая из пушечного ствола назад, снаряды толкают дрезину вперед.

Материалы по теме:

Как спят космонавты в космосе?

Сила, которая при этом создается, называется отдачей. Именно эта сила заставляет двигаться любую ракету, как в земных условиях, так и в космосе. Какие бы вещества или предметы ни вылетали из движущегося предмета, толкая его вперед, мы будем иметь образец ракетного двигателя.

Ракета намного лучше приспособлена для полетов в космической пустоте, чем в земной атмосфере. Чтобы вывести в космос ракету, инженерам приходится конструировать мощные ракетные двигатели. Свои конструкции они основывают на универсальных законах мироздания, открытых великим английским ученым Исааком Ньютоном, работавшим в конце 17 века. Законы Ньютона описывают силу тяжести и то, что происходит с физическими телами, когда они движутся. Второй и третий законы помогают отчетливо понять, что представляет из себя ракета.

Движение ракеты и законы Ньютона

Второй закон Ньютона связывает силу движущегося предмета с его массой и ускорением (изменением скорости в единицу времени). Таким образом, для со здания мощной ракеты надо, чтобы ее двигатель выбрасывал большие массы сгоревшего топлива с большой скоростью. Третий закон Ньютона гласит, что сила действия равна силе противодействия и направлена в противоположную сторону. В случае ракеты сила действия - это раскаленные газы, вырывающиеся из сопла ракеты, сила противодействия толкает ракету вперед.

Пусть полеты в космос уже давно привычное дело. Но все ли вы знаете о космических ракетах-носителях? Разберем по частям и посмотрим, из чего они состоят и как работают.

Ракетные двигатели

Двигатели – важнейшая составная часть ракеты-носителя. Они создают силу тяги, за счет которой ракета поднимается в космос. Но когда речь идет о ракетных двигателях, не стоит вспоминать те, что находятся под капотом автомобиля или, например, крутят лопасти несущего винта вертолета. Ракетные двигатели совсем другие.

В основе действия ракетных двигателей – третий закон Ньютона. Историческая формулировка этого закона говорит, что любому действию всегда есть равное и противоположное противодействие, проще говоря – реакция. Поэтому и двигатели такие называются реактивными.

Реактивный ракетный двигатель в процессе работы выбрасывает вещество (так называемое рабочее тело) в одном направлении, а сам движется в противоположном направлении. Чтобы понять, как это происходит, не обязательно самому летать на ракете. Самый близкий, «земной», пример – это отдача, которая получается при стрельбе из огнестрельного оружия. Рабочим телом здесь выступают пуля и пороховые газы, вырывающиеся из ствола. Другой пример – надутый и отпущенный воздушный шарик. Если его не завязать, он будет лететь до тех пор, пока не выйдет воздух. Воздух здесь – это и есть то самое рабочее тело. Проще говоря, рабочее тело в ракетном двигателе – продукты сгорания ракетного топлива.

Модель ракетного двигателя РД-180

Топливо

Топливо ракетных двигателей, как правило, двухкомпонентное и включает в себя горючее и окислитель. В ракете-носителе «Протон» в качестве горючего используется гептил (несимметричный диметилгидразаин), а в качестве окислителя – тетраксид азота. Оба компонента чрезвычайно токсичны, но это «память» о первоначальном боевом предназначении ракеты. Межконтинентальная баллистическая ракета УР-500 – прародитель «Протона», – имея военное предназначение, до старта должна была долго находиться в боеготовом состоянии. А другие виды топлива не позволяли обеспечить долгое хранение. Ракеты «Союз-ФГ» и «Союз-2» используют в качестве топлива керосин и жидкий кислород. Те же топливные компоненты используются в семействе ракет-носителей «Ангара», Falcon 9 и перспективной Falcon Heavy Илона Маска. Топливная пара японской ракеты носителя «H-IIB» («Эйч-ту-би») – жидкий водород (горючее) и жидкий кислород (окислитель). Как и в ракете частной аэрокосмической компании Blue Origin, применяемой для вывода суборбитального корабля New Shepard. Но это все жидкостные ракетные двигатели.

Применяются также и твердотопливные ракетные двигатели, но, как правило, в твердотопливных ступенях многоступенчатых ракет, таких как стартовый ускоритель ракеты-носителя «Ариан-5», вторая ступень РН «Антарес», боковые ускорители МТКК Спейс шаттл.

Ступени

Полезная нагрузка, выводимая в космос, составляет лишь малую долю массы ракеты. Ракеты-носители главным образом «транспортируют» себя, то есть собственную конструкцию: топливные баки и двигатели, а также топливо, необходимое для их работы. Топливные баки и ракетные двигатели находятся в разных ступенях ракеты и, как только они вырабатывают свое топливо, то становятся ненужными. Чтобы не нести лишний груз, они отделяются. Кроме полноценных ступеней применяются и внешние топливные емкости, не оснащенные своими двигателями. В процессе полета они также сбрасываются.

Первая ступень РН «Протон-М»

Существует две классические схемы построения многоступенчатых ракет: c поперечным и продольным разделением ступеней. В первом случае ступени размещаются одна над другой и включаются только после отделения предыдущей, нижней, ступени. Во втором случае вокруг корпуса второй ступени расположены несколько одинаковых ракет-ступеней, которые включаются и сбрасываются одновременно. В этом случае двигатель второй ступени также может работать при старте. Но широко применяется и комбинированная продольно-поперечная схема.

Варианты компоновки ракет

Стартовавшая в феврале этого года с космодрома в Плесецке ракета-носитель легкого класса «Рокот» является трехступенчатой с поперечным разделением ступеней. А вот РН «Союз-2», запущенная с нового космодрома «Восточный» в апреле этого года, – трехступенчатая с продольно-поперечным разделением.

Интересную схему двухступенчатой ракеты с продольным разделением представляет собой система Спейс шаттл. В ней и кроется отличие американских шаттлов от «Бурана». Первая ступень системы Спейс шаттл – боковые твердотопливные ускорители, вторая – сам шаттл (орбитер) с отделяемым внешним топливным баком, который по форме напоминает ракету. Во время старта запускаются двигатели как шаттла, так и ускорителей. В системе «Энергия – Буран» двухступенчатая ракета-носитель сверхтяжелого класса «Энергия» была самостоятельным элементом и помимо вывода в космос МТКК «Буран» могла быть применена и для других целей, например для обеспечения автоматических и пилотируемых экспедиций на Луну и Марс.

Разгонный блок

Может показаться, что как только ракета вышла в космос, то цель достигнута. Но это не всегда так. Целевая орбита космического аппарата или полезного груза может быть гораздо выше линии, от которой начинается космос. Так, например, геостационарная орбита, на которой размещаются телекоммуникационные спутники, расположена на высоте 35 786 км над уровнем моря. Вот для этого и нужен разгонный блок, который, по сути, является еще одной ступенью ракеты. Космос начинается уже на высоте 100 км, там же начинается невесомость, которая является серьезной проблемой для обычных ракетных двигателей.

Одна из основных «рабочих лошадок» российской космонавтики ракета-носитель «Протон» в паре с разгонным блоком «Бриз-М» обеспечивает выведение на геостационарную орбиту полезных грузов массой до 3,3 т. Но первоначально вывод осуществляется на низкую опорную орбиту (200 км). Хотя разгонный блок и называют одной из ступеней корабля, от обычной ступени он отличается двигателями.

РН «Протон-М» с разгонным блоком «Бриз-М» на сборке

Для перемещения космического аппарата или корабля на целевую орбиту или направления его на отлетную или межпланетную траекторию разгонный блок должен иметь возможность выполнить один или несколько маневров, при совершении которых изменяется скорость полета. А для этого необходимо каждый раз включать двигатель. Причем в периоды между маневрами двигатель находится в выключенном состоянии. Таким образом, двигатель разгонного блока способен многократно включаться и выключаться, в отличие от двигателей других ступеней ракет. Исключением являются многоразовые Falcon 9 и New Shepard, двигатели первых ступеней которых используются для торможения при посадке на Землю.

Полезная нагрузка

Ракеты существуют для того, чтобы что-то выводить в космос. В частности, космические корабли и космические аппараты. В отечественной космонавтике это транспортные грузовые корабли «Прогресс» и пилотируемые корабли «Союз», отправляемые к МКС. Из космических аппаратов в этом году на российских ракетах-носителях отправились в космос американский КА Intelsat DLA2 и французский КА Eutelsat 9B, отечественный навигационный КА «Глонасс-М» №53 и, конечно, КА «ЭкзоМарс-2016», предназначенный для поиска метана в атмосфере Марса.

Возможности по выводу полезной нагрузки у ракет разные. Масса полезной нагрузки РН легкого класса «Рокот», предназначенной для выведения космических аппаратов на низкие околоземные орбиты (200 км), – 1,95 т. РН «Протон-М» относится к тяжелому классу. На низкую орбиту он выводит уже 22,4 т, на геопереходную – 6,15 т, а на геостационарную – 3,3 т. «Союз-2» в зависимости от модификации и космодрома способен вывести на низкую околоземную орбиту от 7,5 до 8,7 т, на геопереходную орбиту – от 2,8 до 3 т и на геостационарную – от 1,3 до 1,5 т. Ракета предназначена для запусков со всех площадок Роскосмоса: Восточного, Плесецка, Байконура и Куру, используемого в рамках совместного российско-европейского проекта. Применяемая для запуска транспортных и пилотируемых кораблей к МКС, РН «Союз-ФГ» имеет массу полезного груза от 7,2 т (с пилотируемым кораблем «Союз») до 7,4 т (с грузовым кораблем «Прогресс»). В настоящее время это единственная ракета, применяемая для доставки космонавтов и астронавтов на МКС.

Полезная нагрузка, как правило, находится в самой верхней части ракеты. Для того чтобы преодолеть аэродинамическое сопротивление, космический аппарат или корабль помещается внутрь головного обтекателя ракеты, который после прохождения плотных слоев атмосферы сбрасывается.

Вошедшие в историю слова Юрия Гагарина: «Вижу Землю… Красота-то какая!» были им сказаны именно после сброса головного обтекателя ракеты-носителя «Восток».

Установка головного обтекателя РН «Протон-М», полезная нагрузка КА «Экспресс-АТ1» и «Экспресс-АТ2»

Система аварийного спасения

Ракету, которая выводит на орбиту космический корабль с экипажем, практически всегда можно отличить по внешнему виду от той, которая выводит грузовой корабль или космический аппарат. Чтобы в случае возникновения аварийной ситуации на ракете-носителе экипаж пилотируемого корабля остался жив, применяется система аварийного спасения (САС). По сути, это еще одна (правда, небольшая) ракета в головной части ракеты-носителя. Со стороны САС выглядит как башенка необычной формы на вершине ракеты. Ее задача – в экстренной ситуации вытянуть пилотируемый корабль и увести его от места аварии.

В случае взрыва ракеты на старте или в начале полета основные двигатели системы спасения отрывают ту часть ракеты, в которой находится пилотируемый корабль, и уводят ее в сторону от места аварии. После чего осуществляется парашютный спуск. В случае же если полет проходит нормально, после достижения безопасной высоты система аварийного спасения отделяется от ракеты-носителя. На больших высотах роль САС не так важна. Здесь экипаж уже может спастись благодаря отделению спускаемого аппарата космического корабля от ракеты.

РН «Союз» с САС в верхней части ракеты

Принцип реактивного движения находит широкое практическое применение в авиации и космонавтике. В космическом пространстве нет среды, с которой тело могло бы взаимодействовать и тем самым изменять направление и модуль своей скорости. Поэтому для космических полётов могут быть использованы только реактивные летательные аппараты, т.е. ракеты.

Кто же придумал ракету?

Ракета была известна давно. Очевидно, она появилась много веков назад на Востоке, возможно, в Древнем Китае - родине пороха. Ракеты (см. ниже) использовали во время народных празднеств, устраивали фейерверки, зажигали в небе огненные дожди, фонтаны, колёса.

Древнекитайская ракета:

1 - ствол-направляющая;

2 - пороховой заряд орудия;

3 - пыж;

4 - ракета;

5 - пороховой заряд ракеты.

Ракеты применяли в военном деле. Долгое время ракета была одновременно и оружием, и игрушкой. При Петре I была создана и применялась однофунтовая сигнальная ракета образца 1717 года (см. ниже), остававшаяся на вооружении до конца XIX века. Она поднималась на высоту до \(1\) километра.

Некоторые изобретатели предлагали использовать ракету для воздухоплавания. Научившись подниматься на воздушных шарах, люди были беспомощны в воздухе. Первым, кто предложил использовать ракету как средство передвижения, был российский изобретатель, революционер Николай Иванович Кибальчич, осуждённый на казнь за покушение на царя.

За десять дней до смерти в Петропавловской крепости он завершил работу над своим изобретением и передал адвокату не просьбу о помиловании или жалобу, а «Проект воздухоплавательного прибора» (чертежи и математические расчёты ракеты). Именно ракета, считал он, откроет человеку путь в небо.

Про свой аппарат (см. выше) он написал: «Если цилиндр поставлен закрытым дном кверху, то при известном давлении газов... цилиндр должен подняться наверх».

Какая же сила применима к воздухоплаванию? - ставит вопрос Н.И. Кибальчич и отвечает. - Такой силой, по моему мнению, является медленно горящие взрывчатые вещества... Применить энергию газов, образующихся при воспламенении взрывчатых веществ к какой-либо продолжительной работе возможно только под тем условием, если та громадная энергия, которая образуется при горении взрывчатых веществ, будет образовываться не сразу, а в течение более или менее продолжительного промежутка времени. Если мы возьмём фунт зернистого пороху, вспыхивающего при зажигании мгновенно, спрессуем его под большим давлением в форму цилиндра, то увидим, что горение не сразу охватит цилиндр, а будет распространяться довольно медленно от одного конца к другому и с определённой скоростью... На этом свойстве прессованного пороха основано устройство боевых ракет.

Изобретатель имеет здесь в виду старинные (первой половины XIX века) ракеты, которые перекидывали 50-килограммовые бомбы на \(2-3\) километра при заряде в \(20\) кг. Н.И. Кибальчич вполне ясно и совершенно правильно представлял себе механизм действия ракеты.

Конструкцию космической ракеты с жидкостным реактивным двигателем впервые предложил в \(1903\) году русский учёный Константин Эдуардович Циолковский.

Он разработал теорию движения космических ракет и вывел формулу для расчёта их скорости.

Рассмотрим вопрос об устройстве и запуске так называемых ракет-носителей, т.е. ракет, предназначенных для вывода в космос искусственных спутников Земли, космических кораблей, автоматических межпланетных станций и других полезных грузов.

В любой ракете, независимо от её конструкции, всегда имеется оболочка и топливо с окислителем. Оболочка ракеты включает в себя полезный груз (в данном случае это космический корабль), приборный отсек и двигатель (камера сгорания, насосы и пр.).

Основную массу ракеты составляет топливо с окислителем (окислитель нужен для поддержания горения топлива, поскольку в космосе нет кислорода).

Топливо и окислитель с помощью насосов подаются в камеру сгорания. Топливо, сгорая, превращается в газ высокой температуры и высокого давления, который мощной струёй устремляется наружу через раструб специальной формы, называемый соплом. Назначение сопла состоит в том, чтобы повысить скорость струи.

С какой целью увеличивают скорость выхода струи газа? Дело в том, что от этой скорости зависит скорость ракеты. Это можно показать с помощью закона сохранения импульса.

Поскольку до старта импульс ракеты был равен нулю, то по закону сохранения суммарный импульс движущейся оболочки и выбрасываемого из неё газа тоже должен быть равен нулю. Отсюда следует, что импульс оболочки и направленный противоположно ему импульс струи газа должны быть равны по модулю:

p оболочки = p газа

m оболочки v оболочки = m газа v газа.

v оболочки = m газа v газа m оболочки.

Значит, чем с большей скоростью вырывается газ из сопла или чем меньше масса оболочки ракеты, тем больше будет скорость оболочки ракеты.

В практике космических полётов обычно используют многоступенчатые ракеты, развивающие гораздо большие скорости и предназначенные для более дальних полётов, чем одноступенчатые.

Сложно представить как изменится наш мир приди в него дешевые космические запуски. Базы на других планетах и спутниках, космический туризм, орбитальные заводы и многое другое станет не просто реальностью, а обыденностью. Удешевление вывода грузов за пределы нашей колыбели это сейчас первоочередная цель всей космонавтики. Предлагаю вашему вниманию обзор самых популярных проектов по запуску грузов неракетными способами.

Космический лифт

Должно быть самый популярный и тиражируемый в СМИ способ. Космический лифт - это натянутый от поверхности Земли трос и уходящий от нее на 144.000 км в космос.
Основание представляет собой место на поверхности планеты, где прикреплен трос и начинается подъем груза. Оно может быть как подвижным (например быть размещенным на океанском судне), так и не подвижным. Преимущество подвижного основания вполне очевидно - есть возможность уходить от ураганов и бурь, которые могут повредить трос.

Трос представляет собой очень тонкую нить (относительно своей длины конечно же) из сверхпрочного материала, проведенную за геостационарную орбиту и удерживаемый в таком положении за счет центробежной силы. В настоящее время не представляется возможным создание подобного материала, однако согласно теории, подобным материалом могут стать углеродные нанотрубки. Увы, до их производства в промышленных масштабах еще очень далеко. Прочность космического троса должна быть порядка 65-120 гигапаскалей, в зависимости от высоты (для сравнения, прочность стали не превышает 1 ГПа).

Противовес служит для того, чтобы трос всегда находился в состоянии натяжения. Им может служить любой массивный объект, будь то астероид или космическая база (что более привлекательно). Противовес находится значительно выше геостационарной орбиты, следовательно при разрыве троса он вполне может улететь на околосолнечную орбиту. Поэтому если им будет служить космическая станция, то ее необходимо снабжать собственной двигательной установкой.

Грузы на орбиту поднимаются специальным подъемником (а может быть даже не одним), и согласно расчетам ученых, путь из конца в конец должен занять около 7 суток. Не быстро конечно, но зато очень дешево. В конце концов это гораздо быстрее, чем запуск с помощью ракет, подготовка которых занимает долгие месяцы. Само собой проект такого масштаба должен быть международным, ведь ни одно государство не осилит его в одиночку. А это в свою очередь вызывает целый ряд проблем и вопросов. Во-первых, на какой территории размещать подобное сооружение? Ведь из-за его исполинских размеров, не избежать нарушения воздушного пространства нескольких государств. Во-вторых, космический лифт необходимо защитить от террористических актов и военных конфликтов.

Плюсы:

• Относительная дешевизна доставки грузов на геостационарную орбиту
• Значительная экономия средств при запуске межпланетных космических аппаратов
• Возможность реализации недорогих космических экскурсий
• В отличии от ракет, в атмосферу не выбрасывается никаких токсичных веществ

Минусы:

• Сложность реализации
• Высокие затраты на строительство
• Необходимость решения многих юридических и правовых вопросов

Да и трос должен быть изготовлен из сверхпрочного материала, которого сейчас, увы, нет.

Самый подходящий и близкий к созданию материал - углеродные нанотрубки, но прогресс в их изготовлении оставляет желать лучшего. Кроме того это не самый быстрый способ попасть на орбиту.

Надувной лифт для отправки в космос

Канадская компания Thoth Technology решила пойти менее амбициозным путем. Высота башни, патент на которую был выдан в США 21 июля 2015 года, будет составлять 20 километров, а диаметр ― около 230 метров.

Башня будет оснащена одной или несколькими палубами, с которых можно будет запускать спутники с полезными нагрузками. Возможно, 20 километров звучит не так впечатляюще, как 36 тысяч километров , однако башня Thoth всё равно будет в 20 раз выше любой другой ныне стоящей на Земле рукотворной структуры. К тому же она будет достаточно высокой, чтобы сократить затраты на космические запуски примерно на треть.

Канадские инженеры предлагают изготовить башню из армированных надувных секций с внутренним лифтом.

Гигантская надувная башня не должна раскачиваться на ветру, но само строение будет слишком высоким для использования оттяжек. По этой причине специалисты предлагают использовать систему маховиков, которые обеспечат динамическую устойчивость и будут действовать в качестве компрессоров для конструкции. Маховики смогут регулировать давление и вращение, компенсировать любой изгиб башни и будут держать её в фиксированном состоянии всё время.

Патент также предполагает, что лифт будет двигаться не на тросах (двадцатикилометровый трос не смог бы выдержать свой собственный вес без деформации). Грузы будут доставлять наверх либо по пневмотрубе, благодаря нагнетаемому давлению, либо снаружи при помощи устройств, похожих на механических пауков.

Основным предназначением башни Thoth станет запуск космических аппаратов с верхней части башни. Она будет действовать как стартовая площадка и заменит первую ступень ракеты-носителя. Также её можно будет использовать для посадки и дозаправки.

Skyhook представляет собой вращающийся спутник, который находится на околоземной орбите, и двух достаточно длинных тросов, которые расходятся от него в противоположные стороны. Спутник должен вращаться в плоскости своей орбиты, таким образом чтобы тросы соприкасались с верхними границами атмосферы при каждом обороте.

Скорость вращения конструкции будет частично или полностью компенсировать орбитальную скорость. В целом Skyhook напоминает гигантское колесо обозрения с двумя спицами по бокам, которое катится вдоль поверхности земли с орбитальной скоростью. На трос Skyhook можно подвешивать грузы с гиперзвуковых самолётов или стратостатов. При этом вся конструкция Skyhook работает как гигантский маховик - накопитель вращательного момента и кинетический энергии.

Пусковая петля

Пусковая петля или петля Лофстрома - это проект системы кабельного транспорта, предназначенного для вывода грузов на околоземную орбиту. В основе проекта лежит кабель, который непрерывно движется с огромной скоростью (12-14 км/с) внутри вакуумной трубы. Для того чтобы шнур не соприкасался со стенками трубы, они разделены между собой магнитной подвеской.

Ускорительная секция космической петли (возвратный кабель не показан).

В целом это устройство является огромное сооружение длиной около 2000 км, а сама петля должна подниматься на высоту до 80 км и удерживаться на ней за счёт момента инерции вращающегося кабеля. Вращение кабеля по сути переносит вес всего сооружения на пару магнитных подшипников, которые его поддерживают, по одному на каждом конце. Плюс этой системы в том, что она может обеспечивать запуски космических туристов, обеспечивая относительно мягкий уровень перегрузки, равный 3g.

Преимущества

Ожидается, что пусковая петля обеспечит высокий темп запусков (несколько пусков за час, вне зависимости от погоды), и эта система практически не загрязняет окружающую среду. При ракетном запуске образуются загрязнения в виде нитратов из-за высокой температуры выхлопных газов, и в зависимости от вида топлива могут выделяться парниковые газы. Пусковая петля, как разновидность электрической силовой установки, является экологически чистой, она может работать от любого источника энергии: геотермального, ядерного, солнечного, ветрового или любого другого, даже непостоянного типа, так как система имеет огромный встроенный накопитель энергии.

В отличие от космического лифта, который должен проходить через радиационный пояс в течение нескольких дней, пассажиры пусковой петли могут быть запущены на низкую околоземную орбиту, которая ниже радиационного пояса, или же пройти через него за несколько часов. Эта ситуация аналогична той, с которой сталкиваются астронавты Аполлона, для которых дозы радиации в 200 раз ниже, чем может дать космический лифт.

В отличие от космического лифта, который подвержен риску столкновения с космическим мусором и метеоритами по всей его длине, пусковая петля располагается на высотах, где орбиты нестабильны из-за сопротивления воздуха. Космический мусор там долго не сохраняется, шанс столкновения его с установкой довольно мал. В то время как период существования космического лифта составляет порядка нескольких лет, повреждения или разрушения пусковой петли могут случиться сравнительно редко. Кроме того, пусковая петля сама по себе не является значительным источником космического мусора, даже в случае аварии. Все её возможные обломки будут иметь перигей, пересекающийся с атмосферой, либо их скорости будут ниже первой космической.

Пусковая петля ориентирована на перевозки людей, потому что в ней максимальное ускорение 3g является безопасным, подавляющее большинство людей способны его выдержать. Кроме того, она даёт гораздо более быстрый способ достижения космического пространства, чем космический лифт.

Пусковая петля будет работать тихо, в отличие от ракет она не будет оказывать никакого шумового воздействия.

Наконец, низкая стоимость вывода на орбиту полезной нагрузки делает её пригодной даже для колонизации космоса .

Трудности

Раскрученная петля будет запасать огромное количество энергии в виде импульса. Поскольку система магнитной подвески будет обладать большой избыточностью, сбой на небольшом участке не повлияет на работоспособность системы. Но если случится значительное разрушение конструкции, произойдёт выделение всей запасённой энергии (1.5 петаджоуля), которая эквивалентна взрыву атомной бомбы , мощностью 350 килотонн (правда, без излучения радиации). Хотя это огромное количество энергии, маловероятно, что произойдёт уничтожение всей конструкции из-за очень больших её размеров, а также потому что при обнаружении неисправности большая часть энергии будет направлена в специально предусмотренное место. Возможно, придётся принять меры для снижения кабеля с высоты 80 км с минимальным ущербом, например, предусмотреть парашюты. Поэтому для обеспечения безопасности и по астродинамическим причинам, пусковую петлю нужно будет устанавливать над океаном в районе экватора, вдали от населённых пунктов.

Опубликованный проект пусковой петли требует электронное управление магнитной левитацией для сведения к минимуму рассеиваемой мощности и стабилизации затуханий кабеля, вызванных другими причинами. Неустойчивость будет возникать в первую очередь в поворотных секциях, а также в кабеле.

Поворотные секции потенциально неустойчивы, поскольку движение ротора по направлению от магнитов приводит к уменьшению магнитного притяжения, тогда как движение в сторону магнитов создаёт повышение притяжения. В любом случае возникает неустойчивость. Эта проблема решается с помощью систем сервоуправления, которые управляют силой магнитов. Хотя надежность сервоприводов на высокой скорости вращения ротора является предметом исследования, для сдерживания ротора в случае сбоя системы будет потеряно очень много последовательных секций сервоприводов.

Секции кабеля также разделят эту потенциальную участь, хотя силы здесь намного меньше. Однако, существует ещё одна потенциальная нестабильность, заключающаяся в том, что кабель/оболочка/ротор может подвергнуться меандрированию (как цепь Лариата), причём, амплитуда колебаний этого процесса может нарастать без ограничений (резонанс). Лофстром считает, что этой неустойчивостью также можно управлять в режиме реального времени с помощью сервомеханизмов, хотя пока что никто этого не делал.

Для поддержания вакуума в системе на приемлемом уровне, понадобится множество равномерно распределённых по длине вакуумных насосов (т.е. и на высоте 80 километров тоже) постоянно работающих на откачку, для компенсации натекания.

Сложности представляет получение необходимой электрической мощности посреди океана.

Проблемы

• Суборбитальные космические полёты начинаются с высоты примерно 100 км, при этом уже на высоте 30 км снижение плотности воздуха сводит на нет аэродинамические преимущества крыла и для дальнейшего увеличения высоты нужны ракетные технологии.
• Затруднена масштабируемость - ракеты, которые выводят хотя бы 2 тонны на орбиту, весят 100-200 тонн, что близко к пределу грузоподъемности существующих самолётов: Ан-124 поднимает 120 тонн, Ан-225 - 247 тонн.
• Проблемы структурной прочности полезной нагрузки и ракеты-носителя - спутники достаточно часто разрабатываются с требованием выдерживать только осевые перегрузки, и даже горизонтальная сборка (когда спутник лежит «на боку») для них недопустима.
• Необходимость разработки мощных гиперзвуковых двигателей. Поскольку эффективный носитель - это быстрый носитель, обычные турбореактивные двигатели плохо подходят.

При существующем уровне развития технологий аэрокосмические системы могут стать эффективным средством доставки грузов на орбиту, но только если эти грузы будут небольшими (в районе пяти тонн), а носитель - гиперзвуковым.

StarTram, орбитальная пушка (пушка Гаусса), электромагнитная катапульта и ракетные салазки .

Все эти идеи схожи с идеей запуска объектов посредством выстрела из огромного орудия рассматривалась фантастами еще в XIX веке. Со временем концепция совершенствовалась, и сегодня до сих пор рассматривается теоретиками как возможный метод доставки на орбиту. Суть данного способа безракетного запуска заключается в том, чтобы посредством электромагнитного ускорения «выстрелить» аппарат, передав ему достаточную скорость, и при достижении орбиты он использовал минимум несомого топлива, получая возможность нести максимум груза.

StarTram предлагает ускорить беспилотный корабль с перегрузкой 30g через тоннель длиной 130км, на конце которого находится окно из плазмы, предотвращее попадание воздуха в тоннель. В идеале окно должно располагаться на горной вершине высотой 6000км, где запуск будет проводиться под углом 10 градусов со скорость 8,78 км/с. Так же можно получить бонус от вращения Земли в виде дополнительной скорости, если «стрелять» на восток, что компенсирует потери от прохождения атмосферы.

Сама конструкция будет походить на огромное артиллерийское оружие, длина ствола которого может достигать нескольких километров, либо располагаться вглубь поверхности по принципу ракетной шахты.

Теоретически, такая конструкция позволит разгонять снаряд до необходимой для вывода на стационарную орбиту первой космической скорости (около 8 км/с) однако достигаемые при таком ускорении перегрузки будут огромны, порядка 100g, а сопротивление воздуха в нижних слоях атмосферы потребует сверхпрочных жаростойких материалов для оболочки «снаряда», так что разумным будет использовать такой метод запуска исключительно для грузов.

Космическая пушка сама по себе не приспособлена к выводу грузов на стабильную орбиту вокруг Земли. Законы физики не дают достичь стабильной орбиты без коррекции полёта после запуска. Траектория запуска может быть параболической, гиперболической или эллиптической (при достижении первой космической скорости).

Последняя завершается на поверхности Земли в точке запуска (плюс-минус вращение планеты и сопротивление атмосферы). А это означает, что без корректировки баллистическая траектория будет всегда заканчиваться падением на планету в пределах первого витка, при условии, что запуск произведен с первой космической скоростью. При запуске со второй космической скоростью снаряд выходит на орбиту вокруг Солнца, которая пересекается с орбитой Земли, однако, эта орбита, из-за возмущений от других планет, может измениться и более не пересекаться с орбитой Земли. Поэтому запуск из космической пушки возможен только аппаратов оборудованных своими двигателями для корректировки, к тому же им необходима серьезная термозащита для прохождения атмосферы.

Но например на Луне, где нет атмосферы, пушечная схема может оказаться оптимальной.

Лазерные двигательные системы

Лазерные двигательные системы могут передавать импульс космического аппарата двумя различными способами. Первый способ заключается в использовании давления фотонов, передавая импульс по принципу солнечных и лазерных парусов. Второй способ использует лазер для нагревания рабочего вещества космического аппарата, как и в обычной ракеты.

Так, например, для выведения спутника весом 100 кг необходим лазер мощностью не менее 1 Мвт. В настоящее время установлено, что для вышеуказанных целей наиболее эффективно может быть использован газодинамический лазер. В этом случае лазерная технология значительным образом пересекается с технологией создания современных ракет, которая за 50 лет уже достаточно хорошо развита, что и позволяет ставить подобные задачи. Кроме того, лазер должен работать в импульсно-периодическом режиме с высокой частотой повторения коротких импульсов для исключения процесса экранирования поступающего лазерного излучения плазмой, возникающей при работе двигателя, а также в целях повышения эффективности его работы. По мнению отечественных и зарубежных специалистов, подобные лазерные реактивные двигатели смогут найти применение в составе дешевых одноступенчатых средств выведения нано- микро- и мини-спутников.

Космический фонтан

Эта концепция была впервые представлена совместными усилиями Роберта Л. Форварда, Марвина Мински, Джона Маккарти, Ханса Моравеца, Родерика Хайда, и Лоуэлла Вуда. Обширный объем информации о ней можно найти в книге Роберта Л. Форварда «Indistinguishable From Magic».

В отличие от оригинальной конструкции космического лифта, фонтан является чрезвычайно высокой башней, поскольку такая высокая башня не может поддержать свой вес с использованием традиционных материалов, планируется, что этот вес будет поддерживаться следующим образом: внутри башня будет полая, внутри этой полости находятся специальное гранулированное вещество. Это вещество, после передачи ему кинетической энергии, быстро движется вверх от нижней части башни и передает эту энергию в верхней её части, после чего под воздействием силы тяжести падает обратно, это будет удерживать башню от падения.

Космический фонтан использует непрерывный поток электромагнитно-ускоренных металлических гранул, чтобы доставить груз на запредельные высоты, используя те же основные физические принципы, которые обычный фонтан удерживает пластиковый мячик наверху вертикальной струи воды.

Небольшие металлические гранулы миллионами будут выпущены к станции «дефлектора» высоко над землей, которая будет использовать магнитное поле и ловить гранулы, пуская их по кривой электромагнитным ускорителем и возвращать их обратно на землю. Наземная станция, в свою очередь, будет использовать магнитный «совок», чтобы поймать шарики, пускать их по кривой обратно мощным электромагнитным ускорителем на станцию и все это ​​в одном непрерывном цикле. Давление, оказываемое на магнитные поля совка и изогнутого ускорителя непрерывным потоком гранул будет поддерживать в воздухе всю конструкцию.

Ключом к пониманию космического фонтана является то, что он использует непрерывный поток гранул постоянно оказывающий давление на станцию и поднимая ее. Вспомните аналогию с фонтаном, так оно и может держать мяч, подвешенный струей воды непрерывной рециркуляцией воды: вода, которая падает обратно в фонтан всасывается в водозаборах и подается обратно в водяную струю и так до бесконечности. То же самое с металлической «струей» космической фонтана.

Кроме того, важно понимать, что гранулы и станция никогда не будут иметь физический контакт. Магнитные поля совка и изогнутого ускорителя выступают в качестве своего рода буфера, предотвращая любые повреждения от гранул мчащихся к станции со скоростью 4 км/с. Тем не менее, гранулы оказывают давление на магнитные поля, проходя через них, и эта сила, в свою очередь передаются станции, держа ее в воздухе.

Используя эту технологию фонтан мог бы поднять полностью оборудованную космическую станцию весом ​​40 тонн или более на любую высоту, даже на высоту космического лифта (40000 км). Однако, чем больше высота, тем больше требуется энергии (об этом ниже). Для поддержания космического фонтана около 2000 км в высоту требуется постоянная энергия сравнимая с потреблением современного города.

Но одним из преимуществ фонтана заключается в том, что после того, как будет запущена система, энергия, необходимая для поддержания будет гораздо меньше, чем энергия для его запуска. Потеря импульса от силы тяжести, когда поток гранул взлетает будет точно уравновешивается усилением импульса силы тяжести, когда поток будет падать на наземную станцию и полный импульс системы никогда не изменяется. Энтропия же диктует, что некоторое количество энергии будет в конечном счете потеряна со временем, но это легко можно компенсировать вспомогательными электростанциями, вырабатывающими небольшую часть энергии, необходимой для первоначального запуска системы. Таким образом, даже если подача энергии прервется, то фонтан будет функционировать нормально еще некоторое время. Для подвесных станций высотой от 1000 км это может занять до нескольких часов.

Еще одно преимущество космического фонтана в том, что система может быть построены с нуля. Наземная станция и дефлектор станции с их ускорителями можно полностью построить на земле и станция будет находится на вершине наземной станции с выровненными ускорителями. Тогда сила потока гранул медленно, но в конечном итоге подняла бы станцию ​​сначала на несколько сантиметров, затем на несколько сотен метров и так километр за километром. Процесс может быть приостановлен ​​на любой высоте, от нескольких сантиметров до нескольких тысяч метров, на неопределенный срок, что позволяет выполнять калибровки, техническое обслуживание, новое строительство и т.д.

Источник энергии для поддержания фонтана также может быть использован для поддержки боковых структур, таких как лифты или стены вдоль его длины. Электромагнитные ускорители/замедлители могут быть построены по вертикали вдоль «ручья» гранул, так фонтан может медленно строится, опираясь на силу гранул. Поскольку секции стен (и любая внутренняя структура) сами могут поддерживать себя в воздухе внутренним потоком проходящим через них, они не будут испытывать перегрузки, как было бы у обычных зданий в сотни или тысячи километров в высоту.

Таким образом космические фонтаны могут быть использованы для создания по-настоящему гигантских зданий и башен. И, в отличие от космического лифта, космический фонтан не требует никаких чрезвычайно дорогих или несуществующих в настоящее время материалов для постройки. Современные сплавы и композиционные материалы вполне подойдут для его постройки.

Наиболее очевидное применение для такого супер-высокой структуры, конечно, будет в качестве безракетного космического запуска. На наружных стенах могут быть установлены электромагнитные ускорители «выстреливающие» грузы на орбиту. Фонтан около 40 км высотой будет достаточно для запуска пассажиров на орбиту с менее чем 3g ускорения, а высотой в 100 км или выше может просто бросить груз непосредственно на орбиту без превышения даже 1g.

Башня фонтана также может быть использована в качестве огромного размера аркологии, исследовательского учреждения, промышленного центра и т.п. Фонтан 100 километров высотой и 100 метров в ширину будет иметь около 7,85 кубических километров объема. Дизайнеры и архитекторы могут использовать это пространство для чего угодно. Но ведь возможны и более широкие и вместительные башни.

Преимущества по сравнению с космическим лифтом

• Космический фонтан может быть построен с применением уже имеющихся на сегодняшний момент технологий. Он не требует экзотических материалов (таких как нанотрубки), в отличие от космического лифта.
• Космический фонтан может быть построен от Земли, а не с ГСО как в случае с космическим лифтом.
• Космический фонтан может быть построен в любой точке на земле, а не только на экваторе.
• Космический фонтан может быть построен на небесных телах с очень маленькой скоростью вращения, например: Луна, Венера.
• Космический фонтан не так сильно подвержен риску попадания в него космического мусора, из-за того, что его размер меньше, чем у космического лифта.

Недостатки по сравнению с космическим лифтом

Его основной недостаток это то, что он является активной структурой и поэтому требует постоянной энергии.

Таким образом, мы видим, что сегодня любой из представленных методов является недостижимым, что обусловлено экономической несостоятельностью, отсутствием необходимых технологий и материалов. Впрочем, необходимость добычи новых ресурсов, освоения планет и спутников рано или поздно заставит рассмотреть представленные выше методы не как измышления фантастов и теоретиков, а как реальную и необходимую альтернативу существующему сегодня ракетному запуску.

Перед вами книга, рассказывающая об одном из главных достижений XX века - космонавтике, которую весь мир считает символом прошлого столетия. Однако космонавтика стала не только областью современнейших исследований науки и достижений техники, но и полем битвы за космос двух мировых сверхдержав - СССР и США. Гонка вооружений, «холодная война» подталкивали ученых противоборствующих систем создавать все новые фантастические проекты, опережающие реальность.

Данный том посвящен ракетным системам докосмической эры.

Книга содержит большой иллюстративный материал и будет интересна как специалистам, так и любителям истории.

Сразу после отделения первой ступени начинает работать двигатель второй ступени, при этом угол наклона траектории к горизонту непрерывно уменьшается. Все приборы управления находятся во второй ступени ракеты. В головной части третьей ступени под защитой обтекаемого конуса устанавливается сам искусственный спутник. С началом работы двигателя второй ступени ракета поднимается на такую высоту, что всякая необходимость в обтекаемом конусе отпадает и он становится бесполезным грузом. Поэтому вскоре после начала работы двигателя второй ступени носовой конус сбрасывается.

Окончание работы двигателя второй ступени совпадает с подъемом ракеты на высоту порядка 225 километров. Далее вторая ступень по инерции поднимается, в зависимости от угла наклона, до высоты 320–480 километров. Эта высота достигается ракетой через 10 минут после старта на удалении 1130 километров от места пуска, после чего вторая ступень отделяется и падает в океан, пролетев в общей сложности по горизонтали около 2250 километров.

В течение некоторого времени после выключения двигателя второй ступени вторая и третья ступени продолжают по инерции набирать высоту, оставаясь соединенными друг с другом. В какой-то определенной точке пассивного подъема ракета начинает вращаться, обеспечивая тем самым стабилизацию третьей ступени. Как только ракета достигает максимальной высоты и выходит на участок траектории, параллельный поверхности Земли, включается двигатель третьей ступени, а вторая ступень отделяется от нее.

После этого третья ступень, двигаясь по касательной к поверхности Земли, вылетает за пределы земной атмосферы. Во время пассивного подъема второй и третьей ступеней, естественно, теряется часть скорости, поэтому третья ступень начинает активный полет со скоростью, составляющей примерно половину орбитальной скорости, то есть не более 3,2 км/с. Когда в двигателе третьей ступени выгорает все топливо, она развивает скорость, необходимую для движения по орбите; в этот момент спутник и должен быть отделен от третьей ступени. Механизм, разработанный для этой цели, представляет собой сжатую пружину, которая отпускается по сигналу инерционного отметчика времени, рассчитанного на период работы двигателя третьей ступени. Растягиваясь, эта пружина выталкивает сферический спутник из ракеты-носителя. Это отделение происходит со скоростью всего лишь 0,9 м/с относительно ракеты-носителя, поэтому, окончательно отделившись от спутника, третья ступень (ракета-носитель) также продолжает движение по орбите, становясь вторым спутником Земли.