Устройство космической ракеты. Почему ракеты не запускают в космос с помощью самолётов? Краткая история ракет

Использование самолётов в качестве первой ступени на атмосферном участке полётной траектории является очень перспективным, имеющим существенные преимущества перед классическими методами вывода грузов на орбиту. Но и есть существенные недостатки, которые и мешают внедрению этой технологии в жизнь и её развитию.

К достоинствам следует отнести:

Отсутствие необходимости в сложном комплексе сооружений для закуска ракет - нужна просто подготовленная взлётная полоса, а кроме того эта полоса не обязана находится на экваторе для наиболее эффективного вывода полезной нагрузки (самолёт вполне может долететь до экватора, а там уже отделять от себя вторую ступень). Но наиболее оптимальным и энергоэффективным вариантом конечно является дозаправка и взлёт с полосы на экваторе. Можно использовать уже существующую инфраструктуру;

Первая ступень (самолёт) является многоразовой (при этом многоразовость ограничивается не десятками раз, как у Falcon 9, а тысячами раз) и очень дешёвой в обслуживании;

Возможно создание на этой базе уже не самолётов, а SSTO (single-stage-to-orbit) одноступенчатых космических кораблей, которые имеют двигатели, которые могут использовать воздух в качестве окислителя на атмосферном участке, а только потом переходить на запасённый в баках кислород. Эти аппараты выглядят перспективнее, но они дороги в обслуживании и им приходится возить на орбиту лишний вес в виде пустых баков, крыльев, двигателей и прочего.

Недостатки, которые и определяют недостаточную развитость этого направления космической техники:

Для вывода сопоставимых с выводимыми обычными ракетами-носителя грузами на орбиту требуется огромная подъёмная сила и потребное крыло получается очень огромным, сами самолёты соответственно тоже получаются огромными и дорогими в производстве (от 100 метров и до 300 метров размах крыла, а взлётная масса от 500 до 2000 тонн);

Высота, на которую может поднять ракету самолёт ограничена 10-15 километрами, да и скорость, которая сообщается отделяемой второй системе не превышает скорости звука, что достаточно мало в масштабах необходимой первой космической скорости на высоте нескольких сот километров. Да, есть некоторая экономия, связанная со значительным снижением аэродинамических потерь и применение на второй ступени ЖРД такого типа, которые наиболее эффективны в условиях вакуума, но эта экономия не слишком велика (ориентировочные расчёты сейчас делать не берусь);

В случае SSTO дороговизна обслуживания, дороговизна разработки и производства совершенно нового типа разнорежимных двигателей; неэффективный вывод на орбиту лишней массы в виде всего огромного запускаемого с Земли аппарата (например, наиболее реалистичный на сегодняшний день проект «Skylon» () без топлива весит 41 тонну).

Но в некоторой узкой области вывода на орбиту малых грузов (а также для других целей) самолёты используются в качестве первой ступени уже сейчас:

2. Многоразовый космический корабль SpaceShipTwo () с поправкой на то, что он суборбитальный и предназначен не для вывода грузов, а для космического туризма.

Не построили еще таких самолетов, которые могли бы одновременно разгоняться до нужной скорости и нести на себе такую махину (даже за вычетом массы лишнего топлива). Но проекты такие разрабатываются.

Всё что здесь написали это полный абсурд. Пишу как выпускник МГТУ им Баумана кафедры "Аэрокосмические системы".

• Для каких-нибудь нано-спутников и мини-носителей воздушный старт может оказаться дешёвым, но чтобы вывести приличный вес на геостационарную орбиту требуется носитель массой в сотни тонн - следовательно, и самолёт должен быть не меньше Ан-225 "Мрiя". А уж если он, вдобавок, и сверхзвуковой... Такие самолёты по определению дешёвыми не будут.
• Обывателю кажется что для запуска ракеты важна высота. На самом деле для выхода на орбиту и в реальный космос важна скорость, а вовсе не высота. Цель ракеты - достичь первой космической скорости (8 км/с, около 28 тысяч км/ч) причём почти неважно в каком направлении - вверх или вбок. Грузовые самолёты максимум что могут дать - это 900 км/ч, а это 3% от необходимого, в пределах погрешности измерения. Есть, конечно, сверхзвуковые самолёты которые могут развивать большую скорость, но у них ничтожная грузоподъёмность. Если цель - покататься пару минут в стратосфере, то самолёт может помочь, но для реального космоса нужно что-то посерьёзнее.
• У ракет отделение первой ступени происходит на высотах более 40 км и на скорости 2-3 км/с, а самолет поднимает на высоту порядка 10-12 км и сообщает скорость около 200 м/с. Получается, что по сути дела самолет заменяет собой не первую ступень (как обычно пишут в рекламных буклетах на подобные системы), а где-то 1/4 (а то и 1/5) от первой ступени.
• Разделение. Представьте себе самолёт на высоте 10 км летящий со скоростью 900 км/ч у которого внутри как-то находится ракета которая тяжелее чем сам самолёт. Нужно её как-то безопасно пустить, при этом чтобы не задеть сам самолёт и не создать ему возмущений - это нетривиальная техническая задача. Ракета рассчитана на сдавливающие нагрузки, а при старте с самолёта у неё будут нагрузки изгибающие. (Самолёт же не может лететь носом вверх?). Т.е. если любую существующую орбитальную ракету сбросить с самолёта она сразу же переломится. Т.е. нужно делать более прочную ракету - а значит более тяжёлую - а значит масса выводимой нагрузки будет меньше.
• Стартовать ракету. Вы когда нибудь видели фотографии пускового комплекса? Там стоят мачты, механизмы удержания, газоотводы, цистерны с жидким топливом, системы термостатирования. А теперь это всё тоже нужно уместить в самолёте. Реально как в анекдоте "а теперь со всей этой фигнёй мы попытаемся взлететь".
• Помните видео "что-то пошло не так" ? Это произошло в казахской степи, людей при пуске отвозят на десятки километров. У ракет примерно каждый 20-й полёт что-то идёт не так. А теперь представьте, что это произошло в самолёте, вам пилотов не жалко?

Резюме: возможно в будущем, на каких-то других технологиях возникнут аэрокосмические системы. Это может быть водородный сверхзвуковой беспилотный самолёт или что-то в этом роде, но на существующих технологиях авиастроения самолёт только мешает ракете.

Писателя Авла Геллия (лат. Aulus Gellius ) одно из первых реактивных устройств использовалось более 2000 лет назад, ещё в 400 году до н. э. , греческим философом-пифагорейцем Архитом Тарентским , заставлявшим деревянного голубя двигаться вдоль проволоки с помощью пера, перед глазами изумлённых жителей своего города. Архит Тарентский использовал принцип «действие-противодействие», который был научно описан только в XVII веке.

Тем не менее, истоки возникновения ракет большинство историков относят ко временам китайской династии Хань (206 год до н. э. - н. э.), к открытию пороха и началу его использования для фейерверков и развлечений. Сила, возникающая при взрыве порохового заряда была достаточной, чтобы двигать различные предметы. Позже этот принцип нашёл применение при создании первых пушек и мушкетов . Снаряды порохового оружия могли летать на далёкие расстояния, однако не были ракетами, поскольку не имели собственных запасов топлива . Тем не менее, именно изобретение пороха стало основной предпосылкой возникновения настоящих ракет. Описание летающих «огненных стрел», применявшихся китайцами, показывает, что эти стрелы были ракетами. К ним прикреплялась трубка из уплотненной бумаги, открытая только с заднего конца и заполненная горючим составом. Этот заряд поджигался, и затем стрела выпускалась с помощью лука. Такие стрелы применялись в ряде случаев при осаде укреплений, против судов, кавалерии.

Известно, что ракеты применялись запорожскими казаками , начиная с XVI -XVII вв. В XVII веке литовский военный инженер Казимир Семенович описал многоступенчатую ракету.

Двухступенчатая ракета ХVI в.

Ракетная артиллерия широко применялась вплоть до конца XIX века. Ракеты были более лёгкими и подвижными, чем артиллерийские орудия. Точность и кучность ведения огня ракетами была небольшой, но сопоставимой с артиллерийскими орудиями того времени. Однако во второй половине XIX века появились нарезные артиллерийские орудия, обеспечивающие большую точность и кучность огня и ракетная артиллерия была всюду снята с вооружения. Сохранились лишь фейерверочные и сигнальные ракеты.

В конце XIX века стали предприниматься попытки математически объяснить реактивное движение и создать более эффективное ракетное вооружение. В России одним из первых этим вопросом занялся Николай Тихомиров в 1894 году.

Теорией реактивного движения занимался Константин Циолковский . Он выдвигал идею об использовании ракет для космических полетов и утверждал, что наиболее эффективным топливом для них было бы сочетание жидких кислорода и водорода . Ракету для межпланетных сообщении он спроектировал в 1903 г.

17 августа 1933 года была запущена ракета «ГИРД 9», которую можно считать первой советской зенитной ракетой. Она достигла высоты 1.5 км. А следующая ракета «ГИРД 10», запущенная 25 ноября 1933 года, достигла уже высоты в 5 км.

В Германии подобные работы вело Немецкое Общество межпланетных сообщений (VfR). 14 марта 1931 член VfR Йоханнес Винклер осуществил первый в Европе удачный запуск жидкостной ракеты.

В 1957 г. в СССР под руководством Сергея Королёва как средство доставки ядерного оружия была создана первая в мире межконтинентальная баллистическая ракета Р-7 , которая в том же году была использована для запуска первого в мире искусственного спутника Земли . Так началось применение ракет для космических полётов.

Ракетные двигатели

Большинство современных ракет оснащаются химическими ракетными двигателями . Подобный двигатель может использовать твёрдое, жидкое или гибридное ракетное топливо . Химическая реакция между топливом и окислителем начинается в камере сгорания, получающиеся в результате горячие газы образуют истекающую реактивную струю, ускоряются в реактивном сопле (или соплах) и выбрасываются из ракеты. Ускорение этих газов в двигателе создаёт тягу - толкающую силу, заставляющую ракету двигаться. Принцип реактивного движения описывается третьим законом Ньютона .

Однако не всегда для движения ракет используются химические реакции. В паровых ракетах перенагретая вода, вытекающая через сопло, превращается в высокоскоростную паровую струю, служащую движителем . Эффективность паровых ракет относительно низка, однако это окупается их простотой и безопасностью, а также дешевизной и доступностью воды. Работа небольшой паровой ракеты в году была проверена в космосе на борту спутника UK-DMC. Существуют проекты использования паровых ракет для межпланетной транспортировки грузов, с нагревом воды за счёт ядерной или солнечной энергии.

Ракеты наподобие паровой, в которых нагрев рабочего тела происходит вне рабочей зоны двигателя, иногда описывают как системы с двигателями внешнего сгорания . Другими примерами ракетных двигателей внешнего сгорания может служить большинство конструкций ядерных ракетных двигателей .

Применение

Военное дело

Ракеты используются как способ доставки средств поражения к цели. Небольшие размеры и высокая скорость перемещения ракет обеспечивает им малую уязвимость . Так как для управления боевой ракетой не нужен пилот , она может нести заряды большой разрушительной силы, в том числе ядерные. Современные системы самонаведения и навигации дают ракетам большую точность и манёвренность.

Существует множество видов боевых ракет отличающихся дальностью полёта, а также местом старта и местом поражения цели («земля» - «воздух»). Для борьбы с боевыми ракетами используются системы противоракетной обороны .

Существуют также сигнальные и осветительные ракеты.

Научные исследования

Самолёты и воздушные шары, запускаемые для изучения атмосферы Земли имеют высотный потолок 30-40 километров. Ракеты такого потолка не имеют и используются для зондирования верхних слоёв атмосферы, главным образом мезосферы и ионосферы.

Существует деление ракет на лёгкие метеорологические, способные поднять один комплекс приборов на высоту около 100 километров и тяжёлые геофизические, которые могут нести несколько комплексов приборов и чья высота полёта практически не ограничена.

Обычно научные ракеты оснащают приборами для измерения атмосферного давления , магнитного поля , космического излучения и состава воздуха, а также оборудованием для передачи результатов измерения по радио на землю. Существуют модели ракет, где приборы с полученными в ходе подъёма данными опускаются на землю с помощью парашютов .

Ракетные метеорологические исследования предшествовали спутниковым, поэтому на первых метеоспутниках стояли те же приборы, что и на метеорологических ракетах. В первый раз ракета была запущена с целью изучить параметры воздушной среды 11 апреля , но регулярные ракетные запуски начались с 1950-х годов, когда были созданы серии специализированных научных ракет. В Советском Союзе это были метеорологические ракеты МР-1 , М-100 , МР-12 , ММР-06 и геофизические типа «Вертикаль ». В современной России в сентябре -го использовались ракеты М-100Б . За пределами России применялись ракеты «Аэроби», «Black Brant », «Skylark».

Космонавтика

Создателем космонавтики как науки считается Герман Оберт, впервые доказавший физическую возможность человеческого организма выносить возникающие при запуске ракеты перегрузки, а также состояние невесомости.

10 мая 1897 г К. Э. Циолковский в рукописи «Ракета» исследует ряд задач реактивного движения, где определяет скорость, которую развивает летательный аппарат под воздействием тяги ракетного двигателя, неизменной по направлению, при отсутствии всех других сил; конечная зависимость получила название «формула Циолковского» (статья опубликована в журнале «Научное обозрение» в 1903 г.).

1903 г. К. Э. Циолковский опубликовал работу «Исследование мировых пространств реактивными приборами» - первую в мире, посвященную теоретическому обоснованию возможности осуществления межпланетных полетов с помощью реактивного летательного аппарата - «ракеты». В 1911-1912 опубликована вторая часть этой работы, в 1914 - дополнение. К. Э. Циолковский и независимо от него Ф. А. Цандер пришли к выводам, что космические полеты возможны и на известных уже тогда источниках энергии и указали практические схемы их реализаций (форму ракеты, принципы охлаждения двигателя, использование жидких газов в качестве топливной пары и др.).

Высокая скорость истечения продуктов сгорания топлива (часто большая, чем 10), позволяет использовать ракеты в областях, где требуются сверхбольшие скорости движения, например, для вывода космических аппаратов на орбиту Земли (см. Первая космическая скорость). Максимальная скорость, которая может быть достигнута при помощи ракеты, рассчитывается по |формуле Циолковского, описывающей приращение скорости, как произведение скорости истечения на натуральный логарифм отношения начальной и конечной массы аппарата.

Ракета пока является единственным транспортным средством, способным вывести космический аппарат в космос. Альтернативные способы поднимать космические аппараты на орбиту, такие как «космический лифт », электромагнитные и обычные пушки, пока что находятся на стадии проектирования.

В космосе наиболее ярко проявляется основная особенность ракеты - отсутствие потребности в окружающей среде или внешних силах для своего перемещения. Эта особенность, однако, требует того, чтобы все компоненты, необходимые для создания реактивной силы, находились на борту самой ракеты. Так для ракет, использующих в качестве топлива такие плотные компоненты, как жидкий кислород и керосин , отношение веса топлива к весу конструкции достигает 20/1. Для ракет, работающих на кислороде и водороде , это соотношение меньше - около 10/1. Массовые характеристики ракеты очень сильно зависят от типа используемого ракетного двигателя и закладываемых пределов надёжности конструкции.

За счёт уменьшения общего веса конструкции и выгорания топлива ускорение составной ракеты с течением времени увеличивается. Оно может немного снижаться лишь в момент сбрасывания отработавших ступеней и начала работы двигателей следующей ступени. Подобные многоступенчатые ракеты, предназначенные для запуска космических аппаратов, называют ракеты-носители .

Используемые для нужд космонавтики ракеты называются ракетами-носителями, так как они несут на себе полезную нагрузку. Чаще всего в качестве ракет-носителей используются многоступенчатые баллистические ракеты. Старт ракеты-носителя происходит с Земли, или, в случае долгого полёта, с орбиты искусственного спутника Земли .

Силы, действующие на ракету в полёте

Наука, исследующая силы, действующие на ракеты или другие космические аппараты, называется астродинамикой .

Основные силы, действующие на ракету в полёте:

1. Тяга двигателя
2. Притяжение небесного тела
3. При движении в атмосфере - лобовое сопротивление .
4. Подъёмная сила . Обычно мала, но значительна для ракетопланов .

См. также

Примечания

Литература

• Ракета // Космонавтика : Маленькая энциклопедия ; Главный редактор В. П. Глушко. 2-е издание, дополнительное - Москва: «Советская энциклопедия», - C. 372
• Boris Rauschenbach. Hermann Oberth 1894-1989. Über die Erde hinaus - eine Biographie: - Der. Böttiger Verlags - GmbH - ISBN 3-925725-27-7
• Harald Tresp, Karlheinz Rohrwild. - Am Anfang war die Idee… Hermann Oberth - Vater der Raumfahrt: Herman E. Sieger GmbH, Lorh/Württemberg. 1994
• Hermann Oberth. Mein Beitrag zur Weltraumfahrt: - Hermann - Oberth - Raumfahrt - Museum, Druck Center Meckencheim. Nürnberg/Feucht. 1994. ISBN 3-925103-71-6
• Marsha Freeman. Hin zu neuen Welten. Die Geschichte der deutschen Raumfahrtpioniere: - Der. Böttiger Verlags - GmbH, Wiesbaden. 1995. ISBN 3-925725-22-9
• Walter Dornberger, V2 - Der Schuß ins Weltall, Bechtle Verlag, Esslingen 1952.

Ссылки

• Znamensk.info - история первого ракетного полигона Капустин Яр
• Гончар А. С. Звёздные часы ракетной техники (Воспоминания). // Харьков: Факт, 2008. - 400 с: iл. ISBN 978-966-637-633-9 .

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.

Краткая история ракет

Общий принцип реактивного полета, который лег в основу всех ракет, прост - от тела отделяется какая-то часть, приводящая все остальное в движение.

Кто первым реализовал этот принцип – неизвестно, но различные догадки и домыслы доводят генеалогию ракетостроения аж до Архимеда. Доподлинно о первых подобных изобретениях известно, что ими активно пользовались китайцы, которые заряжали их порохом и за счет взрыва запускали в небо. Таким образом они создали первые твердотопливные ракеты. Большой интерес к ракетам появился у европейских правительств в начале

Второй ракетный бум

Ракеты ждали своего часа и дождались: в 1920-х годах начался второй ракетный бум, и связан он в первую очередь с двумя именами.

Константин Эдуардович Циолковский - ученый-самоучка из Рязанской губернии, невзирая на трудности и препятствия, сам дошел до многих открытий, без которых невозможно было бы даже говорить о космосе. Идея использования жидкого топлива, формула Циолковского, которая рассчитывает необходимую для полета скорость, исходя из соотношения конечной и начальной масс, многоступенчатая ракета - все это его заслуга. Во многом под влиянием его трудов создавалось и оформлялось отечественное ракетостроение. В Советском Союзе начали стихийно возникать общества и кружки по изучению реактивного движения, в числе которых ГИРД - группа изучения реактивного движения, а в 1933 году под патронажем властей появился Реактивный институт.

Константин Эдуардович Циолковский.
Источник: Wikimedia.org

Второй герой ракетной гонки - немецкий физик Вернер фон Браун. Браун имел отличное образование и живой ум, а после знакомства с другим светилом мирового ракетостроения, Генрихом Обертом, он решил приложить все свои силы к созданию и усовершенствованию ракет. В годы Второй Мировой фон Браун фактически стал отцом «оружия возмездия» Рейха - ракеты «Фау-2», которую немцы начали применять на поле боя в 1944 году. «Крылатый ужас», как называли её в прессе, принес разрушение многим английским городам, но, к счастью, на тот момент крах нацизма был уже делом времени. Вернер фон Браун вместе со своим братом решил сдаться в плен к американцам, и, как показала история, это был счастливый билет не только и не столько для ученых, сколько для самих американцев. С 1955 года Браун работает на американское правительство, и его изобретения ложатся в основу космической программы США.

Но вернемся в 1930-е. Советское правительство по достоинству оценило рвение энтузиастов на пути к космосу и решило употребить его в своих интересах. В годы войны себя отлично показала «Катюша» - система залпового огня, которая стреляла реактивными ракетами. Это было во многом инновационное оружие: «Катюша» на базе легкого грузовика «Студебеккер» приезжала, разворачивалась, обстреливала сектор и уезжала, не давая немцам опомниться.

Окончание войны подкинуло нашему руководству новую задачу: американцы продемонстрировали миру всю мощь ядерной бомбы, и стало совершенно очевидно, что на статус сверхдержавы может претендовать только тот, у кого есть нечто похожее. Но здесь была проблема. Дело в том, что, помимо самой бомбы, нам нужны были средства доставки, которые бы смогли обойти ПВО США. Самолеты для этого не годились. И СССР решил сделать ставку на ракеты.

Константин Эдуардович Циолковский умер в 1935 году, но ему на смену пришло целое поколение молодых ученых, которое и отправило человека в космос. Среди этих ученых был Сергей Павлович Королев, которому суждено было стать «козырем» Советов в космической гонке.

СССР принялся за создание своей межконтинентальной ракеты со всем усердием: были организованы институты, собраны лучшие ученые, в подмосковных Подлипках создается НИИ по ракетному вооружению, и работа кипит вовсю.

Только колоссальное напряжение сил, средств и умов позволило Советскому Союзу в кратчайшие сроки построить свою ракету, которую назвали Р-7. Именно её модификации вывели в космос «Спутник» и Юрия Гагарина, именно Сергей Королев и его соратники дали старт космической эре человечества. Но из чего состоит космическая ракета?

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