Содержание
Как устроена межконтинентальная баллистическая ракета
Межконтинентальная баллистическая ракета – весьма впечатляющее творение человека. Огромные размеры, термоядерная мощь, столб пламени, рев двигателей и грозный рокот пуска… Однако все это существует лишь на земле и в первые минуты запуска. По их истечении ракета прекращает существовать. Дальше в полет и на выполнение боевой задачи уходит лишь то, что остается от ракеты после разгона – ее полезная нагрузка.
Николай Цыгикало
При больших дальностях пуска полезная нагрузка межконтинентальной баллистической ракеты уходит в космическую высоту на многие сотни километров. Поднимается в слой низкоорбитальных спутников, на 1000−1200 км над Землей, и ненадолго располагается среди них, лишь слегка отставая от их общего бега. А затем по эллиптической траектории начинает скатываться вниз…
Что это, собственно, за нагрузка?
Баллистическая ракета состоит из двух главных частей — разгоняющей части и другой, ради которой затеян разгон.
Разгоняющая часть — это пара или тройка больших многотонных ступеней, под завязку набитых топливом и с двигателями снизу. Они придают необходимую скорость и направление движению другой главной части ракеты — головной. Разгонные ступени, сменяя друг друга в эстафете пуска, ускоряют эту головную часть в направлении района ее будущего падения.
Головная часть ракеты — это сложный груз из многих элементов. Он содержит боеголовку (одну или несколько), платформу, на которой эти боеголовки размещены вместе со всем остальным хозяйством (вроде средств обмана радаров и противоракет противника), и обтекатель. Еще в головной части есть топливо и сжатые газы. Вся головная часть к цели не полетит. Она, как ранее и сама баллистическая ракета, разделится на много элементов и просто перестанет существовать как одно целое. Обтекатель от нее отделится еще неподалеку от района пуска, при работе второй ступени, и где-то там по дороге и упадет. Платформа развалится при входе в воздух района падения.
Сквозь атмосферу до цели дойдут элементы только одного типа. Боеголовки. Вблизи боеголовка выглядит как вытянутый конус длиною метр или полтора, в основании толщиной с туловище человека. Нос конуса заостренный либо немного затупленный. Конус этот — специальный летательный аппарат, задача которого — доставка оружия к цели. Мы вернемся к боеголовкам позже и познакомимся с ними ближе.
Тянуть или толкать?
В ракете все боеголовки расположены на так называемой ступени разведения, или в «автобусе». Почему автобус? Потому что, освободившись сначала от обтекателя, а затем от последней разгонной ступени, ступень разведения развозит боеголовки, как пассажиров по заданным остановкам, по своим траекториям, по которым смертоносные конусы разойдутся к своим целям.
Еще «автобус» называют боевой ступенью, потому что ее работа определяет точность наведения боеголовки в точку цели, а значит, и боевую эффективность. Ступень разведения и ее работа — один из самых больших секретов в ракете.
Но мы все же слегка, схематично, взглянем на эту таинственную ступень и на ее непростой танец в космосе.
Ступень разведения имеет разные формы. Чаще всего она похожа на круглый пенек или на широкий каравай хлеба, на котором сверху установлены боеголовки остриями вперед, каждая на своем пружинном толкателе. Боеголовки заранее расположены под точными углами отделения (на ракетной базе, вручную, с помощью теодолитов) и смотрят в разные стороны, как пучок морковок, как иголки у ежика. Ощетинившаяся боеголовками платформа занимает в полете заданное, гиростабилизированное в пространстве положение. И в нужные моменты с нее поодиночке выталкиваются боеголовки. Выталкиваются сразу после завершения разгона и отделения от последней разгонной ступени. Пока (мало ли что?) не сбили противоракетным оружием весь этот неразведенный улей или не отказало что-либо на борту ступени разведения.
Но так было раньше, на заре разделяющихся головных частей. Сейчас разведение представляет собой совсем другую картину.
Если раньше боеголовки «торчали» вперед, то теперь впереди по ходу находится сама ступень, а боеголовки висят снизу, вершинами назад, перевернутые, как летучие мыши. Сам «автобус» в некоторых ракетах тоже лежит в перевернутом состоянии, в специальной выемке в верхней ступени ракеты. Теперь после отделения ступень разведения не толкает, а тащит боеголовки за собой. Причем тащит, упираясь крестообразно расставленными четырьмя «лапами», развернутыми впереди. На концах этих металлических лап находятся направленные назад тяговые сопла ступени разведения. После отделения от разгонной ступени «автобус» очень точно, прецизионно выставляет свое движение в начинающемся космосе с помощью собственной мощной системы наведения. Сам занимает точную тропу очередной боеголовки — ее индивидуальную тропу.
Затем размыкаются специальные безынерционные замки, державшие очередную отделяемую боеголовку. И даже не отделенная, а просто теперь уже ничем не связанная со ступенью боеголовка остается неподвижно висеть здесь же, в полной невесомости.
Начались и потекли мгновенья ее собственного полета. Словно одна отдельная ягода рядом с гроздью винограда с другими виноградинами-боеголовками, еще не сорванными со ступени процессом разведения.
Деликатные движения
Теперь задача ступени — отползти от боеголовки как можно деликатнее, не нарушив ее точно выставленного (нацеленного) движения газовыми струями своих сопел. Если сверхзвуковая струя сопла попадет по отделенной боеголовке, то неминуемо внесет свою добавку в параметры ее движения. За последующее время полета (а это полчаса — минут пятьдесят, в зависимости от дальности пуска) боеголовка продрейфует от этого выхлопного «шлепка» струи на полкилометра-километр вбок от цели, а то и дальше. Продрейфует без преград: там же космос, шлепнули — поплыла, ничем не удерживаясь. Но разве километр вбок — это точность сегодня?
Чтобы избежать таких эффектов, как раз и нужны разнесенные в стороны четыре верхние «лапы» с двигателями.
Ступень как бы подтягивается на них вперед, чтобы струи выхлопов шли по сторонам и не могли зацепить отделяемую брюшком ступени боеголовку. Вся тяга разделена между четырьмя соплами, что снижает мощность каждой отдельной струи. Есть и другие особенности. Например, если на бубликообразной ступени разведения (с пустотой посередине — этим отверстием она надета на разгонную ступень ракеты, как обручальное кольцо на палец) ракеты «Трайдент-II D5» система управления определяет, что отделенная боеголовка все же попадает под выхлоп одного из сопел, то система управления это сопло отключает. Делает «тишину» над боеголовкой.
Ступень нежно, как мать от колыбельки уснувшего дитяти, боясь нарушить его покой, на цыпочках отходит в пространстве на трех оставшихся соплах в режиме малой тяги, а боеголовка остается на прицельной траектории. Затем «бублик» ступени с крестовиной тяговых сопел проворачивается вокруг оси, чтобы боеголовка вышла из-под зоны факела выключенного сопла.
Теперь ступень отходит от оставляемой боеголовки уже на всех четырех соплах, но пока тоже на малом газу. При достижении достаточного расстояния включается основная тяга, и ступень энергично перемещается в область прицельной траектории следующей боеголовки. Там расчетно тормозится и снова очень точно устанавливает параметры своего движения, после чего отделяет от себя очередную боеголовку. И так — пока не высадит каждую боеголовку на ее траекторию. Процесс этот быстр, гораздо быстрее, чем вы читаете о нем. За полторы-две минуты боевая ступень разводит десяток боеголовок.
Бездны математики
Сказанного выше вполне достаточно для понимания, как начинается собственный путь боеголовки. Но если приоткрыть дверь чуть шире и бросить взгляд чуть глубже, можно заметить, что сегодня разворот в пространстве ступени разведения, несущей боеголовки, — это область применения кватернионного исчисления, где бортовая система ориентации обрабатывает измеряемые параметры своего движения с непрерывным построением на борту кватерниона ориентации.
Кватернион — это такое комплексное число (над полем комплексных чисел лежит плоское тело кватернионов, как сказали бы математики на своем точном языке определений). Но не с обычными двумя частями, действительной и мнимой, а с одной действительной и тремя мнимыми. Итого у кватерниона четыре части, о чем, собственно, и говорит латинский корень quatro.
Ступень разведения выполняет свою работу довольно низко, сразу после выключения разгонных ступеней. То есть на высоте 100−150 км. А там еще сказывается влияние гравитационных аномалий поверхности Земли, разнородностей в ровном поле тяготения, окружающем Землю. Откуда они? Из неровностей рельефа, горных систем, залегания пород разной плотности, океанических впадин. Гравитационные аномалии либо притягивают к себе ступень добавочным притяжением, либо, наоборот, слегка отпускают ее от Земли.
В таких неоднородностях, сложной ряби местного гравитационного поля, ступень разведения должна расставить боеголовки с прецизионной точностью.
Для этого пришлось создать более детальную карту гравитационного поля Земли. «Излагать» особенности реального поля лучше в системах дифференциальных уравнений, описывающих точное баллистическое движение. Это большие, емкие (для включения подробностей) системы из нескольких тысяч дифференциальных уравнений, с несколькими десятками тысяч чисел-констант. А само гравитационное поле на низких высотах, в непосредственной околоземной области, рассматривают как совместное притяжение нескольких сотен точечных масс разного «веса», расположенных около центра Земли в определенном порядке. Так достигается более точное моделирование реального поля тяготения Земли на трассе полета ракеты. И более точная работа с ним системы управления полетом. А еще… но полно! — не будем заглядывать дальше и закроем дверь; нам вполне хватит и сказанного.
Полет без боеголовок
Ступень разведения, разогнанная ракетой в сторону того же географического района, куда должны упасть боеголовки, продолжает свой полет вместе с ними.
Ведь отстать она не может, да и зачем? После разведения боеголовок ступень срочно занимается другими делами. Она отходит в сторону от боеголовок, заранее зная, что будет лететь немного не так, как боеголовки, и не желая их потревожить. Все свои дальнейшие действия ступень разведения тоже посвящает боеголовкам. Это материнское желание всячески оберегать полет своих «деток» продолжается всю ее оставшуюся недолгую жизнь. Недолгую, но насыщенную.
После отделенных боеголовок наступает черед других подопечных. В стороны от ступени начинают разлетаться самые забавные штуковины. Словно фокусник, выпускает она в пространство множество надувающихся воздушных шариков, какие-то металлические штучки, напоминающие раскрытые ножницы, и предметы всяких прочих форм. Прочные воздушные шарики ярко сверкают в космическом солнце ртутным блеском металлизированной поверхности. Они довольно большие, некоторые по форме напоминают боеголовки, летящие неподалеку. Их поверхность, покрытая алюминиевым напылением, отражает радиосигнал радара издали почти так же, как и корпус боеголовки.
Наземные радары противника воспримут эти надувные боеголовки наравне с реальными. Разумеется, в первые же мгновения входа в атмосферу эти шарики отстанут и немедленно лопнут. Но до этого они будут отвлекать на себя и загружать вычислительные мощности наземных радаров — и дальнего обнаружения, и наведения противоракетных комплексов. На языке перехватчиков баллистических ракет это называется «осложнять текущую баллистическую обстановку». А всё небесное воинство, неумолимо движущееся к району падения, включая боевые блоки настоящие и ложные, надувные шарики, дипольные и уголковые отражатели, вся эта разношерстная стая называется «множественные баллистические цели в осложненной баллистической обстановке».
Металлические ножницы раскрываются и становятся электрическими дипольными отражателями — их множество, и они хорошо отражают радиосигнал ощупывающего их луча радара дальнего противоракетного обнаружения. Вместо десяти искомых жирных уток радар видит огромную размытую стаю маленьких воробьев, в которой трудно что-то разобрать.
Устройства всяких форм и размеров отражают разные длины волн.Кроме всей этой мишуры, ступень теоретически может сама испускать радиосигналы, которые мешают наводиться противоракетам противника. Или отвлекать их на себя. В конце концов, мало ли чем она может быть занята — ведь летит целая ступень, большая и сложная, почему бы не нагрузить ее хорошей сольной программой?
Последний отрезок
Однако с точки зрения аэродинамики ступень не боеголовка. Если та — маленькая и тяжеленькая узкая морковка, то ступень — пустое обширное ведро, с гулкими опустевшими топливными баками, большим необтекаемым корпусом и отсутствием ориентации в начинающем набегать потоке. Своим широким телом с приличной парусностью ступень гораздо раньше отзывается на первые дуновения встречного потока. Боеголовки к тому же разворачиваются вдоль потока, с наименьшим аэродинамическим сопротивлением пробивая атмосферу. Ступень же наваливается на воздух своими обширными боками и днищами как придется.
Бороться с тормозящей силой потока она не может. Ее баллистический коэффициент — «сплав» массивности и компактности — гораздо хуже боеголовочного. Сразу и сильно начинает она замедляться и отставать от боеголовок. Но силы потока нарастают неумолимо, одновременно и температура прогревает тонкий незащищенный металл, лишая его прочности. Остатки топлива весело кипят в раскаляющихся баках. Наконец, происходит потеря устойчивости конструкции корпуса под обжавшей ее аэродинамической нагрузкой. Перегрузка помогает крушить переборки внутри. Крак! Хрясь! Смявшееся тело тут же охватывают гиперзвуковые ударные волны, разрывая ступень на части и разбрасывая их. Пролетев немного в уплотняющемся воздухе, куски снова разламываются на более мелкие фрагменты. Остатки топлива реагируют мгновенно. Разлетающиеся осколки конструктивных элементов из магниевых сплавов зажигаются раскаленным воздухом и мгновенно сгорают с ослепительной вспышкой, похожей на вспышку фотоаппарата — недаром в первых фотовспышках поджигали магний!
Все сейчас горит огнем, все обтянуто раскаленной плазмой и хорошо светит вокруг оранжевым цветом углей из костра.
Более плотные части уходят тормозиться вперед, более легкие и парусные сдуваются в хвост, растягивающийся по небу. Все горящие компоненты дают плотные дымовые шлейфы, хотя на таких скоростях этих самых плотных шлейфов быть не может из-за чудовищного разбавления потоком. Но издали их видно прекрасно. Выброшенные частицы дыма растягиваются по следу полета этого каравана кусков и кусочков, наполняя атмосферу широким белым следом. Ударная ионизация порождает ночное зеленоватое свечение этого шлейфа. Из-за неправильной формы фрагментов их торможение стремительно: все, что не сгорело, быстро теряет скорость, а с ней и горячительное действие воздуха. Сверхзвук — сильнейший тормоз! Став в небе, словно разваливающийся на путях поезд, и тут же охладившись высотным морозным дозвуком, полоса фрагментов становится визуально неразличимой, теряет свою форму и строй и переходит в долгое, минут на двадцать, тихое хаотичное рассеивание в воздухе. Если оказаться в нужном месте, можно услышать, как тихо звякнет об ствол березы маленький обгорелый кусочек дюраля.
Вот ты и прибыла. Прощай, ступень разведения!
Почему ракеты взлетают
Один из популярных детских вопросов «Почему ракеты летают?» для многих остается без ответа. Изучение космонавтики требует глубоких знаний по физике, ракетостроению, астрономии и в других отраслях. Т&Р объясняют, как происходит одно из самых завораживающих научных событий, и рассказывают, благодаря чему ракеты сохраняют скорость, не переворачиваются и преодолевают силу притяжения.
Как устроен реактивный двигатель
Русский революционер и изобретатель Николай Кибальчич создал первый в мире проект аппарата с реактивным двигателем. Однако ученый был казнен. В начале XX века эту идею стал развивать К.Э. Циолковский. Ученый разработал саму схему реактивного двигателя, который работал на жидком топливе.
Ракета способна обеспечивать собственное движение в пустоте за счет реактивной силы. То есть она самостоятельно толкает себя, подобно осьминогу или кальмару. Процесс воспламенения смеси в двигателе является непрерывным — это пример простого твердотопливного двигателя.
Еще один тип ракетного двигателя — жидкостный. В нем используется жидкий кислород или азотная кислота, при окислении этого вещества увеличивается удельный импульс — показатель эффективности реактивного двигателя или ракетного топлива.
Несмотря на всю сложность конструкции современных космических кораблей, ракета — один из самых простых летательных аппаратов. В основе ее устройства лежит принцип, согласно которому всякое действие рождает противодействие. Ракета летит, выбрасывая определенное вещество из своей хвостовой части. Несмотря на всю эту простоту, ракеты разрабатывались и совершенствовались в течение более чем семисот лет.
Луис Блумфилд. «Как все работает. Законы физики в нашей жизни»
Луис Блумфилд в своей книге «Как все работает. Законы физики в нашей жизни» приводит в пример движение по скользкому льду. Единственный способ сдвинуться — получить какой-то толчок от самого себя. Необходимо бросить кроссовок, и вы начнете двигаться в противоположную сторону.
Вы передали импульс брошенной обуви, и она обратно передала его вам. «Величина импульса кроссовка равна величине вашего противоположно направленного импульса. Естественно, ваша масса намного больше массы кроссовка, поэтому вы двигаетесь гораздо медленнее, чем он», — объясняет Блумфилд.
Движение ракеты предполагает действие двух равных и противоположно направленных сил
Аналогично этому работает реактивный двигатель. Топливо и окислитель попадают в рабочую камеру, смешиваются, сгорают в зоне горения, выделяя огромное количество тепла, которого достаточно для движения.
Траектория полета
Многие убеждены, что ракеты взлетают вертикально, однако это не так. Ракетное топливо может закончиться через 10 минут, а при вертикальном взлете этого времени просто не хватит для выхода на орбиту.
Современные ракеты взлетают вертикально на самом первом этапе, а далее меняют траекторию и двигаются под углом по отношению к Земле. Чем выше высота полета, тем заметнее угол.
Ракета совершает гравитационный разворот — маневр, при котором направление тяги совпадает или противоположно направлению движения, изменяющемуся под действием силы тяжести. Этот маневр используется в момент выведения на орбиту или при посадке с нее.
Ускорение ракеты, взлетающей под углом к горизонту: g — ускорение свободного падения, ae — вклад двигателя в ускорение, a — итоговое ускорение ракеты
Как обеспечивается устойчивость ракеты
«Ракета сохраняет динамическую устойчивость, если суммарный момент приложенных к ней сил относительно центра масс равен нулю при ориентации носом вперед», — объясняет Луис Блумфилд. Иными словами, для того чтобы ракета постоянно двигалась носом вперед и не переворачивалась, двигатель должен создавать силу тяги, которая направлена к центру масс. Второе условие устойчивости — действие аэродинамических сил. Воздушный поток обволакивает ракету и помогает лететь, если сопротивление воздуха у хвостовой части больше, чем спереди. Для устойчивого полета модели ракеты необходимо, чтобы центр тяжести модели ракеты был впереди ее центра давления.
Действие трех скоростей
Нет однозначного ответа на вопрос, с какой скоростью летит ракета. Все зависит от ее типа, загрузки и так далее. Однако все летальные аппараты стараются достигнуть космической скорости — первой (7,9 км/с), второй (11,2 км/с) и, соответственно, третьей (46,9 км/с). Первая позволяет «не упасть» и выйти на орбиту, вторая — выйти из орбиты Земли, третья — преодолеть притяжение. Чем дальше объект, с которого стартует ракета, находится от звезды, тем меньше третья космическая скорость. Например, американский космический зонд «Вояджер-1» движется со скоростью 17 км/с.
Существует и четвертая космическая скорость. Она необходима для того, чтобы объект мог преодолеть притяжение Галактики и выйти в межгалактическое пространство. Например, около Солнца четвертая космическая составляет 550 км/с.
Любовь Карась
Теги
#конструктор
#полет
#космонавтика
#космос
#ракета
#физика
Ракеты и запуски ракет, информация и факты
Пожалуйста, соблюдайте авторские права.
Несанкционированное использование запрещено.
Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.
Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.
Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.
Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.
1 / 5
1 / 5
Шаттл «Дискавери» стартует из Космического центра Кеннеди НАСА в 1984 году.
Космический шаттл «Дискавери» стартует из Космического центра Кеннеди НАСА в 1984 году. изобретение пороха в Китае более семи веков назад, люди отправили цилиндры в небо с помощью контролируемых взрывов. Эти летательные аппараты и их двигатели, называемые ракетами, часто используются в качестве фейерверков, сигнальных ракет и оружия войны.
Но с 1950-х годов ракеты также позволяют нам отправлять роботов, животных и людей на орбиту вокруг Земли и даже за ее пределы.
Как работают ракеты?
Какой бы заманчивой ни была логика, ракеты не работают, «отталкиваясь от воздуха», поскольку они также функционируют в космическом вакууме. Вместо этого ракеты используют импульс или мощность движущегося объекта.
Если никакие внешние силы не действуют на группу объектов, общий импульс группы должен оставаться постоянным во времени. Представьте, что вы стоите на скейтборде с баскетбольным мячом в руках. Если вы бросите баскетбольный мяч в одном направлении, вы и скейтборд покатитесь в противоположном направлении, чтобы сохранить импульс. Чем быстрее вы бросаете мяч, тем быстрее катитесь назад.
Ракеты работают, выбрасывая горячий выхлоп, который действует так же, как баскетбольный мяч. Молекулы выхлопных газов по отдельности весят немного, но они очень быстро покидают сопло ракеты, придавая им большой импульс. В результате ракета движется в направлении, противоположном выхлопу, с той же общей силой.
Ракеты производят выхлоп, сжигая топливо в ракетном двигателе.
В отличие от реактивных двигателей самолетов, ракеты предназначены для работы в космосе: у них нет воздухозаборников, и они несут с собой собственные окислители — вещества, играющие роль кислорода при сжигании топлива. Ракетное топливо и окислитель, называемые ракетным топливом, могут быть как твердыми, так и жидкими. Боковые ускорители шаттла используют твердое топливо, в то время как многие современные ракеты используют жидкое топливо.
Какие этапы запуска ракеты?
Современные большие космические ракеты состоят как минимум из двух ступеней, секций, уложенных друг на друга в общей цилиндрической оболочке. У каждой ступени есть свои двигатели, количество которых может различаться. Первая ступень ракеты SpaceX Falcon 9 имеет девять двигателей, а первая ступень ракеты Antares компании Northrop Grumman — два.
Первая ступень ракеты выводит ракету из нижних слоев атмосферы, иногда с помощью дополнительных боковых ускорителей. Поскольку первая ступень должна поднять всю ракету, ее груз (или полезную нагрузку) и любое неиспользованное топливо, это самая большая и мощная секция.
Чем быстрее летит ракета, тем большее сопротивление воздуха она встречает. Но чем выше поднимается ракета, тем тоньше становится атмосфера. В совокупности эти два фактора означают, что нагрузка на ракету возрастает, а затем падает во время запуска, достигая максимума при давлении, известном как max q. Для SpaceX Falcon 9 и United Launch Alliance Atlas V максимальное значение q достигается через 80–90 секунд после старта на высоте от семи до девяти миль.
Как только первая ступень выполнила свою работу, ракета сбрасывает эту часть и зажигает вторую ступень. Второй ступени нужно транспортировать намного меньше, и ей не нужно пробиваться сквозь плотные нижние слои атмосферы, поэтому обычно у нее всего один двигатель. В этот момент ракеты также отпускают свои обтекатели, заостренный колпачок на конце ракеты, который защищает то, что несет ракета — ее полезную нагрузку — во время первой фазы запуска.
Исторически сложилось так, что большая часть выброшенных частей ракет падала обратно на Землю и сгорала в атмосфере.
Но начиная с 1980-х годов с космическим челноком НАСА инженеры разрабатывали детали ракет, которые можно было восстановить и использовать повторно. Частные компании, в том числе SpaceX и Blue Origin, даже строят ракеты с первыми ступенями, которые возвращаются на Землю и самостоятельно приземляются. Чем больше частей ракеты можно использовать повторно, тем дешевле могут быть запуски ракеты.
Какие бывают типы ракет?
Так же, как автомобили бывают разных форм и размеров, ракеты различаются в зависимости от выполняемой ими работы.
Зондирующие ракеты взлетают высоко в воздух по баллистическим дугам, летят в космос на пять-двадцать минут, прежде чем рухнуть обратно на Землю. Они чаще всего используются для научных экспериментов, которые не требуют много времени в космосе. Например, в сентябре 2018 года НАСА использовало зондирующую ракету для проверки парашютов для будущих миссий на Марс. (Где именно находится край пространства? Ответ на удивление сложен.)
Суборбитальные ракеты, такие как New Shepard компании Blue Origin, достаточно сильны, чтобы временно выходить в космос для научных экспериментов или космического туризма.
Ракеты орбитального класса достаточно мощны, чтобы выводить объекты на орбиту вокруг Земли. В зависимости от того, насколько велика полезная нагрузка, они также могут отправлять объекты за пределы Земли, такие как научные зонды (или спортивные автомобили).
Для доставки спутников на орбиту или за ее пределы требуется серьезная мощность. Чтобы спутник оставался на круговой орбите на высоте 500 миль над поверхностью Земли, его необходимо разогнать до более чем 16 600 миль в час. Ракета «Сатурн-5», самая мощная из когда-либо построенных, подняла более 300 000 фунтов полезного груза на низкую околоземную орбиту во время миссий «Аполлон».
На данный момент Falcon Heavy от SpaceX и Delta IV Heavy от United Launch Alliance являются самыми мощными ракетами в мире, но скоро появятся еще более мощные ракеты. Как только система космического запуска НАСА преодолеет задержки и перерасход средств, она станет самой мощной ракетой из когда-либо созданных. Тем временем SpaceX строит тестовую версию своего звездолета, массивной ракеты, ранее известной как BFR (Big Falcon Rocket).
Россия также объявила о своей цели запустить «сверхтяжелую» ракету в 2028 году.
В то время как одни производители ракет становятся крупными, другие становятся мелкими, чтобы обслуживать растущий бум недорогих спутников размером не больше холодильника. Ракета Electron от Rocket Labs может поднять на низкую околоземную орбиту всего несколько сотен фунтов, но для перевозки небольших спутников это все, что ей нужно.
Что такое стартовая площадка?
Стартовая площадка — это платформа, с которой запускается ракета, и их можно найти на объектах, называемых стартовыми комплексами или космодромами. (Изучите карту действующих космодромов мира.)
Типичная стартовая площадка состоит из площадки и стартовой установки — металлической конструкции, поддерживающей вертикальную ракету перед ее запуском. Шланговые кабели от пусковой установки обеспечивают ракету питанием, охлаждающими жидкостями и доливкой топлива перед запуском. Конструкция также помогает защитить ракету от ударов молнии.
Разные стартовые комплексы имеют разные способы постановки ракет на стартовые столы. В Космическом центре Кеннеди НАСА космический шаттл был собран вертикально и доставлен на стартовую площадку на похожем на танк транспортном средстве, называемом гусеничным ходом. Российская космическая программа транспортирует свои ракеты горизонтально на поезде к стартовой площадке, где они затем поднимаются в вертикальном положении.
Стартовые площадки также имеют функции, которые минимизируют ущерб от запуска ракеты. Когда ракета впервые зажигается, клапаны на стартовой площадке выбрасывают сотни тысяч галлонов воды в воздух вокруг выхлопной трубы, что помогает уменьшить оглушительный рев ракеты. Траншеи под стартовой площадкой также направляют выхлопные газы ракеты наружу и в сторону от корабля, поэтому пламя не может подняться обратно и поглотить саму ракету.
Куда запускают ракеты?
В мире есть множество стартовых площадок, каждая из которых имеет свои плюсы и минусы.
В общем, чем ближе стартовая площадка к экватору, тем она эффективнее. Это потому, что экватор движется быстрее, чем полюса Земли, когда планета вращается, как внешний край вращающейся пластинки. Стартовые площадки в более высоких широтах легче выводят спутники на орбиты, проходящие над полюсами.
В период с 1957 по 2017 год 29 космодромов отправили спутники или людей на орбиту. Многие из объектов все еще активны, в том числе единственные три объекта, которые когда-либо запускали людей на орбиту. На подходе больше космодромов, как государственных, так и частных. В 2018 году американо-новозеландская компания Rocket Labs запустила спутники на орбиту с собственной частной стартовой площадки на полуострове Махия в Новой Зеландии.
Где можно увидеть запуск ракеты?
В США Космический центр имени Кеннеди НАСА регулярно предлагает доступ для посетителей. Центр полётов НАСА Уоллопс в Вирджинии также позволяет наблюдать за запуском из своего центра для посетителей. Космодром Европейского космического агентства во Французской Гвиане открыт для посетителей, но агентство призывает путешественников планировать свои действия заранее.
Туристы могут посетить казахстанский космодром Байконур, легендарный дом советских и российских космических программ, но только забронировав тур. Объект находится под строгой охраной. (Посмотрите фотографии деревень возле российского космодрома Плесецк, где утилизация выброшенных ракет — это образ жизни.)
Если вы не можете посетить космодром лично, не беспокойтесь: многие государственные космические агентства и частные компании предлагают онлайн-трансляции своих запусков.
Читать дальше
15 знаковых изображений из архива National Geographic
- Фотография
15 знаковых изображений из архива National Geographic
Более 115 лет назад National Geographic опубликовала свой первый фоторепортаж и никогда не оглядывалась назад. Эти недавние изображения взяты из архива National Geographic и прославляют силу современной фотографии.
Черная канадская рысь впервые замечена
- Животные
Черная канадская рысь впервые замечена
Темношерстная кошка имеет генетическое заболевание, называемое меланизмом, которое наблюдается примерно у трети кошек , но не ранее у этого вида.
Эксклюзивный контент для подписчиков
Почему люди так одержимы Марсом?
Как вирусы формируют наш мир
Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу
Узнайте, как люди представляли себе жизнь на Марсе на протяжении всей истории
Узнайте, как новый марсоход НАСА будет исследовать красную планету
12 Почему люди настолько чертовски одержимы Марсом?
Как вирусы формируют наш мир
Эпоха собачьих бегов в США подходит к концу
Узнайте, как люди представляли себе жизнь на Марсе на протяжении всей истории
Посмотрите, как новый марсоход НАСА будет исследовать красную планету
Почему люди так одержимы Марсом?
Как вирусы формируют наш мир
Эра собачьих бегов в США подходит к концу будет исследовать красную планету
Подробнее
Как именно работают ракеты?
На протяжении многих веков люди использовали управляемые взрывы для приведения в движение объектов.
Один из таких примеров – ракеты, которые сегодня широко используются в качестве фейерверков, сигнальных ракет, оружия войны и, конечно же, для исследования космоса.
Но как они на самом деле работают? Давайте очень кратко рассмотрим.
Эта статья не претендует на роль исчерпывающего руководства, поскольку ракетостроение, в конце концов, является «ракетостроением».
Как именно работают ракеты?
Ракеты — это особый вид двигателя, который сжигает топливо для создания движения. В большинстве случаев ракеты преобразуют свою полезную топливную нагрузку в горячие газы, которые выбрасываются из их задней части, чтобы двигать их в заданном направлении.
В этом смысле у вас может возникнуть искушение подумать о ракетах, которые просто летят по воздуху. Но, поскольку ракеты также могут прекрасно работать в космическом вакууме, на самом деле это не то, что происходит.
Источник: Пол Пеллерито/Flickr
На самом деле, они действуют, используя принцип «третьего закона движения» Ньютона, который, проще говоря, гласит, что «на каждое действие есть равное и противоположное противодействие».
В этом смысле можно сказать, что ракеты используют импульс — силу, которой обладает движущийся объект.
При прочих равных условиях без внешних сил импульс объекта или совокупный импульс набора объектов должен оставаться постоянным во времени. Это основа знаменитого закона Ньютона.
Чтобы визуализировать это, представьте, что вы стоите на скейтборде, держа в руках баскетбольный мяч.
Если бы вы бросили баскетбольный мяч в одном направлении, вы (и скейтборд) покатились бы в противоположном направлении с такой же силой. Чем больше силы прикладывается при броске мяча, тем больше силы толкает скейтборд (и вас) в противоположном направлении.
Ракеты работают примерно так же. Выбрасывая горячий выхлоп с одного конца ракеты, ракета движется в противоположном направлении, как в примере со скейтбордом.
Но это еще не все. Другим формам двигателей внутреннего сгорания, таким как автомобильные или авиационные двигатели, включая реактивные двигатели, для работы нужен воздух (в частности, им нужен содержащийся в нем кислород).
По этой причине они не могут работать в вакууме космоса.
Ракеты, с другой стороны, отлично работают в космосе. Но как?
Источник: Steve Jurvetson/Flickr
В отличие от двигателей внутреннего сгорания или реактивных двигателей, ракеты несут с собой собственный запас кислорода или другого окислителя. Как и топливо, они могут быть в твердой, жидкой или гибридной форме (подробнее об этом позже).
Самые популярные
Окислитель и горючее смешиваются в камере сгорания ракеты, а выхлопные газы выбрасываются с высокой скоростью из задней части ракеты.
Процесс работает как в присутствии атмосферы, так и в космическом вакууме. Фактическая работа ракеты обычно происходит в отсутствие воздуха — фактически, в отличие от автомобилей и самолетов, ракеты не имеют воздухозаборников.
Молекулы выхлопа ракеты по отдельности очень малы, но они очень быстро покидают сопло ракеты и в большом количестве придают им большой импульс. На самом деле достаточно, чтобы придать многотонному объекту инерцию, необходимую ему для того, чтобы вырваться из-под земного притяжения.
Довольно впечатляющий подвиг, если подумать.
В чем разница между тягой и подъемной силой?
Тяга и подъемная сила — две фундаментальные силы полета, и, хотя они связаны, они совершенно разные силы (двумя другими фундаментальными силами являются сопротивление и вес). Первая, тяга, — это любая сила, которая перемещает самолет (или ракету) в направлении движения.
Источник: NASA
Его можно создать с помощью пропеллера, реактивного двигателя или, конечно же, ракетного двигателя. В первых двух примерах воздух втягивается внутрь, а затем выталкивается в противоположном направлении — как в бытовом вентиляторе. В последнем случае воздух не требуется для обеспечения тяги транспортного средства.
Подъемная сила, с другой стороны, представляет собой осторожное взаимодействие аэродинамических сил, которые удерживают самолеты или аналогичные транспортные средства в воздухе. Для самолетов обеспечение подъемной силы является основной работой крыльев и других подъемных поверхностей.
Для ракет подъемная сила является менее важным фактором, поскольку их траектория и «полет» являются более важными факторами ее движения и траектории полета, поскольку соображения преодоления лобового сопротивления, как правило, имеют приоритет. При этом подъемная сила важна для стабилизации и управления ракетой во время полета и обычно обеспечивается стабилизаторами, носовым обтекателем и трубой корпуса.
Какие основные части ракеты?
Большинство современных ракет состоят как минимум из двух ступеней. Это секции ракеты, уложенные друг на друга в цилиндрической оболочке (последовательная постановка).
Одним из примеров такой формы размещения ракет является серия NASA Saturn V.
Впечатление художника от серии ракет Европейского космического агентства. Источник: ESA/Flickr
Другие типы ракет используют параллельное размещение. В этом случае меньшие первые ступени привязываются к корпусу центральной «маршевой» ракеты. При запуске все двигатели зажигаются.
Когда топливо в накладных ракетах гаснет, они выбрасываются, в то время как маршевый двигатель продолжает гореть. Space Shuttle использует параллельную постановку, в то время как такие ракеты, как NASA Titan III и Delta II, используют как последовательную, так и параллельную постановку.
Каждая ступень имеет свой набор двигателей, количество которых зависит от конструкции. Например, первая ступень Falcon 9 компании SpaceX имеет девять двигателей, а ракета Antares компании Northrop Grumman — два.
Задача первой ступени — вывести ракету из нижних слоев атмосферы. Там могут быть или не быть дополнительные боковые ускорители, чтобы помочь.
Поскольку эта начальная ступень должна нести вес всей ракеты (с полезной нагрузкой и неизрасходованным топливом), обычно это самая большая и мощная часть.
Когда ракета разгоняется, она сначала сталкивается с возрастающим сопротивлением воздуха, которое она также должна преодолевать с помощью грубой тяги. Но по мере того, как он поднимается выше, атмосфера становится тоньше, а сопротивление воздуха уменьшается.
Это означает, что напряжение, испытываемое ракетой во время типичного запуска, сначала возрастает до пика, а затем снова падает. Пиковое давление известно как max q.
Источник: Steve Jurvetson/Flickr
Для SpaceX Falcon 9 и United Launch Alliance Atlas V максимальное значение q обычно составляет от 80 до 90 секунд запуска на высоте от 7 миль (11 км) до девяти миль (14,5 км).
Как только первая ступень завершила свою работу, ракеты обычно сбрасывают эту секцию и зажигают вторую ступень. У второй ступени меньше работы (потому что она имеет меньшую массу для перемещения) и имеет то преимущество, что имеет более разреженную атмосферу, с которой приходится бороться.
По этой причине вторая ступень часто состоит только из одного двигателя. Большинство ракет также сбрасывают свои обтекатели на этом этапе (это заостренный колпачок на конце ракеты, который защищает полезную нагрузку).
В прошлом выброшенные нижние части ракеты просто сгорали в атмосфере. Но примерно с начала 1980-х годов инженеры начали проектировать эти секции так, чтобы их можно было восстанавливать и использовать повторно.
Источник: SpaceX/YouTube
Частные компании, такие как SpaceX и Blue Origin, развили этот принцип и разработали их так, чтобы они могли возвращаться на Землю и самостоятельно приземляться. Это выгодно, так как чем больше деталей можно использовать повторно, тем дешевле могут стать запуски ракет.
Какое топливо используется в ракете?
Современные ракеты, как правило, используют жидкое, твердое или гибридное топливо. Жидкие формы топлива, как правило, классифицируются как нефть (например, керосин), криогены (например, жидкий водород) или гиперголы (например, гидразин). В некоторых случаях также можно использовать спирт, перекись водорода или закись азота.
Твердое топливо бывает двух видов: гомогенное и составное. Оба очень плотные, устойчивые при комнатной температуре и легко хранятся.
Тяжелые ракеты SpaceX Falcon Heavy возвращаются на Землю. Источник: официальные фотографии SpaceX/Flickr 9.0002 Первый может быть либо простым основанием (например, нитроцеллюлоза), либо двойным основанием (например, смесью нитроцеллюлозы и нитроглицерина).
С другой стороны, в составных твердых ракетных топливах в качестве окислителя используется кристаллизованная или тонкоизмельченная минеральная соль.
В большинстве случаев в качестве топлива используется алюминий. Топливо и окислитель могут удерживаться вместе полимерным связующим, который также расходуется при сгорании.
Как работают стартовые площадки для ракет?
Стартовые площадки, как следует из названия, представляют собой платформы, с которых запускаются ракеты. Они, как правило, являются частью более крупного комплекса, объекта или космодрома.
Типичная пусковая площадка состоит из площадки или пусковой установки, которая обычно представляет собой металлическую конструкцию, поддерживающую ракету в вертикальном положении перед стартом. Эти конструкции будут иметь шлангокабели, которые заправляют ракету и обеспечивают охлаждающую жидкость перед запуском, помимо других функций.
У них также есть молниеотводы для защиты ракеты во время грозы.
Источник: Chris Devers/Flickr
Стартовые комплексы различаются по конструкции в зависимости от конструкции ракеты и потребностей оператора. Например, Космический центр имени Кеннеди НАСА спроектировал космический шаттл так, чтобы он вертикально крепился к ракете, и был доставлен на стартовую площадку на массивном танкоподобном транспортном средстве под названием «Гусеничный».
В России ракеты собирали и доставляли в горизонтальном положении на стартовую площадку, а затем поднимали в вертикальном положении на месте .
И это, любители ракет, ваш удел на сегодня. Хотя это введение было довольно кратким, оно должно вооружить вас основными лакомыми кусочками знаний, которые вам понадобятся, чтобы получить общее представление об этих удивительных технологиях.
Существует множество ресурсов для получения дополнительной информации, и мы настоятельно рекомендуем вам ознакомиться с ними на досуге.
Для вас
инновации
Всемирно признанный эксперт по инновационным изменениям Найджел Барлоу о том, как никогда не было более важного времени для поощрения инноваций.