Космическая ракета: что это, как появилась, виды, какое топливо используется

Как появились космические ракеты, принцип работы. Чем ракеты на твердом топливе отличаются от ракет на жидком топливе. Что такое «Разгонный блок». Ответы на эти и другие вопросы вы найдете на нашем сайте Hi-Tech Mail.ru.
Что такое космические ракеты
Типы космических ракет
Как ракеты взлетают
Ракетные двигатели
Ракетное топливо
Ступени ракеты
Полезная нагрузка
Система аварийного спасения
Что такое космические ракеты
Типы космических ракет
Как ракеты взлетают
Ракетные двигатели
Ракетное топливо
Ступени ракеты
Полезная нагрузка
Система аварийного спасения
Ещё
Космическая ракета
Источник: Hi-Tech Mail.ru

Что такое космические ракеты

Если идти строго по учебнику физики, то стоит вспомнить, что космическая ракета — это высокоскоростной летательный аппарат, способный покинуть поверхность Земли и достичь космического пространства. Космические ракеты используются для запуска искусственных спутников Земли, а также межпланетных зондов и космических кораблей.

Это устройство, работающее по третьему закону Ньютона, функционирует несложно: двигатель сжигает специальное топливо и выбрасывает реактивную струю с высокой скоростью и большим количеством энергии, что создает сильную тягу, приводящую к равномерному ускорению в противоположном направлении.

Максимальная скорость после запуска зависит от многих факторов, таких, как тип ракеты, используемые топливо, масса груза, атмосферные условия и многое другое. Но конечная цель у большинства ракет одна — придать космическому аппарату, находящемуся внутри носового обтекателя, начальную скорость, необходимую для выхода на орбиту.

Например, максимальная скорость модуля «Юнона», запущенного ракетой «Атлас-5», после выхода в космическое пространство приблизилась к 266000 км/ч. Это позволило ему достичь Юпитера и прислать на Землю серию уникальных снимков.

Фото: Unsplash
Фото: Unsplash

Типы космических ракет

Одним из основных различий между ракетами является их тип: одноразовые и многоразовые.

Одноразовые ракеты — это огромные сооружения, предназначенные для единичного использования. После вывода спутника на орбиту разгонные блоки обычно падают в океан или в безлюдных степях, а вторая или третья ступени сгорают в плотных слоях атмосферы или выводятся на орбиту захоронения.

Еще ракеты имеют различную грузоподъемность. По этому параметру они делятся на легкие, средние и тяжелые.

Большинство из наиболее известных ракет, включая российскую «Союз», европейскую «Ариан-5», американские «Атлас» и «Дельта», считаются одноразовыми. Российская ракета «Ангара-А5» относится к классу тяжелых одноразовых ракет.

Запуск ракеты-носителя «Протон-К» с модулем «Звезда» для Международной космической станции / NASA
Запуск ракеты-носителя «Протон-К» с модулем «Звезда» для Международной космической станции / NASA

Американские Falcon 9 относятся к классу тяжелых многоразовых ракет и могут быть использованы повторно. Таких в мире пока немного. К этому типу ракет также относятся частично многоразовая Falcon Heavy и носитель корабля Starship — Super Heavy, способный выводить на низкую опорную орбиту до 150 тонн груза.

Запуск Falcon 9 Block 5 со спутником Bangabandhu-1 (11 мая 2018) / SpaceX
Запуск Falcon 9 Block 5 со спутником Bangabandhu-1 (11 мая 2018) / SpaceX

Как ракеты взлетают

Все запуски ракет происходят на специальных космодромах: наземных или морских площадках, специально построенных для космических технологий. К таким космодромам относятся «Байконур», «Восточный» или «Плесецк», а также космодром на мысе Канаверал или Вандерберг в США. Наземные космодромы представляют собой огромные площадки с подготовленными стартовыми площадками, взлетными полосами для авиации и множеством командных центров.

Космодром «Байконур» / NASA
Космодром «Байконур» / NASA

Для удешевления космических запусков в последние десятилетия активно пытаются использовать морские космодромы. Эти площадки представляют собой специально оборудованные корабли, которые могут перемещаться по океану и запускать ракеты с экватора. Это необходимо, чтобы ракета быстрее достигала орбиты и тратила на это меньше времени и топлива.

Несмотря на разницу в принципах запуска, процесс старта ракеты начинается с заполнения топливных баков горючим и окислителем. Затем система запуска ракеты автоматически или по команде с Земли активирует двигатель, который начинает выбрасывать реактивную струю, поднимая ракету вверх.

Первые несколько секунд взлета наиболее важны для полетной программы: в этот момент ракета испытывает наибольшую нагрузку, и, как правило, именно на этом этапе проявляются даже незначительные дефекты конструкции. После того, как ракета преодолевает гравитацию Земли, ее скорость увеличивается.

Обычно, при запуске космического корабля на орбиту Земли, ракета «Союз» разгоняется до скорости около 28000 км/час (17 500 миль/час).

Ракетные двигатели

Ракетный двигатель — это устройство, которое создает тягу, необходимую для запуска ракеты в космическое пространство. Один из наиболее распространенных типов ракетных двигателей — это жидкостные ракетные двигатели (ЖРД). Они работают на основе смеси жидкого топлива и окислителей, которые смешиваются и сжигаются в камере сгорания под высоким давлением.

ЖРД обладают высокой тягой, но проектирование и производство этих двигателей могут освоить далеко не все страны. Самым известным ракетным двигателем России является РД-180. Этот аппарат используют как на российских ракетах «Союз», так и на американских носителях «Атлас-5». Аналогами этих двигателей считаются американские Merlin (SpaceX) и BE-4 (Blue Origin).

Модель двигателя РД-180 / Wikimedia
Модель двигателя РД-180 / Wikimedia

Ракетное топливо

В ракетостроении наиболее распространенным топливом является топливная пара керосин + кислород. Керосин обладает высокой энергетической плотностью, хорошей стабильностью и долгим сроком хранения. Кислород, в свою очередь, является эффективным окислителем, который позволяет достигать высоких скоростей и энергетической эффективности при сгорании. Однако в последнее время большого прогресса удалось достичь в разработке кислород-метановых двигателей.

Метан считается более экологически чистым топливом, чем керосин. При его сжигании в камере сгорания выделяется значительно меньше углекислого газа, оксидов азота и других вредных веществ, чем при сгорании керосина. Это особенно важно для космических миссий, где каждая тонна вредных выбросов может иметь негативные последствия для окружающей среды и космического оборудования. Во-вторых, метан обладает высокой энергетической плотностью, что позволяет добиваться сопоставимой с керосином энерговооруженности ракеты.

Также метан легче закупить и проще хранить, чем керосин и кислород, что делает его привлекательным для использования в миссиях, которые требуют большого объема топлива.

Ступени ракеты

Как правило, ракеты собираются из нескольких блоков, где первая ступень — это всегда разгонный модуль, а уже вторая и третья могут быть разделены на несколько ступеней в зависимости от того, сколько различных блоков или модулей они используют для достижения заданной высоты или скорости. Каждая ступень обычно содержит свой собственный двигатель и систему подачи топлива.

У ракет «Сатурн-5», используемых для полетов в космос 40−50 лет назад, было три ступени, а самая большая ракета СССР — «королёвская» Р-7 — использовала две ступени.

Ракеты-носители на базе Р-7 / NASA
Ракеты-носители на базе Р-7 / NASA

Современные ракеты используют двухступенчатую схему: как и 50 лет назад в первой ступени находится разгонный блок, во второй — отсек с полезной нагрузкой. Чаще всего первая ступень сгорает в атмосфере или падает в безлюдных районах, однако некоторые ракеты, например американская Falcon 9, оснащены технологией возврата первых ступеней для повторного использования.

Полезная нагрузка

Полезная нагрузка ракеты — это любое оборудование, материалы или любые предметы, которые перевозятся во второй ступени и выполняют определенную задачу после ее отделения от разгонного блока. Например, для гражданских миссией полезная нагрузка может включать в себя научные приборы, спутники связи и навигации, телескопы и другое оборудование для проведения исследований в космосе.

Если ракета запускается в интересах военных, то полезная нагрузка может включать в себя разведывательные спутники или другие космические аппараты военного назначения.

Система аварийного спасения

Одним из наиболее распространенных методов спасения экипажей является использование спасательных капсул. Это закрытые кабины, которые могут отделиться от остальной части ракеты и вернуться на Землю посредством специальных парашютов. Капсулы могут быть оборудованы кислородными баллонами, системами жизнеобеспечения, а также специальными устройствами, которые помогают снизить нагрузку на экипаж при посадке. несколько лет назад такая система спасла жизни экипажу корабля «Союз» МС-10.

Космический корабль «Союз-МС 10» с двумя членами экипажа на борту — российским космонавтом Алексеем Овчининым и американцем Ником Хейгом отклонился от заданной траектории полета, после чего командир корабля принял решение отменить полет.

Космический корабль Союз ТМА-8 в процессе сборки, видна ДУ САС на головном обтекателе и сложенные решетчатые стабилизаторы / Фото: NASA
Космический корабль Союз ТМА-8 в процессе сборки, видна ДУ САС на головном обтекателе и сложенные решетчатые стабилизаторы / Фото: NASA

На космических кораблях «Союз» система спасения позволяет спасти космонавтов с нулевой до 140-й секунды полета. Система аварийного спасения на «Союзах» максимально интегрирована в ракету-носитель. Основной двигатель, а также агрегаты разделения и управления используют твердое топливо с максимальной тягой и включаются за доли секунды. Система спасения экипажа подключается за 15 минут до намеченного старта и позволяет эвакуировать экипаж даже если ракета загорелась на стартовом столе.