Многоступенчатая ракета

Шаблон:ВикифицироватьШаблон:ЗаготовкаШаблон:Нет иллюстраций

Один из рисунков первых рисунков с изображением ракет был опубликован в труде артиллериста Казимира Семеновича, уроженца Витебщины, «Первая книга великого искусства артиллерии», напечатанном в 1650 году в Амстердаме,Нидерланды. На нем - трехступенчатая ракета, в которой третья ступень вложена во вторую, а обе они вместе — в первую ступень. В головной части каждой ступени помещался состав для фейерверка. Ракеты были начинены твердым топливом — порохом.

Это изобретение интересно тем, что оно более трехсот лет назад предвосхитило направление, по которому пошла новейшая ракетная техника. Об использовании многоступенчатых ракет для освоения космоса впервые заговорил Циолковский. В 1929 г. он выпустил в свет свою новую книгу под заглавием "Космические ракетные поезда". Этим термином К. Циолковский назвал составные ракеты или, вернее, агрегат ракет, делающих разбег по земле, потом в воздухе и, наконец, в космическом пространстве. Поезд, составленный, например, из 5 ракет, ведется сначала первой - головной ракетой; по использовании ее горючего, она отцепляется на землю. Далее, таким же образом, начинает работать вторая, затем третья, четвертая и, наконец, пятая, скорость которой будет к тому времени достаточно велика, чтобы унестись в межпланетное пространство. Последовательность работы с головной ракеты вызывается стремлением заставить материалы ракет работать не на сжатие, а на растяжение, с которым легче бороться.

По Циолковскому, длина каждой ракеты - 30 метров. Диаметры — 3 метра. Газы вырываются косвенно к оси ракет, чтобы не давить на следующие ракеты. Длина разбега по земле — несколько сот километров.

Современные ракеты, как известно, не "разбегаются" по земле, а взлетают вертикально. В идеале при полете ракеты ее масса непрерывно уменьшается по мере выгорания топлива. Когда часть топлива выгорела, то масса топливных баков становится избыточной. Поэтому логично вместо одного топливного бака для всей ракеты разбить топливный бак на несколько частей, включающихся последовательно – как только в одном из баков все топливо выгорит, его надо сбросить, как ненужный балласт.

Принцип работы многоступенчатой ракеты

В начале, при пуске, работает двигатель 1-й ступени, способный поднять и разогнать до определенной скорости всю ракету. После израсходования основной массы топлива двигатель 1-й ступени вместе с конструкцией, включающей опорожненные баки, отбрасывается. Дальнейший полёт продолжается при работающем двигателе 2-й ступени, имеющем меньшую тягу, но способным сообщить облегчённой ракете дополнительную скорость. После выгорания топлива 2-й ступени включается двигатель 3-й ступени, а 2-я ступень сбрасывается. Процесс отделения ступеней теоретически может быть продолжен и далее, однако из-за усложнения конструкции 2-4 ступени практически являются пределом.

Конструктивно многоступенчатые ракеты выполняются с последовательным и параллельным расположением ступеней. При обычном последовательном соединении (тандем) каждая отдельная ступень сначала полностью отрабатывает, затем отделяется, после чего включается двигатель следующей ступени. При параллельном соединении (т. н. пакетные схемы) отдельные ступени (а также двигатели и топливные баки) могут участвовать в работе одновременно.

Существует много других комбинаций, например параллельное соединение 1-й и 2-й ступеней и последовательное 2-й и 3-й. Обычно при запуске легких спутников используются двухступенчатые ракеты с последовательным соединением. При запуске пилотируемых аппаратов, например, с применением ракетоносителей «Союз» и «Энергия», сначала одновременно включаются первые и вторые ступени, после отстыковки первых ступеней продолжает работать вторая, после ее отстыковки начинает работать третья. Иногда на двухступенчатую или трехступенчатую ракету для придания ей дополнительного ускорения ставят так называемые «разгонные блоки», которые по своему назначению фактически являются дополнительной ступенью.В 1935 году Циолковский написал работу «Наибольшая скорость ракеты», в которой показал, что при имеющемся уровне техники (жидкостные реактивные двигатели) достичь первой космической скорости можно только с помощью многоступенчатой ракеты. Речь идет, понятно, о первой космической скорости для Земли. Возвращавшиеся аппараты с Луны выводились в космос простеньким одноступенчатым движком.

Более глубокая математическая проработка была продолжена в 50-е гг., когда вопросы расчёта и конструирования многоступенчатых ракет стали насущными практическими задачами науки и техники.

Всегда ли космические ракеты будут многоступенчатыми? Теоретически понятно, что если удастся сделать ракеты со скоростью истечения рабочего тела намного более высокой, чем у ракет с химическими (жидкостными или твердотопливными) двигателями, то и с земли можно будет запускать не многоступенчатые ракеты (которые по сути своей – одноразовые), а многоразовые аппараты. Известны реактивные двигатели со значительно более высокой скоростью истечения рабочего тела – это электрореактивные или ядернореактивные двигатели (возможен, например, и их гибрид – например, хорошо разработанные ракеты, в которых рабочим телом служат ионы ксенона, разгоняемые до нужной скорости ядерной энергетической установкой). Однако у электрореактивных ракет пока очень малая тяга, чтобы стартовать с Земли, запускать же ракеты с ядерным двигателем прямо с Земли опасно с точки зрения экологии. Поэтому их пока можно запускать только с орбиты, а на орбиту их надо выводить все теми же многоступенчатыми жидкостными ракетами. Возможно, прогресс здесь наступит после внедрения электронно-импульсных двигателей, которые будут обладать достаточной силой тяги для старта с Земли.