Как устроена ракета и почему она летит Фрагмент книги американского физика Луиса Блумфилда «Как все работает»

Рис. 1. Схема составной ракеты с поперечным делением.

РАКЕ́ТА (от итал. rocchetta – ма­лень­кое ве­ре­те­но), ле­та­тель­ный ап­па­рат, дви­жущий­ся под дей­ст­ви­ем ре­ак­тив­ной си­лы (тя­ги), воз­ни­каю­щей при от­бра­сы­ва­нии мас­сы сго­раю­ще­го ра­кет­но­го то­п­ли­ва (ра­бо­че­го те­ла), яв­ляю­ще­го­ся ча­стью собств. мас­сы Р. В во­ен. тер­ми­но­ло­гии сло­во «Р.» обо­зна­ча­ет класс, как пра­ви­ло, бес­пи­лот­ных ЛА, при­ме­няе­мых для по­ра­же­ния уда­лён­ных объ­ек­тов (до­став­ка к це­ли бое­во­го за­ря­да, обыч­но­го или ядер­но­го) и ис­поль­зую­щих для по­лё­та прин­цип ре­ак­тив­но­го дви­же­ния (см. так­же Ра­кет­ное ору­жие, Ра­кет­но-ядер­ное ору­жие). По­лёт Р. не тре­бу­ет на­ли­чия ат­мо­сфе­ры, что по­зво­ля­ет ис­поль­зо­вать её в ка­че­ст­ве осн. тех­нич. сред­ст­ва для до­сти­же­ния кос­мич. про­стран­ст­ва и од­но­го из наи­бо­лее эф­фек­тив­ных средств до­став­ки бое­во­го за­ря­да в во­ен. дей­ст­ви­ях. В за­ви­си­мо­сти от ти­па при­ме­няе­мо­го в ра­кет­ном дви­га­те­ле то­п­ли­ва (см. Ра­кет­ные топ­ли­ва) боль­шин­ст­во Р. под­раз­де­ля­ют­ся на Р. с жид­ко­ст­ными ра­кет­ны­ми дви­га­те­ля­ми (ЖРД) и с твер­до­то­п­лив­ны­ми ра­кет­ны­ми дви­га­те­ля­ми. При по­лё­те в ат­мос­фе­ре при­ме­ня­ют­ся так­же воз­душ­но-ре­ак­тив­ные дви­га­те­ли. В пер­спек­ти­ве воз­мож­но соз­да­ние Р., ис­поль­зую­щих ядер­ный ра­кет­ный дви­га­тель.

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 /© Wikipedia.

Электроника

В качестве бортового компьютера я использую собственную схему, в основе которой находится Arduino Nano.

Схема полётного компьютера

Компоненты:

• Барометр BMP180
• Гироскоп-акселерометр MPU6050
• Пищалка
• microSD модуль
• Реле\MOSFET для активации запала мортирки
• 2 шт. 18650 аккумуляторов
• LM7805 для понижения напряжения для контроллера
• Мини-тумблер для включения компьютера
• Разъем JST-2P для соединения с запалом мортирки

При запуске компьютера инициализируются все датчики и модули, записывается текущая высота, подаётся звуковой сигнал перехода в режим ожидания старта. Моментом старта считается случай изменения высоты на пороговое значение (например 5 метров).

if (delta_altitude > max_delta) { // старт }

В момент старта фиксируется (записывается время), далее на карту начинают записываться данные с датчиков. В процессе полёта отслеживается апогей — записывается текущая высота, если она меньше предыдущей. Если текущая высота падает на пороговое значение, то зажигаем вышибной заряд.

if (altitude > max_altitude) { max_altitude = altitude; } // Check for apogee, do not allow to release chute while too close to ground or while engine still working if ((max_altitude — altitude) > max_delta and ignited == false and ((millis() — start_time) > apogee_delay)) { ignite(); }

Момент приземления не вычисляется, просто считаем, что через две минуты ракета должна сесть на землю. Через две минуты останавливается запись на карту и начинается подача звуковых сигналов для облегчения поиска ракеты.

Полный скетч можно найти тут.

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.

Историческая справка

Ис­то­ки воз­ник­но­ве­ния ра­кет боль­шин­ст­во ис­то­ри­ков от­но­сят ко вре­ме­нам кит. ди­на­стии Хань (206 до н. э. – 220 н. э.), к от­кры­тию по­ро­ха и на­ча­лу его ис­поль­зо­ва­ния для фей­ер­вер­ков и раз­вле­че­ний. В 13 в. вме­сте с монг. за­вое­ва­те­ля­ми Р. по­па­ли в Ев­ро­пу, и в 1248 Р. Бэ­кон опуб­ли­ко­вал труд по их при­ме­не­нию. Еди­ный тер­мин «ра­ке­та» поя­вил­ся в Ев­ро­пе в 15–16 вв. В Ин­дии в кон. 18 в. ра­кет­ное ору­жие при­ме­ня­лось в сра­же­ни­ях с брит. вой­ска­ми. В нач. 19 в. брит. ар­мия при­ня­ла на воо­ру­же­ние бое­вые Р., ко­то­рые раз­ра­бо­тал У. Кон­грев. В Рос­сии раз­ви­тие Р. свя­за­но с име­на­ми А. Д. За­сяд­ко и К. И. Кон­стан­ти­но­ва.

С 1820-х гг. соз­да­ют­ся пер­вые ис­сле­до­ва­тель­ские цен­тры в об­лас­ти ра­ке­то­строе­ния – Ву­лидж­ский ар­се­нал (Ве­ли­ко­бри­та­ния), Пи­ро­тех­нич. шко­ла в Ме­це (Фран­ция), С.-Пе­терб. ра­кет­ное за­ве­де­ние (Рос­сия) и др. На­уч. ос­но­вы ме­ха­ни­ки тел пе­ре­мен­ной мас­сы в 1890-х гг. бы­ли за­ло­же­ны И. В. Мещер­ским­. Пер­вым тео­ре­ти­ком меж­пла­нет­ных по­лё­тов был К. Э. Ци­ол­ков­ский. В 1926 Р. Год­дард осу­ще­ст­вил пер­вый в ми­ре за­пуск ра­ке­ты с ЖРД. Мн. во­про­сы тео­рии кос­мич. по­лё­та и ра­ке­то­строе­ния на­шли но­вое ре­ше­ние в тру­дах Ю. В. Кон­д­ра­тю­ка, Г. Обер­та, Ф. А. Цан­де­ра, Н. И. Тихо­ми­ро­ва­ и др. учё­ных. С кон. 1920-х – нач. 1930-х гг. к раз­ра­бот­ке Р. с ЖРД при­сту­пи­ли гос. ор­га­ни­за­ции. В СССР ис­сле­до­вательские ра­бо­ты ве­ли Груп­па изу­че­ния ре­ак­тив­но­го дви­же­ния (Мо­ск­ва) и Га­зо­ди­на­мич. ла­бо­ра­то­рия (Ле­нин­град). В 1933 на их ос­но­ве был со­здан Ре­ак­тив­ный ин­сти­тут, в том же го­ду за­вер­ше­но на­ча­тое ещё в 1929 соз­да­ние прин­ци­пи­аль­но но­во­го ору­жия – сна­ря­дов для ре­ак­тив­но­го ми­но­мё­та «Ка­тю­ша». В 1931 ис­пы­та­ны пер­вые рос. ЖРД – ОРМ (опыт­ный ра­кет­ный мо­тор) и ОРМ-1, соз­дан­ные В. П. Глуш­ко в Га­зо­ди­на­мич. ла­бо­ра­то­рии. В нач. 1940-х гг. в Гер­ма­нии раз­ра­бо­та­ны и в 1944 при­ме­не­ны в бое­вых ус­ло­ви­ях од­но­сту­пен­ча­тая бал­ли­стич. Р. А-4 (Фау-2, гл. кон­струк­тор – В. фон Браун­) и кры­ла­тая Р. (са­мо­лёт-сна­ряд) Fi-103 (Фау-1), в СССР – Р-1 и пер­вая бал­ли­стич. Р. с от­де­ляю­щей­ся го­лов­ной ча­стью Р-2 (гл. кон­ст­рук­тор – С. П. Ко­ро­лёв).

В 1958 в США при­ня­та на воо­ру­же­ние пер­вая МБР «Ат­лас». Во 2-й пол. 1950-х гг. про­изо­шёл пе­ре­ход от од­но­сту­пен­ча­тых Р. к мно­го­сту­пен­ча­тым. В 1957 в СССР под рук. Ко­ро­лё­ва со­зда­на и в 1960 при­ня­та на воо­ру­же­ние двух­сту­пен­ча­тая МБР Р-7, ко­то­рая в 4.10.1957 бы­ла ис­поль­зо­ва­на для за­пус­ка пер­во­го в ми­ре ИСЗ. Вы­пол­не­на по схе­ме с про­доль­ным де­ле­ни­ем сту­пе­ней (по т. н. па­кет­ной схе­ме); пер­вая сту­пень со­стоя­ла из че­ты­рёх бо­ко­вых ра­кет­ных бло­ков, рас­по­ло­жен­ных сим­мет­рич­но во­круг цен­траль­но­го (вто­рая сту­пень). Р. ста­ла важ­ней­шим сред­ст­вом для ис­сле­до­ва­ния кос­мич. про­стран­ст­ва (см. Кос­мо­нав­ти­ка).

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» /©ФГУП «ГКНПЦ имени М.В.Хруничева»

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 /© Wikipedia

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.

Полёт и результаты

Характеристики собранной ракеты:

• Длина: 1300 миллиметров
• Диаметр: 50 миллиметров
• Масса корпуса (со всеми компонентами): 1000 грамм
• Масса электроники: 180 грамм
• Масса двигателя: 440 грамм
• Масса полная: 1620 грамм
• Двигатель: ДКР-30-9-280-ПЭ(С)
• Класс: H115, максимальная тяга — 180 Н*с
• Расчётный (максимальный) апогей: 530 метров
• Время до апогея: 11,5 секунд

Взлёт ракеты
Полёт в целом получился успешным, ракета достигла апогея в 400 метров.

Ракета села с парашютом в 200 метрах от места старта.

Парашют раскрылся!

Любопытно, что на данных с акселерометра видны всплески, соответствующие работе системы спасения (мортирки).

Сырые данные с логгера

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 /©ФГУП «ГКНПЦ имени М.В.Хруничева»

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.

Модернизация

Ракета предельно модернизирована, здесь создана принципиально иная цифровая система управления, разработанная на новой отечественной элементной базе, с быстродействующей бортовой цифровой вычислительной машиной с гораздо большим объёмом оперативной памяти. Цифровая система управления обеспечивает ракету высокоточным выведением полезных нагрузок.

Кроме того, установлены двигатели, на которых усовершенствованы форсуночные головки первой и второй ступеней. Действует другая система телеизмерений. Таким образом повысилась точность выведения ракеты, её устойчивость и, разумеется, управляемость. Масса космической ракеты не увеличилась, а полезный выводимый груз стал больше на триста килограммов.

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» /© Роскосмос

Кое-что о космической ракете

Поскольку параметры и технические характеристики у всех ракет отличаются друг от друга, рассмотрим ракету-носитель нового поколения, например «Союз-2.1А». Она является трёхступенчатой ракетой среднего класса, модифицированным вариантом «Союза-У», который весьма успешно эксплуатируется с 1973 года.

Данная ракета-носитель предназначена для того, чтобы обеспечить запуск космических аппаратов. Последние могут иметь военное, народнохозяйственное и социальное назначение. Эта ракета может выводить их на разные типы орбит — геостационарные, геопереходные, солнечно-синхронные, высокоэллиптические, средние, низкие.