Космические ракеты: на чем человечество покоряет Вселенную

Ракеты-носители «Союз» являются «рабочими лошадками» российской пилотируемой космонавтики. Сегодня только они могут доставлять людей на МКС 4 октября 1957 года на орбиту нашей планеты был выведен первый искусственный спутник ИСЗ-1. С тех пор прошло более шестидесяти лет, и сегодня полеты в космос – давно привычное дело. Освоение околоземного пространства стало возможным благодаря ракетам-носителям (РН) – особому классу летательных аппаратов, способных победить земное притяжение.

Современные ракеты-носители на химическом топливе трудно назвать идеальным средством покорения Вселенной. После каждого запуска эти сложнейшие многотонные изделия сгорают в атмосфере или превращаются в груду металлолома. Именно поэтому запуски космических аппаратов обходятся так дорого. Однако пока это единственный способ побороть притяжение нашей планеты, и вряд ли человечество в ближайшие годы придумает что-нибудь более эффективное.

Многие годы монополия на ракетную сферу принадлежала государствам, но сегодня ситуация меняется. Тенденция последнего десятилетия – бурное развитие частных космических компаний, которые не только строят прекрасные ракеты, но и вынашивают планы по колонизации других планет. Самой известной из них, несомненно, является SpaceX Илона Маска.

Что такое космические ракеты

Ракета-носитель – это разновидность баллистической ракеты, которая способна вывести полезную нагрузку за пределы атмосферы планеты. Как правило, РН имеют несколько ступеней, для их запуска используют вертикальный или воздушный старт. Ракеты космического назначения могут выводить грузы на низкие опорные, геопереходные и геостационарные (ГСО) орбиты.

Полезная нагрузка, доставляемая на орбиту, является лишь малой долей (ничтожные 1,5-2,0 %) от общего веса ракеты. Ее основную массу составляют элементы конструкции, а также окислитель и топливо. Получается, что РН поднимает в первую очередь саму себя и лишь в небольшой степени полезный груз.

Ракета «Ангара» – надежда российской космонавтики. Она должна заменить заслуженные, но уже устаревшие «Протоны»
Для повышения эффективности ракеты составляют из нескольких ступеней, каждая из которых имеет топливный бак и двигатель и, по сути, является самостоятельной ракетой. Ступени включаются одна за другой, работают до полного исчерпания топлива, а затем сбрасываются, уменьшая общий вес РН. Достичь космического пространства способна и одноступенчатая ракета, что было доказано еще немецкой «Фау-2», но она не может выйти на стабильную орбиту спутника планеты или вывести на него полезный груз.

Существует два варианта компоновки РН: с поперечным и продольным разделением ступеней. В первом случае они находятся одна за другой и включаются поочередно. Подобная схема, например, использована на «фальконах» Маска. Во втором – несколько небольших ракет первой ступени симметрично размещены вокруг корпуса второй и работают одновременно.

Используют и комбинированную схему. Например, она применяется на российских «Союзах» и «Протонах». В этом случае первая и вторая ступень разделяются поперечно, а после их отделения начинает работу третья ступень.

Важнейшим элементом ракеты-носителя является двигатель. Он выбрасывает раскаленное вещество и, в соответствии с третьим законом Ньютона, толкает аппарат в противоположную сторону. В зависимости от типа используемого топлива, РН бывают:

• жидкостными (ЖРД);
• твердотопливными (РДТТ);
• комбинированными.

Твердотопливные двигатели отличаются простотой конструкции и невысокой стоимостью, но на космических ракетах, как правило, используются двигатели на жидком топливе. Они позволяют регулировать тягу в широких пределах, а также производить многократные включения и выключения. Последняя особенность особенно важна при маневрировании на орбите. Существует множество типов ЖРД: с открытым и закрытым циклом, с частичной и полной газификацией топлива.

Ракета-носитель Electron предназначен для вывода на орбиту легких и сверхлегких спутников. Созданием этих ракет занимается компания Rocket Lab

В качестве топлива для ЖРД используется керосин, гептил, сжиженный водород и метан, гидразин. Наиболее распространенным окислителем является жидкий кислород и соединения азота.

Важнейшая характеристика любой ракеты-носителя – вес полезной нагрузки, который она способна забросить на низкую околоземную орбиту (НОО). Исходя из нее, выделяют следующие классы РН:

• Сверхлегкий. Выводимая нагрузка не превышает нескольких десятков килограммов;
• Легкий. РН могут выводить на орбиту массу до 5 т;
• Средний. От 5 до 20 т;
• Тяжелый. К этому классу относятся ракеты, способные поднять на НОО от 20 до 100 т;
• Сверхтяжелый. Полезная нагрузка превышает 100 т.

Самой мощной и грузоподъемной из когда-либо построенных считается американская сверхтяжелая ракета-носитель «Сатурн-5». Она использовалась в программе «Аполлон» и могла вывести на НОО 140 тонн.

Особенности конструкции 11А511

Ракета «Союз» 11А511 состоит из трех ступеней с ускорителями на первой «Б», «В», «Г» и «Д», двух блоков «А» и «И» (второй и третьей ступени), головного обтекателя, адаптера полезного груза и системы аварийного спасения (САС) экипажа. В конструкции использованы модернизированные двигатели двухступенчатой ракеты МБР Р-7А и трехступенчатой РН «Восход». Изначально была осуществлена модернизация блока третьей ступени, что позволило улучшить энергетические показатели РН, впоследствии были доработаны и другие ступени. Их внешний вид не изменился, но содержание и возможности стали новыми:

• Установлена новая телеметрическая система на блоке «А».
• Бортовая кабельная сеть управления заменена более легкой.
• Наклонение орбиты корабля относительно плоскости экватора снижено более чем на 10о.
• Уменьшена длина и вес кабельной сети блока «И».
• Заменены двигатели блока «А».
• Усилена прочность некоторых элементов первой ступени.

В целом, внешне РН «Союз» отличается от предшествующих ракет-носителей — прежде всего, головным обтекателем с четырьмя стабилизаторами и конической формой блоков первой ступени, а также наличием аварийной системы на вершине.

Немного истории

Первыми строить ракеты начали китайцы еще во II веке до н. э. Эти «девайсы» начиняли порохом и использовали для фейерверков и иных развлечений. Ракеты неоднократно пытались применять в военном деле, впрочем, без особого успеха. Только в начале XIX столетия полковнику Конгриву удалось создать более-менее эффективные боевые ракеты для британской армии. Позже они были приняты на вооружение в Пруссии, России, Швеции, Саксонии.

Впервые идею о применении ракет для исследования космического пространства высказал Константин Циолковский в начале XX столетия, он же предложил многоступенчатую схему ракет-носителей.

Отцом современного ракетостроения считается американец Роберт Годдард, который, в отличие от Циолковского, больше интересовался практической стороной вопроса. Ему первому в мире удалось создать жидкостную ракету и успешно испытать ее. Это произошло в 1926 году – изделие Годдарда поднялось на целых 12,5 метров!

Немецкий конструктор Вернер фон Браун. Создатель «Фау-2» и «Сатурна-5», который доставил человека на Луну

Активно ракетостроение развивалось в Германии. В 30-е годы в этой стране появилось множество ракетных клубов и исследовательских институтов. Результатом этого бума стала первая боевая баллистическая ракета «Фау-2», которую гениальный конструктор Вернер фон Браун создал для Гитлера. Позже он сыграл ключевую роль в развитии космической программы в США.

После окончания войны ракетные технологии Третьего Рейха попали в руки союзников. Начиналась Холодная война и ракеты рассматривались в первую очередь, как эффективное средство доставки ядерного оружия – космос был на втором месте. В Советском Союзе ракетной программой руководил Сергей Королев. Он сумел в кратчайшие сроки создать первую межконтинентальную ракету Р-7, гражданская модификация которой вывела на орбиту первый спутник. В 1961 году на РН «Восток» свой полет совершил Юрий Гагарин. Она могла доставлять на НОО груз весом в 4,72 т. Эти исторические запуски были осуществлены с космодрома Байконур в Казахстане.

Реваншем США стала программа «Аполлон», в ходе которой на Луну были доставлены несколько миссий, и человек впервые ступил на поверхность другого небесного тела. Этот триумф был бы невозможен без уникальной ракеты «Сатурн-5», чьи характеристики остаются непревзойденными и сегодня.

Очень интересным американским проектом был «Спейс шаттл». Его идея заключалась в создании многоразовой системы для доставки на орбиту грузов и астронавтов. Она состояла из космического корабля, похожего на самолет, двух ускорителей и огромного топливного бака. «Шаттлы» взлетали вертикально, а садились на обычную взлетную полосу, по-самолетному. Применив такую конструкцию, разработчики надеялись существенно снизить цену одного пуска. Однако эти ожидания не оправдались – цена доставки килограмма на орбиту у «шаттла» оказалась даже выше, чем у огромного «Сатурна-5».

Ракета-носитель «Энергия» и многоразовый космический корабль «Буран». Самый технологичный проект Советского Союза

Советским ответом на «шаттл» стал многоразовый челнок «Буран». На орбиту его выводила ракета-носитель сверхтяжелого класса «Энергия», способная доставлять на НОО до 100 тонн груза. «Буран» совершил единственный полет в беспилотном режиме в 1988 году, в 1993 – программа была закрыта.

США и СССР недолго оставались единственными «космическими» державами. Уже к 1971 году собственные ракеты-носители сумели создать еще пять стран: Франция, Япония, Италия, Китай и Великобритания. В дальнейшем их количество продолжало расти. В последние годы космическими запусками активно занялся частный бизнес, можно сказать, что он вдохнул новую жизнь в ракетостроение.

Описание

«Союз» — ракета-носитель среднего класса, предназначенная для выведения на низкую орбиту Земли космических кораблей типа «Прогресс» и «Союз», а также научно-исследовательских («Ресурс», «Фотон») и социально-экономических космических аппаратов с автоматическим управлением. Трехступенчатый ракетоноситель (РН) «Союз» создан на базе ракеты Р-7, поэтому и относится к семейству этих ракет с добавлением 3-й ступени.

Разрабатывалась и производилась в ОКБ-1 (сейчас ЦСКБ-Прогресс). Руководителями проекта были Королев С. П. и Козлов Д. И. Эксплуатация серии ракетоносителей началась в 1963 году, причем по аналогии с моделью, на которой базировался новый носитель, их все еще называли «Восход». С 1966 года в обиход официально вошло название «Союз». В следующие несколько десятилетий, вплоть до 2000-х годов, ракета «Союз» подвергалась нескольким модификациям.

Какие ракеты-носители используются сегодня

В последние годы рынок запусков космических аппаратов стремительно развивается. Сегодня основными игроками на нем являются: США, Китай, Россия, Европейский союз.

Россия

Российская ракета-носитель «Протон»
В нашей стране запусками аппаратов на орбиту занимается государственная корпорация «Роскосмос». И надо сказать, что дела у нее обстоят далеко не блестяще. Пользуясь мощнейшим советским заделом, РФ почти три десятилетия оставалась лидером по количеству запусков, но все хорошее когда-нибудь заканчивается. В 2016 году на первое место вышли американцы, а в 2022 году лидерство захватил Китай. Очевидно, что российский ракетный парк нуждается в обновлении, а управление отраслью – в новых подходах. Сегодня основными российскими РН являются:

• «Союз». Эту трехступенчатую ракету можно назвать «рабочей лошадкой» сначала советской, а затем и российской пилотируемой космонавтики. Она является продолжением концепций и идей, заложенных в королевских Р-7 и «Восток». В разные годы было создано множество модификаций «Союза». Все представители этого семейства работают на топливной паре керосин и жидкий кислород. Сегодня в эксплуатации находятся «Союз-2» и «Союз-ФГ», причем последняя – единственная РН, используемая для пилотируемых полетов к МКС. «Союзы» считаются одними из самых надежных ракет в мире. На базе последних модификаций РН планируется создание универсальной ракеты-носителя. «Союз-2» способен забросить на НОО до 9200 кг полезного груза. В эксплуатации также находится РН легкого класса «Союз-2.1в». Она может доставлять на НОО 2800 кг груза;
• «Протон». Это тяжелая трехступенчатая ракета, способная выводить на геостационарную орбиту грузы массой более трех тонн. Ее разработали в середине 60-х годов на основе боевой баллистической ракеты УР-500. Позже были разработано несколько модификаций РН, самой совершенной из которых является «Протон-М». Все ракеты семейства работают на топливной паре гидразин (гептил) и тетраоксид азота. С начала эксплуатации состоялось 423 запуска, из которых 376 были признаны успешными. Несмотря на такую статистику, уже принято решение об остановке производства «Протонов». В будущем эту ракету-носитель должна заменить «Ангара». Стоимость запуска одного «Протона» составляет примерно 65-70 млн долларов;
• «Ангара». Это перспективное семейство ракет-носителей кислородно-керосиновыми двигателями, в состав которого войдут аппараты с грузоподъемностью от 1,5 до 35 т. Пока было осуществлено два запуска этой ракеты в 2014 году. Планируется, что стоимость запуска тяжелой «Ангары» будет несколько дешевле, чем «Delta IV Heavy», но в два раза дороже, чем «Протона».

Сегодня общемировая тенденция развития ракетостроения – активное привлечение в данную сферу частного капитала. Россия, имея квалифицированные кадры, инфраструктуру и богатейшую научную школу, могла вырастить своих «масков» и «безосов». Но для этого нужно кардинально менять подход к данной отрасли и избавлять ее от власти невежественных и бестолковых чиновников.

США

Falcon Heavy и ее создатель Илон Маск
В США разработкой и постройкой ракет занимаются частные компании, и их количество в последние годы значительно выросло. НАСА, Пентагон и другие государственные структуры просто заказывают у них новую ракету или покупают услуги по выведению аппаратов на орбиту. В настоящее время в США используются следующие типы ракет-носителей:

• Space Launch System. Данная сверхтяжелая ракета разрабатывается специально для миссий за пределами околоземной орбиты. Именно с помощью этой РН американцы планируют изучать Луну и другие планеты нашей системы. Грузоподъемность SLS на первом этапе составит 95 т (на НОО), в дальнейшем ее увеличат до 130 т. Созданием ракеты занимается компания Boeing. Стоимость одного запуска оценивается примерно в 500 млн долларов, в целом же программа обойдется американскому налогоплательщику в 35 млрд долларов. Планируется, что в первый полет SLS отправится в 2022 году, пилотируемая миссия намечена на 2023 год;
• Delta IV. Это семейство средних и тяжелых двухступенчатых ракет, работающих на жидком кислороде и водороде. Их разработчиком и изготовителем также является Boeing. Существует пять модификаций ракеты, их стоимость довольно высока: от 160 до 400 млн долларов. Первый запуск «Дельты» состоялся в 2002 году;
• Falcon 9 и Falcon Heavy. Эти ракеты стали настоящим прорывом последнего десятилетия. Они – результат работы инженеров компании SpaceX, принадлежащей Илону Маску. Самой важной особенностью этих РН является их частичная многоразовость – первая ступень после выполнения миссии возвращается на Землю. После небольшого технического обслуживания ее можно использовать повторно. Такая схема значительно уменьшает стоимость пуска. Falcon 9 может доставить 22,8 т на НОО и 3,7 т – на ГСО. Эта ракета уже используется для снабжения МКС, а в 2022 году она, возможно, впервые доставит на станцию астронавтов. Стоимость Falcon 9 составляет 62 млн долларов. Falcon Heavy – это сверхтяжелая модульная ракета, состоящая из трех первых ступеней Falcon 9. Она обходится заказчикам приблизительно в 90 млн долларов. Сейчас Falcon Heavy является самой грузоподъемной РН из всех существующих космических ракет;
• New Shepard и New Glenn. Еще одним энтузиастом ракетостроения и покорения космоса является основатель Amazon Джефри Безос. Его компания Blue Origin занимается созданием сразу двух многоразовых космических ракет. РН New Shepard предназначена для космического туризма. Она успешно прошла 12 испытаний, но дата первого пилотируемого полета пока неизвестна. New Glenn представляет собой тяжелую трехступенчатую ракету-носитель, способную вывести на НОО 45 т полезного груза. Ее испытания назначены на 2022 год.

Это далеко не полный список американских космических ракет и компаний-производителей, работающих в данной отрасли. Каждый год появляются новые фирмы и стартапы, занимающиеся космической техникой. Большая часть из них разоряется, но оставшиеся на плаву генерируют новые идеи и двигают человечество в космос.

Китай

Китайская ракета «Чанчжэн-5»
«Великий поход». Китай покоряет околоземные пространства с помощью семейства ракет-носителей «Чанчжэн» («Великий поход»). Оно включает в себя легкие, средние и тяжелые аппараты. 27 декабря 2020 года был успешно запущен «Чанчжэн-5Y3», способный вывести на НОО 25 т. В будущем китайцы планируют с помощью этой ракеты доставлять грузы и космонавтов на Луну и Марс, а также строить собственную орбитальную станцию. Все РН этой группы используют исключительно экологически чистое топливо: жидкий кислород, керосин и жидкий водород.

Европа

«Ариан-5». Это тяжелая одноразовая ракета-носитель, предназначенная для вывода на НОО до 21 т полезного груза. Ее первый запуск состоялся еще в 1997 году, с тех пор ракета более ста раз выводила аппараты на орбиту планеты. Сегодня ведутся работы над созданием следующей модификации РН, старт которого намечен на 2023 год. «Ариан-5» – довольно дорогая ракета, каждый ее запуск обходится Европейскому космическому агентству в 160-220 млн долларов.

Характеристики

Длина РН «Союз» зависит от типа доставляемого в космос космического корабля, но не превышает 50.67 м. Сечение – 10,3 м, поперечные размеры – расстояние между концевикам воздушных рулей. Полная масса ракеты-носителя «Союз» в снаряженном состоянии (стартовая) – 308 т. Максимальная масса топлива – 274 т. Максимальная, так называемая сухая полная масса ракеты-носителя «Союз» составляет 34 т и также зависит от типа выводимого на орбиту космического аппарата. Суммарная тяга, развиваемая РН: 413 тонны-силы на уровне моря и свыше 500 тонны-силы в вакууме. Ракета «Союз» 11А511 способна вывести на Земную орбиту полезные грузы массой 7 т. Полетное время РН составляет около 9 мин.

В ходе выведения

Выведение на орбиту шло расчетным образом, без нештатных ситуаций. Ракета работала хорошо. Об этом говорил и сам первый космонавт в докладе на заседании Государственной комиссии на следующий день после полета:

«В районе 70 сек. плавно меняется характер вибрации. Частота вибрации падает, а амплитуда растет. Возникает как бы тряска. Потом постепенно эта тряска затихает, и к концу работы первой ступени вибрация становится такой же, как в начале ее работы. Перегрузка плавно растет, но она вполне переносимая, как на обычных самолетах. Примерно 5g. При этой перегрузке я вел все время репортаж и связь со стартом. Было несколько трудно разговаривать, так как стягивало все мышцы лица. Несколько поднапрягся. Дальше перегрузка стала расти, достигла своего пика и начала плавно уменьшаться. Затем почувствовал резкий спад перегрузки. Ощущение было таким, как будто что-то сразу отрывается от ракеты. Почувствовал что-то вроде хлопка. При этом резко упал шум. Будто возникло состояние невесомости, хотя в это время перегрузка примерно равна 1. Затем опять появляется и начинает расти перегрузка. Начинает прижимать к креслу, уровень шума значительно меньше. На 150 сек. отделился головной обтекатель. Процесс очень яркий. Получился толчок, хлопок…

Когда идет ракета, то по “взору” можно наблюдать, что она немножко колеблется вокруг продольной оси по крену, но колебания незначительные. Ракета как бы живет.

К концу работы первой ступени, когда слетел головной обтекатель, во “взоре” горизонт немного до верхнего края не доходил. Ракета шла с некоторым углом тангажа (наклоном продольной оси ракеты к плоскости местного горизонта.— Н. Ц.). Затем к концу работы второй ступени она легла по горизонту и даже несколько ниже горизонта… На 211 сек. опять плавно начали нарастать перегрузки. Вторая ступень выключается примерно так же, как и первая. При этом происходит такой же резкий спад перегрузок и падение шума, такое же ощущение невесомости.

Невесомость была примерно секунд 10–15 до включения третьей ступени. Затем слышал глухой хлопок и включение третьей ступени… Очень плавно стала появляться перегрузка… Начал увеличиваться угол тангажа, и к концу работы третьей ступени примерно только половина внешнего кольца “взора” была занята горизонтом… Выключение третьей ступени было резким. Перегрузка немножко возросла, почувствовал резкий хлопок. Примерно секунд через 10 произошло разделение. При этом почувствовал толчок. Корабль начал медленно вращаться».

При работе каждой ступени перегрузка с начального значения каждый раз плавно увеличивалась. Это происходило потому, что при постоянной тяге двигателя ступень расходовала топливо, уменьшая свою массу. Ускорение, как отношение силы тяги к массе ракеты, плавно возрастало с выработкой топлива, достигая максимума при почти опустевших баках ступени.

После выключения двигательной установки сила тяги, ускорение и перегрузка исчезали. Чтобы снова появиться с началом работы следующей ступени. Этот цикл появления перегрузки, ее плавного нарастания и исчезновения при выключении двигателя повторялся у каждой ступени.

Факты и инциденты

Одним из предназначений «Союз» 11А511 была возможность выводить на орбиту Луны пилотируемые корабли с экипажем. С этой целью на околоземной орбите планировалось создать целый комплекс из пилотируемого корабля, танкера заправщика и разгонного блока. Выводить на орбиту все элементы планировалось при помощи РН «Союз».

Инцидентов при запусках РН «Союз» было всего два. В декабре 1966 года во время предпусковой подготовки не сработал пирозапал, и автоматика отменила запуск. Персонал начал процедуру слива топлива, но спустя 27 мин сработала САС, которая все то время оставалась активной. Причиной срабатывания стало вращение Земли, вследствие чего датчики зарегистрировали угловое отклонение положения корабля и активировали аварийную систему. В результате после отсоединения головной части из трубопроводов вылился и загорелся теплоноситель, последовал ряд взрывов. От удушья погиб один человек и двое — от полученных травм, было повреждено оборудование.

В 1975 году при выведении корабля на орбиту на высоте 150 км сбой автоматики вызвал отделение корабля от ракетоносителя. Аппарат с экипажем спустился на склон горы в Алтае и покатился вниз. Космонавтов спас парашют, который они не отстрелили, зацепившийся за дерево. Никто из экипажа не пострадал.