Краткая история ракет
Общий принцип реактивного полета, который лег в основу всех ракет, прост - от тела отделяется какая-то часть, приводящая все остальное в движение.
Кто первым реализовал этот принцип – неизвестно, но различные догадки и домыслы доводят генеалогию ракетостроения аж до Архимеда. Доподлинно о первых подобных изобретениях известно, что ими активно пользовались китайцы, которые заряжали их порохом и за счет взрыва запускали в небо. Таким образом они создали первые твердотопливные ракеты. Большой интерес к ракетам появился у европейских правительств в начале
Второй ракетный бум
Ракеты ждали своего часа и дождались: в 1920-х годах начался второй ракетный бум, и связан он в первую очередь с двумя именами.
Константин Эдуардович Циолковский - ученый-самоучка из Рязанской губернии, невзирая на трудности и препятствия, сам дошел до многих открытий, без которых невозможно было бы даже говорить о космосе. Идея использования жидкого топлива, формула Циолковского, которая рассчитывает необходимую для полета скорость, исходя из соотношения конечной и начальной масс, многоступенчатая ракета - все это его заслуга. Во многом под влиянием его трудов создавалось и оформлялось отечественное ракетостроение. В Советском Союзе начали стихийно возникать общества и кружки по изучению реактивного движения, в числе которых ГИРД - группа изучения реактивного движения, а в 1933 году под патронажем властей появился Реактивный институт.
Константин Эдуардович Циолковский.
Источник: Wikimedia.org
Второй герой ракетной гонки - немецкий физик Вернер фон Браун. Браун имел отличное образование и живой ум, а после знакомства с другим светилом мирового ракетостроения, Генрихом Обертом, он решил приложить все свои силы к созданию и усовершенствованию ракет. В годы Второй Мировой фон Браун фактически стал отцом «оружия возмездия» Рейха - ракеты «Фау-2», которую немцы начали применять на поле боя в 1944 году. «Крылатый ужас», как называли её в прессе, принес разрушение многим английским городам, но, к счастью, на тот момент крах нацизма был уже делом времени. Вернер фон Браун вместе со своим братом решил сдаться в плен к американцам, и, как показала история, это был счастливый билет не только и не столько для ученых, сколько для самих американцев. С 1955 года Браун работает на американское правительство, и его изобретения ложатся в основу космической программы США.
Но вернемся в 1930-е. Советское правительство по достоинству оценило рвение энтузиастов на пути к космосу и решило употребить его в своих интересах. В годы войны себя отлично показала «Катюша» - система залпового огня, которая стреляла реактивными ракетами. Это было во многом инновационное оружие: «Катюша» на базе легкого грузовика «Студебеккер» приезжала, разворачивалась, обстреливала сектор и уезжала, не давая немцам опомниться.
Окончание войны подкинуло нашему руководству новую задачу: американцы продемонстрировали миру всю мощь ядерной бомбы, и стало совершенно очевидно, что на статус сверхдержавы может претендовать только тот, у кого есть нечто похожее. Но здесь была проблема. Дело в том, что, помимо самой бомбы, нам нужны были средства доставки, которые бы смогли обойти ПВО США. Самолеты для этого не годились. И СССР решил сделать ставку на ракеты.
Константин Эдуардович Циолковский умер в 1935 году, но ему на смену пришло целое поколение молодых ученых, которое и отправило человека в космос. Среди этих ученых был Сергей Павлович Королев, которому суждено было стать «козырем» Советов в космической гонке.
СССР принялся за создание своей межконтинентальной ракеты со всем усердием: были организованы институты, собраны лучшие ученые, в подмосковных Подлипках создается НИИ по ракетному вооружению, и работа кипит вовсю.
Только колоссальное напряжение сил, средств и умов позволило Советскому Союзу в кратчайшие сроки построить свою ракету, которую назвали Р-7. Именно её модификации вывели в космос «Спутник» и Юрия Гагарина, именно Сергей Королев и его соратники дали старт космической эре человечества. Но из чего состоит космическая ракета?
Ракета
- летательный аппарат, двигающийся в пространстве за счёт действия реактивной тяги, возникающей при отбросе ракетой части собственной массы (рабочего; тела). Полёт ракеты
не требует обязательного наличия окружающей воздушной или газовой среды и возможен не только в атмосфере, но и в вакууме. Словом
обозначают широкий спектр летающих устройств от праздничной петарды до космической ракеты-носителя
.
Обычно научные ракеты оснащают приборами для измерения атмосферного давления, магнитного поля, космического излучения и состава воздуха, а также оборудованием для передачи результатов измерения по радио на землю. Существуют модели ракет, где приборы с полученными в ходе подъёма данными опускаются на землю с помощью парашютов.
Ракетные метеорологические исследования предшествовали спутниковым, поэтому на первых метеоспутниках стояли те же приборы, что и на метеорологических ракетах. В первый раз ракета была запущена с целью изучить параметры воздушной среды 11 апреля 1937, но регулярные ракетные запуски начались с 1950-х годов, когда были созданы серии специализированных научных ракет. В Советском Союзе это были метеорологические ракеты МР-1, М-100, МР-12, ММР-06 и геофизические типа «Вертикаль». В современной России в сентябре 2007-го использовались ракеты М-100Б. За пределами России применялись ракеты «Аэроби», «Black Brant», «Skylark».
Космонавтика
Создателем космонавтики , как науки, считается Герман Оберт впервые доказавший физическую возможность человеческого организма выносить возникающие при запуске ракеты перегрузки, а также состояние невесомости. Высокая скорость истечения продуктов сгорания топлива (часто большая, чем М10), позволяет использовать ракеты в областях, где требуются сверхбольшие скорости движения, например, для вывода космических аппаратов на орбиту Земли (см. Первая космическая скорость). Максимальная скорость, которая может быть достигнута при помощи ракеты , рассчитывается по формуле Циолковского, описывающей приращение скорости, как произведение скорости истечения на натуральный логарифм отношения начальной и конечной массы аппарата.
Ракета является единственным транспортным средством способным вывести космический аппарат в космос. Альтернативные способы поднимать космические аппараты на орбиту, такие как «космический лифт», пока что находятся на стадии проектирования.
В космосе наиболее ярко проявляется основная особенность ракеты - отсутствие потребности в окружающей среде или внешних силах для своего перемещения. Эта особенность, однако, требует того, чтобы все компоненты, необходимые для создания реактивной силы находились на борту самой ракеты . Так для ракет , использующих в качестве топлива такие плотные компоненты, как жидкий кислород и керосин отношение веса топлива к весу конструкции достигает 20/1. Для ракет, работающих на кислороде и водороде, это соотношение меньше - около 10/1. Массовые характеристики ракеты очень сильно зависят от типа используемого ракетного двигателя и закладываемых пределов надёжности конструкции.
За счёт уменьшения общего веса конструкции и выгорания топлива ускорение составной ракеты с течением времени увеличивается. Оно может немного снижаться лишь в момент сбрасывания отработавших ступеней и начала работы двигателей следующей ступени. Подобные многоступенчатые ракеты, предназначенные для запуска космических аппаратов, называют ракеты-носители.
Используемые для нужд космонавтики ракеты называются ракетами-носителями, так как они несут на себе полезную нагрузку. Чаще всего в качестве ракет-носителей используются многоступенчатые баллистические ракеты . Старт ракеты-носителя происходит с Земли, или, в случае долгого полёта, с орбиты искусственного спутника Земли.
В настоящее время космическими агентствами разных стран используются ракеты-носители Атлас V, Ариан 5, Протон, Дельта-4, Союз-2 и многие другие.
Силы действующие на ракету в полёте
Наука, исследующая силы действующие на ракеты или другие космические аппараты, называется астродинамикой.
Основные силы действующие на ракету в полёте:
1. Тяга двигателя
2. Притяжение небесного тела
3. При движении в атмосфере - лобовое сопротивление.
4. Подъёмная сила. Обычно мала, но значительна для ракетопланов.
Литература
1. Ракета // Космонавтика: Маленькая энциклопедия; Главный редактор В. П. Глушко. 2-е издание, дополнительное - Москва: «Советская энциклопедия», 1970 - C. 372
2. Википедия
Эта статья представит читателю такую интереснейшую тему, как космическая ракета, ракета-носитель и весь тот полезный опыт, который это изобретение принесло человечеству. Также будет рассказано и о полезных грузах, доставляемых в космическое пространство. Освоение космоса началось не так давно. В СССР это была середина третьей пятилетки, когда окончилась Вторая мировая война. Космическая ракета разрабатывалась во многих странах, однако даже США обогнать нас на том этапе не удалось.
Первые
Первой в удачном запуске ушла из СССР космическая ракета-носитель с искусственным спутником на борту 4 октября 1957 года. Спутник ПС-1 удалось вывести на околоземную орбиту. Нужно отметить, что для этого понадобилось создать шесть поколений, и только седьмого поколения космические ракеты России смогли развить нужную для выхода в околоземное пространство скорость - восемь километров в секунду. Иначе невозможно преодолеть притяжение Земли.
Это стало возможным в процессе разработок баллистического оружия дальнего радиуса, где применялось форсирование двигателя. Не следует путать: космическая ракета и космический корабль - это разные вещи. Ракета - средство доставки, а корабль крепится на неё. Вместо него там может быть что угодно - космическая ракета может нести на себе и спутник, и оборудование, и ядерную боеголовку, что всегда служило и до сих пор служит сдерживанием для ядерных держав и стимулом к сохранению мира.
История
Первыми теоретически обосновали запуск космической ракеты русские учёные Мещерский и Циолковский, которые уже в 1897 году описали теорию её полёта. Значительно позже эту идею подхватили Оберт и фон Браун из Германии и Годдард из США. Именно в этих трёх странах началась работа над задачами реактивного движения, создания твёрдотопливных и жидкостных реактивных двигателей. Лучше всех эти вопросы решались в России, по крайней мере твёрдотопливные двигатели уже широко использовались во Второй мировой войне ("Катюши"). Жидкостные реактивные двигатели лучше получились в Германии, создавшей первую баллистическую ракету - "Фау-2".
После войны команда Вернера фон Брауна, прихватив чертежи и разработки, нашла приют в США, а СССР вынужден был довольствоваться небольшим количеством отдельных узлов ракеты без какой бы то ни было сопроводительной документации. Остальное придумали сами. Ракетная техника развивалась стремительно, всё более увеличивая дальность и массу несомого груза. В 1954 году началась работа над проектом, благодаря которому СССР смог первым осуществить полет космической ракеты. Это была межконтинентальная двухступенчатая баллистическая ракета Р-7, которую вскоре модернизировали для космоса. Она получилась на славу - исключительно надёжная, обеспечившая множество рекордов в освоении космического пространства. В модернизированном виде её используют до сих пор.
"Спутник" и "Луна"
В 1957 году первая космическая ракета - та самая Р-7 - вывела на орбиту искусственный "Спутник-1". США чуть позже решили повторить такой запуск. Однако в первую попытку их космическая ракета в космосе не побывала, она взорвалась на старте - даже в прямом эфире. "Авангард" был сконструирован чисто американской командой, и он не оправдал надежд. Тогда проектом занялся Вернер фон Браун, и в феврале 1958 года старт космической ракеты удался. А в СССР тем временем модернизировали Р-7 - к ней была добавлена третья ступень. В результате скорость космической ракеты стала совсем другой - была достигнута вторая космическая, благодаря которой появилась возможность покидать орбиту Земли. Ещё несколько лет серия Р-7 модернизировалась и совершенствовалась. Менялись двигатели космических ракет, много экспериментировали с третьей ступенью. Следующие попытки были удачными. Скорость космической ракеты позволяла не просто покинуть орбиту Земли, но и задуматься об изучении других планет Солнечной системы.
Но сначала внимание человечества было практически полностью приковано к естественному спутнику Земли - Луне. В 1959 году к ней вылетела советская космическая станция "Луна-1", которая должна была совершить жёсткую посадку на лунной поверхности. Однако аппарат из-за недостаточно точных расчётов прошёл несколько мимо (в шести тысячах километров) и устремился к Солнцу, где и пристроился на орбиту. Так у нашего светила появился первый собственный искусственный спутник - случайный подарок. Но наш естественный спутник недолго находился в одиночестве, и в этом же 1959-м к нему прилетела "Луна-2", выполнив свою задачу абсолютно правильно. Через месяц "Луна-3" доставила нам фотографии обратной стороны нашего ночного светила. А в 1966-м прямо в Океане Бурь мягко приземлилась "Луна-9", и мы получили панорамные виды лунной поверхности. Лунная программа продолжалась ещё долго, до той поры, когда американские космонавты на ней высадились.
Юрий Гагарин
День 12 апреля стал одним из самых знаменательных дней в нашей стране. Невозможно передать мощь народного ликования, гордости, поистине счастья, когда объявили о первом в мире полёте человека в космос. Юрий Гагарин стал не только национальным героем, ему рукоплескал весь мир. И потому 12 апреля 1961 года - день, триумфально вошедший в историю, стал Днём космонавтики. Американцы срочно попытались ответить на этот беспрецедентный шаг, чтобы разделить с нами космическую славу. Через месяц состоялся вылет Алана Шепарда, но на орбиту корабль не выходил, это был суборбитальный полёт по дуге, а орбитальный у США получился только в 1962-м.
Гагарин полетел в космос на космическом корабле "Восток". Это особая машина, в которой Королёв создал исключительно удачную, решающую множество всевозможных практических задач космическую платформу. Тогда же, в самом начале шестидесятых, разрабатывался не только пилотируемый вариант космического полёта, но был выполнен и проект фото-разведчика. "Восток" вообще имел множество модификаций - более сорока. И сегодня эксплуатируются спутники из серии "Бион" - это прямые потомки корабля, на котором совершён первый полёт человека в космос. В этом же 1961 году гораздо более сложная экспедиция была у Германа Титова, который целые сутки провёл в космосе. Соединённые Штаты смогли это достижение повторить только в 1963 году.
"Восток"
Для космонавтов на всех кораблях "Восток" было предусмотрено катапультное кресло. Это было мудрым решением, поскольку одно-единственное устройство выполняло задачи и на старте (аварийное спасение экипажа), и мягкую посадку спускаемого аппарата. Конструкторы сосредоточили усилия на разработке одного устройства, а не двух. Это уменьшало технический риск, в авиации система катапульт в то время уже была отлично отработана. С другой стороны, огромный выигрыш во времени, чем если проектировать принципиально новое устройство. Ведь космическая гонка продолжалась, и её выигрывал с довольно большим отрывом СССР.
Таким же образом приземлился и Титов. Ему повезло опуститься на парашюте около железной дороги, по которой ехал поезд, и его немедленно сфотографировали журналисты. Система посадки, которая стала самой надёжной и мягкой, разработана в 1965 году, в ней используется гамма-высотомер. Она служит и до сих пор. В США этой технологии не было, именно поэтому все их спускаемые аппараты, даже новые Dragon SpaceX не приземляются, а приводняются. Только шаттлы являются исключением. А в 1962 году СССР уже начал групповые полёты на космических кораблях "Восток-3" и "Восток-4". В 1963 году отряд советских космонавтов пополнился первой женщиной - Валентина Терешкова побывала в космосе, став первой в мире. Тогда же Валерий Быковский поставил не побитый до сих пор рекорд длительности одиночного полёта - он пробыл в космосе пять суток. В 1964 году появился многоместный корабль "Восход", США и тут отстали на целый год. А в 1965-м Алексей Леонов вышел в открытый космос!
"Венера"
В 1966 году СССР начал межпланетные перелёты. Космический корабль "Венера-3" совершил жёсткую посадку на соседнюю планету и доставил туда глобус Земли и вымпел СССР. В 1975-м "Венере-9" удалось совершить мягкую посадку и передать изображение поверхности планеты. А "Венера-13" сделала цветные панорамные снимки и звукозапись. Серия АМС (автоматические межпланетные станции) для изучения Венеры, а также окружающего космического пространства продолжает совершенствоваться и сейчас. На Венере условия жёсткие, а достоверной информации о них практически не было, разработчики ничего не знали ни о давлении, ни о температуре на поверхности планеты, всё это, естественно, осложняло исследование.
Первые серии спускаемых аппаратов даже плавать умели - на всякий случай. Тем не менее поначалу полёты удачными не были, зато впоследствии СССР настолько преуспел в венерианских странствиях, что эту планету стали называть русской. "Венера-1" - первый из космических аппаратов в истории человечества, предназначенный для полёта на другие планеты и их исследования. Был запущен в 1961 году, через неделю потерялась связь от перегрева датчика. Станция стала неуправляемой и смогла сделать только первый в мире пролёт вблизи Венеры (на расстоянии около ста тысяч километров).
По стопам
"Венера-4" помогла нам узнать, что на этой планете двести семьдесят один градус в тени (ночная сторона Венеры), давление до двадцати атмосфер, а сама атмосфера - девяносто процентов углекислого газа. А ещё этот космический аппарат обнаружил водородную корону. "Венера-5" и "Венера-6" многое поведали нам о солнечном ветре (потоки плазмы) и его структуре вблизи планеты. "Венера-7" уточнила данные о температуре и давлении в атмосфере. Всё оказалось ещё сложнее: температура ближе к поверхности была 475 ± 20°C, а давление выше на порядок. На следующем космическом аппарате было переделано буквально всё, и через сто семнадцать суток "Венера-8" мягко привенерилась на дневной стороне планеты. На этой станции был фотометр и множество дополнительных приборов. Главное - была связь.
Оказалось, что освещение на ближайшей соседке почти не отличается от земного - как у нас в пасмурный день. Да там не просто пасмурно, погодка разгулялась по-настоящему. Картины увиденного аппаратурой просто ошеломили землян. Помимо этого, был исследован грунт и количество аммиака в атмосфере, измерена скорость ветра. А "Венера-9" и "Венера-10" смогли показать нам "соседку" по телевизору. Это первые в мире записи, переданные с другой планеты. А сами эти станции и теперь искусственные спутники Венеры. На эту планету последними летали "Венера-15" и "Венера-16", которые тоже стали спутниками, предварительно снабдив человечество абсолютно новыми и нужными знаниями. В 1985 году продолжением программы стали "Вега-1" и "Вега-2", которые изучали не только Венеру, но и комету Галлея. Следующий полёт планируется в 2024 году.
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.
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.
Технические характеристики
Первая и вторая ступени ракеты-носителя оснащены жидкостными ракетными двигателями РД-107А и РД-108А от НПО "Энергомаш" имени академика Глушко, а на третьей ступени установлен четырёхкамерный РД-0110 от КБ "Химавтоматики". Ракетным топливом служат жидкий кислород, являющийся экологически чистым окислителем, а также слаботоксичное горючее - керосин. Длина ракеты - 46,3 метра, масса на старте - 311,7 тонн, а без головной части - 303,2 тонны. Масса конструкции ракеты-носителя - 24,4 тонны. Компоненты топлива весят 278,8 тонн. Лётные испытания "Союза-2.1А" начались в 2004 году на космодроме Плесецк, и прошли они успешно. В 2006-м ракета-носитель произвела первый коммерческий полёт - вывела на орбиту европейский метеорологический космический аппарат "Метоп".
Нужно сказать, что у ракет разные возможности вывода полезной нагрузки. Носители есть лёгкие, средние и тяжёлые. Ракета-носитель "Рокот", например, выводит космические аппараты на околоземные низкие орбиты - до двухсот километров, а потому ей по силам нагрузка в 1,95 тонн. А вот "Протон" - тяжёлого класса, на низкую орбиту он может вывести 22,4 тонн, на геопереходную - 6,15, а на геостационарную - 3,3 тонны. Рассматриваемая нами ракета-носитель предназначена для всех площадок, которыми пользуется "Роскосмос": Куру, Байконур, Плесецк, Восточный, и работает в рамках совместных российско-европейских проектов.
А мы знаем, что чтобы происходило движение, необходимо воздействие некоторой силы. Тело либо само должно оттолкнуться от чего-нибудь, либо стороннее тело должно толкнуть данное. Это хорошо известно и понятно нам из жизненного опыта.
От чего оттолкнуться в космосе?
У поверхности Земли можно оттолкнуться от поверхности либо от находящихся на ней предметов. Для передвижения по поверхности используют ноги, колеса, гусеницы и так далее. В воде и воздухе можно отталкиваться от самих воды и воздуха, имеющих определенную плотность, и потому позволяющих взаимодействовать с ними. Природа для этого приспособила плавники и крылья.
Человек создал двигатели на основе пропеллеров, которые во много раз увеличивают площадь контакта со средой за счет вращения и позволяют отталкиваться от воды и воздуха. А как быть в случае безвоздушного пространства? От чего отталкиваться в космосе? Там нет воздуха, там ничего нет. Как осуществлять полеты в космосе? Вот тут-то и приходит на помощь закон сохранения импульса и принцип реактивного движения. Разберем подробнее.
Импульс и принцип реактивного движения
Импульс это произведение массы тела на его скорость. Когда тело неподвижно, его скорость равна нулю. Однако тело обладает некоторой массой. При отсутствии сторонних воздействий, если часть массы отделится от тела с некоторой скоростью, то по закону сохранения импульса, остальная часть тела тоже должна приобрести некоторую скорость, чтобы суммарный импульс остался по-прежнему равным нулю.
Причем скорость оставшейся основной части тела будет зависеть от того, с какой скоростью отделится меньшая часть. Чем эта скорость будет выше, тем выше будет и скорость основного тела. Это понятно, если вспомнить поведение тел на льду или в воде.
Если два человека будут находиться рядом, а потом один из них толкнет другого, то он не только придаст тому ускорение, но и сам отлетит назад. И чем сильнее он толкнет кого-либо, тем с большей скоростью отлетит сам.
Наверняка, вам приходилось бывать в подобной ситуации, и вы можете представить себе, как это происходит. Так вот, именно на этом и основано реактивное движение .
Ракеты, в которых реализован этот принцип, выбрасывают некоторую часть своей массы на большой скорости, вследствие чего сами приобретают некоторое ускорение в противоположном направлении.
Потоки раскаленных газов, возникающие в результате сгорания топлива, выбрасываются через узкие сопла для придания им максимально большой скорости. При этом, на величину массы этих газов уменьшается масса ракеты, и она приобретает некую скорость. Таким образом реализован принцип реактивного движения в физике.
Принцип полета ракеты
В ракетах применяют многоступенчатую систему. Во время полета нижняя ступень, израсходовав весь свой запас топлива, отделяется от ракеты, чтобы уменьшить ее общую массу и облегчить полет.
Количество ступеней уменьшается, пока не остается рабочая часть в виде спутника или иного космического аппарата. Топливо рассчитывают таким образом, чтобы его хватило как раз для выхода на орбиту.