Необъятная фантазия человека придумала много причудливых способов преодолеть земное притяжение. От "космической пушки" Жюля Верна и "космического лифта" Циолковского до совсем причудливых машин, вроде огромного колеса, раскручивающегося с большой скоростью и запускающего на орбиту грузы по инерции. Но все же пока единственным доступным способом путешествия на орбиту для нас является ракета на реактивной тяге.
Китайские забавы с порохом и что из этого вышло
На заре нашей эры во времена правления в Древнем Китае династии Хань люди придумали порох. Они обнаружили, что если смесь серы, древесного угля и селитры засыпать в стебли бамбука и бросить их в костер, то стебли взрываются и, как считали древние, отпугивают злых духов. Позднее, китайцы придумали начинять порохом плотные бумажные цилиндры, закрытые с одного конца, и привязывать их к стрелам. Это и были первые ракеты.
Технологии со временем развивались, но долгое время использование ракет рассматривалось лишь в качестве оружия. В начале 20 века выдающийся русский ученый Константин Циолковский предложил идею об использовании ракет для полета в космос, используя для создания реактивной тяги жидкостное двухкомпонентное топливо.
"Оружие возмездия" - первое в космосе.
Ближе к концу второй мировой войны руководство гитлеровской Германии, осознавая, что проигрывает, искало новое универсальное оружие, которое поможет изменить ход войны. Ставка была сделана на детище немецкого конструктора Вернера фон Брауна - баллистическую ракету дальнего действия Фау-2. Это была одноступенчатая ракета, длиной 14 метров. Её стартовая масса составляла до 14,5 тонн. Масса полезной нагрузки составляла 1 тонну. Жидкостный двигатель работал на этиловом спирте и кислороде и развивал тягу до 270 кН.
Именно Фау-2 стала первым рукотворным объектом, который поднялся в космос. В ходе испытаний ракеты были проведены несколько вертикальных пусков, в одном из которых Фау-2 набрала высоту 188 километров, преодолев линию Кармана. Позднее фон Браун и его коллеги даже произвели расчеты, подтвердившие возможность их ракеты выводить на орбиту Земли искусственные спутники. Но руководству Германии не нужны были полеты в космос, им нужно было "Оружие возмездия".
Однако Фау-2 не удалось кардинальным образом изменить ход войны, но ей было суждено открыть для человечества дорогу к звёздам. Изучение трофейных ракет "Фау-2" привело к созданию американской ракеты "Гермес" и советской "Р-2", с которых и начались серьезные ракетные программы СССР и США.
Фантастическая "Семёрка"
Вторым прорывным шагом в истории ракетостроения стала, разработанная под руководством выдающегося советского конструктора Сергея Павловича Королева, ракета Р-7. Именно легендарная "Семёрка" позволила вывести на орбиту первый искусственный спутник и отправить первого человека в космос.
Р-7 это двуступенчатая ракета, спроектированная по пакетной схеме. Вокруг центрального блока, являющегося второй ступенью, симметрично расположены четыре боковых блока, составляющих первую ступень. Запуск всех блоков осуществлялся одновременно при старте. В качестве топлива используется керосин и жидкий кислород. Высота ракеты 33 метра, а её стартовая масса 270 тонн.
Первоначально Р-7 разрабатывалась в качестве боевой ракеты. Первый пуск был осуществлен в мае 1957 года, но он, как и последующие два, оказался неуспешным. Четвертый запуск, состоявшийся уже 21 августа 1957 года, принес положительный результат. 27 августа ТАСС опубликовала сообщение, что в Советском Союзе впервые успешно испытана межконтинентальная баллистическая ракета. В 1960 году МБР Р-7 была принята на вооружение, однако стартовый комплекс был настолько громоздким, его предпусковая подготовка занимала значительное время, а в заправленном состоянии ракета могла находиться не более месяца. Ракета не годилась для массового использования и имела достаточно низкую точность стрельбы. К концу 1968 года ракеты Р-7 сняли с вооружения.
Однако колоссальная для МБР мощность и достаточно высокая надежность позволили использовать "Семёрку" в качестве ракеты-носителя. На основе Р-7 было создано целое семейство ракет-носителей. Было произведено более 1800 запусков ракет-носителей данного семейства, 97% из которых стали успешными, ими были осуществлены вывод на орбиту первого искусственного спутника, первого спутника с живым существом, первого корабля с человеком на борту. Станцию "Луна-9", выполнившую первую мягкую посадку на Луну, на траекторию вывела ракета-носитель "Молния", которая также относилась к семейству Р-7.
На "Сатурне" на Луну. Самая большая ракета.
Следующим рывком в истории космонавтики стала ракета, доставившая человека на Луну. Для успешной лунной миссии людей, вместе с оборудованием и системами жизнеобеспечения, нужно было не только запустить, но и обеспечить им мягкое приземление на поверхность Луны, а также последующий взлет с Луны и возвращение на Землю с защитой от воздействия температур при посадке. Для этого требовалась огромная ракета, способная выводить на орбиту невиданную до этого массу.
Разработанная все тем же Вернером фон Брауном американская ракета-носитель "Сатурн-5" стала самой мощной в мире ракетой и превосходила все ракеты по мощности и дальности полета и массе выводимых грузов. Ракета была способна выводить на околоземную орбиту 141 тонну и на траекторию к Луне 47 тонн полезного груза.
Ракета-носитель "Сатурн-5" состояла из трех последовательных ступеней. Её высота составляла 110 м, а стартовая масса 2965 тонн. Первая ступень оснащалась пятью двигателями Ф-1, работающими на кислороде и керосине. Двигатели Ф-1 до сих пор являются самыми мощными однокамерными двигателями из когда-либо поднимавших ракету в космос. На второй и третьей ступенях использовались жидкостные ракетные двигатели, работающие на топливной паре жидкий водород-жидкий кислород. Из-за огромных размеров ракеты, её собирали в вертикальном положении. Для этого было специально построено здание вертикальной сборки, высотой 160 метров и воротами, высотой 139 метров. "Сатурн" собиралась внутри здания при помощи мостовых кранов и отправлялась к стартовому комплексу на мобильной платформе, установленной на гусеничном транспортере.
Первый старт ракеты был осуществлен 9 ноября 1967 года. Впоследствии были произведены еще 12 запусков. Все они были признаны успешными. "Сатурн-5" был разработан для осуществления лунной программы США. Лишь один раз запуск ракеты-носителя осуществлялся вне этой программы: 14 мая 1973 года с помощью двухступенчатой модификации ракеты «Сатурн-5» была запущена орбитальная станция «Скайлэб». После этого "лунная программа" была досрочно прекращена по большей мере из-за её огромной стоимости (стоимость запуска одного "Сатурна-5" составляла более 1 миллиарда долларов). Сверхтяжелая ракета-носитель была выведена из эксплуатации.
"Соколы" Илона Маска и что нас ждет в будущем?
После успехов "Сатурна-5" долгое время ничего выдающегося в ракетостроении не происходило. Задачи были другие. Нужно было выводить на орбиту спутники, доставлять грузы и космонавтов на космические станции. С этим успешно справлялись небольшие ракеты. Нет, они тоже совершенствовались, становились современнее и надежнее, но принципиально мало чем отличались от предшественников.
Так продолжалось до тех пор, пока в космонавтику не ворвался Илон Маск. Он поставил перед собой задачу не сделать что-то мощное и грандиозное, а сделать что-то экономически выгодное и полезное. До "Фалькона" все ракеты были одноразовыми. Это принималось как должное. Илон маск сделал первую ступень ракеты многоразовой.
В дальнейших планах Илона Маска создание многоразового космического корабля Starship для полета на Марс. Для этого он с прицелом на будущее создал принципиально новый ракетный двигатель "Раптор", работающий на природном газе. В России также разрабатывается ракета-носитель на природном газе и возвращаемой первой ступенью "Амур-СПГ".
Видимо за этими технологиями будущее космического ракетостроения. Ведь природный газ - это топливо, которое можно получить вне нашей планеты. Например на марсе есть вода и углекислый газ - из них можно получить метан и кислород и заправить космический корабль для возвращения на землю или к дальнейшим полетам.