Ракета — единственный существующий способ доставить что-либо с поверхности Земли на орбиту. Человечество уже почти сто лет использует эти сложные машины, которые несут с собой и топливо, и окислитель, и могут работать в полном вакууме.
Но как именно устроена ракета? Почему она такая огромная, а на орбиту доставляет лишь крошечную часть своей массы? Зачем ей несколько ступеней и что происходит с отстреленными частями? Разберем по порядку.
1. Три главные части любой ракеты-носителя
Любая ракета, от советского «Спутника» до современного Falcon 9 или китайской Long March, состоит из трех основных компонентов, которые жестко связаны между собой.
Полезная нагрузка — это то, ради чего ракету вообще запускают. Спутник связи, телескоп, космический корабль с астронавтами, грузовой корабль для МКС, автоматическая станция для полета к Марсу или Юпитеру. Это самая маленькая часть по массе: обычно полезная нагрузка составляет от 1 до 5 процентов от стартовой массы ракеты. Весь остальной вес — это конструкция и топливо, которые нужны только для того, чтобы доставить эти проценты на орбиту.
Конструкция — это корпус ракеты, топливные баки, двигатели, трубопроводы для подачи топлива, система управления, провода, датчики, гидравлика, системы отделения ступеней и множество других механизмов. Вся «железная» часть, которая обеспечивает работу. Она тоже весит немало, хотя инженеры борются за каждый килограмм.
Топливо — самая большая часть по массе, от 80 до 90 процентов всей ракеты на старте. Именно энергию, запасенную в топливе, двигатели превращают в тягу, поднимающую ракету в небо. Когда топливо заканчивается, соответствующая часть ракеты становится бесполезным грузом — и ее отбрасывают.
Ракета «Сатурн-5», которая летала к Луне в 1960-х и 1970-х годах, весила на старте 3000 тонн. При этом на Луну она доставила всего 45 тонн — капсулу с тремя астронавтами и посадочный модуль. Все остальное — топливо и конструкции, которые везли это топливо.
2. Почему ракета не может взлететь одним куском
Если бы инженеры попытались построить ракету из одной ступени, которая выводила бы груз на орбиту целиком, им пришлось бы столкнуться с непреодолимой проблемой. Чем больше топлива вы берете на борт, тем больше топлива нужно, чтобы доставить его на орбиту. Возникает порочный круг, который математически описывается уравнением Циолковского.
Решение, предложенное еще Константином Циолковским в начале XX века, гениально в своей простоте: ракету нужно делать многоступенчатой. Первая ступень работает, поднимает ракету вверх и разгоняет ее до определенной скорости. Когда топливо в ней заканчивается, она становится мертвым грузом — и ее отбрасывают. Вторая ступень включается уже в полете, имея гораздо меньший вес (без первой ступени), и продолжает разгон. Третья ступень — еще легче.
Каждый раз, отбрасывая отработавшую ступень, ракета избавляется от ненужного веса. Именно благодаря этому принципу ракеты могут достигать орбитальной скорости.
Теоретически одноступенчатая ракета могла бы выйти на орбиту, если бы была сделана из сверхлегких и сверхпрочных материалов с двигателем невероятной эффективности. Несколько экспериментальных проектов приближались к этому, но ни одна полностью одноступенчатая ракета так и не вывела груз на орбиту.
3. Первая ступень
Первая ступень — самая большая и самая мощная часть ракеты. Ее задача — оторвать многотонную конструкцию от земли и разогнать ее до скорости, достаточной для того, чтобы атмосфера перестала быть главной проблемой.
У первой ступени самый большой запас топлива и самые мощные двигатели. На большинстве современных ракет первая ступень работает от двух до трех минут. За это время ракета поднимается на высоту 40-60 километров и разгоняется до скорости 1,5-2 км/с (это примерно 5-7 тысяч км/ч).
Сразу после отделения первая ступень падает обратно на Землю. Традиционно она просто разрушалась при ударе о землю или о воду, но компании последних лет научились спасать ступени. SpaceX Falcon 9 сажает первую ступень на плавучую платформу или на наземный посадочный комплекс, используя ее же двигатели для торможения. Это позволяет использовать одну ступень до 20 раз, радикально снижая стоимость запусков.
4. Вторая ступень
Вторая ступень включается после того, как первая отработала и отделилась. На этот момент ракета уже находится высоко в атмосфере (или выше нее), сопротивление воздуха минимально, и можно эффективно разгоняться до орбитальной скорости.
Задача второй ступени — набрать недостающие 6-7 км/с и вывести полезную нагрузку на расчетную орбиту. Время работы второй ступени дольше — от 5 до 10 минут в зависимости от ракеты и задачи.
В отличие от первой ступени, вторая обычно не спасается. Она выходит на орбиту вместе с полезной нагрузкой, а после отделения спутника либо остается на орбите как мусор, либо сводится с нее и сгорает в атмосфере. В некоторых случаях (например, на ракете Falcon 9) вторая ступень может будет использоваться для доставки груза на более высокие орбиты или даже к Луне и Марсу.
А знаете ли вы? Вторая ступень ракеты «Союз» имеет характерную форму с перевернутым конусом в верхней части. Эта форма выбрана не для красоты, а для обеспечения правильного обтекания газовым потоком при разделении ступеней.
5. Третья ступень и разгонные блоки
Для полетов к Луне, Марсу или другим планетам обычной двухступенчатой схемы недостаточно. Нужна третья ступень (или разгонный блок), которая включается уже после выхода на опорную орбиту и придает космическому аппарату вторую космическую скорость (11,2 км/с) для ухода от Земли.
Третья ступень работает уже в космическом вакууме. Ее двигатели оптимизированы для работы в этих условиях, а топливо может храниться достаточно долго (иногда несколько часов или даже дней), чтобы дождаться нужного момента для включения.
На ранних лунных миссиях США и СССР третья ступень играла ключевую роль. У ракеты «Сатурн-5» третья ступень (S-IVB) сначала выводила корабль на орбиту вокруг Земли, а затем повторно включалась и отправляла «Аполлон» к Луне.
В современной космонавтике роль третьей ступени часто выполняют разгонные блоки — самостоятельные аппараты, которые могут работать на орбите несколько часов и выполнять сложные маневры.
А знаете ли вы? Третья ступень «Сатурна-5», отправлявшая «Аполлон» к Луне, после отделения от корабля не просто улетела в космос. Ее намеренно столкнули с Луной, чтобы зарегистрировать сейсмические волны с помощью приборов, оставленных на поверхности. Эти искусственные «лунотрясения» дали ученым много информации о внутреннем строении Луны.
6. Жидкостные и твердотопливные двигатели: что лучше
Ракетные двигатели делятся на два основных типа — жидкостные и твердотопливные. У каждого есть свои преимущества и недостатки.
Жидкостные двигатели используют компоненты топлива, которые хранятся в баках в жидком виде. Чаще всего это жидкий кислород в качестве окислителя и керосин, жидкий водород или метан в качестве горючего. Эти двигатели можно запускать, останавливать и даже регулировать тягу в полете. Они эффективнее твердотопливных (у них выше удельный импульс), но сложнее и дороже в производстве.
Твердотопливные двигатели представляют собой металлический корпус, заполненный смесью горючего и окислителя в твердом виде (напоминает резину или эпоксидную смолу). После зажигания такой двигатель нельзя остановить — он будет работать до полного выгорания топлива. Они проще и дешевле, но менее эффективны. Их часто используют в качестве боковых ускорителей первой ступени, чтобы добавить тяги на старте.
Современные ракеты часто комбинируют оба типа: например, первая ступень работает на жидком топливе, а боковые твердотопливные ускорители помогают ей на начальном этапе.
Самый мощный твердотопливный ускоритель из когда-либо созданных — это боковые ускорители шаттла. Каждый давал тягу 12,5 миллиона ньютонов (около 1300 тонн силы), работал чуть больше двух минут и сгорал полностью — его нельзя было выключить досрочно.
7. Полезная нагрузка
Верхняя часть ракеты, защищенная обтекателем, — это место, где находится полезная нагрузка.
Обтекатель нужен для защиты груза от аэродинамических нагрузок, перегрева и акустического давления при прохождении плотных слоев атмосферы. После того как ракета поднимается выше 100-120 километров, обтекатель больше не нужен — его сбрасывают, чтобы уменьшить вес.
Система отделения полезной нагрузки должна сработать безотказно. Чаще всего используются пироболты (небольшие заряды, которые перерезают крепления) и пружинные толкатели. Спутник или корабль должен быть освобожден без рывков и ударов, которые могут его повредить.
В случае с пилотируемыми кораблями на верхушке ракеты находится система аварийного спасения — небольшой двигатель, который в случае аварии на старте или на начальном участке полета отстреливает капсулу с астронавтами вверх и в сторону от взрывающейся ракеты.
Головной обтекатель современных ракет — это не просто металлический конус. Он состоит из композитных материалов, сотовых заполнителей и теплозащиты. Сброшенные половинки обтекателя падают в океан (если их не ловят специальные корабли для повторного использования). SpaceX уже несколько раз ловила створки обтекателя Falcon 9 и использовала их повторно.
8. Почему ракета такая большая, а спутник — маленький
Это главный парадокс ракетостроения, который удивляет большинство людей, впервые узнающих реальные цифры. Ракета «Союз-2» весит на старте 310 тонн. На низкую орбиту она выводит 7-8 тонн полезной нагрузки. Примерно 2,5 процента от стартовой массы. Все остальное — топливо и конструкции.
Почему такой чудовищный перерасход? Потому что ракета должна не просто поднять груз, а разогнать его до 7,9 км/с. А для этого нужно огромное количество энергии. При сгорании 1 кг керосина в кислороде выделяется энергия, которой хватает, чтобы разогнать сам этот килограмм топлива до скорости около 4 км/с с учетом всех потерь. Остальное топливо тратится на подъем и разгон самого топлива.
Чем дальше цель, тем меньше процент полезной нагрузки. До Луны — около 1%. До Марса — сотые доли процента. До внешних планет — тысячные. Именно поэтому инженеры так борются за каждый грамм массы космического аппарата — каждый сэкономленный грамм позволяет либо добавить научные приборы, либо уменьшить ракету, либо отправить аппарат дальше.
9. Сравнение ракет: от легких до сверхтяжелых
Ракеты делятся на классы по массе полезной нагрузки, выводимой на низкую орбиту.
Легкие ракеты (до 2 тонн) — Electron (300 кг), Rocket Lab, Pegasus (450 кг), запускаются с земли или с самолета. Используются для вывода небольших спутников, в том числе спутниковых группировок типа Starlink (хотя Starlink запускают тяжелыми ракетами, по 50-60 спутников за раз).
Средние ракеты (2-20 тонн) — «Союз-2» (7-8 тонн), Falcon 9 (до 22 тонн в многоразовом режиме, до 17 тонн при посадке ступени на платформу). Самый массовый класс — большинство коммерческих и государственных спутников выводятся именно такими ракетами.
Тяжелые ракеты (20-50 тонн) — Falcon Heavy (боковые ускорители из трех Falcon 9, до 63 тонн), Delta IV Heavy (до 28 тонн), «Ангара-А5» (до 24 тонн). Используются для доставки тяжелых спутников на геостационарную орбиту и для межпланетных миссий.
Сверхтяжелые ракеты (более 50 тонн) — «Сатурн-5» (140 тонн на низкую орбиту, 45 тонн к Луне), Н-1 (советская лунная ракета, 95 тонн), SLS (более 100 тонн в перспективе), Starship (более 100 тонн в многоразовом режиме, возможно до 200 тонн). Такие ракеты нужны для пилотируемых полетов на Луну и Марс и для вывода крупногабаритных грузов.
10. Что происходит с ракетой после запуска
Первая ступень работает 2-3 минуты, отключается и отделяется. Традиционные ракеты позволяют ступени упасть в океан или в безлюдный район — она разрушается при ударе. Современные многоразовые ракеты (Falcon 9, New Glenn) сажают ступень на плавучую платформу или на наземный комплекс.
Вторая ступень продолжает полет, выводит полезную нагрузку на орбиту и после отделения спутника либо остается на орбите как мусор, либо уводится в атмосферу для сгорания.
Головной обтекатель сбрасывается на высоте 100-120 километров.
Полезная нагрузка отделяется от второй ступени и начинает самостоятельную жизнь. Спутник раскрывает солнечные батареи, проверяет системы и приступает к работе. Космический корабль с астронавтами продолжает полет к МКС или к Луне.
Вся эта сложная цепочка событий, все ступени, баки, двигатели и пироболты существуют ради одной цели — доставить маленький кусочек металла и электроники на орбиту. И эта цель достигается с точностью до секунды.
Подпишись, если понравилась статья!