Ракета Saturn V по сей день остается самой мощной и тяжелой из когда-либо успешно эксплуатировавшихся. Её стартовая масса достигала почти 3000 тонн. И основную долю этой массы — примерно 85% от общего веса — составляло именно топливо.
Чтобы оторвать такую махину от земли, требовалось колоссальное количество энергии. Вот краткая сводка по трем ступеням этой ракеты:
Первая ступень несла 770 000 литров керосина и 1 200 000 литров жидкого кислорода (всего около 500 000 галлонов топлива для выхода из атмосферы).
Вторая ступень содержала 984 000 литров жидкого водорода и 303 000 литров жидкого кислорода.
Третья ступень имела баки на 252 750 литров жидкого водорода и 73 280 литров жидкого кислорода.
Если сложить все компоненты, то общий объем залитого топлива составлял почти 1 миллион литров (около 2 076 тонн по массе). Для наглядности: В первые минуты полета двигатели первой ступени сжигали примерно 15 тонн топлива в секунду, развивая тягу, эквивалентную 160 миллионам лошадиных сил.
Физика полета: почему нужно так много топлива?
Огромный расход топлива напрямую связан с фундаментальными законами физики, в частности с ракетным уравнением Циолковского. Оно описывает, как скорость ракеты зависит от скорости истечения газов из сопла и от того, какую долю её массы составляет топливо.
Ключевой фактор здесь — гравитация. Чтобы долететь до Луны, ракете нужно:
- Преодолеть земное притяжение и выйти на орбиту (на это уходит примерно 80% всего топлива).
- Разогнаться до второй космической скорости, чтобы уйти с околоземной орбиты к Луне (транслунная инъекция).
- Затормозить для выхода на орбиту Луны и затем совершить мягкую посадку.
- Снова взлететь с Луны и вернуться на Землю.
Каждый из этих маневров требует больших энергозатрат. Вся конструкция ракеты Saturn V была подчинена решению этой задачи: многоступенчатая схема позволяла сбрасывать отслужившие свой топливные баки и двигатели, постоянно облегчая конструкцию. Даже после выхода на орбиту, к Луне отправлялась лишь небольшая часть от стартовой массы ракеты (около 48–50 тонн полезной нагрузки).
Из таблицы выше видно, что более современные, но менее мощные ракеты (Falcon Heavy/SLS) могут быть эффективнее, выводя на орбиту больше груза на тонну топлива. Однако концепция полета к Луне остается прежней: требуется преодолеть гравитационный колодец Земли.
Стоит также отметить, что современные миссии, например, программа NASA «Артемида» (Артемида), иногда выбирают не прямой, а более долгий путь к Луне, используя «гравитационные маневры» для экономии топлива.
Полет к Луне — это блестящий пример инженерной мысли, где главным «сырьем» является топливо. Без гигантских запасов энергии, залитых в баки Saturn V или любой другой лунной ракеты, это путешествие было бы невозможным.