От Земли до звёзд - секрет успеха современных ракет

Первые примитивные ракеты появились почти на тысячу лет раньше эпохи освоения космоса. И хотя современные компьютеризированные многотонные ракеты-носители намного совершеннее, чем пороховые снаряды 11 века, но некоторые принципы остались неизменными. Принцип работы ракеты-носителя сводится к контролируемому взрыву. Когда всё работает как надо, огромная энергия вырывается из одного конца ракеты и "толкает" весь носитель вперед. Нередко случаются происшествия, когда в сложном механизме возникают сбои, но инженеры все равно не отказываются от "трубки со взрывчатым веществом". Так зачем так рисковать? Все дело в том, что ракеты идеально подходят для полётов там, где другие виды транспорта бессильны - например, в безвоздушном космическом пространстве.  

Гравитация или сила притяжения

Земное притяжение надежно удерживает нас на нашей родной планете, но что произойдет, если мы захотим покинуть ее? Потребуются колоссальные затраты энергии, чтобы разогнать даже небольшую массу до скорости, необходимой для выхода в космос. Чтобы вырваться из плена земного тяготения, объект должен набрать 11,2 км/с или 39 976 километра в час.

В большинстве ракет химическая реакция включает те же составляющие, что и в обычном костре – есть горючее, окислитель и источник воспламенения. Главная проблема при подъеме в атмосферу (и в космос) заключается в том, что на большой высоте нельзя использовать атмосферный кислород в качестве окислителя, как это делают, к примеру, двигатели внутреннего сгорания. Вот почему ракеты-носители должны оснащаться баками с топливом и окислителем. В двигателях Merlin ракеты SpaceX Falcon 9 используется ракетный керосин (RP-1) с жидким кислородом в качестве окислителя. Для сравнения, система космических запусков НАСА основана на жидком водородном топливе и жидком кислородном окислителе. В некоторых ракетах используется гиперголическое топливо, которое самопроизвольно воспламеняется при объединении, но большинство из них требует контролируемого воспламенения.

Испытания двигателя Merlin компании SpaceX.

При запуске химического ракетного двигателя происходит самое наглядное подтверждение третьего закона Ньютона: на каждое действие всегда есть равное и противоположно направленное противодействие. Таким образом, быстро расширяющаяся струя газов, вырывающаяся из сопла, давит на корпус ракеты, а ракета давит в ответ. Результат - возникает тяга, способная преодолеть силу земного притяжения.

Разумеется, это создаёт колоссальные нагрузки на конструкцию ракеты. По мере набора скорости в атмосфере она проходит наиболее опасный этап полёта, известный как максимум аэродинамического напора или максимальное Q. В этот момент ускорение и атмосферное давление вызывают наибольшее механическое напряжение в корпусе. Инженерам необходимо учитывать этот показатель при проектировании ракет, если ракета должна достичь космоса.

Ракетные двигатели

Все мы видели кадры, на которых запечатлены ракеты, так и не долетевшие до космоса: они часто выходят из-под контроля и разлетаются на части. Чаще всего первым признаком надвигающейся катастрофы является возрастающая прецессия, небольшое колебание, возникающее во вращающихся объектах. Ракеты вращаются вокруг своей длинной оси, чтобы повысить устойчивость, но неконтролируемая прецессия может привести к наклону оси вращения до тех пор, пока транспортное средство не перестанет двигаться прямо вверх. Когда ракета все еще находится в атмосфере и ускоряется, небольшой наклон может вызвать кувырок, а кувырок вызывает сильное механическое напряжение, которое в конечном итоге разорвет ракету на части. В настоящее время многие ракеты имеют системы дистанционного прерывания, которые могут уничтожить вышедший из-под контроля аппарат. Наглядный пример этого механизма можно было увидеть в действии во время первой попытки компании SpaceX вывести на орбиту свой космический корабль (видео ниже).

Для того, чтобы ракета летела в космос, инженеры используют различные элементы конструкции, например, стабилизаторы и подвижные (гибкие) двигатели. Существует два основных типа двигателей, каждый из которых предназначен для поддержания устойчивости ракеты и ее движения в правильном направлении. Наибольший интерес сегодня вызывают жидкостные ракетные двигатели, такие как SpaceX Merlin и Blue Origin BE-4, но твердотопливные ускорители тоже не потеряли свою актуальность.

В жидкостных системах ракет топливо и окислитель хранятся в баках, которые часто охлаждают до сверхнизких температур и поддерживают под высоким давлением. Благодаря мощному турбонасосу в камеру сгорания можно подавать большее или меньшее количество топлива для изменения мощности тяги. Смесь топлива и окислителя должна идеально контролироваться. Если в камере скопится слишком много топлива или окислителя, ракета может разлететься на куски.

Твердотопливные ускорители иногда используются для дополнительной тяги на начальном этапе полета. В ракете SLS компании NASA задействованы два самых мощных в истории твердотопливных ускорителя SRB. У SRB нет топливных баков — как следует из названия, топливо и окислитель объединены в твердый горючий блок. В отличие от конструкций, работающих на жидком топливе, SRB сжигают все топливо после воспламенения, не имея возможности изменить тягу по требованию. Однако можно «запрограммировать» твердый ускоритель, придав топливу такую форму, чтобы обеспечить большую или меньшую площадь поверхности для протекания реакции при его горении.

В настоящее время ракеты запускаются для доставки в космос гораздо меньшей полезной нагрузки. Следовательно, нет смысла оставлять все элементы ракеты присоединёнными к ней после выполнения задачи. Твердотопливные ракетные ускорители обычно выбрасываются в первую очередь, но у большинства ракет также есть по крайней мере одна основная ступень, которую нужно сбросить. В случае с ракетой SpaceX, первая ступень сбрасывается на землю для повторного использования, тогда как другие современные ракеты просто сбрасывают отработавшие ступени в океан. Одноступенчатая ракета, способная выйти на орбиту – это мечта всех инженеров, но пока технологии не позволяют воплотить её в реальность.

Будущее ракетостроения

Ученые предложили огромное количество альтернатив химическим ракетам, но лишь немногие из них серьезно изучаются, и еще меньше были использованы в реальной жизни. Хотя запуски ракет будут по-прежнему осуществляться с помощью мощных химических ракет, некоторые космические аппараты уже перешли на более эффективные, маломощные виды двигателей, такие как ионный двигатель. Например, недавняя космическая миссия НАСА «Рассвет» по изучению карликовой планеты Церера использовала ионные двигатели, которые с помощью электрического заряда разгоняют ионы, выходящие из двигателя. Это создает небольшую, но непрерывную тягу, которая может заставить космический зонд двигаться довольно быстро, если провести достаточно времени в космической среде без трения.

Проект DRACO от NASA и DARPA.

Для транспортировки крупных полезных нагрузок на дальние расстояния NASA и другие космические агентства изучают различные виды ядерных ракетных двигателей. Космический аппарат DRACO, разрабатываемый в партнерстве с DARPA, будет использовать ядерную тепловую двигательную установку (NTP), которая сможет обеспечить высокую тягу, в несколько раз превышающую эффективность химических двигателей. Пока неясно, насколько реализуема такая технология. Суть её заключается в том, что ядерный реактор быстро нагревает рабочее тело, скажем, жидкий водород, заставляя его расширяться и толкать аппарат вперёд. Ещё одна, пусть и более отдалённая идея – это ракета на ядерном делении. Такой двигатель выбрасывал бы продукты деления из реактора с помощью магнитных полей. Теоретически это позволило бы разогнать аппарат до 3-5 процентов скорости света.

Хотя простейшие ракеты существуют уже тысячу лет, неумолимое движение технологического прогресса может привести к появлению нового, пока еще неизученного типа двигателей. Несколько лет назад большой ажиотаж вызвал странный электромагнитный двигатель EM Drive, который, по словам его разработчиков, был способен создавать тягу буквально из ничего. Однако дальнейший анализ показал его несостоятельность. Возможно, следующая на первый взгляд фантастическая идея окажется успешной на деле. Ведь не так давно многие ученые считали, что ракета, способная несколько раз доставить полезную нагрузку в космос, нереализуема.