От чего зависит скорость ракеты

От чего зависит скорость ракеты

Вы здесь

Космос – это таинственное пространство, которое не может не завораживать. Циолковский считал, что именно в космосе заключается будущее человечества. Пока нет никаких серьезных оснований спорить с этим ученым. Космос предлагает безграничные возможности для развития человечества и расширения жизненного пространства. К тому же, он скрывает в себе ответы на многочисленные вопросы. Сегодня человек стал активно использовать космическое пространство. Поэтому от того, как взлетают ракеты, во многом зависит наше будущее. Не менее важным является и понимание этого процесса людьми. Ниже мы расскажем вам о том, какую скорость может развивать полета космической ракеты и сколько времени уйдет на то, чтобы добраться до тех или иных космических тел.

Сразу стоит сказать, что вопрос: «С какой скоростью взлетает ракета?», не совсем правильный. Да, и вообще, приравнивать космические полеты к классическим единицам измерения не корректно. Ведь абсолютно не важно с какой скоростью взлетают ракеты, их много и все они имеет разные характеристики. Те, которые используются для вывода космонавтов на орбиту, летят не так быстро, как грузовые. В отличие от груза, человек, ограничен перегрузками. Такие грузовые ракеты, как, к примеру, сверхтяжелая Falcon Heavy может взлетать довольно быстро.

Рассчитать точные единицы скорости – непросто. В первую очередь потому, что они во многом зависят от полезной нагрузки ракеты-носителя. Не исключено, что ракета-носитель с полной загрузкой взлетает намного медленнее, чем полупустая. Но есть еще одна общая величина, к которой стремятся все ракеты – космическая скорость.

Существует первая, вторая и третья космические скорости. Первая – необходимая скорость, позволяющая двигаться по орбите и не падать на планету – это 7,9 километров в секунду. Вторая требуется для того, чтобы покинуть земную орбиту и направится к орбите другого небесного тела. Третья – позволяет космическому аппарату преодолевать притяжение Солнечной системы (СС), а также покинуть ее. На сегодняшний день с такой скоростью летят аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Но вопреки словам журналистов, они еще не покинули границы СС. В плане астрономии им понадобится не меньше 30 тыс. лет, дабы добраться к облаку Орта. Гелиопауза же не считается границей звездной системы. Это всего лишь место, в котором солнечный ветер сталкивается с межсистемной средой.

Человечество не прекращает путешествия вокруг Земли. Чтобы долететь до Луны, нужно было преодолеть притяжение Земли, для этого ракета должна развивать скорость 40 000 км в час или 11,2 км в секунду.

Чтобы попасть на околоземную орбиту скорость ракеты должна быть 29 тыс. км в час или 7,9 км в секунду. Если же нужно отправить космический корабль в межпланетное путешествие, то скорость должна быть 40 тыс. км в час (11,2 км в секунду),

Какой должна быть скорость корабля для полета на Луну?

Для полета корабля на Луну он должен стартовать до орбитальной скорости в 29. тыс. км в час, а потом нарастать примерно до 40 тыс. км в час.

Космический корабль при такой скорости может удалиться на расстоянии, на котором на него уже будет сильнее притяжение Луны, нежели Земли. Современная техника позволяет разрабатывать корабли, которые соответствуют вышеупомянутой скорости перемещения. Но если двигатели корабля не будут действовать, он разгонится притяжением Луны и просто упадет на нее с большой силой, разрушив корабль. По этой причине, если в самом начале пути реактивные двигатели ускоряли космический корабль в направлении к Луне, то когда лунное притяжение сравнивалось с земным, двигатели начинали действовать в противоположном направлении. Таким образом, обеспечивалась мягкая посадка на Луну, при которой все люди на корабле оставались невредимыми.

На Луне нет воздуха, поэтому находится на ней можно исключительно в специальных скафандрах. Первым человеком, который спустился на поверхность Луны, стал американец Нил Армстронг, и это произошло в 1969 году. Тогда произошло первое знакомство человечества с составом лунного грунта. Его изучение позволило лучше понять историю образования Солнечной системы. Тогда геологи надеялись найти на Луне какие-то ценные вещества, которые можно было бы добывать.

Масса Земли существенно превышает массу Луны. Значит, взлететь с последней будет проще и дорога в дальний космос тоже осуществится легче. Не исключено, что в дальнейшем человечество будет использовать эту возможность. Скорость вылета на орбиту намного меньше и составляет 6120 км в час или 1,7 км в секунду.

Сколько лететь на Марс и другие планеты?

Расстояние до планеты Марс около 56 млн км. С учетом возможностей последних технологий лететь до Марса придется минимум 210 дней. Получается это 266 666 километров в день со скоростью 3 км в секунду или 11 111 км в час. Одна из главных проблем при полете на другие планеты – скорость ракеты в космосе километров в час будет недостаточно. На данный момент более реальным покажется полет на Марс за марсианскими образцами.

Если до ближней планеты Марс лететь около 210 дней, что сложно физически, но достижимо для человека, то полеты на другие планеты просто невозможны в результате физических возможностей людей.

Стоит отметить, что скорость ракеты зависит от двигателя. Чем быстрее будут вырываться газы из сопла двигателя, тем быстрее летит ракета. Газ, который образуется при сгорании современного химического топлива, развивает скорость 3-4 км в секунду (10 800 – 14 400 км в час). При этом максимальная быстрота перемещения, которую могут сообщить ракете с космическим кораблем, сокращается.

Специальные ионные двигатели для космических кораблей

Электроны и ионы в специальных ускорителях могут разгоняться до быстроты, приближенной к скорости света, а именно 300 тыс. км в секунду. Но такие ускорители – это пока ее массивные сооружения, которые не подходят для летательных аппаратов. Однако установки, у которых скорость истечения заряженных частиц примерно 100 км в секунду, могут быть установлены на ракетах. В результате, они могут сообщить соединенному с ними телу большую быстроту перемещения, чем способна достигнуть ракета с химическим топливом. К сожалению, у разработанных к настоящему времени ионных космических двигателях мала сила тяги, и вывести на орбиту многотонную ракету с кораблем они пока не могут.

Но их есть смысл устанавливать на корабле с тем, чтобы они работали, как только корабль летает по орбите. Располагаясь на корпусе корабля, они могут постоянно поддерживать его ориентацию и постепенно незначительным воздействием увеличить скорость корабля выше той, которую ему сообщили посредством химического горючего.

Разработка таких электрореактивных двигателей, действующих на орбите, ведется, применяя разные физические явления. Одна из главных задач, стоящих перед создателями ионных космических двигателей – адаптировать их для полетов на другие планеты.

Возможность достижения значительных скоростей полета ракеты в космосе с такими двигателями, чем с химическим топливом, делает более реальной разработку кораблей для полетов на ближайшие планеты.

6. От чего зависит скорость ракеты?

6. От скорости истечения газа, массы топлива, типа топлива и т.д.

Решебник по физике за 9 класс (А.В.Перышкин, Е.М.Гутник, 2009 год),
задача №6
к главе «Глава I Законы взаимодействия и движения тел. §22. Реактивное движение. Ракеты. Ответы на вопросы».

От чего зависит скорость ракеты

Слова о том, что на страже мира стоит абсолютное оружие – страшные ракеты с ядерными боеголовками, способными целиком уничтожать города, а то и страны, слышали все. И довольно сложно найти более мифологизированную тему в технике и военном деле. Мало кто адекватно понимает, как и почему, на самом деле, всё это устроено.

В интернете на удивление мало статей с хорошим описанием ракет с технической точки зрения. Особенно их мало в контексте современных боевых баллистических ракет. Я решил попробовать исправить это досадное недоразумение и запланировал написание ряда заметок, начиная с введения про физические основы реактивного движения и заканчивая широким описанием логики и текущего вида современных баллистических ракет.

Начнём с фундамента.

Любая ракета работает на принципе реактивного движения, который в свою очередь основан на законе сохранения импульса (ЗСИ). В наиболее простом виде это можно сравнить со школьными задачами по физике про «мальчик на лодке горизонтально бросает мячик и сам вместе с лодкой приобретает некоторую скорость». Также по тому же принципу при выстреле из ружья стрелок ощущает отдачу.

Единое тело массой M+m отбросило от себя (пусть, например, выстрелом) массу m с некоторой скоростью Vот. Зная перечисленные величины, можно вычислить какую скорость от этого приобрело тело массой M. Это и есть принцип реактивного движения – взаимное отталкивание тел.

Аналогичное возможно расписать для тел уже двигавшихся с некоторой начальной скоростью. ∆V – приращение скорости большего тела. При этом можно заметить, что финальная формула не изменилась.

Ракета ускоряется по тому же фундаментальному принципу, но только отбрасывает массу непрерывным потоком, соответственно в то же время непрерывно уменьшая свою массу. Для удобства далее будем писать не массу исходного тела как сумму образовавшихся тел, а результирующую массу как исходную минус отброшенную.

В данном случае придётся записать закон сохранения импульса в дифференциальной форме. Дабы не утонуть в математике, пока скажем так: все величины с припиской «d» перед ними – это небольшие изменения параметра, существенно меньшие его основного значения, происходящие за небольшой промежуток времени dt. Vист – скорость, с которой частички газа и прочие продукты истекают через сопло. Условно считаем, что они все двигаются строго вдоль оси ракеты (сопла) с одинаковой скоростью.

После несложных преобразований получаем знаменитую формулу Циолковского:

В левой части формулы Циолковского фигурирует приращение характеристической скорости ­– это такая скорость, которую ракета бы развила в отсутствии прочих воздействий при прямолинейном ускоренном движении.

Если бы мы в выводе уравнения пошли по немного другому пути, то можно было бы получить такой вид:

Где Fр – реактивная сила, действующая на ракету за счёт секундного отброса dm (кг/с) вещества с эффективной скоростью Vист.

Из уравнений следуют несколько важных для любых ракет выводов:

1. За счёт отбрасывания одинаковой массы за некий промежуток времени тело ускорится тем больше, чем с большей (средней) скоростью была отброшена эта масса – тут вводится эффективная скорость истечения, которая потом превратится в удельный импульс.

2. Второй параметр, определяющий приращение скорости ракеты – это отношение массы в начале работы ракеты к массе в конце (ну или наоборот, не суть важно), здесь вводятся понятия массового совершенства, относительного запаса топлива или иные варианты меры эффективности. Суть проста: чем большую часть начальной массы занимало топливо, тем большую скорость можно развить.

3. Стартовая масса, в первом приближении, линейно зависит от конечной массы и экспоненциально зависит от отношения потребного приращения скорости к скорости истечения. Грубо говоря, разогнать до той же скорости в 2 раза больше груза сложнее в 2 раза, но вот разогнать тот же груз до вдвое большей скорости сложнее уже, в квадрат раз (n^2), до трёхкратной в n^3 и так далее. Это не совсем корректный пример, но во многом из-за этого ракета для вывода космонавтов на околоземную орбиту (характеристическая скорость

9,4 км/с) будет весить порядка нескольких сотен тонн, а для полёта на Луну и обратно (

17,2 км/с) нескольких тысяч тонн.

Также можно видеть, что приращение скорости не зависит от тяги двигателя – более слабый двигатель при прочих равных просто будет дольше разгонять ракету. Влияние тяги проявляется уже в конкретных условиях, например ракета должна быть банально способной поднять собственный вес при взлёте.

Важный момент – ракете, в отличие от автомобиля или вертолёта, не требуется никакая окружающая среда, не нужна земля или воздух, на которые опираются и от которых отталкиваются колесо и лопасть. Ракеты отталкиваются от отбрасываемого собственного вещества (обычно сгоревшего) топлива. Теперь стоит подойти к немного более подробному описанию сердца любой ракеты — реактивному двигателю.

Фундаментальная схема функционирования любого реактивного двигателя

Воздушно-реактивный двигатель

Химический ракетный двигатель

Ядерный тепловой ракетный двигатель

Ядерный электроракетный (ионный) двигатель

В наиболее общей форме реактивный двигатель – это устройство по преобразованию некой запасенной (или в некоторых случаях доставляемой на борт в процессе полёта) энергии в кинетическую энергию рабочего тела и отбрасыванию последнего для получения реактивной тяги. В контексте боевых баллистических ракет актуальными являются химические (энергия запасена в форме энергии химических связей и высвобождается в процессе горения) тепловые (запасенная энергия сперва преобразуется в температуру рабочего тела и уже потом – в скорость) ракетные (и рабочее тело, и энергия запасены на борту ракеты) двигатели. Впрочем, это не значит что ими все ограничивается. Например, принципиально возможны (и были проекты) баллистические ракеты на ядерных тепловых ракетных двигателях. В таком двигателе энергия запасена в ядерных связях – ядерный реактор на борту греет проходящий через себя газ.

Отдельно подчеркну важную терминологическую разницу – реактивным двигателем называют двигатель, создающий тягу за счёт отбрасывания массы. Там есть ещё формальные уточнения, но они не принципиальные.

Ракетный двигатель является подвидом реактивного и отличается от него тем, что не использует забортное вещество (воздух или т.п.) для создания тяги, поэтому может работать в том числе в безвоздушной среде (к примеру, в космосе).

Для преобразования тепловой энергии рабочего тела в кинетическую используется сопло – специальный канал переменного сечения, проходя через который газ ускоряется, попутно охлаждаясь. Не вдаваясь подробно в газодинамику, рабочее тело можно разогнать с низких скоростей до собственной скорости звука за счёт сужения канала, а со скорости звука и выше её за счёт расширения канала. Получается так называемое сопло Лаваля, состоящее из конфузора и диффузора. При этом наименьшее сечение канала сопла, в котором газ достигает скорости звука, называется критическим сечением сопла.

Простейшее коническое сопло и типичные графики давления и скорости газа в сопле по его длине. Pкс, Pкр и Pa – давления в камере сгорания, в критическом сечении и на срезе сопла, a – скорость звука газа, Vист – скорость на срезе сопла и по совместительству скорость истечения, dкр и da – диаметры критического сечения и среза.

Для своей работы сопло Лаваля требует разности давлений на входе в сопло и на выходе из него. Причём эффективность работы идеального сопла как отдельного узла (для заданного газа с заданной температурой) зависит только от отношения этих давлений – его называют газовой степенью расширения сопла. В свою очередь отношение давлений однозначно связано с отношением площади выходного сечения сопла к критическому (а площадь критического сечения зависит от давления в камере сгорания, тяги и свойств газа) – это отношение называют геометрической степенью расширения сопла.

Давление на выходе сопла при этом косвенным образом ограничивается как высотой работы двигателя (нельзя, чтобы внешнее атмосферное давление слишком сильно превосходило расчетное давление на срезе сопла), так и массогабаритными соображениями (излишняя масса увеличенного сопла не должна перекрывать преимущества от роста скорости истечения, а само сопло должно помещаться в заданные ему габариты).

Вернёмся к формуле Циолковского – она ставит проблему сильной зависимости приращения скорости ракеты от массового совершенства ракетной ступени. В частности, из этого следует на первый взгляд неочевидный вывод, что для простейшей одноступенчатой ракеты существует абсолютный предел достижимой характеристической скорости, который зависит только от достижимого массового совершенства топливного бака и удельного импульса двигателя.

Иллюстрация из игры Children of a Dead Earth. Если вместе с ростом массы непрерывно не падает относительная доля массы конструкции (в данном случае масса бака на единицу топлива), то каждое новое увеличение стартовой массы будет приводить ко всё меньшему увеличению характеристической скорости. Игру, к слову, советую попробовать всем любителям хардкорных космосимов.

Наглядно это можно объяснить тем, что двигателю приходится разгонять не только собственно полезный груз, но и всё возрастающую массу баков. Обойти это ограничение можно отбрасыванием уже ненужных частей по ходу полёта для повышения массового совершенства оставшейся ракеты. Вариантов реализации этого достаточно много. Циолковский, например, представлял себе рой небольших отдельных ракет, которые по мере полета обмениваются топливом и оставляют позади опустошённые ракеты. Довольно долго в головах энтузиастов витала идея о сгораемых топливных баках. Но, так или иначе, основной и закрепившейся концепцией стали многоступенчатые ракеты, состоящие из последовательно-отбрасываемых по мере опустошения субракет или ступеней (более подробно о терминологии и конкретных схемах будет в следующей части). Для многоступенчатой ракеты добавленная за счёт работы данной ступени характеристическая скорость будет определяться отношением массы всей ракеты в сборе и массы этой ракеты с опустошёнными баками самой нижней ступени. Затем отработанная часть отбрасывается, и процесс продолжается со следующей ступенью, пока не останется только полезная нагрузка.

Сущность концепции многоступенчатой ракеты

Это позволяет получить уже потенциально любую конечную для полезной нагрузки скорость, но ценой является рост массы в геометрической прогрессии для каждой следующей ступени. Так, например, масса ракеты-носителя Союз на момент начала работы разных ступеней составляют: для третьей 32,6 тонн (из которых на топливо ступени приходится 22,8), второй на момент окончания работы первой порядка 91,6 тонн (53 тонны) и первой 307,7 тонны (158 тонн) – каждая из ступеней добавляет ракете примерно-одинаковую характеристическую скорость.

Теперь механизм того как можно разгонять тела понятен. Рассмотрим, как это можно применять, какие у этого особенности и какие нужны характеристики ракет.

Исторически достаточно мощные ракетные двигатели и технологии для управляемых ракет появились к закату поршневой боевой авиации и на заре реактивной. Самолёт поршневой авиации использовал воздушный винт, который естественным образом накладывал ограничение на возможные высоту и скорость полёта. Реактивный двигатель расширил эти возможности, но всё ещё оставался заложником скорости и забортной атмосферы.

Ракетный двигатель же обладал следующими особенностями: высокой тягой при небольших относительных массе и габаритах, отсутствием потребности в заборе воздуха и независимостью тяги от уже развитой скорости. Все это вместе подводило к возможности создания принципиально нового вида оружия – баллистической ракеты. Такая ракета сравнительно быстро, на коротком промежутке в начале полёта, называемым активным участком траектории (АУТ), набирала высокую скорость, а потом по инерции летела бы по дуге до цели. Свободное движение тела, брошенного под углом к горизонту – именно это дало ракетам этого класса название «баллистических».

Типовая траектория баллистической ракеты. 1 – активный (разгонный) участок траектории; 2 – пассивный (как правило, внеатмосферный) участок траектории; 3 – участок входа в атмосферу.

Такое оружие обещало быть принципиально неперехватываемым для того уровня технологий (шутка ли – высота траектории выше сотни километров, а скорость на подходе к цели существенно превышает скорость звука), а на самом деле ещё на долгие десятилетия, и, что самое главное, имелись перспективы по наращиванию дальности вплоть до противоположной точки земного шара.

Задавшись несколькими параметрами баллистической ракеты, можно оценить потребные энергетические возможности ракеты и получающиеся траектории. Не вдаваясь глубоко в вопросы баллистики, дальность полёта баллистической ракеты практически полностью определяется высотой окончания АУТ, скоростью на момент окончания АУТ и углом между вектором скорости и местным горизонтом (углом бросания) на окончание АУТ. Для каждой конкретной ракеты одинаковой проектной дальности эти параметры будут немного «гулять» в зависимости от ряда характеристик ракеты, но при этом отличия будут не слишком большими, как и потребная характеристическая скорость. При условии полёта с максимальной дальностью можно получить следующую усреднённую таблицу параметров.

Таблица типовых зависимостей баллистических параметров от дальности. L – дальность стрельбы, hк — высота окончания АУТ, lк – протяжённость АУТ по поверхности Земли, ϑк – угол между вектором скорости и местным горизонтом в конце АУТ, Vк – скорость в конце АУТ, Ha – наивысшая точка траектории, ∆Vс — суммарные потери характеристической скорости на АУТ.

При этом потребная суммарная характеристическая скорость ∆V от всех ступеней ракеты должна быть равна сумме скорости в конце АУТ Vк и суммарным потерям характеристической скорости ∆Vс, которые ракета накопила в процессе выведения. Подробнее о природе этих потерь можно поговорить в более поздних частях.

К слову, если обратить внимание на численные значения потребной конечной скорости, то можно заметить, что для больших дальностей они максимально приближаются к первой космической скорости, примерно равной 7,9 километров в секунду. Первая космическая – это такая скорость, которая позволяет телу выйти на стабильную замкнутую траекторию вокруг Земли, не возвращаясь обратно на поверхность.

Будет не лишним вспомнить хорошую уже старую цитату: «Выход на орбиту – это не про высоту, это про скорость». Стабильную орбиту можно иначе описать так – на самом деле вы непрерывно падаете, но двигаетесь вперёд так быстро, что кривизна Земли быстрее выдёргивает из-под вас поверхность.

Итак, возвращаясь от лирики к технике, создание межконтинентальных баллистических ракет, произошедшее в конце 1950-х – начале 60-х, также открыло путь и к выводу в космос первых искусственных спутников Земли, а затем и человека.

Сейчас я попытался по верхам обежать ключевые вопросы из основ ракетной техники: откуда возникает реактивная тяга, какие есть особенности характерные почти исключительно для реактивного движения, откуда возникает и что из себя представляет концепция многоступенчатости и суть баллистической траектории.

В дальнейшем я опишу как эти принципы и поставленные требования находят своё отражение в конкретных технических решениях и конструкциях, а также местами уточню некоторые поднятые в этой части темы и вопросы.

[1] Феодосьев В.И. Основы техники ракетного полета 2-е издание / Феодосьев В.И. – Москва: «Наука», 1979. – 496 с.
[2] Николаев Ю.М. Инженерное проектирование управляемых баллистических ракет с РДТТ / Соломонов Ю.С. – Москва: Военное издательство минобороны СССР, 1979. – 240 с.
[3] Николаев Ю.М. Основы проектирования твердотопливных управляемых баллистических ракет часть 2 / Соломонов Ю.С. – Москва: изд. МГТУ, 2000. – 140 с.
[4] Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели / Добровольский М.В; под ред. Д.А. Ягодникова – Москва: изд. МГТУ, 2005. – 488 с.

§ 21. Реактивное движение. Ракеты

Рассмотрим несколько примеров, подтверждающих справедливость закона сохранения импульса.

Наверняка многие из вас наблюдали, как приходит в движение надутый воздухом воздушный шарик, если развязать нить, стягивающую его отверстие.

Объяснить это явление можно с помощью закона сохранения импульса.

Пока отверстие шарика завязано, шарик с находящимся внутри него сжатым воздухом покоится, и его импульс равен нулю.

При открытом отверстии из него с довольно большой скоростью вырывается струя сжатого воздуха. Движущийся воздух обладает некоторым импульсом, направленным в сторону его движения.

Согласно действующему в природе закону сохранения импульса, суммарный импульс системы, состоящей из двух тел — шарика и воздуха в нём, должен остаться таким же, каким был до начала истечения воздуха, т. е. равным нулю. Поэтому шарик начинает двигаться в противоположную струе воздуха сторону с такой скоростью, что его импульс равен по модулю импульсу воздушной струи. Векторы импульсов шарика и воздуха направлены в противоположные стороны. В результате суммарный импульс взаимодействующих тел остаётся равным нулю.

Движение шарика является примером реактивного движения. Реактивное движение происходит за счёт того, что от тела отделяется и движется какая-то его часть, в результате чего само тело приобретает противоположно направленный импульс.

На принципе реактивного движения основано вращение устройства, называемого сегне-ровым колесом (рис. 46). Вода, вытекающая из сосуда конической формы через сообщающуюся с ним изогнутую трубку, вращает сосуд в направлении, противоположном скорости воды в струях. Следовательно, реактивное действие оказывает не только струя газа, но и струя жидкости.

Рис. 46. Демонстрация реактивного движения с помощью сегнерова колеса

Реактивное движение используют для своего перемещения и некоторые живые существа, например осьминоги, кальмары, каракатицы и другие головоногие моллюски (рис. 47). Движутся они благодаря тому, что всасывают, а затем с силой выталкивают из себя воду. Существует даже разновидность кальмаров, которые с помощью своих «реактивных двигателей» могут не только плавать в воде, но и на короткое время вылетать из неё, чтобы поскорее настичь добычу или спастись от врагов.

Рис. 47. Реактивное движение для своего перемещения используют головоногие моллюски: а — каракатица; б — кальмар; в — осьминог

Вы знаете, что принцип реактивного движения находит широкое практическое применение в авиации и космонавтике. В космическом пространстве нет среды, с которой тело могло бы взаимодействовать и тем самым изменять направление и модуль своей скорости. Поэтому для космических полётов могут быть использованы только реактивные летательные аппараты, т. е. ракеты.

Старт ракеты-носителя с космическим кораблём «Союз»

Рассмотрим вопрос об устройстве и запуске так называемых ракет-носителей, т. е. ракет, предназначенных для вывода в космос искусственных спутников Земли, космических кораблей, автоматических межпланетных станций и других полезных грузов.

В любой ракете, независимо от её конструкции, всегда имеется оболочка и топливо с окислителем. На рисунке 48 изображена ракета в разрезе. Мы видим, что оболочка ракеты включает в себя полезный груз (в данном случае это космический корабль 1), приборный отсек 2 и двигатель (камера сгорания 6, насосы 5 и пр.).

Рис. 48. Схема ракеты

Основную массу ракеты составляет топливо 4 с окислителем 3 (окислитель нужен для поддержания горения топлива, поскольку в космосе нет кислорода).

Топливо и окислитель с помощью насосов подаются в камеру сгорания. Топливо, сгорая, превращается в газ высокой температуры и высокого давления, который мощной струёй устремляется наружу через раструб специальной формы, называемый соплом 7. Назначение сопла состоит в том, чтобы повысить скорость струи.

С какой целью увеличивают скорость выхода струи газа? Дело в том, что от этой скорости зависит скорость ракеты. Это можно показать с помощью закона сохранения импульса.

Для простоты рассуждений будем пока считать, что ракета представляет собой замкнутую систему (т. е. не будем учитывать действие на неё силы земного притяжения).

Поскольку до старта импульс ракеты был равен нулю, то по закону сохранения суммарный импульс движущейся оболочки и выбрасываемого из неё газа тоже должен быть равен нулю. Отсюда следует, что импульс оболочки и направленный противоположно ему импульс струи газа должны быть равны по модулю. Значит, чем с большей скоростью вырывается газ из сопла, тем больше будет скорость оболочки ракеты.

Помимо скорости истечения газа существуют и другие факторы, от которых зависит скорость движения ракеты.

Мы рассмотрели устройство и принцип действия одноступенчатой ракеты, где под ступенью подразумевается та часть, которая содержит баки с горючим и окислителем и двигатель. В практике космических полётов обычно используют многоступенчатые ракеты, развивающие гораздо большие скорости и предназначенные для более дальних полётов, чем одноступенчатые.

На рисунке 49 показана схема трёхступенчатой ракеты. После того как топливо и окислитель первой ступени будут полностью израсходованы, эта ступень автоматически отбрасывается и в действие вступает двигатель второй ступени.

Рис. 49. Схема трёхступенчатой ракеты

Уменьшение общей массы ракеты путем отбрасывания уже ненужной ступени позволяет сэкономить топливо и окислитель и увеличить скорость ракеты. Затем таким же образом отбрасывается вторая ступень.

Если возвращение космического корабля на Землю или его посадка на какую-либо другую планету не планируется, то третья ступень, как и две первых, используется для увеличения скорости ракеты. Если же корабль должен совершить посадку, то она используется для торможения корабля перед посадкой. При этом ракету разворачивают на 180°, чтобы сопло оказалось впереди. Тогда вырывающийся из ракеты газ сообщает ей импульс, направленный против скорости её движения, что приводит к уменьшению скорости и даёт возможность осуществить посадку.

Константин Эдуардович Циолковский(1857—1935)
Российский учёный и изобретатель в области аэродинамики, ракетодинамики, теории самолёта и дирижабля. Основоположник теоретической космонавтики

Идея использования ракет для космических полётов была выдвинута в начале XX в. русским учёным и изобретателем Константином Эдуардовичем Циолковским. Циолковский разработал теорию движения ракет, вывел формулу для расчёта их скорости, был первым, кто предложил использовать многоступенчатые ракеты.

Полвека спустя идея Циолковского была развита и реализована советскими учёными под руководством Сергея Павловича Королёва.

Сергей Павлович Королев (1907-1966)
Советский учёный, конструктор ракетно-космических систем. Основоположник практической космонавтики