Как взлетает ракета: космонавтика простыми словами
Космос – это таинственное и максимально неблагоприятное пространство. Тем не менее Циолковский считал, что будущее человечества заключается именно в космосе. Нет никаких оснований спорить с этим великим ученым. Космос – это безграничные перспективы для развития всей человеческой цивилизации и расширения жизненного пространства. Кроме того, он скрывает в себе ответы на многие вопросы. Сегодня человек активно использует космическое пространство. И от того, как взлетают ракеты, зависит наше будущее. Не менее важно и понимание людьми этого процесса.
Космическая гонка
Не так давно две могучие сверхдержавы находились в состоянии холодной войны. Это было похоже на бесконечное состязание. Многие этот промежуток времени предпочитают описывать как обычную гонку вооружений, но это совершенно не так. Это гонка науки. Именно ей мы обязаны многими гаджетами и благами цивилизации, к которым так привыкли.
Космическая гонка была лишь одним из важнейших элементов холодной войны. Всего за несколько десятилетий человек перешел от обычных атмосферных полетов к высадке на Луне. Это невероятный прогресс, если сравнивать с другими достижениями. В то прекрасное время люди думали, что освоение Марса — это куда более близкая и реальная задача, чем примирение СССР и США. Именно тогда люди были максимально увлечены космосом. Практически каждый студент или школьник понимал, как взлетает ракета. Это не было сложным знанием, наоборот. Такая информация была простой и очень интересной. Астрономия приобрела чрезвычайную важность среди других наук. В те годы никто и сказать не мог, что Земля плоская. Доступное образование повсеместно ликвидировало невежество. Однако те времена давно прошли, и сегодня все совсем не так.
Декаданс
С распадом СССР закончилась и конкуренция. Пропал повод для сверхфинансирования космических программ. Многие перспективные и прорывные проекты так и не были реализованы. Время стремления к звездам сменилось настоящим декадансом. Что, как известно, обозначает упадок, регресс и определенную степень деградации. Для того чтобы понять это, не нужно быть гением. Достаточно обратить внимание на медиасети. Секта плоской земли активно ведет свою пропаганду. Люди не знают элементарных вещей. В Российской Федерации астрономия и вовсе не преподается в школах. Если подойти к прохожему и поинтересоваться, как взлетают ракеты, он не ответит на этот простой вопрос.
Люди даже не знают о том, по какой траектории ракеты летают. В таких условиях нет и смысла спрашивать про орбитальную механику. Отсутствие должного образования, «Голливуд» и видеоигры – все это создало ложное представление о космосе как таковом и о полетах к звездам.
Это не вертикальный полет
Земля не плоская, и это неоспоримый факт. Земля даже не шар, ведь она немного сплюснута по полюсам. Как взлетают ракеты в таких условиях? Поэтапно, в несколько стадий и не вертикально.
Самое большое заблуждение нашего времени состоит в том, что ракеты взлетают вертикально. Это совсем не так. Такая схема выхода на орбиту возможна, но очень неэффективна. Ракетное топливо заканчивается очень быстро. Иногда – менее чем за 10 минут. Для такого взлета попросту не хватит топлива. Современные ракеты взлетают вертикально только на начальном этапе полета. Затем автоматика начинает давать ракете небольшой крен. Причем чем выше высота полета, тем заметнее угол крена космической ракеты. Так, апогей и перигей орбиты формируются сбалансированно. Таким образом достигается максимально комфортное соотношение между эффективностью и расходом топлива. Орбита получается близкой к идеальному кругу. Идеальной же она не будет никогда.
Если ракета взлетает вертикально вверх, получится невероятно огромный апогей. Топливо закончится раньше, чем появится перигей. Иными словами, ракета не только не вылетит на орбиту, но и из-за нехватки топлива полетит по параболе обратно на планету.
В основе всего — двигатель
Любое тело не способно двигаться само по себе. Должно быть что-то, что заставляет его это делать. В данном случае это ракетный двигатель. Ракета, взлетая в космос, не теряет своей способности двигаться. Для многих это непонятно, ведь в вакууме реакция горения невозможна. Ответ максимально прост: принцип работы ракетного двигателя немного иной.
Итак, ракета летит в безвоздушном пространстве. В ее баках находится два компонента. Это топливо и окислитель. Их смешивание обеспечивает воспламенение смеси. Однако из сопел вырывается не огонь, а раскаленный газ. В этом случае нет никаких противоречий. Такая установка прекрасно работает в вакууме.
Ракетные двигатели бывают нескольких типов. Это жидкостные, твердотопливные, ионные, электрореактивные и ядерные. Первые два вида применяются чаще всего, так как способны давать наибольшую тягу. Жидкостные применяются в космических ракетах, твердотопливные – в межконтинентальных баллистических с ядерным зарядом. Электрореактивные и атомные предназначены для максимально эффективного передвижения в вакууме, и именно на них возлагают максимум надежд. В настоящее время вне тестовых стендов они не применяются.
Однако недавно Роскосмос разместил заказ на разработку орбитального буксира с ядерным двигателем. Это дает повод надеяться на развитие технологии.
Особняком держится узкая группа двигателей орбитального маневрирования. Они предназначены для управления космическим аппаратом. Однако используются не в ракетах, а в космических кораблях. Их недостаточно для полетов, но хватает для маневрирования.
Скорость
К сожалению, в наше время люди приравнивают космические полеты к базовым единицам измерения. С какой скоростью взлетает ракета? Это вопрос не совсем корректен по отношению к космическим ракетам-носителям. Совершенно неважно, с какой скоростью они взлетают.
Ракет существует довольно-таки много, и все из них имеют разную скорость. Те, что предназначены для вывода космонавтов на орбиту, летят медленнее грузовых. Человек, в отличие от груза, ограничен перегрузками. Грузовые же ракеты, например сверхтяжелая Falcon Heavy, взлетает слишком быстро.
Точные единицы скорости посчитать трудно. Прежде всего потому, что они зависят от полезной нагрузки РН (ракеты-носителя). Вполне логично, что РН с полной загрузкой взлетает гораздо медленнее полупустой РН. Однако есть общая величина, которую все ракеты стремятся достигнуть. Это называется космической скоростью.
Существует первая, вторая и, соответственно, третья космическая скорости.
Первая — необходимая скорость, которая позволит двигаться по орбите и не падать на планету. Она составляет 7,9 км в секунду.
Вторая нужна для того, чтобы покинуть земную орбиту и отправиться к орбите другого небесного тела.
Третья же позволит аппарату преодолеть притяжение Солнечной системы и покинуть ее. В настоящее время с такой скоростью летят аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Однако вопреки словам СМИ, они все еще не покинули границы Солнечной системы. С астрономической точки зрения им потребуется не менее 30 000 лет, чтобы достигнуть облака Орта. Гелиопауза же не является границей звездной системы. Это лишь место, в котором солнечный ветер сталкивается с межсистемной средой.
Высота
На какую высоту взлетает ракета? На ту, которая требуется. После достижения гипотетической границы космоса и атмосферы измерять расстояние между кораблем и поверхностью планеты некорректно. После выхода на орбиту корабль находится в другой среде, и дистанция измеряется в величинах расстояния.
Источник
megavolt_lab
megavolt_lab Записки сумасшедшего ракетчика
Космос находится не так уж и далеко от нас: достаточно поднять аппарат всего на 100 км, — и он будет в космосе. Однако, не все так просто: попасть в космос легко, а вот остаться там очень сложно. Именно об этом и пойдет речь в этой статье.
На самом деле ракеты долетали до космоса задолго до запуска первого искусственного спутника Земли. Еще в 1944 году немецкая боевая ракета Фау-2 достигла высоты 188 км, став первым в истории искусственным объектом, побывавшем в космосе. Вот кинозапись с различных испытаний этой ракеты:
А 21 ноября 1946 года эта ракета была запущена с территории США с установленной на борту кинокамерой. Ракета поднялась на высоту 104,6 км, и таким образом было получено первое в истории изображение Земли из космоса:
Однако, в космосе таким образом можно побывать всего несколько минут, так как земля неумолимо притягивает ракету к себе, что вызывает падение ее скорости по мере набора высоты, в результате чего, едва достигнув высшей точки траектории. ракета падает обратно на землю. Именно по такой траектории, получившей название суборбитальной совершил полет первый американский астронавт Алан Шепард 5 мая 1961 года. Именно по такой траектории летают боевые баллистические ракеты. И такая траектория используется сейчас для тех научных миссий, которые не требуют нахождения оборудования в космосе более нескольких минут. Например, 6 ноября 2015 года была запущена суборбитальная легкая ракета для испытаний систем разделения ракеты на отдельные блоки. На ракете было установлено множество камер Go-pro, благодаря чему мы можем насладиться красивыми видеозаписями работы системы с разных ракурсов:
Но как же остаться в космосе надолго? Самое очевидное и «тупое» решение — удерживать набранную высоту засчет постоянно работающего двигателя. Но это лишь ненадолго продлит срок существования ракеты в космосе: как только кончится топливо, ракета упадет. К счастью, на помощь приходит первый и второй законы Ньютона и шарообразность Земли. Первый закон Ньютона описывает движение тела по инерции, а второй — движение с постоянно приложенной неизменной силой (например, силой притяжения Земли).
Встаньте в поле и бросьте камень в горизонтальном направлении. В момент броска вы придаете камню некую скорость, которую камень сохраняет на всем своем пути согласно первому закону Ньютона (сопротивлением воздуха пренебрежем). Но согласно второму закону Ньютона камень будет терять высоту под действием земного притяжения и пролетев некоторое расстояние коснется поверхности Земли, то есть упадет. Но если вы бросите камень сильнее, то есть придадите ему большую горизонтальную скорость, он, прежде чем упасть, пролетит большее расстояние. Если бросить его очень сильно (из мощной пушки, например), он полетит с такой скоростью, что по мере того, как он будет снижаться, земная поверхность будет уходить от него вниз из-за шарообразности Земли. Поскольку под действием силы тяжести скорость снижения камня будет расти, он через некоторое время «догонит» земную поверхность.
Но есть определенное значение горизонтальной скорости, при которой земная поверхность будет все время успевать «уйти» из-под камня до того, как он ее коснется. Тогда камень будет вечно падать на Землю, постоянно «промахиваясь» мимо нее. Разумеется, если сопротивление воздуха не будет его тормозить. Но в космосе воздуха нет, значит там объект, летящий горизонтально с этой скоростью, будет вечно вращаться вокруг Земли и никогда на нее не упадет. Такая траектория называется орбитальной, и это единственный способ остаться в космосе на сколько угодно долгое время.
Скорость, при которой объект остается на орбите Земли называется первой космической и составляет 7,9 км/с. Для других планет она будет другая: зависит от силы притяжения этих планет.
Если разогнать аппарат до скорости 11,2 км/с, то он навсегда улетит от Земли, выйдя на орбиту вокруг Солнца. Такая скорость называется второй космической.
Третья космическая скорость — 16,7 км/с позволит аппарату покинуть Солнечную систему и выйти на орбиту вокруг центра галактики.
Четвертая космическая скорость, позволяющая объекту навсегда покинуть галактику не постоянна для всех точек галактики, а зависит от удаления от ее центра. По оценкам, в районе нашего Солнца четвёртая космическая скорость составляет около 550 км/с.
Так что для того, чтобы остаться в космосе нужно набрать скорость как минимум 7,9 км/с. Это очень большая скорость и для ее набора требуется колоссальное количество топлива. Вот почему космические ракеты такие большие.
Существует два способа придать космическому аппарату первую космическую скорость на нужной высоте. Эти способы называются схемами выведения аппарата на орбиту.
Первый способ — прямой. Нижние плотные слои атмосферы ракета проходит относительно медленно, чтобы не тратить много топлива на борьбу с сопротивлением воздуха. По мере того, как с набором высоты воздух становится разреженнее, ракета отклоняется от вертикальной траектории и вместе с набором высоты набирает горизонтальную скорость. По достижении заданной высоты ракета полностью переходит в горизонтальный полет и, набрав первую космическую скорость, отключает двигатели.
Иллюстрация кликабельна:
Прямой способ хорош тем, что двигатели работают только один раз, что было актуально на заре космонавтики, когда еще не придумали, как запускать их в невесомости. Сейчас прямой способ также используется, поскольку для низких орбит он самый экономичный.
Второй способ — баллистический. Он отличается тем, что двигатели работают два раза. Сначала ракета разгоняется в вертикальном направлении, а в верхних слоях атмосферы под углом к горизонту. При этом набирается часть необходимой горизонтальной скорости и такая вертикальная скорость, при которой ракета по инерции долетит до нужной высоты. Потом двигатели отключаются, и ракета летит по суборбитальной траектории до тех пор, пока не доберется до высшей ее точки (апогей). В апогее двигатели включаются повторно, разгоняют ракету до первой космической скорости и отключаются.
Иллюстрация кликабельна:
Схема баллистического выведения эффективна для высоких орбит.
Также для экономии топлива применяется многоступенчатая конструкция ракеты. По мере расхода топлива логично сбрасывать пустые баки, чтобы не тратить топливо на то, чтобы тащить на орбиту лишнюю массу. Также на больших высотах нет необходимости в мощных и тяжелых двигателях, можно обойтись менее мощными и легкими, поэтому тяжелые двигатели также сбрасываются вместе с пустыми баками, и облегченной ракете становится проще разгоняться. Система «баки + двигатели», отделяемая от ракеты в процессе полета, называется ступенью. В зависимости от количества ступеней бывают двух и трехступенчатые ракеты. Также на ракету нередко устанавливают дополнительный разгонный блок в качестве четвертой ступени.
На этом видео с запуска ракеты Союз на 1 минуте 48 секунде виден сброс четырех блоков первой ступени:
Кроме ступеней ракета сбрасывает и другие элементы, которые становятся ей не нужными в полете. Например, после выхода из атмосферы нет нужды тащить с собой тяжелый головной обтекатель, и он сбрасывается. А на этом видео с бортовой камеры ракеты Сатурн-5 видно, что после отделения первой ступени сбрасывается кольцо, к которому ступень крепилась (с 1.36):
Так что не так уж и сложно добраться до космоса, а вот для того, чтобы там остаться, приходится идти на различные ухищрения.
Источник