7 Различных типов ракет — На основе движущей силы и их использования
Ракетная двигательная установка — это увлекательная технология. Технология, которая генерирует достаточную тягу для перемещения летательных аппаратов по воздуху. Но знаете ли вы, что ракетная технология была изобретена китайцами в 13 веке?
Конечно, тогда ракеты использовались не для запуска космических аппаратов, а для военных целей. В 1380 году мир увидел свою первую ракетную установку, которая на самом деле была огненной стрелой, названной «осиное гнездо», созданное династией Мин.
До середины 20 века ракеты не использовались в промышленных или научных работах. Фактически, первая ракета, которая могла летать достаточно высоко, чтобы выйти из земной атмосферы, была впервые запущена в 1942 году Германией. В 1957 году Советский Союз запустил первую ракету, которая вывела на эллиптическую низкую околоземную орбиту первый искусственный спутник (Спутник 1).
С тех пор космические агентства и научно-исследовательские центры разработали многочисленные ракетные технологии для получения эффективной тяги. Мы перечисляем самые популярные из них, которые привлекли внимание людей за последние семь десятилетий.
Так сколько на самом деле типов ракет? По сути, ракеты можно разделить на две категории:
На основе движущей силы
1. Твердотопливная Ракета
Космический челнок «Колумбия» был запущен с помощью двух твердотопливных ракет-носителей
Все старые ракеты приводились в движение твердотопливными двигателями. Однако теперь появились новые конструкции, более современные виды топлива и функции с использованием твердого топлива. В настоящее время усовершенствованные твердотопливные двигатели в основном используются на разгонных блоках серии Delta и на сдвоенных разгонных блоках «Спейс шаттла».
Твердое топливо может быть изготовлено из многочисленных соединений, например, черного порошка (содержит древесный уголь, серу и нитрат калия), цинк-серы, нитрата калия и композиционных топлив на основе нитрата аммония или перхлората аммония.
Поскольку эти ракеты могут быть надежно запущены в короткие сроки, а твердое топливо может храниться в течение длительного периода времени, они часто используются в военных целях. Маленькие ракеты, такие как Nike Hercules и Honest John, и большие баллистические ракеты, такие как Vanguard и Polaris, используют двигатели на твердом топливе.
Хотя эти ракеты могут обеспечить высокую тягу при относительно низкой стоимости, они не столь эффективны, как современные ракеты на жидком топливе. Они могут использоваться только для выведения на низкую околоземную орбиту до 2 тонн полезной нагрузки.
2. Ракета на жидком топливе
Как следует из названия, жидкостные ракеты используют жидкое топливо для создания тяги. В отличие от твердого топлива, жидкие состоят либо из одного, либо из двух химических веществ (бипропелленты). Жидкое топливо в значительной степени предпочтительнее твердого топлива из-за его высокой плотности и высокого массового соотношения для ракеты.
Инертный газ хранится в баке двигателя под чрезвычайно высоким давлением для принудительного ввода топлива в камеру сгорания. Хотя двигатели имеют меньшее массовое соотношение, они более надежны и поэтому в основном используются в спутниках для поддержания орбиты.
Жидкие ракеты можно далее разделить на три группы: монотопливные ракеты (с одним топливом), двухтопливные ракеты (с двумя различными видами топлива) и более совершенные трехтопливные ракеты (с тремя видами топлива).
Наиболее популярными являются двухтопливные ракеты, работающие на жидком топливе (углеводороде или жидком водороде) и жидкостном окислителе (жидкий кислород). В ракете может также использоваться криогенный двигатель, в котором и окислитель, и топливо — это газы, которые при низких температурах превращаются в жидкость.
Первый зарегистрированный полет такой ракеты состоялся в 1926 году, когда профессор Роберт Х.Годдард экспериментировал с аппаратом, использующим жидкий кислород и бензин в качестве топлива.
3. Плазменная ракета
Плазменная двигательная установка 1961 г. Предоставлено: НАСА
В плазменном двигателе тяга создается из квазинейтральной плазмы (где ионы и электроны упакованы в равных количествах). Это тип электрического двигателя, который использует токи и потенциалы (производимые внутри плазмы) для ускорения заряженных частиц в плазме.
За последние два десятилетия многие институты работали или в настоящее время работают над плазменными двигателями, включая Иранское космическое агентство, Австралийский национальный университет и Европейское космическое агентство.
Плазменные ракеты могут быть легко построены и использованы не один раз из-за их простой теории работы и дешевого топлива (большое количество газов, а также их комбинации могут быть использованы в качестве топлива). В отличие от обычных химических ракет, плазменные ракеты не используют все свое топливо сразу, что делает их легко пригодными для использования в полете.
Однако самая большая проблема с плазменными ракетами — это производство достаточного количества электричества для превращения газов в плазму. И из-за их относительно низкой тяги они не подходят для запуска тяжелых спутников. В среднем плазменная ракета может производить примерно 1/2 килограмма тяги. Более того, при использовании плазменных двигателей всегда существует вероятность разрушения ракеты.
VASIMR (переменная удельная импульсная магнитоплазменная ракета) — это новейшие типы ракетных двигателей, работающих на плазме, которые ионизируют топливо в плазму с помощью радиоволн. Одним из многих преимуществ плазменного двигателя является его более высокое удельное значение импульса или Isp, чем у любого другого типа ракет.
Хотя плазменные двигатели до сих пор не используются в коммерческих целях, несколько небольших версий уже успешно развернуто и протестировано. В 2011 году НАСА совместно с компанией по производству двигателей, базирующейся в Массачусетсе, запустило в космос на борту экспериментального спутника Tacsat-2 первый в истории подруливающий аппарат Холла (плазменный).
4. Ионная ракета
Испытание зажигания ионного двигателя в Лаборатории реактивного движения НАСА
Ионные двигатели — это еще одна форма электрического движения, которая использует электрический ток для ускорения положительных ионов. Более конкретно, они используют электростатическую или электромагнитную силу для ускорения ионов и создания тяги.
Ионные двигатели ионизируют топливо, добавляя/удаляя электроны для получения ионов. Ксенон в основном используется в качестве топлива из-за его ионизирующих возможностей и высокой атомной массы, которая производит достаточное количество тяги при ускорении ионов.
Поскольку ксенон является инертным газом с впечатляющей плотностью хранения, его можно эффективно хранить на космических аппаратах. Большинство ионных двигателей используют процесс, известный как термоэмиссия для получения электронов.
Ионные двигатели не могут работать в атмосфере Земли, где ионы присутствуют вне двигателя. Они не могут преодолеть никакого заметного сопротивления воздуха и работают только в вакууме пространства. В настоящее время ионные двигатели (разработанные НАСА) используются для поддержания более чем 100 геосинхронных спутников связи в надлежащем положении.
Первой в мире успешной миссией в дальнем космосе с использованием ионных двигателей была НАСА Deep Space 1 (в 1990 году). Позже JAXA запустила космический корабль Hayabusa в 2003 году, который все еще находится в эксплуатации.
На данный момент НАСА работает над двумя различными ионными двигателями — кольцевым двигателем и эволюционным ксеноновым двигателем НАСА, чтобы увеличить срок эксплуатации космических аппаратов и снизить эксплуатационные расходы.
На основе использования
5. Ракетный автомобиль
Возможно, вы слышали о реактивных машинах, но что насчет ракетных машин? В отличие от реактивного автомобиля, ракетный автомобиль несет и топливо, и окислитель, что устраняет необходимость в компрессоре и воздухозаборнике, что, в свою очередь, снижает общий вес и минимизирует сопротивление.
Эти автомобили могут работать на своих двигателях в течение коротких промежутков времени (
Ракетные двигатели также могут быть использованы в авиации. Ракетные самолеты могут достигать гораздо более высоких скоростей, чем самолеты аналогичного размера, но только на небольших расстояниях. А поскольку им не нужен атмосферный кислород, они идеально подходят для полетов на больших высотах.
Ракетные самолеты были впервые спроектированы немцами во время Первой мировой войны. Однако у этих первоначальных конструкций были некоторые серьезные проблемы с производительностью, которые позже были устранены британскими инженерами в 1950-х годах, когда они разработали свои очень эффективные турбореактивные конструкции. Они могут обеспечить более короткие взлеты и намного более высокое ускорение.
Из-за интенсивного использования ракетных двигателей ракетные двигатели в основном используются в самолетах-перехватчиках и космических самолетах. X-15 является одним из самых популярных образцов ракетных самолетов. Это был ракетообразный самолет с своеобразным клиновидным вертикальным хвостом и короткими крыльями, построенный Североамериканской авиацией. На этапе эксплуатации он установил рекорд высоты и скорости в 354 200 футов и 4 520 миль в час.
Источник
Космическая ракета: виды, технические характеристики. Первые космические ракеты и космонавты
Эта статья представит читателю такую интереснейшую тему, как космическая ракета, ракета-носитель и весь тот полезный опыт, который это изобретение принесло человечеству. Также будет рассказано и о полезных грузах, доставляемых в космическое пространство. Освоение космоса началось не так давно. В СССР это была середина третьей пятилетки, когда окончилась Вторая мировая война. Космическая ракета разрабатывалась во многих странах, однако даже США обогнать нас на том этапе не удалось.
Первые
Первой в удачном запуске ушла из СССР космическая ракета-носитель с искусственным спутником на борту 4 октября 1957 года. Спутник ПС-1 удалось вывести на околоземную орбиту. Нужно отметить, что для этого понадобилось создать шесть поколений, и только седьмого поколения космические ракеты России смогли развить нужную для выхода в околоземное пространство скорость — восемь километров в секунду. Иначе невозможно преодолеть притяжение Земли.
Это стало возможным в процессе разработок баллистического оружия дальнего радиуса, где применялось форсирование двигателя. Не следует путать: космическая ракета и космический корабль — это разные вещи. Ракета — средство доставки, а корабль крепится на неё. Вместо него там может быть что угодно — космическая ракета может нести на себе и спутник, и оборудование, и ядерную боеголовку, что всегда служило и до сих пор служит сдерживанием для ядерных держав и стимулом к сохранению мира.
История
Первыми теоретически обосновали запуск космической ракеты русские учёные Мещерский и Циолковский, которые уже в 1897 году описали теорию её полёта. Значительно позже эту идею подхватили Оберт и фон Браун из Германии и Годдард из США. Именно в этих трёх странах началась работа над задачами реактивного движения, создания твёрдотопливных и жидкостных реактивных двигателей. Лучше всех эти вопросы решались в России, по крайней мере твёрдотопливные двигатели уже широко использовались во Второй мировой войне («Катюши»). Жидкостные реактивные двигатели лучше получились в Германии, создавшей первую баллистическую ракету — «Фау-2».
После войны команда Вернера фон Брауна, прихватив чертежи и разработки, нашла приют в США, а СССР вынужден был довольствоваться небольшим количеством отдельных узлов ракеты без какой бы то ни было сопроводительной документации. Остальное придумали сами. Ракетная техника развивалась стремительно, всё более увеличивая дальность и массу несомого груза. В 1954 году началась работа над проектом, благодаря которому СССР смог первым осуществить полет космической ракеты. Это была межконтинентальная двухступенчатая баллистическая ракета Р-7, которую вскоре модернизировали для космоса. Она получилась на славу — исключительно надёжная, обеспечившая множество рекордов в освоении космического пространства. В модернизированном виде её используют до сих пор.
«Спутник» и «Луна»
В 1957 году первая космическая ракета — та самая Р-7 — вывела на орбиту искусственный «Спутник-1». США чуть позже решили повторить такой запуск. Однако в первую попытку их космическая ракета в космосе не побывала, она взорвалась на старте — даже в прямом эфире. «Авангард» был сконструирован чисто американской командой, и он не оправдал надежд. Тогда проектом занялся Вернер фон Браун, и в феврале 1958 года старт космической ракеты удался. А в СССР тем временем модернизировали Р-7 — к ней была добавлена третья ступень. В результате скорость космической ракеты стала совсем другой — была достигнута вторая космическая, благодаря которой появилась возможность покидать орбиту Земли. Ещё несколько лет серия Р-7 модернизировалась и совершенствовалась. Менялись двигатели космических ракет, много экспериментировали с третьей ступенью. Следующие попытки были удачными. Скорость космической ракеты позволяла не просто покинуть орбиту Земли, но и задуматься об изучении других планет Солнечной системы.
Но сначала внимание человечества было практически полностью приковано к естественному спутнику Земли — Луне. В 1959 году к ней вылетела советская космическая станция «Луна-1», которая должна была совершить жёсткую посадку на лунной поверхности. Однако аппарат из-за недостаточно точных расчётов прошёл несколько мимо (в шести тысячах километров) и устремился к Солнцу, где и пристроился на орбиту. Так у нашего светила появился первый собственный искусственный спутник — случайный подарок. Но наш естественный спутник недолго находился в одиночестве, и в этом же 1959-м к нему прилетела «Луна-2», выполнив свою задачу абсолютно правильно. Через месяц «Луна-3» доставила нам фотографии обратной стороны нашего ночного светила. А в 1966-м прямо в Океане Бурь мягко приземлилась «Луна-9», и мы получили панорамные виды лунной поверхности. Лунная программа продолжалась ещё долго, до той поры, когда американские космонавты на ней высадились.
Юрий Гагарин
День 12 апреля стал одним из самых знаменательных дней в нашей стране. Невозможно передать мощь народного ликования, гордости, поистине счастья, когда объявили о первом в мире полёте человека в космос. Юрий Гагарин стал не только национальным героем, ему рукоплескал весь мир. И потому 12 апреля 1961 года — день, триумфально вошедший в историю, стал Днём космонавтики. Американцы срочно попытались ответить на этот беспрецедентный шаг, чтобы разделить с нами космическую славу. Через месяц состоялся вылет Алана Шепарда, но на орбиту корабль не выходил, это был суборбитальный полёт по дуге, а орбитальный у США получился только в 1962-м.
Гагарин полетел в космос на космическом корабле «Восток». Это особая машина, в которой Королёв создал исключительно удачную, решающую множество всевозможных практических задач космическую платформу. Тогда же, в самом начале шестидесятых, разрабатывался не только пилотируемый вариант космического полёта, но был выполнен и проект фото-разведчика. «Восток» вообще имел множество модификаций — более сорока. И сегодня эксплуатируются спутники из серии «Бион» — это прямые потомки корабля, на котором совершён первый полёт человека в космос. В этом же 1961 году гораздо более сложная экспедиция была у Германа Титова, который целые сутки провёл в космосе. Соединённые Штаты смогли это достижение повторить только в 1963 году.
«Восток»
Для космонавтов на всех кораблях «Восток» было предусмотрено катапультное кресло. Это было мудрым решением, поскольку одно-единственное устройство выполняло задачи и на старте (аварийное спасение экипажа), и мягкую посадку спускаемого аппарата. Конструкторы сосредоточили усилия на разработке одного устройства, а не двух. Это уменьшало технический риск, в авиации система катапульт в то время уже была отлично отработана. С другой стороны, огромный выигрыш во времени, чем если проектировать принципиально новое устройство. Ведь космическая гонка продолжалась, и её выигрывал с довольно большим отрывом СССР.
Таким же образом приземлился и Титов. Ему повезло опуститься на парашюте около железной дороги, по которой ехал поезд, и его немедленно сфотографировали журналисты. Система посадки, которая стала самой надёжной и мягкой, разработана в 1965 году, в ней используется гамма-высотомер. Она служит и до сих пор. В США этой технологии не было, именно поэтому все их спускаемые аппараты, даже новые Dragon SpaceX не приземляются, а приводняются. Только шаттлы являются исключением. А в 1962 году СССР уже начал групповые полёты на космических кораблях «Восток-3» и «Восток-4». В 1963 году отряд советских космонавтов пополнился первой женщиной — Валентина Терешкова побывала в космосе, став первой в мире. Тогда же Валерий Быковский поставил не побитый до сих пор рекорд длительности одиночного полёта — он пробыл в космосе пять суток. В 1964 году появился многоместный корабль «Восход», США и тут отстали на целый год. А в 1965-м Алексей Леонов вышел в открытый космос!
«Венера»
В 1966 году СССР начал межпланетные перелёты. Космический корабль «Венера-3» совершил жёсткую посадку на соседнюю планету и доставил туда глобус Земли и вымпел СССР. В 1975-м «Венере-9» удалось совершить мягкую посадку и передать изображение поверхности планеты. А «Венера-13» сделала цветные панорамные снимки и звукозапись. Серия АМС (автоматические межпланетные станции) для изучения Венеры, а также окружающего космического пространства продолжает совершенствоваться и сейчас. На Венере условия жёсткие, а достоверной информации о них практически не было, разработчики ничего не знали ни о давлении, ни о температуре на поверхности планеты, всё это, естественно, осложняло исследование.
Первые серии спускаемых аппаратов даже плавать умели — на всякий случай. Тем не менее поначалу полёты удачными не были, зато впоследствии СССР настолько преуспел в венерианских странствиях, что эту планету стали называть русской. «Венера-1» — первый из космических аппаратов в истории человечества, предназначенный для полёта на другие планеты и их исследования. Был запущен в 1961 году, через неделю потерялась связь от перегрева датчика. Станция стала неуправляемой и смогла сделать только первый в мире пролёт вблизи Венеры (на расстоянии около ста тысяч километров).
По стопам
«Венера-4» помогла нам узнать, что на этой планете двести семьдесят один градус в тени (ночная сторона Венеры), давление до двадцати атмосфер, а сама атмосфера — девяносто процентов углекислого газа. А ещё этот космический аппарат обнаружил водородную корону. «Венера-5» и «Венера-6» многое поведали нам о солнечном ветре (потоки плазмы) и его структуре вблизи планеты. «Венера-7» уточнила данные о температуре и давлении в атмосфере. Всё оказалось ещё сложнее: температура ближе к поверхности была 475 ± 20°C, а давление выше на порядок. На следующем космическом аппарате было переделано буквально всё, и через сто семнадцать суток «Венера-8» мягко привенерилась на дневной стороне планеты. На этой станции был фотометр и множество дополнительных приборов. Главное — была связь.
Оказалось, что освещение на ближайшей соседке почти не отличается от земного — как у нас в пасмурный день. Да там не просто пасмурно, погодка разгулялась по-настоящему. Картины увиденного аппаратурой просто ошеломили землян. Помимо этого, был исследован грунт и количество аммиака в атмосфере, измерена скорость ветра. А «Венера-9» и «Венера-10» смогли показать нам «соседку» по телевизору. Это первые в мире записи, переданные с другой планеты. А сами эти станции и теперь искусственные спутники Венеры. На эту планету последними летали «Венера-15» и «Венера-16», которые тоже стали спутниками, предварительно снабдив человечество абсолютно новыми и нужными знаниями. В 1985 году продолжением программы стали «Вега-1» и «Вега-2», которые изучали не только Венеру, но и комету Галлея. Следующий полёт планируется в 2024 году.
Кое-что о космической ракете
Поскольку параметры и технические характеристики у всех ракет отличаются друг от друга, рассмотрим ракету-носитель нового поколения, например «Союз-2.1А». Она является трёхступенчатой ракетой среднего класса, модифицированным вариантом «Союза-У», который весьма успешно эксплуатируется с 1973 года.
Данная ракета-носитель предназначена для того, чтобы обеспечить запуск космических аппаратов. Последние могут иметь военное, народнохозяйственное и социальное назначение. Эта ракета может выводить их на разные типы орбит — геостационарные, геопереходные, солнечно-синхронные, высокоэллиптические, средние, низкие.
Модернизация
Ракета предельно модернизирована, здесь создана принципиально иная цифровая система управления, разработанная на новой отечественной элементной базе, с быстродействующей бортовой цифровой вычислительной машиной с гораздо большим объёмом оперативной памяти. Цифровая система управления обеспечивает ракету высокоточным выведением полезных нагрузок.
Кроме того, установлены двигатели, на которых усовершенствованы форсуночные головки первой и второй ступеней. Действует другая система телеизмерений. Таким образом повысилась точность выведения ракеты, её устойчивость и, разумеется, управляемость. Масса космической ракеты не увеличилась, а полезный выводимый груз стал больше на триста килограммов.
Технические характеристики
Первая и вторая ступени ракеты-носителя оснащены жидкостными ракетными двигателями РД-107А и РД-108А от НПО «Энергомаш» имени академика Глушко, а на третьей ступени установлен четырёхкамерный РД-0110 от КБ «Химавтоматики». Ракетным топливом служат жидкий кислород, являющийся экологически чистым окислителем, а также слаботоксичное горючее — керосин. Длина ракеты — 46,3 метра, масса на старте — 311,7 тонн, а без головной части — 303,2 тонны. Масса конструкции ракеты-носителя — 24,4 тонны. Компоненты топлива весят 278,8 тонн. Лётные испытания «Союза-2.1А» начались в 2004 году на космодроме Плесецк, и прошли они успешно. В 2006-м ракета-носитель произвела первый коммерческий полёт — вывела на орбиту европейский метеорологический космический аппарат «Метоп».
Нужно сказать, что у ракет разные возможности вывода полезной нагрузки. Носители есть лёгкие, средние и тяжёлые. Ракета-носитель «Рокот», например, выводит космические аппараты на околоземные низкие орбиты — до двухсот километров, а потому ей по силам нагрузка в 1,95 тонн. А вот «Протон» — тяжёлого класса, на низкую орбиту он может вывести 22,4 тонн, на геопереходную — 6,15, а на геостационарную — 3,3 тонны. Рассматриваемая нами ракета-носитель предназначена для всех площадок, которыми пользуется «Роскосмос»: Куру, Байконур, Плесецк, Восточный, и работает в рамках совместных российско-европейских проектов.
Источник