Ракета

Ракета. Союз TMA-13

Ракета (от итал. rocchetta — маленькое веретено):

1. снаряд, взлетающий высоко в воздух при воспламенении наводящегося в нём твёрдого горючего (применяется в военном деле для сигнализации и освещения местности, а также для фейерверков);
2. летательный аппарат, движущийся под действием реактивной силы (тяги), возникающей при отбрасывании массы сгорающего ракетного топлива (рабочего тела), являющегося частью собственной массы ракеты. В военной терминологии слово «Ракета» обозначает класс, как правило, беспилотных летательных аппаратов, применяемых для поражения удалённых объектов (доставка к цели боевого заряда, обычного или ядерного) и использующих для полёта принцип реактивного движения;
3. небольшое пассажирское быстроходное судно на подводных крыльях.

По­лёт ракеты не тре­бу­ет на­ли­чия ат­мо­сферы, что по­зво­ля­ет ис­поль­зо­вать её в ка­че­ст­ве основного тех­нического сред­ст­ва для до­сти­же­ния кос­мического про­стран­ст­ва и од­но­го из наиболее эф­фек­тив­ных средств до­став­ки бое­во­го за­ря­да в во­енных дей­ст­ви­ях. В за­ви­си­мо­сти от ти­па при­ме­няе­мо­го в ра­кет­ном двигателе то­п­ли­ва боль­шин­ст­во ракет подразделяются на ракеты с жид­ко­ст­ными ра­кет­ны­ми двигателями (ЖРД) и с твер­до­то­п­лив­ны­ми ра­кет­ны­ми двигателями. При по­лё­те в ат­мос­фе­ре при­ме­ня­ют­ся так­же воз­душ­но-ре­ак­тив­ные двигатели. В пер­спек­ти­ве воз­мож­но соз­да­ние ракет, ис­поль­зую­щих ядер­ный ра­кет­ный двигатель.

Конструкции ракет

Ракета со­сто­ит из двигательной ус­та­нов­ки (од­но­го или нес­коль­ких двигателей и то­п­лив­но­го от­се­ка), по­лез­ной на­груз­ки и не­ко­то­рых вспо­мо­гательных сис­тем и ме­ха­низ­мов (си­сте­ма по­да­чи топ­ли­ва, элек­тро­обо­ру­до­ва­ние, ру­ле­вые при­во­ды и др.). Боль­шин­ст­во ракет обо­ру­до­ва­ны сис­те­мой управ­ле­ния (для уп­рав­ляе­мых ракет), ко­то­рая обес­пе­чи­ва­ет по­лёт ракеты по тре­буе­мой тра­ек­то­рии, сохранение ус­той­чи­во­сти движения и др. Основные си­ло­вые эле­мен­ты кон­ст­рук­ции ракеты вы­пол­ня­ют­ся в ви­де тон­ко­стен­ных обо­ло­чек из вы­со­ко­проч­ных сплавов и ком­по­зи­ци­он­ных ма­те­риа­лов.

По чис­лу сту­пе­ней ракеты де­лят­ся на од­но­сту­пен­ча­тые и со­став­ные (многоступенчатые). Од­но­сту­пен­ча­тая ракета практически не спо­соб­на обес­пе­чить скорость, не­об­хо­ди­мую для до­сти­же­ния меж­кон­ти­нен­таль­ной даль­но­сти и осу­ще­ст­в­ле­ния космического по­лё­та. Для этой це­ли ис­поль­зу­ет­ся со­став­ная ракета, в ко­то­рой пер­вая ра­кет­ная сту­пень (от­де­ляе­мая часть со­став­ной ра­ке­ты, обеспечивающая бла­го­да­ря ра­бо­те двигателей раз­гон ракеты на оп­ре­де­лён­ном уча­ст­ке тра­ек­то­рии по­лё­та) на­чи­на­ет ра­бо­тать с мо­мен­та пус­ка. После ис­чер­па­ния то­п­ли­ва пер­вая сту­пень от­де­ля­ет­ся, раз­гон по­лез­но­го гру­за про­дол­жа­ет вто­рая сту­пень и т. д. Од­ним из основных свойств со­став­ной ракеты яв­ля­ет­ся её спо­соб­ность су­ще­ст­вен­но уве­ли­чить конечную скорость за счёт сброса в про­цес­се по­лё­та эле­мен­тов кон­ст­рук­ции, необходимость в ко­то­рых к это­му мо­мен­ту по­лё­та ис­чез­ла. Раз­ли­ча­ют кон­ст­рук­тив­ные схемы со­став­ных ракет с поперечным де­ле­ни­ем — так называемый тан­дем, когда сту­пе­ни рас­по­ло­же­ны последовательно по вы­со­те ракет и их двигатели последовательно вступают в ра­бо­ту и с про­доль­ным де­ле­ни­ем — так называемая па­кет­ная схема, до­пус­каю­щая одновременную ра­бо­ту двигателей различных сту­пе­ней и ком­би­ни­ро­ван­ную.

Ракеты и Космонавтика

Союз

Ракеты — самый эффективный способ покинуть атмосферу Земли и достичь космоса. Хотя астрономы и учёные веками мечтали об исследовании Вселенной, технические вопросы, связанные с полётами в космос, были решены только в XIX веке. Газодинамическая лаборатория, советская научно-исследовательская лаборатория, сыграла решающую роль в начальном развитии ракетной техники. В 1921 году они сосредоточились на твердотопливных ракетах, что в конечном итоге привело к первому запуску в 1928 году. Хотя ракета пролетела всего 1300 метров, это была большая веха.

В 1926 году профессор Роберт Годдард из Университета Кларка соединил сверхзвуковое сопло с камерой сгорания высокого давления, удвоив тягу и увеличив КПД двигателя с 2 % до 64 %. Он использовал жидкое топливо вместо пороха, чтобы уменьшить вес и максимально повысить эффективность ракет. Его работа положила начало совершенно новой эре современных ракет.

Конструкция ракеты для полётов в космос

Конструкция (или каркас) ракеты изготовлена из лёгких, но прочных материалов. Хотя ракеты космических челноков весят сотни тысяч килограммов, они спроектированы так, чтобы быть как можно легче, чтобы они могли доставлять грузы на орбиту Земли, используя минимум топлива. В то же время конструкция должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать экстремальные температуры верхних слоёв атмосферы. Конструкция состоит из различных компонентов.

Носовой конус

Верхняя часть ракеты имеет коническую форму для изменения поведения встречного воздушного потока и уменьшения аэродинамического сопротивления. Внутри этого конуса находится камера, в которой могут находиться спутники, вспомогательное оборудование, растения или животные. Внешняя поверхность конуса спроектирована таким образом, чтобы выдерживать экстремальные температуры, возникающие при аэродинамическом нагреве.

Корпус

В корпусе ракеты размещаются топливо, окислитель и двигатель. Топливо и окислитель вместе образуют ракетное топливо. Топливо — это химическое вещество; оно не может гореть или приводить в действие ракетный двигатель без окислителя (кислорода). Поскольку ракеты летят в космос (где нет воздуха), они должны нести с собой кислород.

Количество топлива и окислителя, которое необходимо перевозить, точно рассчитывается для каждой миссии. Ракета может оторваться от земли только в том случае, если она создаёт тягу, превышающую общую массу аппарата. Большая масса означает, что вам нужен более мощный двигатель, который, в свою очередь, потребует больше топлива. Вот почему значение имеет каждый грамм веса, и масса сокращается до самого необходимого.

В типичной ракете около 90 % общей массы составляет топливо, 6 % приходится на конструкцию (корпус, двигатель, крылья), а 4 % может составлять полезная нагрузка (космонавты, спутники, дополнительные приборы, продукты).

Крылья

Крылья прикреплены к нижней части корпуса ракеты. Они обеспечивают устойчивость во время полёта. Другими словами, они поддерживают ориентацию аппарата и намеченную траекторию полёта. Они работают так же, как оперение, расположенное в хвосте стрелы. Тяга на оперении удерживает хвост сзади, чтобы острие стрелы летело прямо по ветру.

Без крыльев ракета потеряла бы управление через несколько секунд после выхода из пусковой установки. Это происходит потому, что на аппарат одновременно действуют несколько сил (аэродинамика, гравитация, а также сила, создаваемая двигателем). Как только центр тяжести опускается ниже центра давления, ракета становится неустойчивой.

При создании ракеты конструкторы учитывают различные факторы, такие как форма, количество, размер и расположение плавников. Обычно они располагаются в задней части, если только ракета не оснащена бортовой автоматизированной системой наведения.

Материалы

Корпус ракеты изготавливается из нескольких прочных, но лёгких материалов. Дюралюминий, например, является наиболее распространённым сплавом, используемым в корпусах ракет. Этот сплав состоит из алюминия, меди и небольшого количества марганца и магния, которые делают его более твёрдым и прочным. Поскольку он обладает низкой свариваемостью, дюралюминиевые детали обычно скрепляются болтами или заклёпками.

Космическая гонка между США и Советским Союзом привела к разработке многочисленных прочных алюминиевых сплавов, содержащих до 10 компонентов. Большинство из них, включая алюминиевые и литиевые сплавы, до сих пор используются для изготовления деталей многоступенчатых ракет. Другим распространённым сплавом является нержавеющая сталь. Она превосходит алюминиевые сплавы по многим параметрам. Она твёрдая и лёгкая, может выдерживать экстремальные нагрузки без деформации, и при этом она гораздо дешевле алюминиевых сплавов. В настоящее время она используется для изготовления топливных баков (с толщиной стенки около 0,5-1 мм).

Медные сплавы также используются в некоторых компонентах. Хромомедный сплав, например, используется для изготовления внутренней стенки ракетного двигателя. Он может выдерживать экстремальное тепло (3 500 Кельвинов), вырывающееся из сопел во время запуска. Кроме того, титан используется для изготовления импеллеров для ракетных двигателей. В отличие от других материалов, титан и его сплавы не подвергаются коррозии в аэрокосмической среде. Они обладают превосходной стойкостью в большинстве окислительных, нейтральных и ингибированных восстановительных условиях. Но поскольку они тяжелее и дороже алюминиевых и стальных сплавов, их используют в очень ограниченных количествах.

Система полезной нагрузки

Полезная нагрузка зависит от космической миссии. Одна и та же ракета может быть модифицирована для запуска полезной нагрузки для различных целей, например, спутников для мониторинга погоды, связи, шпионажа или исследования космического пространства.

Однако самая ценная полезная нагрузка, которую несёт любая ракета, — это люди.

Вывести в космос спутники и сложные приборы требуют серьёзной подготовки. Полезную нагрузку нужно не только поднять в космос, но и благополучно доставить на нужную орбиту. Не должно быть никаких физических повреждений из-за экстремального ускорения, вызванного тягой ракеты, или быстрых изменений величины или направления ускорения, вызванных дросселированием двигателя. Кроме того, биологические, химические или электротехнические полезные нагрузки могут быть повреждены резкими изменениями температуры или давления, а также радиационным облучением космическими лучами.

Чтобы этого не произошло, большинство полезных нагрузок создаются таким образом, чтобы выдерживать определённые жёсткие условия на пути к месту назначения. Кроме того, они заключены в носовой конус (также называемый обтекателем полезной нагрузки), который защищает их от экстремальных температур и давления.

Система наведения

Система наведения ракеты состоит из сложных радаров, датчиков, коммуникационного оборудования и бортовых вычислительных блоков.

Она выполняет две основные функции:

• обеспечение стабильности во время запуска;
• управление аппаратом во время манёвров.

Учёные разработали множество методов управления ракетами во время полёта. Большинство из этих методов предполагает анализ всех сил, действующих на транспортное средство, которые вносят свой вклад в конечное движение. Как только система получает все данные, она может точно рассчитать траекторию полёта для выхода на целевую орбиту.

Ранние ракеты (а также некоторые современные) обычно используют подвижные хвостовые крылья. Эти крылья обеспечивают нужное количество аэродинамической силы, делая аппарат устойчивым во время полёта.

В более новых ракетах (разработанных в конце 1970-х годов и позднее) используется система векторизации тяги, называемая карданной тягой. В этой системе выхлопное сопло перемещается из стороны в сторону для создания управляющего момента. При перемещении сопла направление тяги изменяется относительно центра тяжести ракеты.

В целом, система наведения состоит из трёх компонентов:

1. Вход: включает датчики, радио- и спутниковые каналы связи и другие источники данных.
2. Обработка: содержит несколько центральных процессоров, которые обрабатывают данные и рассчитывают «следующий шаг» для достижения правильного курса.
3. Выход: данные передаются непосредственно на цифровой автопилот для принятия необходимых мер.

Автопилот постоянно обеспечивает обратную связь с системой наведения о состоянии органов управления полётом.

Двигатель

Цель ракетного двигателя — создание тяги. Хотя разные типы двигателей работают по-разному, все они основаны на третьем законе движения Ньютона: каждое действие имеет равную и противоположную реакцию. Двигатель выбрасывает массу (в виде газа под высоким давлением) в одном направлении, чтобы вызвать реакцию в противоположном направлении. Масса поступает из топлива.

В отличие от самолетного двигателя, ракетному двигателю требуется топливо плюс окислитель (источник кислорода). Это связано с тем, что в космосе нет кислорода, поэтому ракета должна иметь свой собственный. Топливо и кислород смешиваются и воспламеняются в камере сгорания. В результате реакции образуется выхлоп, который проходит через сопло для создания тяги. Величина создаваемой тяги зависит от того, какая масса проходит через двигатель и какова скорость истечения газа. (Когда топливо сгорает, оно превращается из твёрдого тела в газ или из жидкости в газ).

Существует два основных типа ракетных двигателей:

• ракеты на твёрдом топливе — они могут храниться годами без значительной деградации топлива, и их можно надёжно запускать. Однако из-за их низкой производительности (по сравнению с жидкотопливными ракетами) в настоящее время они не используются для крупных миссий. Они используются для вывода лёгких полезных грузов (менее 2 тонн) на низкую околоземную орбиту..
• ракеты на жидком топливе — они тяжелее и сложнее в хранении и обращении, однако они обеспечивают большую тягу на единицу веса сжигаемого топлива. Их можно легко остановить после запуска, что обеспечивает дополнительный уровень безопасности. Эти двигатели могут быть спроектированы таким образом, чтобы запускаться и выключаться несколько раз во время полёта для орбитального маневрирования..

Некоторые ракетные двигатели работают на электричестве (дуговая реактивная ракета и резистивная реактивная ракета) или на ядерной энергии (ракета с газовым реактором и ракета с фрагментами деления). Однако в настоящее время они очень неэффективны и требуют большого количества исследований и испытаний.

Топливо

Топливо — это масса, хранящаяся в баке перед использованием в качестве высокоскоростной массы, которая выбрасывается (в виде газа) из сопла ракеты для создания тяги.

Наиболее распространёнными топливами являются топливо, такое как керосин или жидкий водород, и окислители, такие как азотная кислота или жидкий кислород. Топливо сжигается вместе с окислителем в камере сгорания, в результате чего образуется огромное количество горячего газа.

Современные ракеты, такие как Falcon Heavy, Falcon 9, Atlas V, Long March 6, «Ангара» и «Зенит», используют жидкий кислород с высокоочищенным керосином. Эта смесь используется для ускорителей первой ступени, которые взлетают с уровня земли. Некоторые ракетные топлива (называемые монопропеллентами) не нужно сжигать, чтобы произошла химическая реакция. Они могут быть разложены с помощью катализатора с получением горячего газа. Перекись водорода, закись азота и гидразин — прекрасные примеры таких монотоплив.

Ранние ракеты использовали твёрдое топливо, которое содержало смесь гранул твёрдых окислителей, таких как перхлорат аммония, динитрамид аммония и нитрат аммония, в полимерном связующем веществе, с порошками взрывчатых соединений, таких как HMX или RDX. В состав твёрдых ракетных топлив также добавляют стабилизаторы, модификаторы скорости горения и пластификаторы.

Ссылки

• Космическая энциклопедия
• Большая Российская Энциклопедия
• Государственная корпорация по космической деятельности «Роскосмос»