Як це працює космічні ракети - Naked ScienceЯк це працює космічні ракети
Нехай польоти до космосу вже давно звична справа. Але чи всі ви знаєте про космічні ракети-носія? Розберемо частинами і подивимося, з чого вони складаються і як працюють.
Реактивний ракетний двигун у процесі роботи викидає речовину (так зване робоче тіло) в одному напрямку, а сам рухається у протилежному напрямку. Щоб зрозуміти як це відбувається, не обов'язково самому літати на ракеті. Найближчий, «земний» приклад – це віддача, яка виходить при стрільбі з вогнепальної зброї. Робочим тілом тут виступають куля і порохові гази, що вириваються зі ствола. Інший приклад - надута і відпущена повітряна кулька. Якщо його не зав'язати, він летітиме доти, доки не вийде повітря. Повітря тут – це те саме робоче тіло. Простіше кажучи, робоче тіло у ракетному двигуні – продукти згоряння ракетного палива.
Паливо ракетних двигунів, як правило, двокомпонентне і включає пальне і окислювач. У ракеті-носії «Протон» як паливо використовується гептил (несиметричний диметилгідразаїн), а як окислювач – тетраксид азоту. Обидва компоненти надзвичайно токсичні, але це «пам'ять» про початкове бойове призначення ракети. Міжконтинентальна балістична ракета УР-500 – прабатько «Протона», – маючи військове призначення, до старту мала довго перебувати у боєготовому стані. А інші види палива не дозволяли забезпечити тривале зберігання. Ракети «Союз-ФГ» і «Союз-2» використовують як паливо гас і рідкий кисень. Ті ж паливні компоненти використовуються в сімействі ракет-носіїв «Ангара», Falcon 9 та перспективної Falcon Heavy Ілона Маска. Паливна пара японської ракети носія «H-IIB» («Ейч-ту-бі») – рідкий водень (пальне) тарідкий кисень (окислювач). Як і в ракеті приватної аерокосмічної компанії Blue Origin, яка застосовується для виведення суборбітального корабля New Shepard. Але це все рідинні ракетні двигуни.
Застосовуються також і твердопаливні ракетні двигуни, але, як правило, у твердопаливних щаблях багатоступінчастих ракет, таких як стартовий прискорювач ракети-носія «Аріан-5», другий ступінь РН «Антарес», бічні прискорювачі МТКК Спейс шатл.
Корисне навантаження, яке виводиться в космос, становить лише малу частку маси ракети. Ракети-носії головним чином «транспортують» себе, тобто власну конструкцію: паливні баки та двигуни, а також паливо, необхідне для їхньої роботи. Паливні баки та ракетні двигуни знаходяться в різних щаблях ракети і, як тільки вони виробляють своє паливо, стають непотрібними. Щоб не нести зайвий вантаж, вони відокремлюються. Крім повноцінних щаблів застосовуються і зовнішні паливні ємності, які не оснащені своїми двигунами. У процесі польоту вони також скидаються.
Існує дві класичні схеми побудови багатоступінчастих ракет: з поперечним та поздовжнім поділом ступенів. У першому випадку щаблі розміщуються одна над іншою і включаються тільки після відділення попереднього, нижнього, ступеня. У другому випадку навколо корпусу другого ступеня розташовані кілька однакових ракет-східців, які включаються та скидаються одночасно. У цьому випадку двигун другого ступеня також може працювати під час старту. Але широко застосовується і комбінована поздовжньо-поперечна схема.
Цікаву схему двоступінчастої ракети з поздовжнім поділом є система Спейс шатл. У ній і криється відмінність американських шатлів від Бурана. Перший ступінь системи Спейс шатл - бічні твердопаливні прискорювачі,друга - сам шатл (орбітер) з зовнішнім паливним баком, що відокремлюється, який за формою нагадує ракету. Під час старту запускаються двигуни як шатла, так і прискорювачів. У системі «Енергія – Буран» двоступінчаста ракета-носій надважкого класу «Енергія» була самостійним елементом і крім виведення в космос МТКК «Буран» могла бути застосована і для інших цілей, наприклад, для забезпечення автоматичних та пілотованих експедицій на Місяць та Марс.
Може здатися, що як тільки ракета вийшла в космос, то мети досягнуто. Але це завжди так. Цільова орбіта космічного апарату або корисного вантажу може бути набагато вищою за лінію, від якої починається космос. Так, наприклад, геостаціонарна орбіта, де розміщуються телекомунікаційні супутники, розташована на висоті 35 786 км над рівнем моря. Ось для цього і потрібен розгінний блок, який є ще одним щаблем ракети. Космос починається вже на висоті 100 км, там починається невагомість, яка є серйозною проблемою для звичайних ракетних двигунів.
Одна з основних «робітників конячок» української космонавтики ракета-носій «Протон» у парі з розгінним блоком «Бриз-М» забезпечує виведення на геостаціонарну орбіту корисних вантажів масою до 3,3 т. Але спочатку виведення здійснюється на низьку опорну орбіту (200 км ). Хоча розгінний блок і називають одним із ступенів корабля, від звичайного ступеня він відрізняється двигунами.
Ракети є для того, щоб щось виводити в космос. Зокрема, космічні кораблі та космічні апарати. У вітчизняній космонавтиці це транспортні вантажні кораблі «Прогрес» та пілотовані кораблі «Союз», які відправляються до МКС. Із космічних апаратів цього року на українських ракетах-носіях вирушили до космосу американський КАIntelsat DLA2 та французький КА Eutelsat 9B, вітчизняний навігаційний КА "Глонасс-М" №53 і, звичайно, КА "ЕкзоМарс-2016", призначений для пошуку метану в атмосфері Марса.
Можливості щодо виведення корисного навантаження у ракет різні. Маса корисного навантаження РН легкого класу "Рокот", призначеної для виведення космічних апаратів на низькі навколоземні орбіти (200 км), - 1,95 т. РН "Протон-М" відноситься до важкого класу. На низьку орбіту він виводить уже 22,4 т, на геоперехідну – 6,15 т, а на геостаціонарну – 3,3 т. «Союз-2» залежно від модифікації та космодрому здатний вивести на низьку навколоземну орбіту від 7,5 до 8,7 т, на геоперехідну орбіту - від 2,8 до 3 т і на геостаціонарну - від 1,3 до 1,5 т. спільного російсько-європейського проекту РН «Союз-ФГ», що застосовується для запуску транспортних і пілотованих кораблів до МКС, має масу корисного вантажу від 7,2 т (з пілотованим кораблем «Союз») до 7,4 т (з вантажним кораблем «Прогрес»). В даний час це єдина ракета, що застосовується для доставки космонавтів та астронавтів на МКС.
Корисне навантаження, як правило, знаходиться у самій верхній частині ракети. Щоб подолати аеродинамічний опір, космічний апарат чи корабель поміщається всередину головного обтічника ракети, який після проходження щільних шарів атмосфери скидається.
Ракету, яка виводить на орбіту космічний корабель з екіпажем, практично завжди можна відрізнити на вигляд від тієї, яка виводить вантажний корабель або космічний апарат. Щоб у разі виникнення аварійної ситуації на ракеті-носія екіпаж пілотованого корабля залишився живим, застосовуєтьсясистема аварійного рятування (САС). По суті, це ще одна (щоправда, невелика) ракета у головній частині ракети-носія. З боку САС виглядає як вежа незвичайної форми на вершині ракети. Її завдання - в екстреній ситуації витягнути пілотований корабель і відвести його від місця аварії.
У разі вибуху ракети на старті або на початку польоту основні двигуни системи порятунку відривають ту частину ракети, в якій знаходиться корабель, що пілотується, і відводять її в бік від місця аварії. Після цього здійснюється парашутний спуск. Якщо ж політ проходить нормально, після досягнення безпечної висоти система аварійного порятунку відокремлюється від ракети-носія. На високих висотах роль САС негаразд важлива. Тут екіпаж вже може врятуватися завдяки відділенню апарату космічного корабля, що спускається, від ракети.