Первые создатели ракет

Эскизы и чертёжи первых многоступенчатых ракет появились в трудах военного техника Конрада Хааса (1556 г.) и учёного Казимира Семеновича (1650 г.). Именно он, по мнению многих специалистов, является первым изобретателем многоступенчатой ракеты. Но это были военно-инженерные проекты. Ни Хаас, ни Семенович не предполагали их использование в космических целях. Первым идею использования многоступенчатой ракеты для полёта в космос предложил в 17 веке… Сирано де Бержерак в своей фантастической повести «Путешествие на Луну» (1648 г.). Но дело в том, что обычная многоступенчатая ракета на твёрдом топливе (в основном предлагался порох) не годилась для космических полётов. Нужен был принципиально иной вид топлива.

Константин Циолковский впервые предложил идею освоения космоса с помощью реактивных летательных аппаратов. В 1903 году он опубликовал статью, где писал, как научить ракету летать в космосе. Он придумал жидкое двухкомпонентное топливо. Впервые предложил конструкцию космической ракеты с жидкостным реактивным двигателем. В этом его великая заслуга. И именно поэтому Циолковский считается одним из основоположников космонавтики (хотя ему и не удалось предложить работоспособную конструкцию ракеты). «Одним из» – потому что всего их трое. Кроме нашего Циол ковского это ещё американец Роберт Годдард и немец Герман Оберт.

Годдард в 1914 году первым предложил прототип настоящей космической ракеты – многоступенчатую ракету на жидком топливе. То есть Годдард свёл воедино две основополагающих идеи – идею многоступенчатости и идею жидкого топлива. Многоступенчатость + Жидкое топливо = Космическая ракета. Причём в конструкции ракеты Годдарда предусмотрено последовательное отделение ступеней. Именно Годдард в 1914 году получил патент на изобретение многоступенчатых ракет. Более того, Годдард занимался не только теоретическими выкладками. Он был ещё и практик! В 1926 году именно он построил первую в мире ракету с жидкостным реактивным двигателем. Построил и запустил. Так что если к кому в большей степени и относится фраза «придумал космическую ракету» – так это именно к Годдарду.

Стать свидетелем запусков многоступенчатых космических ракет суждено было только одному из трёх «отцов» – Герману Оберту. В 1923 году выходит его книжка, в которой он предложил двухступенчатую ракету для полёта в космос. Выход этой работы имел огромный резонанс в обществе. Даже советская газета «Правда» неоднократно писала об идее «немецкого профессора Оберта, который придумал способ полёта в космос». Оберт тоже был практиком. Он тоже построил свою ракету.

Кроме традиционно называемых трёх «отцов», пожалуй, можно назвать ещё и четвёртого основоположника космонавтики – Юрия Кондратюка, который в своём труде «Тем, кто будет читать, чтобы строить» дал принципиальную схему и описание 4-ступенчатой ракеты, работающей на кислородно-водородном топливе. Работа над рукописью была начата в 1916, а закончена в 1919 году. Кондратюк знаменит прежде всего тем, что именно он рассчитал оптимальную траекторию полёта к Луне. Эти расчёты были использованы NASA в лунной программе «Аполлон». Предложенная им в 1916 году траектория была впоследствии названа «трассой Кондратюка».

Космические ракеты

Создателем космонавтики как науки считается Герман Оберт, впервые доказавший физическую возможность человеческого организма выносить возникающие при запуске ракеты перегрузки, а также состояние невесомости.

10 мая 1897 года К. Э. Циолковский в рукописи «Ракета» исследовал ряд задач реактивного движения, где определил скорость, которую развивает летательный аппарат под воздействием тяги ракетного двигателя, неизменной по направлению, при отсутствии всех других сил; конечная зависимость получила название «формула Циолковского» (статья опубликована в журнале «Научное обозрение» в 1903 году).

В 1903 году К. Э. Циолковский также опубликовал работу «Исследование мировых пространств реактивными приборами» – первую в мире, посвящённую теоретическому обоснованию возможности осуществления межпланетных полётов с помощью реактивного летательного аппарата – «ракеты». В 1911–1912 годах опубликована вторая часть этой работы, в 1914 году – дополнение. К. Э. Циолковский и независимо от него Ф. А. Цандер пришли к выводам, что космические полёты возможны и на известных уже тогда источниках энергии, и указали практические схемы их реализации (форму ракеты, принципы охлаждения двигателя, использование жидких газов в качестве топливной пары и др.).

Высокая скорость истечения продуктов сгорания топлива позволяет использовать ракеты в областях, где требуются сверхбольшие скорости движения, например для вывода космических аппаратов на орбиту. Максимальная скорость, которая может быть достигнута при помощи ракеты, рассчитывается по формуле Циолковского.

Ракета пока является единственным транспортным средством, способным вывести космический аппарат в космос. Альтернативные способы поднимать космические аппараты на орбиту, такие как «космический лифт», электромагнитные и обычные пушки, пока что находятся на стадии проектирования.

В космосе наиболее ярко проявляется основная особенность ракеты – отсутствие потребности в окружающей среде или внешних силах для своего перемещения. Эта особенность, однако, требует, чтобы все компоненты, необходимые для создания реактивной силы, находились на борту самой ракеты. Так, для ракет, использующих в качестве топлива такие плотные компоненты, как жидкий кислород и керосин, отношение массы топлива к массе конструкции достигает 20:1. Для ракет, работающих на кислороде и водороде, это соотношение меньше – около 10:1. Массовые характеристики ракеты очень сильно зависят от типа используемого ракетного двигателя и закладываемых пределов надёжности конструкции.

Скорость, требуемая для выведения на орбиту космических аппаратов, часто недостижима даже при помощи ракеты. Паразитный вес топлива, конструкции, двигателей и системы управления настолько велик, что не даёт разогнать ракету до нужной скорости за приемлемое время. Задача решается за счёт использования составных многоступенчатых ракет, позволяющих отбросить излишний вес в процессе полёта.

За счёт уменьшения общего веса конструкции и выгорания топлива ускорение составной ракеты с течением времени увеличивается. Оно может немного снижаться лишь в момент сбрасывания отработавших ступеней и начала работы двигателей следующей ступени. Подобные многоступенчатые ракеты, предназначенные для запуска космических аппаратов, называют ракетами-носителями.

Чаще всего в качестве ракет-носителей используются многоступенчатые баллистические ракеты. Старт ракеты-носителя может происходить с Земли, или, в случае долгого полёта, с орбиты искусственного спутника Земли.

В настоящее время космическими агентствами разных стран используются ракеты-носители «Атлас V», «Ариан 5», «Протон», «Дельта-4», «Союз-2» и многие другие.

В настоящее время самым мощными являются ракеты-носители «Протон-М» отечественного производства, европейские «Ариан-5», американские «Дельта-IV Heavy». Запуск ракеты подобных типов позволяет вывести на орбиту (200 км в высоту) полезный груз массой до 25 тонн. Такие аппараты могут донести до геопромежуточной орбиты приблизительно 6–10 тонн и до геостационарной 3–6 тонн.

Отдельного внимания заслуживают ракетыносители «Протон», так как они сыграли немалую роль в освоении космоса. Их использовали для реализации разных пилотируемых программ, в том числе для отправки модулей орбитальной станции «Мир». С его помощью в космос были доставлены «Звезда» и «Заря», важнейшие блоки Международной космической станции. Невзирая на то что не все запуски подобных ракет были успешны, «Протон» и сейчас остается самым востребованным ракетой-носителем: каждый год осуществляется примерно 10–12 стартов.

В целом с начала XXI века активность на космодромах мира существенно упала. Если сравнивать двух лидеров в этой отрасли – Россию и США, то последние каждый год производят намного меньше запусков. В период с 2004 по 2010 год с космодрома Америки было 102 успешных запуска, 5 закончились неудачей. В России успешно завершилось 166 стартов, а 8 закончились аварией.

 

Ракета-носитель

Ракета-носитель, или ракета космического назначения – ракета, предназначенная для выведения полезной нагрузки в космическое пространство.

Иногда термин «ракета-носитель» применяется в расширенном значении: ракета, предназначенная для доставки в заданную точку (в космос либо в отдалённый район Земли) полезной нагрузки – например искусственных спутников Земли, космических кораблей, ядерных и неядерных боевых блоков. В такой трактовке термин «ракета-носитель» объединяет термины «ракета космического назначения» и «межконтинентальная баллистическая ракета». Среди баллистических ракет, способных достичь космического пространства, ни одна не может выйти на орбиту искусственного спутника Земли.

В отличие от некоторых горизонтально-стартующих авиационно-космических систем ракетыносители используют вертикальный тип старта и (много реже) воздушный старт.

Количество ступеней

Одноступенчатых ракет-носителей, выводящих полезную нагрузку в космос, до настоящего времени не создано, хотя имеются проекты различной степени проработки (КОРОНА, HEAT-1X и другие). В некоторых случаях как одноступенчатая может классифицироваться ракета, имеющая в качестве первой ступени воздушный носитель либо использующая в качестве таковой ускорители. Среди баллистических ракет, способных достичь космического пространства, немало одноступенчатых, в том числе и первая баллистическая ракета «Фау-2»; однако ни одна из них не способна выйти на орбиту искусственного спутника Земли.

В качестве маршевых двигателей могут использоваться:

– жидкостные ракетные двигатели;

– твёрдотопливные ракетные двигатели;

– различные комбинации на разных ступенях.

Классификация ракет по массе полезной нагрузки, выводимой на низкую опорную орбиту, меняется с развитием техники и является достаточно условной.

Наибольшее распространение получили одноразовые многоступенчатые ракеты. Одноразовые ракеты отличаются высокой надёжностью благодаря максимальному упрощению всех элементов. Одноступенчатой ракете для достижения орбитальной скорости теоретически необходимо иметь конечную массу не более 7–10 % от стартовой, что при даже существующих технологиях делает их труднореализуемыми и экономически неэффективными из-за низкой массы полезного груза. В истории мировой космонавтики одноступенчатые ракетыносители практически не создавались – существовали только так называемые полутораступенчатые модификации (например, американская ракета-носитель «Атлас» со сбрасываемыми дополнительными стартовыми двигателями). Наличие нескольких ступеней позволяет существенно увеличить отношение массы выводимой полезной нагрузки к начальной массе ракеты. В то же время многоступенчатые ракеты требуют специальных территорий для падения промежуточных ступеней.

Ввиду необходимости применения высокоэффективных сложных технологий (прежде всего в области двигательных установок и теплозащиты), полностью многоразовых ракет-носителей пока не существует, несмотря на постоянный интерес к этой технологии и периодически открывающиеся проекты разработки многоразовых носителей (за период 1990–2000-х годов это такие, как ROTON, Kistler K-1, АКС VentureStar и др.).

Частично многоразовой являлась широко использовавшаяся американская многоразовая транспортная космическая система «Спейс Шаттл» («Космический челнок») и закрытая советская программа «Энергия – Буран», разработанная, но так и не использованная в прикладной практике, а также ряд нереализованных бывших (например, «Спираль», МАКС и др.) и вновь разрабатываемых (например, «Байкал-Ангара») проектов. Вопреки ожиданиям, «Спейс Шаттл» не смог обеспечить снижение стоимости доставки грузов на орбиту; кроме того, пилотируемые многоразовые комплексы характеризуются сложным и длительным этапом предстартовой подготовки (из-за повышенных требований по надёжности и безопасности при наличии экипажа).

Ракеты для пилотируемых полётов должны обладать большей надёжностью (также на них устанавливается система аварийного спасения); допустимые перегрузки для них ограничены (обычно не более 3–4,5 g). При этом сама ракета-носитель является полностью автоматической системой, выводящей в космическое пространство аппарат (космический корабль) с людьми на борту; это могут быть пилоты, способные осуществлять непосредственное управление кораблём, специалисты (инженеры, исследователи, медики), космические туристы.

Первым теоретическим проектом ракеты-носителя был «Lunar Rocket», спроектированный Британским межпланетным обществом в 1939 году. Проект представлял собой попытку разработки ракеты-носителя, способной доставить полезный груз на Луну, основанную исключительно на существующих в 1930-х годах технологиях, то есть был первым проектом космической ракеты, не имевшим фантастических допущений. Ввиду начала Второй мировой войны работы по проекту были прерваны и существенного влияния на историю космонавтики он не оказал.

Первой в мире настоящей ракетой-носителем, доставившей в 1957 году груз (искусственный спутник Земли) на орбиту, была советская Р-7 («Спутник»). Далее США и ещё несколько стран начали использовать собственные ракеты-носители, а три страны (а значительно позже также и четвёртая – Китай) создали ракету-носитель для пилотируемых полётов.

Самые мощные используемые на данный момент государственные ракеты-носители – это российская «Протон-М», американская «Дельта-IV Heavy» и европейская «Ариан-5» тяжёлого класса, позволяющие выводить на низкую околоземную орбиту (200 км) 21–25 тонн полезного груза. Но самая мощная ракета-носитель из используемых на данный момент – Falcon Heavy от частной компании SpaceX – ракета сверхтяжёлого класса (по американской классификации), способная вывести на низкую околоземную орбиту до 64 тонн.

В прошлом были созданы (в рамках проектов высадки человека на Луну) и более мощные ракеты-носители сверхтяжёлого класса – такие, как американская «Сатурн-5» и советская «Н-1», а также, позднее, советская «Энергия», которые в настоящее время не используются.

Третьей ракетой-носителем сверхтяжёлого класса в России может стать ракета класса «Енисей», детальный план-график создания которой был подписан в начале января 2019 года. Строительство инфраструктуры под ракету начнётся в 2026 году, первый полёт запланирован на 2028 год с космодрома Восточный. Новая российская сверхтяжёлая ракета-носитель будет выводить на низкую околоземную орбиту более 70 тонн груза и обеспечивать полёты в дальний космос.

Ракета-носитель должна вывести полезный груз на высоту больше 100 км. Это так называемая линия Кармана, где аэронавтика становится полностью невозможной. Принято полагать, что полёт считается космическим, если линия Кармана была преодолена.

Линия Кармана – высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом и является верхней границей государств.

Название высота получила по имени американского учёного Теодора фон Кармана. Он первый определил, что примерно на этой высоте атмосфера становится настолько разрежённой, что аэродинамическая авиация становится невозможной, так как скорость летательного аппарата, необходимая для создания достаточной подъёмной силы, становится больше первой космической скорости, и поэтому для достижения больших высот необходимо пользоваться средствами космонавтики.

Эта высота с большим запасом даёт простор для развития и авиации, и космонавтики. Сегодня самые быстрые самолёты имеют практический потолок в пределах 25 км, самые лёгкие и большие аэростаты (метеозонды) редко пересекают границу в 50 км. С другой стороны, космические спутники на высоте 100 км уже начинают вход в атмосферу и разрушаются. Обычно высота начала последнего витка не ниже 120–150 км.

Атмосфера Земли продолжается и за линией Кармана. Внешняя часть земной атмосферы, экзосфера, простирается до высоты 10 тысяч км и более, но на такой высоте атмосфера состоит в основном из атомов водорода, способных покидать атмосферу.