Многоступенчатая ракета: различия между версиями

 
== Принцип действия многоступенчатой ракеты ==
Ракета является весьма «затратным» транспортным средством. [[Ракета-носитель|Ракеты-носители]] [[космический аппарат|космических аппаратов]] «транспортируют», главным образом, топливо, необходимое для работы их двигателей, и собственную конструкцию, состоящую в основном из топливных контейнеров и двигательной установки. На долю полезной нагрузки приходится лишь малая часть (1,5-25–2,0%) стартовой массы ракеты.
 
Составная ракета позволяет более рационально использовать ресурсы за счёт того, что в полёте ступень, выработавшая своё топливо, отделяется, и остальное топливо ракеты не тратится на ускорение конструкции отработавшей ступени, ставшей ненужной для продолжения полёта. Пример расчёта, подтверждающего эти соображения, приводится в статье [[Формула Циолковского#Пример расчёта массы ракеты|«Формула Циолковского»]].
[[Файл:Rocket stage type comparisation.svg|thumb|left|300px|Варианты компоновки ракет. Слева направо: <br />1. одноступенчатая ракета; <br />2. двухступенчатая ракета с поперечным разделением; <br />3. двухступенчатая ракета с продольным разделением. <br />4. Ракета с внешними топливными ёмкостями, отделяемыми после исчерпания топлива в них.]]
[[Файл:Saturn V On Display.jpg|thumb|right|200px|Трёхступенчатая ракета с поперечным разделением «[[Сатурн-5]]» без переходников (демонстрационный экземпляр)]]
Конструктивно многоступенчатые ракеты выполняются c ''поперечным'' или ''продольным разделением ступеней''. <br />
При '''поперечном разделении''' ступени размещаются одна над другой и работают последовательно друг за другом, включаясь только после отделения предыдущей ступени. Такая схема даёт возможность создавать системы, в принципе, с любым количеством ступеней. Недостаток её заключается в том, что ресурсы последующих ступеней не могут быть использованы при работе предыдущей, являясь для неё пассивным грузом. <br />
[[Файл:Soyuz 2 meridian.jpg|thumb|200px|right|Трёхступенчатая [[ракета-носитель]] с продольно-поперечным разделением «[[Союз-2]]».]]
При '''продольном разделении''' первая ступень состоит из нескольких одинаковых ракет (на практике, — от 2 до 8), работающих одновременно и располагающихся вокруг корпуса второй ступени симметрично, чтобы равнодействующая сил тяги двигателей первой ступени была направлена по оси симметрии второй. Такая схема позволяет работать двигателю второй ступени одновременно с двигателями первой, увеличивая, таким образом, суммарную тягу, что особенно нужно во время работы первой ступени, когда вес ракеты максимален. Но ракета с продольным разделением ступеней может быть только двухступенчатой.<ref> Можно отметить, что в ракетных системах [[:en:Juno I|«Юнона I»]] и [[:en:Juno II|«Юнона II»]], применявшихся в 50-х годах XXвXX в., для запуска первых искусственных спутников по космической программе США, в качестве 2-ойй и 3-ейй ступеней использовались ''пакеты'', соответственно, из 11 и из 3 твёрдотопливных ракет [[:en:MGM-29 Sergeant|«Сержант»]]. Но такую компоновку следует рассматривать как ''с поперечным разделением'', поскольку совмещения работы ступеней по времени здесь нет.</ref><br />
Существует и комбинированная схема разделения — '''продольно-поперечная''', позволяющая совместить преимущества обеих схем, при которой первая ступень разделяется со второй продольно, а разделение всех последующих ступеней происходит поперечно. Пример такого подхода — отечественный носитель [[Союз-2 (ракета-носитель)|«Союз»]].
[[Файл:Shuttle size.png|300px|thumb|left|Компоновка [[КомпоновкаSpace ЛАShuttle|Компоновка]] [[«Спейс Шаттл-Шаттла»]]а. <br />Первая ступень — боковые твёрдотопливные ускорители. <br />Вторая ступень — орбитерорбитальный корабль с отделяемым внешним топливным баком. При старте запускаются двигатели обеих ступеней.]]
[[Файл:Space Shuttle Columbia launching.jpg|thumb|right|200px| Старт [[СпейсSpace ШаттлShuttle|«Спейс-Шаттла»]]а.]]
Уникальную схему двухступенчатой ракеты с продольным разделением имеет космический корабль «[[Спейс -Шаттл]]», первая ступень которого состоит из двух боковых твёрдотопливных ускорителей, а на второй ступени часть топлива содержится в баках ''орбитера'' (собственно многоразового корабля), а большая часть — в отделяемом ''внешнем топливном баке''. Сначала двигательная установка орбитера расходует топливо из внешнего бака, а когда оно будет исчерпано, внешний бак сбрасывается и двигатели продолжают работу на том топливе, которое содержится в баках орбитера. Такая схема позволяет максимально использовать двигательную установку орбитера, которая работает на всём протяжении вывода корабля на орбиту.
 
При поперечном разделении ступени соединяются между собой специальными секциями — ''переходниками'' — несущими конструкциями цилиндрической или конической формы (в зависимости от соотношения диаметров ступеней), каждый из которых должен выдерживать суммарный вес всех последующих ступеней, помноженный на максимальное значение [[Перегрузка (техника)|перегрузки]], испытываемой ракетой на всех участках полёта, на которых данный переходник входит в состав ракеты. <br />
При продольном разделении на корпусе второй ступени создаются силовые бандажи (передний и задний), к которым крепятся блоки первой ступени. <br />
 
Элементы, соединяющие части составной ракеты, сообщают ей жёсткость цельного корпуса, а при разделении ступеней должны практически мгновенно освобождать верхнюю ступень. Обычно соединение ступеней выполняется с помощью ''пироболтов''. Пироболт — это крепёжный болт, в стержне которого рядом с головкой создается полость, заполняемая [[Бризантность|бризантным]] взрывчатым веществом с электро[[детонатордетонатором]]ом. При подаче импульса тока на электро[[детонатор]]электродетонатор происходит взрыв, разрушающий стержень болта, в результате чего его головка отрывается. Количество взрывчатки в пироболте тщательно дозируется, чтобы, с одной стороны, гарантировать отрыв головки, а, с другой — не повредить ракету. При разделении ступеней на [[детонатор|электродетонаторы]] всех пироболтов, соединяющих разделяемые части, одновременно подаётся импульс тока, и соединение освобождается. <br />
Далее ступени должны быть разведены на безопасное расстояние друг от друга. (Запуск двигателя высшей ступени вблизи низшей может вызвать прогар ее топливной емкости и взрыв остатков топлива, который повредит верхнюю ступень, или дестабилизирует её полет.) При разделении ступеней в атмосфере для их разведения может быть использована аэродинамическая сила встречного потока воздуха, а при разделении в пустоте иногда используются вспомогательные небольшие твёрдотопливные ракетные двигатели. <br />
 
На жидкостных ракетах эти же двигатели служат и для того, чтобы «осадить» топливо в баках верхней ступени: при выключении двигателя низшей ступени ракета летит по инерции, в состоянии [[свободное падение|свободного падения]], при этом жидкое топливо в баках находится во взвешенном состоянии, что может привести к сбою при запуске двигателя. Вспомогательные двигатели сообщают ступени небольшое ускорение, под действием которого топливо «оседает» на днища баков. <br />
Далее ступени должны быть разведены на безопасное расстояние друг от друга. (Запуск двигателя высшей ступени вблизи низшей может вызвать прогар ее топливной емкости и взрыв остатков топлива, который повредит верхнюю ступень, или дестабилизирует её полет.) При разделении ступеней в атмосфере для их разведения может быть использована аэродинамическая сила встречного потока воздуха, а при разделении в пустоте иногда используются вспомогательные небольшие твёрдотопливные ракетные двигатели. <br />
На приведённом выше снимке ракеты [[Сатурн-5]], на корпусе третьей ступени (крайняя слева, в кадре представлена частично) виден чёрный корпус одного из вспомогательных твёрдотопливных двигателей разведения 3-й и 2-й ступеней.
 
На жидкостных ракетах эти же двигатели служат и для того, чтобы «осадить» топливо в баках верхней ступени: при выключении двигателя низшей ступени ракета летит по инерции, в состоянии [[свободное падение|свободного падения]], при этом жидкое топливо в баках находится во взвешенном состоянии, что может привести к сбою при запуске двигателя. Вспомогательные двигатели сообщают ступени небольшое ускорение, под действием которого топливо «оседает» на днища баков. <br />
 
На приведённом выше снимке ракеты «[[Сатурн-5]]», на корпусе третьей ступени (крайняя слева, в кадре представлена частично) виден чёрный корпус одного из вспомогательных твёрдотопливных двигателей разведения 3-й и 2-й ступеней.
 
Увеличение числа ступеней даёт положительный эффект только до определённого предела. Чем больше ступеней — тем больше суммарная масса переходников, а также двигателей, работающих лишь на одном участке полёта, и, в какой-то момент, дальнейшее увеличение числа ступеней становится контрпродуктивным. В современной практике ракетостроения более четырёх ступеней, как правило, не делается.
Анонимный участник