Многоступенчатая ракета: различия между версиями

нет описания правки
м (откат правок 217.21.43.95 (обс.) к версии KrBot)
Метка: откат
Нет описания правки
[[Файл:Siemenowicz_rocket.png|thumb|right|100px|Рисунок из книги Казимира Сименовича ''Artis Magnae Artilleriae pars prima'' 1650 г.]]
'''Многоступе́нчатая раке́та'''  — [[летательный аппарат]], состоящий из двух или более механически соединённых [[ракета|ракет]], называемых '''ступенями''', разделяющихся в полёте. Многоступенчатая ракета позволяет достигнуть скорости большей, чем каждая из её ступеней в отдельности.
 
== История ==
Один из первых эскизов многоступенчатой ракеты был представлен в 1556 году в книге военного техника [[Хаас, Конрад|Конрада Хааса]]. В XVII веке рисунок с изображением ракет был опубликован в труде военного инженера и генерала от артиллерии [[Семенович, Казимир|Казимира Семеновича]] (никаких точных сведений о месте его рождения нет), «Artis Magnae Artilleriae pars prima» ({{lang-la|}} «Великое искусство артиллерии часть первая»), напечатанном в [[1650 год]] годуу в [[Амстердам]]е, [[Нидерланды]]. На нём  — трехступенчатая [[ракета]], в которой третья ступень вложена во вторую, а обе они вместе  — в первую ступень. В головной части помещался состав для [[фейерверк]]а. Ракеты были начинены твёрдым топливом  — [[порох]]ом. Это изобретение интересно тем, что оно более трёхсот лет назад предвосхитило направление, по которому пошла современная ракетная техника.
 
Впервые идея использования многоступенчатых ракет была выдвинута американским инженером [[Годдард, Роберт|Робертом Годдардом]] в 1914 году, и был получен патент на изобретение. В [[1929]] г. К.  Э.  Циолковский выпустил в свет свою новую книгу под заглавием «[[Космические ракетные поезда]]». Этим термином К. Циолковский назвал составные ракеты или, вернее, агрегат ракет, делающих разбег по земле, потом в воздухе и, наконец, в космическом пространстве. Поезд, составленный, например, из 5 ракет, ведётся сначала первой  — головной ракетой; по использовании её горючего, она отцепляется и сбрасывается на землю. Далее, таким же образом, начинает работать вторая, затем третья, четвёртая и, наконец, пятая, [[скорость]] которой будет к тому времени достаточно велика, чтобы унестись в [[межпланетное пространство]]. Последовательность работы с головной ракеты вызвана стремлением заставить материалы ракет работать не на сжатие, а на растяжение, что позволит облегчить конструкцию. По Циолковскому, длина каждой ракеты  — 30 метров. Диаметры  — 3 метра. [[Газ]]ы из сопел вырываются косвенно к оси ракет, чтобы не давить на следующие ракеты. Длина разбега по земле  — несколько сот [[километр]]ов.
 
Несмотря на то, что в технических деталях ракетостроение пошло во многом по другому пути (современные ракеты, например, не «разбегаются» по земле, а взлетают вертикально, и порядок работы ступеней современной ракеты  — обратный, по отношению к тому, о котором говорил Циолковский), сама идея многоступенчатой ракеты и сегодня остаётся актуальной.
 
В [[1935 год]] годуу [[Циолковский, Константин Эдуардович|Циолковский]] написал работу «Наибольшая скорость ракеты», в которой утверждал, что при уровне технологии того времени достичь первой космической скорости (на Земле) можно только с помощью многоступенчатой ракеты. Это утверждение сохраняет свою справедливость и сегодня: все современные носители космических аппаратов  — многоступенчатые. Первым рукотворным объектом, пересекшим [[Линия Кармана|линию Кармана]] и вышедшим в космос, была одноступенчатая немецкая ракета [[Фау-2]]. Высота полётов достигала 188  км.
 
== 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) или разных, 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. Ракета с продольным разделением ступеней, теоретически, может иметь неограниченное количество ступеней, работающих параллельно, но на практике количество таких ступеней ограничено двумя. Известен проект ракеты-носителя "«Виктория-К"», имеющей три ступени с продольным разделением <ref>Можно отметить, что в ракетных системах [[:en:Juno I|«Юнона I»]] и [[:en:Juno II|«Юнона II»]], применявшихся в 50-х годах XX  в., для запуска первых искусственных спутников по космической программе США, в качестве 2-й и 3-й ступеней использовались ''пакеты'', соответственно, из 11 и из 3 твердотопливных 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 [[Space Shuttle|«Спейс-Шаттла»]]. <br />Первая ступень  — боковые твердотопливные ускорители. <br />Вторая ступень  — орбитальный корабль с отделяемым внешним топливным баком. При старте запускаются двигатели обеих ступеней.]]
[[Файл:Space Shuttle Columbia launching.jpg|thumb|right|200px| Старт [[Space Shuttle|«Спейс-Шаттла»]].]]
Уникальную схему двухступенчатой ракеты с продольным разделением имеет космический корабль «[[Спейс-Шаттл]]», первая ступень которого состоит из двух боковых твердотопливных ускорителей, [[RS-25|главные двигатели]] второй ступени установлены на орбитере (собственно многоразовый космический корабль), а топливо второй ступени содержится во внешнем баке. После исчерпания топлива во внешнем баке, он отделяется и сгорает в атмосфере, главные двигатели отключаются<ref>{{Книга|автор = Jenkins, Dennis R.|заглавие = Space Shuttle: The History of the National Space Transportation System.|ответственный = |издание = |место = |издательство = Voyageur Press.|год = 2006|страницы = |страниц = |isbn = 0-9633974-5-1}}</ref>, а вывод корабля на орбиту завершает с помощью маневровой [[Система орбитального маневрирования|двигательной установки орбитера]]. Такая схема позволяет повторно использовать дорогостоящие главные двигатели.
 
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.
 
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[[детонатором]]. При подаче импульса тока на 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 электродетонаторы всех пироболтов, соединяющих разделяемые части, одновременно подаётся импульс тока, и соединение освобождается.
 
Далее ступени должны быть разведены на безопасное расстояние друг от друга. (Запуск двигателя высшей ступени вблизи низшей может вызвать прогар её топливной ёмкости 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 твердотопливные ракетные двигатели.
На приведённом выше снимке ракеты «[[Сатурн-5]]», на корпусе третьей ступени (крайняя слева, в кадре представлена частично) виден чёрный корпус одного из вспомогательных твердотопливных 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.
 
При выборе числа ступеней важное значение имеют также вопросы надёжности. Пироболты и вспомогательные [[РДТТ]]  — элементы одноразового действия, проверить функционирование которых до старта ракеты невозможно. Между тем, отказ только одного пироболта может привести к аварийному завершению полёта ракеты. Увеличение числа одноразовых элементов, не подлежащих проверке функционирования, снижает надёжность всей ракеты в целом. Это также заставляет конструкторов воздерживаться от слишком большого количества ступеней.
 
== Примечания ==
 
== Ссылки ==
* [http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/rynin/rynin-ts/03.html Ракеты К.  Э.  Циолковского и проект полета на них]
* [http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/raketostr3/obl.html Пилотируемые полёты на Луну, конструкция и характеристики SATURN V APOLLO. Реферат ВИНИТИ М 1973. ]
* [http://www.maniacworld.com/solid-rocket-booster.htm Видеозапись момента отделения бокового ускорителя Спейс Шаттла, и спуска его на парашютах.]