Многоступенчатая ракета: различия между версиями
| [непроверенная версия] | [отпатрулированная версия] |
Содержимое удалено Содержимое добавлено
← Содержимое страницы заменено на «Файл:Siemenowicz_rocket.png|thumb|right|100px|Рисунок из книги Казимира Сименов…» Метки: замена удаление текста через визуальный редактор |
м откат правок 46.146.213.170 (обс.) к версии Wikisaurus Метка: откат |
||
Строка 3:
== 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]], «Artis Magnae Artilleriae pars prima» ({{lang-la|}} «Великое искусство артиллерии часть первая»), напечатанном в [[1650 год]]у 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]]у [[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 (1,5-2,0 %) 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 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.
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 ==
{{примечания}}
| |||