Устройство ракеты: ступени, двигатель, топливо и принцип полёта

Выйти в космос трудно не потому, что высоко, а потому, что быстро. До границы космоса, которую принято отсчитывать от ста километров, можно долететь и без особой скорости. Но чтобы остаться на орбите, нужно двигаться вдоль поверхности Земли примерно со скоростью 7,9 километра в секунду. Разогнать до такой скорости можно только машину, которая почти целиком состоит из топлива. Так устроена ракета: несколько десятков метров баков, двигателей и труб и небольшой груз наверху. Ниже — из чего она состоит, что происходит от старта до орбиты, почему её делают из нескольких ступеней, чем жидкостные двигатели отличаются от твёрдотопливных и как это связано с законами физики. Статья описывает гражданские ракеты-носители, которые выводят на орбиту спутники и космические корабли.

Из чего состоит ракета

Ракета-носитель — это набор ступеней, поставленных одна на другую, с грузом в самом верху.

Часть	Что делает
Головной обтекатель	Обтекаемый колпак; защищает спутник или корабль в плотной атмосфере, потом сбрасывается
Полезная нагрузка	То, ради чего ракета летит: спутник, грузовой или пилотируемый корабль, научный зонд
Топливный бак	Ёмкость с горючим: чаще всего керосином, жидким водородом или другим топливом
Бак окислителя	Ёмкость с окислителем: жидким кислородом, у которого температура намного ниже нуля
Турбонасосный агрегат	Мощный насос, который качает топливо и окислитель из баков в камеру
Камера сгорания	Место, где топливо смешивается с окислителем и сгорает под большим давлением
Сопло	Раструб, в котором горячие газы разгоняются и вылетают наружу с огромной скоростью
Система управления	Гироскопы, датчики и компьютер: следят за положением и направляют ракету по траектории
Рули или подвижные двигатели	Поворачивают вектор тяги: двигатели качаются на шарнирах и изменяют направление полёта
Межступенчатый отсек	Соединяет ступени; там стоят механизмы разделения
Разгонный блок	Отдельная небольшая ступень, которая доводит груз до нужной орбиты

Как летит ракета

1. Запуск двигателей. Топливо и окислитель подаются в камеры сгорания, и двигатели набирают тягу. Ракету удерживают опоры, пока тяга не превысит вес.
2. Старт. Ракета отрывается от стола и поднимается вертикально. Она тяжёлая, поэтому сначала набирает скорость медленно.
3. Разворот. Через несколько десятков секунд ракета начинает наклоняться в сторону запуска: нужно разгоняться вдоль поверхности, а не просто вверх.
4. Отделение боковых блоков или первой ступени. Когда топливо в них выгорает, их отбрасывают, и дальше работает следующая ступень.
5. Сброс обтекателя. Когда плотный воздух остался внизу, створки обтекателя раскрываются и отделяются.
6. Выход на орбиту. Последняя ступень или разгонный блок добавляет скорость, пока не будет достигнута нужная орбитальная.
7. Отделение груза. Спутник или корабль отпускают, и он летит по орбите сам.

Как возникает тяга

Основа всего — закон сохранения импульса, знакомый по третьему закону Ньютона. Двигатель выбрасывает массу газа назад с огромной скоростью. Вылетевшие газы уносят импульс, и ракета получает такой же по величине толчок вперёд. Похожее случается, когда вы, стоя на скользком льду, бросаете тяжёлый предмет: вас отбрасывает в другую сторону. Опоры или воздуха для этого не нужно, потому ракета и работает в космосе.

Чтобы газ вылетал быстро, топливо должно гореть при высоком давлении и температуре, а сопло имеет особую форму: сначала сужается, потом расширяется, разгоняя поток. Горение требует кислорода. В космосе воздуха нет, поэтому ракета берёт окислитель с собой, и это главное отличие от самолётного двигателя, который берёт кислород из воздуха. Про воздушные силы, поднимающие самолёт, рассказано в статье о том, почему самолёт летает, а про вращающиеся лопатки — в статье об устройстве турбины.

Чтобы ракета оторвалась от земли, тяга двигателей должна превышать её вес. У ракеты, полностью заправленной, вес огромен, поэтому сумма тяг всех двигателей первой ступени измеряется сотнями тонн-сил. По мере того как топливо сгорает, ракета становится легче, а тяга остаётся прежней, и ускорение растёт: к концу работы ступени перегрузки самые сильные, и на пилотируемых носителях двигатели иногда дросселируют, снижая тягу, чтобы экипажу было легче.

Зачем нужны ступени

Представьте, что ракета — это груз плюс топливо плюс сами баки и двигатели. Чем дальше летишь, тем больше нужно топлива, но топливо тоже имеет вес, и его тоже надо разгонять. Получается замкнутый круг. Основоположник теории космических полётов Константин Циолковский показал в 1903 году, что скорость ракеты зависит от скорости вылета газов и от того, во сколько раз ракета лёгче в конце, чем в начале. Чтобы дойти до орбитальной скорости, при достижимых скоростях газов нужно отбросить очень большую часть массы.

Отбрасывать проще по частям. Когда топливо в первой ступени кончилось, пустые баки и большие двигатели становятся балластом. Их сбрасывают, и вторая ступень разгоняет уже гораздо более лёгкую ракету. Так же поступают и с третьей. Поэтому большинство ракет-носителей многоступенчатые. Некоторые современные носители возвращают на Землю первую ступень, чтобы использовать её снова.

Жидкостные и твёрдотопливные двигатели

Жидкостный ракетный двигатель. Топливо и окислитель хранятся в отдельных баках и подаются насосами. Тягой можно управлять, двигатель можно остановить и запустить снова. Конструкция сложная, зато очень мощная и экономичная. Такие двигатели стоят на основных ступенях большинства носителей.

Твёрдотопливный. Топливо и окислитель смешаны и залиты в корпус в виде твёрдого блока. Он проще, его можно хранить заправленным и он даёт большую тягу на старте, поэтому такие ускорители часто прикрепляют к жидкостной ступени. Но выключить его на полпути нельзя: пока топливо не выгорит, двигатель работает.

Чем отличается то, что путают

Ракета и ракета-носитель. Ракета — общее название летательного аппарата с ракетным двигателем. Ракета-носитель — та, что выводит космический аппарат на орбиту.

Ракета и космический корабль. Корабль — это груз, который несёт ракета. Ракета нужна для подъёма и разгона, корабль — для полёта в космосе, работы и возвращения.

Ракета и самолёт. Самолёт опирается на воздух: крыло создаёт подъёмную силу, а двигатель берёт кислород из атмосферы. Ракета опирается на собственные газы и берёт окислитель с собой.

Интересные факты

• Большая часть стартовой массы — топливо. Сама конструкция и груз составляют малую долю: почти всё, что стоит на стартовом столе, сгорит по дороге.
• Почему у старта такое облако. Клубы, которые видны у ракеты, — в основном водяной пар и капли воды. Ими глушат шум и охлаждают стартовую площадку, поэтому воду льют под ракету перед стартом.
• Почему баки покрываются инеем. Жидкий кислород кипит при температуре около минус 183 градусов, поэтому баки покрываются инеем: это вода из воздуха, которая замёрзла на холодной стенке.
• Почему двигатели поворачиваются. В разреженной атмосфере и в вакууме рулям опереться не на что. Поэтому основное управление идёт качанием двигателей, которые меняют направление тяги.
• Почему ракеты запускают на восток. Земля вращается с запада на восток, и на экваторе поверхность движется со скоростью около 465 метров в секунду. Запуск по вращению даёт этот подарок бесплатно, поэтому стартовые площадки стараются строить южнее и направлять ракеты на восток.

Почему пуски откладывают

Подготовка пуска длится дни и часы, потому что нужно проверить тысячи параметров. Пуск переносят из-за погоды (грозы, сильного ветра, облачности с электрическими разрядами), сбоев в датчиках, утечек топлива и неполадок в наземных системах. Решение всегда осторожное: ошибка в такой машине стоит слишком дорого. Заправку ведут на стартовой площадке, вокруг ракеты действуют зоны безопасности, а работа с топливом и окислителем — дело подготовленных специалистов и автоматики.