Путешественники часть 12

Как это работает: космические ракеты
Пусть полеты в космос уже давно привычное дело. Но все ли вы знаете о космических ракетах-носителях? Разберем по частям и посмотрим, из чего они состоят и как работают.
С точки зрения науки
Ракетные двигатели
Двигатели – важнейшая составная часть ракеты-носителя. Они создают силу тяги, за счет которой ракета поднимается в космос. Но когда речь идет о ракетных двигателях, не стоит вспоминать те, что находятся под капотом автомобиля или, например, крутят лопасти несущего винта вертолета. Ракетные двигатели совсем другие.
 
В основе действия ракетных двигателей – третий закон Ньютона. Историческая формулировка этого закона говорит, что любому действию всегда есть равное и противоположное противодействие, проще говоря – реакция. Поэтому и двигатели такие называются реактивными.
 
Реактивный ракетный двигатель в процессе работы выбрасывает вещество (так называемое рабочее тело) в одном направлении, а сам движется в противоположном направлении. Чтобы понять, как это происходит, не обязательно самому летать на ракете. Самый близкий, «земной», пример – это отдача, которая получается при стрельбе из огнестрельного оружия. Рабочим телом здесь выступают пуля и пороховые газы, вырывающиеся из ствола. Другой пример – надутый и отпущенный воздушный шарик. Если его не завязать, он будет лететь до тех пор, пока не выйдет воздух. Воздух здесь – это и есть то самое рабочее тело. Проще говоря, рабочее тело в ракетном двигателе – продукты сгорания ракетного топлива.
Топливо
Топливо ракетных двигателей, как правило, двухкомпонентное и включает в себя горючее и окислитель. В ракете-носителе «Протон» в качестве горючего используется гептил (несимметричный диметилгидразаин), а в качестве окислителя – тетраксид азота. Оба компонента чрезвычайно токсичны, но это «память» о первоначальном боевом предназначении ракеты. Межконтинентальная баллистическая ракета УР-500 – прародитель «Протона», – имея военное предназначение, до старта должна была долго находиться в боеготовом состоянии. А другие виды топлива не позволяли обеспечить долгое хранение. Ракеты «Союз-ФГ» и «Союз-2» используют в качестве топлива керосин и жидкий кислород. Те же топливные компоненты используются в семействе ракет-носителей «Ангара», Falcon 9 и перспективной Falcon Heavy Илона Маска. Топливная пара японской ракеты носителя «H-IIB» («Эйч-ту-би») – жидкий водород (горючее) и жидкий кислород (окислитель). Как и в ракете частной аэрокосмической компании Blue Origin, применяемой для вывода суборбитального корабля New Shepard. Но это все жидкостные ракетные двигатели.
 
Применяются также и твердотопливные ракетные двигатели, но, как правило, в твердотопливных ступенях многоступенчатых ракет, таких как стартовый ускоритель ракеты-носителя «Ариан-5», вторая ступень РН «Антарес», боковые ускорители МТКК Спейс шаттл.
 
Ступени
Полезная нагрузка, выводимая в космос, составляет лишь малую долю массы ракеты. Ракеты-носители главным образом «транспортируют» себя, то есть собственную конструкцию: топливные баки и двигатели, а также топливо, необходимое для их работы. Топливные баки и ракетные двигатели находятся в разных ступенях ракеты и, как только они вырабатывают свое топливо, то становятся ненужными. Чтобы не нести лишний груз, они отделяются. Кроме полноценных ступеней применяются и внешние топливные емкости, не оснащенные своими двигателями. В процессе полета они также сбрасываются.
Существует две классические схемы построения многоступенчатых ракет: c поперечным и продольным разделением ступеней. В первом случае ступени размещаются одна над другой и включаются только после отделения предыдущей, нижней, ступени. Во втором случае вокруг корпуса второй ступени расположены несколько одинаковых ракет-ступеней, которые включаются и сбрасываются одновременно. В этом случае двигатель второй ступени также может работать при старте. Но широко применяется и комбинированная продольно-поперечная схема.
 Стартовавшая в феврале этого года с космодрома в Плесецке ракета-носитель легкого класса «Рокот» является трехступенчатой с поперечным разделением ступеней. А вот РН «Союз-2», запущенная с нового космодрома «Восточный» в апреле этого года, – трехступенчатая с продольно-поперечным разделением.
Интересную схему двухступенчатой ракеты с продольным разделением представляет собой система Спейс шаттл. В ней и кроется отличие американских шаттлов от «Бурана». Первая ступень системы Спейс шаттл – боковые твердотопливные ускорители, вторая – сам шаттл (орбитер) с отделяемым внешним топливным баком, который по форме напоминает ракету. Во время старта запускаются двигатели как шаттла, так и ускорителей. В системе «Энергия – Буран» двухступенчатая ракета-носитель сверхтяжелого класса «Энергия» была самостоятельным элементом и помимо вывода в космос МТКК «Буран» могла быть применена и для других целей, например для обеспечения автоматических и пилотируемых экспедиций на Луну и Марс.
 
Разгонный блок
Может показаться, что как только ракета вышла в космос, то цель достигнута. Но это не всегда так. Целевая орбита космического аппарата или полезного груза может быть гораздо выше линии, от которой начинается космос. Так, например, геостационарная орбита, на которой размещаются телекоммуникационные спутники, расположена на высоте 35 786 км над уровнем моря. Вот для этого и нужен разгонный блок, который, по сути, является еще одной ступенью ракеты. Космос начинается уже на высоте 100 км, там же начинается невесомость, которая является серьезной проблемой для обычных ракетных двигателей.
Одна из основных «рабочих лошадок» российской космонавтики ракета-носитель «Протон» в паре с разгонным блоком «Бриз-М» обеспечивает выведение на геостационарную орбиту полезных грузов массой до 3,3 т. Но первоначально вывод осуществляется на низкую опорную орбиту (200 км). Хотя разгонный блок и называют одной из ступеней корабля, от обычной ступени он отличается двигателями.
РН «Протон-М» с разгонным блоком «Бриз-М» на сборке /©ФГУП «ГКНПЦ имени М.В.Хруничева»
 Для перемещения космического аппарата или корабля на целевую орбиту или направления его на отлетную или межпланетную траекторию разгонный блок должен иметь возможность выполнить один или несколько маневров, при совершении которых изменяется скорость полета. А для этого необходимо каждый раз включать двигатель. Причем в периоды между маневрами двигатель находится в выключенном состоянии. Таким образом, двигатель разгонного блока способен многократно включаться и выключаться, в отличие от двигателей других ступеней ракет. Исключением являются многоразовые Falcon 9  и New Shepard, двигатели первых ступеней которых используются для торможения при посадке на Землю.
 
Полезная нагрузка
Ракеты существуют для того, чтобы что-то выводить в космос. В частности, космические корабли и космические аппараты. В отечественной космонавтике это транспортные грузовые корабли «Прогресс» и пилотируемые корабли «Союз», отправляемые к МКС. Из космических аппаратов в этом году на российских ракетах-носителях отправились в космос американский КА Intelsat DLA2  и французский КА Eutelsat 9B, отечественный навигационный КА «Глонасс-М» №53 и, конечно, КА «ЭкзоМарс-2016», предназначенный для поиска метана в атмосфере Марса.
Возможности по выводу полезной нагрузки у ракет разные. Масса полезной нагрузки РН легкого класса «Рокот», предназначенной для выведения космических аппаратов на низкие околоземные орбиты (200 км), – 1,95 т. РН «Протон-М» относится к тяжелому классу. На низкую орбиту он выводит уже 22,4 т, на геопереходную – 6,15 т, а на геостационарную – 3,3 т. «Союз-2» в зависимости от модификации и космодрома способен вывести на низкую околоземную орбиту от 7,5 до 8,7 т, на геопереходную орбиту – от 2,8 до 3 т и на геостационарную – от 1,3 до 1,5 т. Ракета предназначена для запусков со всех площадок Роскосмоса: Восточного, Плесецка, Байконура и Куру, используемого в рамках совместного российско-европейского проекта. Применяемая для запуска транспортных и пилотируемых кораблей к МКС, РН «Союз-ФГ» имеет массу полезного груза от 7,2 т (с пилотируемым кораблем «Союз») до 7,4 т (с грузовым кораблем «Прогресс»). В настоящее время это единственная ракета, применяемая для доставки космонавтов и астронавтов на МКС.
Полезная нагрузка, как правило, находится в самой верхней части ракеты. Для того чтобы преодолеть аэродинамическое сопротивление, космический аппарат или корабль помещается внутрь головного обтекателя ракеты, который после прохождения плотных слоев атмосферы сбрасывается.
 
Вошедшие в историю слова Юрия Гагарина: «Вижу Землю… Красота-то какая!» были им сказаны именно после сброса головного обтекателя ракеты-носителя «Восток».
Система аварийного спасения
Ракету, которая выводит на орбиту космический корабль с экипажем, практически всегда можно отличить по внешнему виду от той, которая выводит грузовой корабль или космический аппарат. Чтобы в случае возникновения аварийной ситуации на ракете-носителе экипаж пилотируемого корабля остался жив, применяется система аварийного спасения (САС). По сути, это еще одна (правда, небольшая) ракета в головной части ракеты-носителя. Со стороны САС выглядит как башенка необычной формы на вершине ракеты. Ее задача – в экстренной ситуации вытянуть пилотируемый корабль и увести его от места аварии.
В случае взрыва ракеты на старте или в начале полета основные двигатели системы спасения отрывают ту часть ракеты, в которой находится пилотируемый корабль, и уводят ее в сторону от места аварии. После чего осуществляется парашютный спуск. В случае же если полет проходит нормально, после достижения безопасной высоты система аварийного спасения отделяется от ракеты-носителя. На больших высотах роль САС не так важна. Здесь экипаж уже может спастись благодаря отделению спускаемого аппарата космическоо корабля от ракеты.5 самых важных частей ракеты 20.07.2022 5 294 Ракеты — самый эффективный способ покинуть атмосферу Земли и достичь космоса. Хотя астрономы и ученые веками мечтали об исследовании Вселенной, технические вопросы, связанные с полетами в космос, были решены только в 19 веке. Газодинамическая лаборатория, советская научно-исследовательская лаборатория, сыграла решающую роль в начальном развитии ракетной техники. В 1921 году они сосредоточились на твердотопливных ракетах, что в конечном итоге привело к первому запуску в 1928 году. Хотя ракета пролетела всего 1300 метров, это была большая веха. РЕКЛАМА В 1926 году профессор Роберт Годдард из Университета Кларка соединил сверхзвуковое сопло с камерой сгорания высокого давления, удвоив тягу и увеличив КПД двигателя с 2% до 64%. Он использовал жидкое топливо вместо пороха, чтобы уменьшить вес и максимально повысить эффективность ракет. Его работа положила начало совершенно новой эре современных ракет. С тех пор мы прошли долгий путь. Сегодняшние ракеты гораздо сложнее и используются для различных целей, таких как запуск искусственных спутников, исследование космоса и полеты человека в космос. Чтобы помочь вам понять устройство этих сложных машин, мы перечислили некоторые из наиболее распространенных частей ракеты и их назначение. Мы рассмотрели все важные компоненты, включая те, которые приводят в движение транспортное средство, а также контролируют и корректируют направление движения. 5. Конструкционная система Конструкция (или каркас) ракеты изготовлена из легких, но прочных материалов. Хотя ракеты космических челноков весят сотни тысяч килограммов, они спроектированы так, чтобы быть как можно легче, чтобы они могли доставлять грузы на орбиту Земли, используя минимум топлива. В то же время конструкция должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать экстремальные температуры верхних слоев атмосферы. Конструкция состоит из различных компонентов: Носовой конус Верхняя часть ракеты имеет коническую форму для изменения поведения встречного воздушного потока и уменьшения аэродинамического сопротивления. Внутри этого конуса находится камера, в которой могут находиться спутники, вспомогательное оборудование, растения или животные. Внешняя поверхность конуса спроектирована таким образом, чтобы выдерживать экстремальные температуры, возникающие при аэродинамическом нагреве. Корпус В корпусе ракеты размещаются топливо, окислитель и двигатель. Топливо и окислитель вместе образуют ракетное топливо. Топливо - это химическое вещество; оно не может гореть или приводить в действие ракетный двигатель без окислителя (кислорода). Поскольку ракеты летят в космос (где нет воздуха), они должны нести с собой кислород. Количество топлива и окислителя, которое необходимо перевозить, точно рассчитывается для каждой миссии. Ракета может оторваться от земли только в том случае, если она создает тягу, превышающую общую массу аппарата. Большая масса означает, что вам нужен более мощный двигатель, который, в свою очередь, потребует больше топлива. Вот почему значение имеет каждый грамм веса, и масса сокращается до самого необходимого. В типичной ракете около 90% общей массы составляет топливо, 6% приходится на конструкцию (корпус, двигатель, крылья), а 4% может составлять полезная нагрузка (космонавты, спутники, дополнительные приборы, продукты). Крылья Крылья прикреплены к нижней части корпуса ракеты. Они обеспечивают устойчивость во время полета. Другими словами, они поддерживают ориентацию аппарата и намеченную траекторию полета. Они работают так же, как оперение, расположенное в хвосте стрелы. Тяга на оперении удерживает хвост сзади, чтобы острие стрелы летело прямо по ветру. Без крыльев ракета потеряла бы управление через несколько секунд после выхода из пусковой установки. Это происходит потому, что на аппарат одновременно действуют несколько сил (аэродинамика, гравитация, а также сила, создаваемая двигателем). Как только центр тяжести опускается ниже центра давления, ракета становится неустойчивой. При создании ракеты конструкторы учитывают различные факторы, такие как форма, количество, размер и расположение плавников. Обычно они располагаются в задней части, если только ракета не оснащена бортовой автоматизированной системой наведения. Материалы Корпус ракеты изготавливается из нескольких прочных, но легких материалов. Дюралюминий, например, является наиболее распространенным сплавом, используемым в корпусах ракет. Этот сплав состоит из алюминия, меди и небольшого количества марганца и магния, которые делают его более твердым и прочным. Поскольку он обладает низкой свариваемостью, дюралюминиевые детали обычно скрепляются болтами или заклепками. Космическая гонка между США и Советским Союзом привела к разработке многочисленных прочных алюминиевых сплавов, содержащих до 10 компонентов. Большинство из них, включая алюминиевые и литиевые сплавы, до сих пор используются для изготовления деталей многоступенчатых ракет. Другим распространенным сплавом является нержавеющая сталь. Она превосходит алюминиевые сплавы по многим параметрам. Она твердая и легкая, может выдерживать экстремальные нагрузки без деформации, и при этом она гораздо дешевле алюминиевых сплавов. В настоящее время она используется для изготовления топливных баков (с толщиной стенки около 0,5-1 мм). Медные сплавы также используются в некоторых компонентах. Хромомедный сплав, например, используется для изготовления внутренней стенки ракетного двигателя. Он может выдерживать экстремальное тепло (3 500 Кельвинов), вырывающееся из сопел во время запуска. Кроме того, титан используется для изготовления импеллеров для ракетных двигателей. В отличие от других материалов, титан и его сплавы не подвергаются коррозии в аэрокосмической среде. Они обладают превосходной стойкостью в большинстве окислительных, нейтральных и ингибированных восстановительных условиях. Но поскольку они тяжелее и дороже алюминиевых и стальных сплавов, их используют в очень ограниченных количествах. 4. Система полезной нагрузки Полезная нагрузка зависит от космической миссии. Одна и та же ракета может быть модифицирована для запуска полезной нагрузки для различных целей, например, спутников для мониторинга погоды, связи, шпионажа или исследования космического пространства. Однако самая ценная полезная нагрузка, которую несет любая ракета, — это люди. Вывести в космос спутники и сложные приборы не так просто, как кажется. Полезную нагрузку нужно не только поднять в космос, но и благополучно доставить на нужную орбиту. Не должно быть никаких физических повреждений из-за экстремального ускорения, вызванного тягой ракеты, или быстрых изменений величины или направления ускорения, вызванных дросселированием двигателя. Кроме того, биологические, химические или электротехнические полезные нагрузки могут быть повреждены резкими изменениями температуры или давления, а также радиационным облучением космическими лучами. Чтобы этого не произошло, большинство полезных нагрузок создаются таким образом, чтобы выдерживать определенные жесткие условия на пути к месту назначения. Кроме того, они заключены в носовой конус (также называемый обтекателем полезной нагрузки), который защищает их от экстремальных температур и давления. 3. Система наведения Система наведения ракеты состоит из сложных радаров, датчиков, коммуникационного оборудования и бортовых вычислительных блоков. Она выполняет две основные функции: Обеспечение стабильности во время запуска управление аппаратом во время маневров. Ученые разработали множество методов управления ракетами во время полета. Большинство из этих методов предполагает анализ всех сил, действующих на транспортное средство, которые вносят свой вклад в конечное движение. Как только система получает все данные, она может точно рассчитать траекторию полета для выхода на целевую орбиту. Ранние ракеты (а также некоторые современные) обычно используют подвижные хвостовые крылья. Эти крылья обеспечивают нужное количество аэродинамической силы, делая аппарат устойчивым во время полета. В более новых ракетах (разработанных в конце 1970-х годов и позднее) используется система векторизации тяги, называемая карданной тягой. В этой системе выхлопное сопло перемещается из стороны в сторону для создания управляющего момента. При перемещении сопла направление тяги изменяется относительно центра тяжести ракеты. В целом, система наведения состоит из трех компонентов: Вход: Включает датчики, радио- и спутниковые каналы связи и другие источники данных. Обработка: Содержит несколько центральных процессоров, которые обрабатывают данные и рассчитывают "следующий шаг" для достижения правильного курса. Выход: Данные передаются непосредственно на цифровой автопилот для принятия необходимых мер. Автопилот постоянно обеспечивает обратную связь с системой наведения о состоянии органов управления полетом. 2. Двигатель Двигатель Raptor, разработанный компанией SpaceX Цель ракетного двигателя - создание тяги. Хотя разные типы двигателей работают по-разному, все они основаны на третьем законе движения Ньютона: каждое действие имеет равную и противоположную реакцию. Двигатель выбрасывает массу (в виде газа под высоким давлением) в одном направлении, чтобы вызвать реакцию в противоположном направлении. Масса поступает из топлива. В отличие от самолетного двигателя, ракетному двигателю требуется топливо плюс окислитель (источник кислорода). Это связано с тем, что в космосе нет кислорода, поэтому ракета должна иметь свой собственный. Топливо и кислород смешиваются и воспламеняются в камере сгорания. В результате реакции образуется выхлоп, который проходит через сопло для создания тяги. Величина создаваемой тяги зависит от того, какая масса проходит через двигатель и какова скорость истечения газа. (Когда топливо сгорает, оно превращается из твердого тела в газ или из жидкости в газ). Существует два основных типа ракетных двигателей: ракеты на твердом топливе и ракеты на жидком топливе. Первые могут храниться годами без значительной деградации топлива, и их можно надежно запускать. Однако из-за их низкой производительности (по сравнению с жидкотопливными ракетами) в настоящее время они не используются для крупных миссий. Они используются для вывода легких полезных грузов (менее 2 тонн) на низкую околоземную орбиту. С другой стороны, ракеты на жидком топливе тяжелее и сложнее в хранении и обращении. Однако они обеспечивают большую тягу на единицу веса сжигаемого топлива. Их можно легко остановить после запуска, что обеспечивает дополнительный уровень безопасности. Эти двигатели могут быть спроектированы таким образом, чтобы запускаться и выключаться несколько раз во время полета для орбитального маневрирования. Некоторые ракетные двигатели работают на электричестве (дуговая реактивная ракета и резистивная реактивная ракета) или на ядерной энергии (ракета с газовым реактором и ракета с фрагментами деления). Однако в настоящее время они очень неэффективны и требуют большого количества исследований и испытаний. 1. Топливо Топливо - это масса, хранящаяся в баке перед использованием в качестве высокоскоростной массы, которая выбрасывается (в виде газа) из сопла ракеты для создания тяги. Наиболее распространенными топливами являются топливо, такое как керосин или жидкий водород, и окислители, такие как азотная кислота или жидкий кислород. Топливо сжигается вместе с окислителем в камере сгорания, в результате чего образуется огромное количество горячего газа. Современные ракеты, такие как Falcon Heavy, Falcon 9, Atlas V, Long March 6, "Ангара" и "Зенит", используют жидкий кислород с высокоочищенным керосином. Эта смесь используется для ускорителей первой ступени, которые взлетают с уровня земли. Некоторые ракетные топлива (называемые монопропеллентами) не нужно сжигать, чтобы произошла химическая реакция. Они могут быть разложены с помощью катализатора с получением горячего газа. Перекись водорода, закись азота и гидразин - прекрасные примеры таких монотоплив. Ранние ракеты использовали твердое топливо, которое содержало смесь гранул твердых окислителей, таких как перхлорат аммония, динитрамид аммония и нитрат аммония, в полимерном связующем веществе, с порошками взрывчатых соединений, таких как HMX или RDX. В состав твердых ракетных топлив также добавляют стабилизаторы, модификаторы скорости горения и пластификаторы. Каковы различные стадии ракеты? В современных ракетах используются две или более ступеней, каждая из которых содержит свой двигатель и топливо. Эти ступени могут быть параллельными (прикрепленными рядом с другой ступенью) или последовательными (установленными поверх другой ступени). Каждая ступень оптимизирована в соответствии с конкретными условиями эксплуатации. Например, верхние ступени предназначены для нормального функционирования в условиях низкого атмосферного давления на больших высотах. Разделение ракеты на различные ступени упрощает разгон аппарата до заданной скорости и высоты. Хотя распространены двухступенчатые ракеты, успешно запускались ракеты с пятью различными ступенями. Сколько ракет было отправлено на орбиту или за ее пределы? Хотя официальных данных об этом нет, количество попыток запуска значительно увеличилось за последнее десятилетие. Основными факторами, способствующими этому, являются подъем китайской космической промышленности, а также частных производителей, таких как SpaceX. В 2021 году было предпринято в общей сложности 144 попытки орбитального запуска (133 из этих запусков были успешными). Эти показатели превзошли рекордное количество попыток в 1967 году (139 попыток, из которых 122 были успешными) и прошлый рекорд успешных орбитальных запусков в 1976 году (125 успешных запусков из 131 миссии).

Ракеты всех видов по-прежнему являются нашим единственным способом выхода в космос — но как именно они работают?
Ракеты - лучший способ нашего вида покинуть атмосферу Земли и достичь космоса. Но процесс, стоящий за приведением в действие этих машин, далеко не прост. Вот что вам нужно знать о запуске ракеты в космос.
Как ракеты взлетают
 ЗВУКА
Писатели и изобретатели веками мечтали исследовать вселенную за пределами Земли, но реальные трудности, связанные с полетами в космос, стали понятны только в 19 веке. Экспериментальные полеты на воздушном шаре показали, что атмосфера Земли быстро разрежается на больших высотах, и поэтому еще до того, как полет с двигателем стал реальностью, инженеры знали, что устройства, которые создают поступательную или восходящую силу, отталкиваясь от окружающей среды, такой как воздух, — такие как крылья и пропеллеры — не будут полезны в космосе.
Другая проблема заключалась в том, что двигатели внутреннего сгорания — такие машины, как паровые или бензиновые двигатели, которые вырабатывают энергию за счет сжигания топлива в кислороде из атмосферы Земли, — также выходили из строя в безвоздушном пространстве.
К счастью, уже было изобретено устройство, которое решало проблему создания силы без участия окружающей среды — ракета. Первоначально использовавшиеся в качестве боевого оружия или в фейерверках, ракеты создают силу в одном направлении, называемую тягой, по принципу действия и противодействия: выхлопные газы, выделяемые взрывоопасными химическими веществами, выталкиваются из задней части ракеты с высокой скоростью, и в результате ракета движется в другом направлении, независимо от какой-либо окружающей среды, объясняет НАСА в этом руководстве (pdf).
Ключом к использованию ракет в космосе является наличие химического вещества, называемого окислителем, которое может выполнять ту же роль, что и кислород в воздухе Земли, и обеспечивать сгорание топлива.
Циолковский разработал сложное уравнение, которое определяло необходимую силу тяги, необходимую для любого данного маневра ракеты, и "удельный импульс" — сколько тяги вырабатывается на единицу топлива, — необходимый ракете для выхода в космос. Он понял, что взрывоопасное ракетное топливо его времени было слишком неэффективным для питания космической ракеты, и утверждал, что жидкое топливо и окислители, такие как жидкий водород и кислород, в конечном итоге понадобятся для выхода на орбиту и за ее пределы. Хотя Циолковский не дожил до признания своих работ, принципы все еще лежат в основе современной ракетостроения.
Полет
Ракеты должны тонко балансировать и контролировать мощные силы, чтобы пробиться сквозь атмосферу Земли в космос.
Ракета создает тягу с помощью управляемого взрыва, поскольку топливо и окислитель вступают в бурную химическую реакцию. Расширяющиеся при взрыве газы выталкиваются из задней части ракеты через сопло. Сопло представляет собой выпускной патрубок особой формы, который направляет горячий газ высокого давления, образующийся при сгорании, в струю, которая выходит из задней части сопла с гиперзвуковой скоростью, более чем в пять раз превышающей скорость звука.
Третий закон движения Исаака Ньютона гласит, что каждое действие имеет равную и противоположную реакцию, поэтому сила "действия", которая выталкивает выхлопные газы из сопла ракеты, должна быть уравновешена равной и противоположной силой, толкающей ракету вперед. В частности, эта сила действует на верхнюю стенку камеры сгорания, но поскольку ракетный двигатель является неотъемлемой частью каждой ступени ракеты, мы можем думать, что она действует на ракету в целом.
 
Хотя силы, действующие в обоих направлениях, равны, их видимые эффекты различны из-за другого закона Ньютона, который объясняет, как объектам с большей массой требуется больше силы, чтобы ускорить их на заданную величину. Таким образом, в то время как действующая сила каждую секунду быстро разгоняет небольшую массу выхлопных газов до гиперзвуковых скоростей, равная сила реакции создает гораздо меньшее ускорение в противоположном направлении для гораздо большей массы ракеты.
По мере того, как ракета набирает скорость, критически важно поддерживать направление движения в точном соответствии с направлением тяги. Для выведения ракеты на орбитальную траекторию необходимы постепенные регулировки, но серьезное смещение может вывести ракету из-под контроля. Большинство ракет, включая серии Falcon и Titan, а также лунную ракету Saturn V, управляются с помощью карданных двигателей, установленных таким образом, что весь ракетный двигатель может поворачиваться и изменять направление своей тяги от момента к моменту. Другие варианты рулевого управления включают использование внешних лопастей для отвода выхлопных газов при их выходе из ракетного двигателя — наиболее эффективных для твердотопливных ракет, в которых отсутствует сложный двигатель, — и вспомогательных двигателей, таких как ракеты малой тяги, установленные по бокам ракетной ступени.
Как работают двигатели ракеты
Современные ракетные двигатели прошли долгий путь от фейерверков, первых в истории ракет. Относительно простые твердотопливные ракеты, чаще всего используемые в качестве ускорителей для обеспечения дополнительной тяги при запуске, по-прежнему основаны на том же базовом принципе воспламенения трубки, содержащей горючую смесь топлива и окислителя. После воспламенения твердотопливная ракета будет продолжать гореть до тех пор, пока не закончится ее топливо, но скорость сжигания топлива — и, следовательно, величину тяги — можно регулировать, изменяя величину поверхности, подверженной воспламенению в разное время полета ракеты.
Это можно сделать, насадив топливно-окислительную смесь с полым зазором по центру, проходящим по всей длине ракеты. В зависимости от профиля этого зазора, который может быть, например, круглым или звездообразным, величина открытой поверхности будет меняться в процессе полета.
Более распространенные ракеты на жидком топливе гораздо сложнее. Как правило, они включают в себя пару топливных баков — по одному для топлива и окислителя - соединенных с камерой сгорания через сложный лабиринт труб. Высокоскоростные турбонасосы, приводимые в действие собственными независимыми двигательными системами, используются для подачи жидкого топлива в камеру через систему впрыска. Скорость подачи можно регулировать вверх или вниз в зависимости от требований, а топливо может впрыскиваться в виде простой струи или мелкодисперсного распыления.
Внутри камеры сгорания используется механизм воспламенения для начала горения — это может быть струя высокотемпературного газа, электрическая искра или пиротехнический взрыв. Быстрое воспламенение имеет решающее значение — если в камере сгорания скопится слишком много смеси топлива и окислителя, то замедленное воспламенение может создать достаточное давление, чтобы разорвать ракету на части, что является катастрофическим событием, которое инженеры-ракетчики лаконично называют "жестким запуском" или "быстрой внеплановой разборкой" (RUD).
Детальная конструкция жидкостной ракетной ступени может сильно различаться в зависимости от используемого топлива и других требований. Одним из наиболее эффективных топлив являются сжиженные газы, такие как жидкий водород, который стабилен только при очень низких температурах — около минус 423 градусов по Фаренгейту (минус 253 градуса Цельсия). После загрузки на борт ракеты это криогенное топливо должно храниться в баках с прочной изоляцией. В некоторых ракетах отсутствует необходимость в механизме воспламенения, используя гиперголическое топливо, которое самопроизвольно воспламеняется при контакте друг с другом.
Межпланетные путешествия
Ракеты - ключ к исследованию нашей солнечной системы, но как они отправляются с орбиты в дальний космос?
Первый этап любого космического полета включает запуск с поверхности Земли на относительно низкую орбиту на высоте около 124 миль (200 км) над подавляющей частью атмосферы. Здесь гравитация почти такая же сильная, как на поверхности, но трение о верхние слои атмосферы Земли очень низкое, поэтому, если самая верхняя ступень ракеты движется достаточно быстро, она может поддерживать стабильную круговую или эллиптическую траекторию, при которой сила тяжести и естественная тенденция аппарата взлетать по прямой компенсируют друг друга.
Многие космические корабли и спутники не выходят за пределы этой низкой околоземной орбиты (LEO), но тем, кому суждено полностью покинуть Землю и исследовать более широкую солнечную систему, требуется дальнейшее увеличение скорости, чтобы достичь скорости отрыва — скорости, при которой они никогда не смогут быть притянуты назад силой притяжения нашей планеты.
Убегающая скорость у поверхности Земли - 6,9 миль в секунду (11,2 км / с) - примерно на 50% превышает типичные скорости объектов в НОО. На большем расстоянии от Земли становится все ниже, и зонды, направляющиеся в межпланетное пространство, часто сначала выводятся на вытянутые или эллиптические орбиты тщательно рассчитанным импульсом тяги от разгонной ступени ракеты, которая может оставаться прикрепленной к космическому кораблю до конца его межпланетного полета. На такой орбите расстояние космического аппарата от Земли может составлять от сотен до тысяч миль, и его скорость также будет меняться, достигая максимума, когда космический корабль находится ближе всего к Земле — в точке, называемой перигеем, — и замедляясь дальше.
 
Ядерные тепловые ракеты - это гипотетический способ генерирования большого количества тяги в течение длительного периода времени – однажды они могли бы сократить время полета к другим планетам. (Фото предоставлено НАСА)
Удивительно, однако, что критический ожог ракеты, используемый для выхода в межпланетное пространство, обычно происходит, когда космический корабль находится вблизи перигея. Это связано с так называемым эффектом Оберта, неожиданным свойством ракетных уравнений, которое означает, что ракета более эффективна, когда движется с более высокой скоростью.
Один из способов понять это заключается в том, что сжигание топлива космического корабля позволяет двигателю использовать не только его химическую энергию, но и его кинетическую энергию, которая больше на более высоких скоростях. В целом, дополнительная тяга ракеты, необходимая для достижения скорости отрыва с малой высоты на более высокой скорости, меньше, чем для отрыва с большой высоты при движении с более низкой скоростью.
Инженеры космических полетов и планировщики миссий часто ссылаются на "Дельта-v", необходимый для выполнения определенного маневра в полете, такого как изменение орбиты. Строго говоря, термин Дельта-v означает изменение скорости, но инженеры используют его специально как показатель величины импульса или силы тяги с течением времени, необходимой для выполнения маневра. Вообще говоря, миссии планируются исходя из "бюджета Delta-v" — сколько тяги они могут генерировать и как долго, используя бортовые запасы топлива космического корабля.
Отправка космического корабля с одной планеты на другую с минимальными требованиями к дельта-v предполагает вывод его на эллиптическую орбиту вокруг Солнца, называемую орбитой переноса Хомана. Космический корабль движется по участку эллиптической траектории, напоминающей спиральную дорожку между орбитами двух планет, и ему не требуется дополнительной тяги на протяжении всего пути. По прибытии к целевому объекту он может использовать только силу тяжести для выхода на свою конечную орбиту, или для этого может потребоваться увеличение тяги ракеты в противоположном направлении — обычно это достигается простым разворотом космического корабля в пространстве и запуском двигателя — прежде чем он сможет выйти на стабильную орбиту.