Космические хроники, или Почему инопланетяне до сих пор нас не нашли

Спустя почти полвека после исследований Циолковского появился предшественник современных космических кораблей – немецкая ракета «Фау-2». Она была задумана для войны и в 1944 году впервые использовалась в военных целях, чтобы наводить ужас на Лондон. Это была первая ракета, способная атаковать города, находящиеся за горизонтом. Развивавшая скорость около 5600 километров в час, «Фау-2» была способна пролететь несколько сотен километров, прежде чем грозно обрушиться на землю в свободном падении от границы космоса.

Однако чтобы выйти на орбиту Земли, космический корабль должен двигаться со скоростью в пять раз большей, чем «Фау-2», то есть при той же массе иметь по крайней мере в двадцать пять раз бо́льшую энергию. А чтобы освободиться от земного тяготения и направиться к Луне, Марсу или дальше, корабль должен развить скорость в 40 000 километров в час. В 1960-е и 1970-е это удалось сделать «Аполлонам», которым потребовалось еще в два раза больше энергии, чтобы достичь Луны.

И для этого нужно было невероятное количество топлива.

Согласно суровому уравнению Циолковского, самая большая проблема при отправке корабля в космос, – это необходимость разгонять «дополнительную» массу – топливо, большая часть которого требуется для разгона, и которое понадобится на следующем этапе путешествия. И проблема веса нарастает по экспоненте. Чтобы смягчить ее, была придумана многоступенчатая конструкция корабля. В такой конструкции относительно небольшая полезная нагрузка – например, корабль «Аполлон», спутник «Эксплорер» или шаттл запускается огромными и мощными ракетами, которые последовательно отбрасываются, когда в них заканчивается топливо. Зачем тащить на буксире пустой бак, если можно просто отбросить его и, возможно, использовать снова для другого запуска?

Рассмотрим «Сатурн-5», трехступенчатую ракету, которая отправляла астронавтов «Аполлона» к Луне. Эту ракету можно представить себе как гигантский топливный бак. Высота «Сатурна-5» с его полезным грузом составляла тридцать шесть этажей, а когда три астронавта вернулись на Землю, высота их крошечной капсулы составила всего один этаж. Первая ступень была отброшена через две с половиной минуты после старта, когда корабль двигался со скоростью 2700 метров в секунду (около 10 000 километров в час). Вторая ступень была отброшена еще через шесть минут, когда скорость достигла около 7000 метров в секунду (почти 26 000 километров в час). Программа третьей ступени была посложнее и включала несколько этапов сжигания топлива: сначала нужно было ускорить корабль так, чтобы он вышел на орбиту Земли, затем вывести его с орбиты и направить к Луне, и наконец, три дня спустя, придать ему еще пару импульсов, чтобы он затормозился и вышел на орбиту вокруг Луны. На каждом этапе корабль становился все меньше и меньше, и эффективность сжигания оставшегося топлива все увеличивалась.

Космический твит № 23

Основной бак нужен шаттлу вплоть до орбиты – еще долго после того, как можно использовать О₂ из атмосферы, так что О₂ приходится везти с собой.

14 мая 2010 года 03:03

С 1981 по 2011 год НАСА использовало шаттлы для экспедиций на расстояние в несколько сотен километров над поверхностью нашей планеты, на низкую околоземную орбиту. Шаттл состоял из трех основных частей: тупорылого «орбитального модуля», похожего на самолет, где находилась команда, полезная нагрузка и три главных двигателя; необъятного внешнего топливного бака, содержавшего почти два миллиона литров самовоспламеняющейся жидкости; и два «твердотопливных ракетных ускорителя», содержавших 900 тонн резиноподобного топлива на основе алюминия, которое создавало 85 % тяги, необходимой, чтобы оторваться от земли. На стартовом столе шаттл весил больше двух тысяч тонн. Через две минуты после старта твердотопливные двигатели заканчивали работу и отбрасывались в океан, откуда их вылавливали для повторного использования. Еще через шесть минут, непосредственно перед тем, как шаттл разгонялся до скорости, необходимой для выхода на орбиту, опустевший внешний бак также отбрасывался и при падении сгорал в атмосфере. К моменту выхода на орбиту масса шаттла составляла 10 % от стартовой.

И вот вы на орбите, а как теперь затормозиться, мягко приземлиться и однажды вернуться домой? К сожалению, в пустом космосе торможение требует столько же топлива, сколько и разгон.