Всё о космических путешествиях за 60 минут

Формула Циолковского гласит, что максимальная скорость, достигаемая ракетой, увеличивается вместе со скоростью ее выхлопных газов. Например, ракета, у которой 90 % ее стартовой массы приходится на топливо, может набрать Av, в 2,3 раза превышающую скорость выхлопных газов. Это означает, что если выхлопные газы движутся со скоростью 2500 м/с (или 9000 км/ч – такая скорость достигается некоторыми современными ракетами), то конечная скорость ракеты составит 5750 м/с – что эквивалентно 20 700 км/ч.

Кажется впечатляющим, и этого хватит, чтобы доставить вас выше линии Кармана. Однако такой скорости недостаточно, чтобы добраться до околоземной орбиты – не говоря уже о более дальних точках назначения. Согласно закону всемирного тяготения вращение вокруг Земли требует подъема на высоту не менее нескольких сотен километров над поверхностью планеты. С учетом гравитации для этого необходима скорость 7800 м/с (28 080 км/ч).

Если сверху большой ракеты установлена маленькая и если большая ракета отбрасывается, а малая запускается, то их скорости складываются.

Герман Оберт (1967)

Пытаясь придумать, как решить эту проблему, Циолковский задался вопросом: что, если полезная нагрузка ракеты – 10 % от стартовой массы – окажется другой, меньшей, ракетой? Когда первая ракета заканчивает гореть, она отбрасывается, и меньшая ракета, которая теперь движется со скоростью 5750 м/с (20 700 км/ч), запускает собственные двигатели. Когда и они исчерпывают свое топливо, набираются дополнительные 5750 м/с, так что конечная скорость вырастает до 11 500 м/с (41 400 км/ч). Добавление ступеней увеличивает ее еще больше. Эта идея известна как «многоступенчатость». Циолковский доказал, что многоступенчатая ракета способна доставить в космос больший груз, чем одноступенчатая, при одинаковой стартовой массе.

Недостатком такого подхода является то, что масса полезной нагрузки уменьшается. Ракета, состоящая из п ступеней, полезная нагрузка каждой из которых составляет 10 % от полной массы ступени, может иметь полезную нагрузку, равную 0,1" от общей массы ракеты. Для двухступенчатой ракеты это 0,01, для трехступенчатой – 0,001 и так далее. Это означает, что полезная нагрузка трехступенчатой ракеты с общей стартовой массой 50 000 кг составит всего 50 кг.

Таким образом, запуск достаточно массивного груза в космос требует действительно огромных многоступенчатых ракет. Многоступенчатость была использована NASA в лунной программе «Аполлон» в 1960-х годах. Запущенная в ее рамках трехступенчатая «Сатурн-5» по-прежнему остается самой большой из когда-либо существовавших ракет. Это настоящий гигант более 110 метров в высоту и весом 3000 тонн, из которых 2870 тонн – вес топлива и окислителя. У «Сатурна-5» ступени располагались одна на другой (такой вариант называется поперечным разделением), но у других, более поздних ракет ступени запускаются одновременно (это продольное разделение): примером такой конструкции являются два больших боковых стартовых двигателя на космическом шаттле.

Ракетостроение

Современные ракетные двигатели бывают нескольких основных типов. Самые простые, как и их ранние предшественники, работают на твердом топливе, похожем на порох. Боковые ускорители, расположенные по обеим сторонам шаттла, представляют собой твердотопливные ракеты, работающие на алюминиевом порошке, который сжигается при использовании окислителя, перхлората аммония. Они потенциально опасны – как римские свечи: после запуска их уже нельзя выключить или хотя бы скорректировать их мощность. С другой стороны, двигатели на жидком топливе, разработанные Робертом Годдардом (см. главу 1), более управляемы. Однако цена, которую приходится за это платить, – дополнительная сложность (и, следовательно, повышенная вероятность сбоя) в виде насосов и топливопроводов, а также инжекторов, обеспечивающих тщательное перемешивание топлива перед сжиганием.

Мне захотелось узнать, что же на самом деле заставляет человека по собственной воле забираться на верхушку огромной свечи… и ждать, пока зажгут запал?

Том Вулф. Битва за космос (1979)