Как работает ракета: от двигателя до системы наведения
Ракета движется по закону сохранения импульса: двигатель сжигает топливо, раскалённые газы с огромной скоростью вырываются через сопло назад, и корпус летит в противоположную сторону. Именно это называют реактивной тягой. Никакой опоры о воздух или землю не нужно — ракета одинаково хорошо работает в атмосфере и в вакууме.
Из чего состоит ракета
Конструктивно любая ракета включает несколько обязательных частей. Двигатель создаёт тягу. Топливный отсек содержит горючее и окислитель — без окислителя сгорание в безвоздушном пространстве невозможно. Корпус выдерживает аэродинамические и тепловые нагрузки. Головная часть несёт полезную нагрузку: спутник, боеголовку или научные приборы. Система управления отвечает за курс.
Топливо бывает жидким и твёрдым. Жидкостные ракеты используют пары компонентов: керосин плюс жидкий кислород, гептил плюс азотный тетраоксид и другие. Жидкое топливо обеспечивает высокий удельный импульс, но требует сложной системы насосов и клапанов. Твёрдотопливные двигатели проще по конструкции: шашка из спрессованного горючего-окислителя горит без дополнительной подачи компонентов. Их легче хранить и быстрее готовить к пуску.
Как работает двигатель и откуда берётся тяга
В камере сгорания топливо воспламеняется и температура достигает 3000–3500 градусов по Цельсию. Продукты сгорания расширяются и разгоняются в профилированном сопле Лаваля: в узком горле поток переходит звуковой барьер, а на расширяющемся выходе разгоняется до нескольких километров в секунду. Скорость истечения газов напрямую определяет тягу: чем быстрее вылетает масса, тем сильнее толчок вперёд.
Тяга измеряется в ньютонах или тоннах-силы. Двигатели современных тяжёлых носителей развивают тягу от 800 до 1000 тонн-силы на первой ступени. По мере выгорания топлива ракета становится легче, и при той же тяге ускорение растёт. Именно поэтому многоступенчатая схема выгодна: отработавшая ступень отделяется, лишняя масса сбрасывается, следующий двигатель разгоняет облегчённый аппарат дальше.
Система управления и наведение
Ракета без управления летела бы по баллистической дуге и быстро отклонялась от курса. Система управления непрерывно измеряет положение и скорость с помощью гироскопов и акселерометров, сравнивает с заданной траекторией и выдаёт команды на рулевые органы. В качестве рулей используют аэродинамические поверхности (в атмосфере), поворотные сопла или газовые рули в струе двигателя.
Точность наведения зависит от задачи. Баллистические ракеты с инерциальной навигацией накапливают ошибку с расстоянием. Крылатые ракеты и управляемые авиабомбы используют спутниковую навигацию, оптические головки самонаведения или комбинацию методов: инерциальный участок плюс коррекция на конечном этапе. Погрешность попадания в таких системах составляет единицы метров на дальностях в сотни километров.
Многоступенчатость и орбитальные скорости
Чтобы вывести груз на орбиту, ракета должна разогнать его примерно до 7,9 километра в секунду. Одна ступень физически не может достичь такой скорости: слишком велика доля конструкции относительно топлива. Решение придумал ещё Константин Циолковский в конце XIX века: делить ракету на ступени, каждая из которых отбрасывается после выгорания топлива. Три ступени позволяют достичь первой космической скорости с разумными стартовыми массами.
Для межпланетных полётов нужна вторая космическая скорость — около 11,2 километра в секунду. Здесь применяют гравитационные манёвры: аппарат пролетает вблизи планеты и забирает часть её орбитального импульса, набирая скорость без расхода топлива. Так работали многие автоматические межпланетные станции.
Где производят ракеты в России
Ракетостроение сосредоточено на нескольких крупных предприятиях. Центр Хруничева в Москве выпускает семейство носителей «Протон» и участвует в создании «Ангары». Ракетно-космический центр «Прогресс» в Самаре производит носители «Союз». НПО «Энергомаш» в Химках специализируется на жидкостных двигателях, которые устанавливают на большинство отечественных ракет-носителей. Производственные мощности и научные школы формировались десятилетиями и остаются основой российской космической отрасли.
