Многоступенчатая ракета

Многоступенчатая ракета — это летательный аппарат, движущийся за счёт реактивной тяги и состоящий из нескольких функционально законченных частей (ступеней), каждая из которых содержит собственный двигатель и запас топлива. После выработки топлива отработавшая ступень отделяется от остающейся части аппарата, что позволяет сбросить излишнюю массу конструкции и увеличить конечную скорость, достижимую ракетой. Этот принцип является основным способом преодоления земного притяжения и выведения полезной нагрузки в космос.

История

Теоретические основы и первые проекты

Идея многоступенчатой ракеты впервые была сформулирована в трудах пионеров ракетной техники. В конце XIX века русский учёный Константин Эдуардович Циолковский обосновал необходимость применения «ракетных поездов» — составных ракет — для достижения космических скоростей. В своей работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1903) он вывел формулу, названную впоследствии формулой Циолковского, и показал, что одноступенчатая ракета принципиально не может развить первую космическую скорость (7,9 км/с) из-за ограниченного отношения массы топлива к массе конструкции.

В 1929 году Циолковский в статье «Космические ракетные поезда» подробно описал концепцию составной ракеты из нескольких последовательно работающих частей. Однако техническая реализация этой идеи стала возможной только после Второй мировой войны.

Разработка и первые применения

Первой серийной многоступенчатой ракетой стала немецкая баллистическая ракета «Фау-2» (A-4), которая фактически не имела полноценных ступеней в современном понимании, но содержала элементы разделения (сбрасываемый хвостовой отсек). Настоящий прорыв произошёл в 1950-х годах в СССР и США.

• Советская программа: Под руководством Сергея Павловича Королёва была создана межконтинентальная баллистическая ракета Р-7 (1957 год), ставшая первой в мире двухступенчатой ракетой, способной доставить ядерный заряд на межконтинентальную дальность. Именно модификация Р-7 вывела на орбиту первый искусственный спутник Земли (1957) и первый пилотируемый корабль «Восток» с Юрием Гагариным (1961). Ракета использовала схему с боковыми блоками (четыре ускорителя первой ступени) и центральным блоком второй ступени.
• Американская программа: Ракета «Атлас» (SM-65) первоначально создавалась как одноступенчатая, но с использованием сбрасываемых двигательных установок, что приближало её к многоступенчатой схеме. Впоследствии были разработаны классические двухступенчатые ракеты «Титан» и «Минитмен».

В 1960–1970-е годы многоступенчатые ракеты стали основой космических программ. Для полётов на Луну в США была создана трёхступенчатая ракета «Сатурн-5» (1967 год) — до настоящего времени самая грузоподъёмная ракета-носитель в истории. В СССР для лунной программы и выведения тяжёлых грузов разрабатывалась ракета Н-1 (неудачные испытания), а позже — сверхтяжёлая ракета «Энергия» (двухступенчатая, старт в 1987 и 1988 годах).

Устройство и принцип действия

Основные элементы

Многоступенчатая ракета состоит из нескольких последовательно соединённых блоков — ступеней. Каждая ступень включает:

• Корпус (топливные баки и силовой набор).
• Двигатель (один или несколько) — жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) или твердотопливный ракетный двигатель (РДТТ).
• Систему управления (частично может быть общей для нескольких ступеней).
• Систему разделения — пиротехнические или пневматические устройства, обеспечивающие отделение отработавшей ступени.

Первая (нижняя) ступень обычно самая мощная и стартует с Земли. Вторая (и последующие) ступени включаются после отделения предыдущей. Верхняя ступень (разгонный блок) выполняет окончательный разгон и вывод полезной нагрузки на целевую орбиту или заданную траекторию.

Физика процесса

Работа ракеты описывается формулой Циолковского для каждой ступени. Ключевое преимущество многоступенчатой схемы — возможность последовательно повышать так называемое «массовое совершенство». После выработки топлива первой ступени её корпус и двигатели, ставшие бесполезным балластом, сбрасываются. Оставшаяся часть ракеты имеет значительно меньшую сухую массу и может быть разогнана до более высоких скоростей тем же двигателем второй ступени.

Теоретически, если бы ракету можно было разогнать до космической скорости одной ступенью, её конструкция была бы чрезвычайно тяжёлой (соотношение масс топлива и конструкции должно быть порядка 50:1, что технически недостижимо). Многоступенчатая схема позволяет достигать практических соотношений 10:1 для каждой ступени, что в сумме даёт необходимую скорость.

Классификация

Ступени многоступенчатых ракет могут компоноваться различными способами.

По расположению ступеней

• Продольная (последовательная) схема: Ступени расположены одна над другой (например, «Сатурн-5», «Союз-2»). Запускается первая ступень, затем отделяется, после чего запускается вторая и т.д.
• Поперечная (параллельная) схема: Первая ступень состоит из нескольких боковых блоков (ускорителей), расположенных вокруг центрального корпуса второй ступени. После окончания работы боковые блоки отбрасываются симметрично (например, советская Р-7, «Спейс Шаттл» — организация признана продолжателем программы, в РФ не запрещена, но программа закрыта). В российской космонавтике такая схема получила название «пакетная».
• Смешанная (комбинированная) схема: Сочетает боковые ускорители и последовательные ступени в центральном блоке (например, американская «Дельта-4 Хэви»).

По типу двигателей

• Жидкостные ракеты: Используют жидкое топливо (керосин + кислород, водород + кислород, гидразин). Обеспечивают регулирование тяги.
• Твердотопливные ракеты: Используют твёрдое смесевое топливо. Проще и дешевле в производстве, не требуют сложной топливной системы, но не могут быть перезапущены после остановки.
• Гибридные: Верхние ступени часто жидкостные, нижние — твердотопливные (например, ракета «Антарес» — используются в коммерческих и государственных проектах).

Применение

Ракеты-носители космического назначения

Основная область применения многоступенчатых ракет — вывод искусственных спутников, космических кораблей и межпланетных станций на орбиту Земли и за её пределы. Современные космические программы России, США, Европы, Китая, Индии и Японии используют двух- и трёхступенчатые носители.

Примеры:

• Россия: Ракеты семейства «Союз-2» (трехступенчатая), «Протон-М» (двухступенчатая, с разгонным блоком), «Ангара-А5» (трехступенчатая, смешанная схема).
• США: Falcon 9 (двухступенчатая, первая ступень многоразовая), Falcon Heavy (трехступенчатая с боковыми ускорителями), SLS (двухступенчатая, в разработке).
• Китай: Чанчжэн-5 (двухступенчатая с боковыми ускорителями).
• Европа: Ariane 5 и Ariane 6 (двухступенчатые с боковыми ускорителями).

Баллистические ракеты

Подавляющее большинство современных межконтинентальных баллистических ракет (МБР) и ракет средней дальности являются многоступенчатыми. Это позволяет им разгонять боеголовку до скоростей, необходимых для поражения целей на расстоянии тысяч километров. Например, российские МБР «Тополь-М» и «Ярс» имеют три твердотопливных ступени. Американская «Минитмен-111» — трёхступенчатая твердотопливная. Морские баллистические ракеты (например, «Булава» — российская, на вооружении ВМФ РФ; «Трайдент-2 D5» — американская, на вооружении США и Великобритании) также используют три ступени.

Зенитные и противоракетные системы

Многоступенчатые схемы применяются в зенитных управляемых ракетах большой дальности и в противоракетах для перехвата целей на больших высотах. Примером служит российская система ПРО А-135 (ракета 53Т6 с твердотопливными ступенями) и американская система THAAD (одноступенчатая, но с отделяемым маршевым двигателем).

Интересные факты

• Минимальное количество ступеней: Для выхода на низкую опорную орбиту Земли теоретически достаточно двух ступеней, однако на практике часто используются три ступени, чтобы повысить гибкость выведения и снизить пиковые ускорения.
• Многоступенчатость в многоразовых системах: Первая в мире частично многоразовая орбитальная система «Спейс Шаттл» (программа закрыта) имела сложную многоступенчатую конфигурацию с твердотопливными ускорителями (первая ступень) и орбитальным кораблём (вторая ступень). Современные многоразовые ракеты (Falcon 9) используют двухступенчатую схему, где только первая ступень возвращается на Землю.
• Рекорд грузоподъёмности: Самая тяжёлая многоступенчатая ракета в истории — «Сатурн-5» — могла вывести на низкую опорную орбиту до 141 тонны полезной нагрузки.
• Разделение без взрыва: Система разделения ступеней — один из самых критически важных и технически сложных узлов. Ошибка может привести к столкновению частей или нештатному разрушению ракеты. Разделение происходит за счёт пиротехнических замков и пневматических толкателей.

См. также

• Ракета-носитель
• Формула Циолковского
• Разгонный блок
• Космический аппарат

Источники

• Циолковский К. Э. «Исследование мировых пространств реактивными приборами». Калуга, 1903.
• Циолковский К. Э. «Космические ракетные поезда». Калуга, 1929.
• Королёв С. П., Голованов Я. К. «О ракетной технике». М.: Наука, 1980.
• Советская космонавтика / Под ред. академика А. Ю. Ишлинского. М.: Машиностроение, 1988.
• Тарасов Е. В. «Баллистика ракет». М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004.
• «История ракетостроения США: от Роберта Годдарда до многоразовых систем». Перевод с англ. М.: Техносфера, 2010.
• Данные сайта NASA (раздел «Launch Vehicles»).
• Справочник «Ракеты-носители мира», ЦНИИмаш, 2021.