Ракета: определение, типы и применение¶

Ракета — это летательный аппарат, движущийся за счёт реактивной тяги, возникающей при отбрасывании части массы (рабочего тела) аппарата с высокой скоростью. В отличие от реактивных самолётов, использующих для сгорания топлива атмосферный кислород, ракеты несут окислитель на борту и способны работать в безвоздушном пространстве. Это свойство делает их единственным средством для полётов в космос, а также основой для создания баллистических ракет военного назначения.

¶Принцип действия

Физической основой движения ракеты является закон сохранения импульса (третий закон Ньютона). Топливо и окислитель сгорают в камере сгорания, образуя высокотемпературный газ, который выбрасывается через сужающееся-расширяющееся сопло (сопло Лаваля). Истекающая струя газа создаёт реактивную силу (тягу), толкающую корпус в противоположную сторону.

Ключевой характеристикой ракеты является характеристическая скорость (дельта-v) — максимальное изменение скорости, которое аппарат может получить при полном расходе топлива. Она рассчитывается по формуле Циолковского: v = Isp × ln(m₀/m₁), где Isp — удельный импульс, m₀ — начальная масса, m₁ — конечная масса. Для достижения низкой околоземной орбиты (скорость ~7,9 км/с) с учётом потерь на гравитацию и сопротивление атмосферы ракете требуется дельта-v около 9,4 км/с.

¶Классификация

¶По типу двигателя

• Химические ракеты — используют экзотермическую реакцию топлива и окислителя. Наиболее распространённый тип, применяемый в космонавтике и военном деле.
• Ядерные ракеты — теоретически используют нагрев рабочего тела (водорода) в ядерном реакторе; имеют высокий удельный импульс, но ограничены техническими и политическими сложностями.
• Электрические ракетные двигатели — ускоряют ионизированный газ (ксенон, криптон) электростатическим или электромагнитным полем. Обладают крайне малым расходом топлива, но низкой тягой; применяются для коррекции орбиты спутников и межпланетных перелётов.

¶По назначению

• Баллистические ракеты — летят по баллистической траектории; после выключения двигателя движутся как свободно брошенное тело.
• Крылатые ракеты — имеют несущие поверхности (крылья) и атмосферный двигатель (турбореактивный или прямоточный) на маршевом участке; к ракетам относятся условно, поскольку стартуют с помощью твердотопливного ускорителя.
• Космические ракеты-носители — предназначены для выведения полезной нагрузки (спутников, кораблей, станций) в космос.
• Зондирующие ракеты — выполняют суборбитальные полёты для научных исследований атмосферы и космического пространства.
• Метеорологические ракеты — доставляют измерительную аппаратуру в верхние слои атмосферы.
• Противоградовые ракеты — воздействуют на кучево-дождевые облака реагентами для предотвращения града.

¶История развития

Первые упоминания о пороховых ракетах относятся к Китаю X–XIII веков, где они применялись для фейерверков и военных целей. В XIII веке ракеты появились в Европе, в начале XIX века — в Российской империи (ракеты К. И. Константинова с дальностью до 4 км). Однако точность и дальность первых ракет уступали артиллерии, и к концу XIX века интерес к ним угас.

Научные основы ракетной техники заложил К. Э. Циолковский, опубликовавший в 1903 году работу «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В 1920–1930-х годах пионерские разработки вели Р. Годдард в США, Г. Оберт в Германии и группа ГИРД в СССР (С. П. Королёв, Ф. А. Цандер). Практический прорыв произошёл в нацистской Германии: в 1944 году была создана баллистическая ракета «Фау-2» (A-4) с дальностью около 300 км, ставшая прототипом послевоенных разработок.

После Второй мировой войны ракетная техника развивалась в СССР и США. 4 октября 1957 года с помощью ракеты-носителя «Спутник» был выведен на орбиту первый искусственный спутник Земли. 12 апреля 1961 года ракета «Восток» доставила в космос Ю. А. Гагарина. В 1969 году ракета «Сатурн-5» обеспечила высадку человека на Луну. С 1980-х годов активно используются многоразовые системы (программа «Спейс шаттл», с 2010-х — корабли Falcon компании SpaceX).

¶Устройство ракеты

Типичная ракета-носитель состоит из нескольких ступеней, каждая из которых содержит собственный двигатель, топливные баки и систему управления. После выработки топлива ступень отделяется и падает (или сгорает в атмосфере), уменьшая массу аппарата. Такая схема (многоступенчатость) позволяет преодолеть ограничения формулы Циолковского.

Основные элементы ступени:

• Корпус — несущая конструкция из алюминиевых, титановых или композитных сплавов.
• Двигательная установка — камера сгорания, сопло, турбонасосный агрегат для подачи компонентов топлива.
• Система управления — гироскопы, акселерометры, бортовой компьютер, рулевые двигатели или решётчатые рули.
• Полезная нагрузка — размещается в головном обтекателе, который сбрасывается после прохождения плотных слоёв атмосферы.

¶Виды топлива

• Твёрдое ракетное топливо (смесь перхлората аммония, алюминия и полимерного связующего) — хранится годами, мгновенно готово к пуску, но не поддаётся регулированию тяги. Используется в межконтинентальных баллистических ракетах (МБР) и стартовых ускорителях.
• Жидкое ракетное топливо — например, керосин с жидким кислородом (Р-7, «Союз», Falcon 9), жидкий водород с кислородом («Энергия», «Сатурн-5», «Ариан-5»), несимметричный диметилгидразин с азотным тетраоксидом (гиперголические пары, «Протон»). Жидкостные двигатели позволяют регулировать тягу и многократно включаться.
• Гибридное топливо — сочетает твёрдое горючее и жидкий окислитель; встречается реже, применяется в суборбитальных коммерческих аппаратах.

¶Применение в России

Россия (и ранее СССР) является одной из ведущих ракетно-космических держав. Семейство ракет-носителей «Союз-2» — самая эксплуатируемая ракета в мире, используемая для пилотируемых запусков кораблей «Союз МС» и грузовых «Прогресс МС» к Международной космической станции. Тяжёлая ракета «Ангара-А5» разработана для выведения крупных спутников и модулей. В сфере стратегических вооружений на вооружении стоят МБР шахтного базирования «Ярс» и «Сармат», а также морские баллистические ракеты «Булава» для подводных лодок проекта «Борей».

¶Интересные факты

• Самая мощная ракета в истории — советская «Энергия» (1987–1988 годы), способная выводить до 100 тонн полезной нагрузки.
• Ракета «Восток», на которой летал Гагарин, была создана на базе межконтинентальной баллистической ракеты Р-7.
• Современные ракеты-носители Falcon Heavy и Starship (разработка США) частично многоразовые: их первые ступени совершают вертикальную посадку на платформу.
• Скорость истечения газов из сопла жидкостного ракетного двигателя достигает 3–4,5 км/с.