Космическая ракета. Космические ракеты России и США. Как это работает: космические ракеты

Эта статья представит читателю такую интереснейшую тему, как космическая ракета, ракета-носитель и весь тот полезный опыт, который это изобретение принесло человечеству. Также будет рассказано и о полезных грузах, доставляемых в космическое пространство. Освоение космоса началось не так давно. В СССР это была середина третьей пятилетки, когда окончилась Вторая мировая война. Космическая ракета разрабатывалась во многих странах, однако даже США обогнать нас на том этапе не удалось.

Первые

Первой в удачном запуске ушла из СССР космическая ракета-носитель с искусственным спутником на борту 4 октября 1957 года. Спутник ПС-1 удалось вывести на околоземную орбиту. Нужно отметить, что для этого понадобилось создать шесть поколений, и только седьмого поколения космические ракеты России смогли развить нужную для выхода в околоземное пространство скорость - восемь километров в секунду. Иначе невозможно преодолеть притяжение Земли.

Это стало возможным в процессе разработок баллистического оружия дальнего радиуса, где применялось форсирование двигателя. Не следует путать: космическая ракета и космический корабль - это разные вещи. Ракета - средство доставки, а корабль крепится на неё. Вместо него там может быть что угодно - космическая ракета может нести на себе и спутник, и оборудование, и ядерную боеголовку, что всегда служило и до сих пор служит сдерживанием для ядерных держав и стимулом к сохранению мира.

История

Первыми теоретически обосновали запуск космической ракеты русские учёные Мещерский и Циолковский, которые уже в 1897 году описали теорию её полёта. Значительно позже эту идею подхватили Оберт и фон Браун из Германии и Годдард из США. Именно в этих трёх странах началась работа над задачами реактивного движения, создания твёрдотопливных и жидкостных реактивных двигателей. Лучше всех эти вопросы решались в России, по крайней мере твёрдотопливные двигатели уже широко использовались во Второй мировой войне ("Катюши"). Жидкостные реактивные двигатели лучше получились в Германии, создавшей первую баллистическую ракету - "Фау-2".

После войны команда Вернера фон Брауна, прихватив чертежи и разработки, нашла приют в США, а СССР вынужден был довольствоваться небольшим количеством отдельных узлов ракеты без какой бы то ни было сопроводительной документации. Остальное придумали сами. Ракетная техника развивалась стремительно, всё более увеличивая дальность и массу несомого груза. В 1954 году началась работа над проектом, благодаря которому СССР смог первым осуществить полет космической ракеты. Это была межконтинентальная двухступенчатая баллистическая ракета Р-7, которую вскоре модернизировали для космоса. Она получилась на славу - исключительно надёжная, обеспечившая множество рекордов в освоении космического пространства. В модернизированном виде её используют до сих пор.

"Спутник" и "Луна"

В 1957 году первая космическая ракета - та самая Р-7 - вывела на орбиту искусственный "Спутник-1". США чуть позже решили повторить такой запуск. Однако в первую попытку их космическая ракета в космосе не побывала, она взорвалась на старте - даже в прямом эфире. "Авангард" был сконструирован чисто американской командой, и он не оправдал надежд. Тогда проектом занялся Вернер фон Браун, и в феврале 1958 года старт космической ракеты удался. А в СССР тем временем модернизировали Р-7 - к ней была добавлена третья ступень. В результате скорость космической ракеты стала совсем другой - была достигнута вторая космическая, благодаря которой появилась возможность покидать орбиту Земли. Ещё несколько лет серия Р-7 модернизировалась и совершенствовалась. Менялись двигатели космических ракет, много экспериментировали с третьей ступенью. Следующие попытки были удачными. Скорость космической ракеты позволяла не просто покинуть орбиту Земли, но и задуматься об изучении других планет Солнечной системы.

Но сначала внимание человечества было практически полностью приковано к естественному спутнику Земли - Луне. В 1959 году к ней вылетела советская космическая станция "Луна-1", которая должна была совершить жёсткую посадку на лунной поверхности. Однако аппарат из-за недостаточно точных расчётов прошёл несколько мимо (в шести тысячах километров) и устремился к Солнцу, где и пристроился на орбиту. Так у нашего светила появился первый собственный искусственный спутник - случайный подарок. Но наш естественный спутник недолго находился в одиночестве, и в этом же 1959-м к нему прилетела "Луна-2", выполнив свою задачу абсолютно правильно. Через месяц "Луна-3" доставила нам фотографии обратной стороны нашего ночного светила. А в 1966-м прямо в Океане Бурь мягко приземлилась "Луна-9", и мы получили панорамные виды лунной поверхности. Лунная программа продолжалась ещё долго, до той поры, когда американские космонавты на ней высадились.

Юрий Гагарин

День 12 апреля стал одним из самых знаменательных дней в нашей стране. Невозможно передать мощь народного ликования, гордости, поистине счастья, когда объявили о первом в мире полёте человека в космос. Юрий Гагарин стал не только национальным героем, ему рукоплескал весь мир. И потому 12 апреля 1961 года - день, триумфально вошедший в историю, стал Днём космонавтики. Американцы срочно попытались ответить на этот беспрецедентный шаг, чтобы разделить с нами космическую славу. Через месяц состоялся вылет Алана Шепарда, но на орбиту корабль не выходил, это был суборбитальный полёт по дуге, а орбитальный у США получился только в 1962-м.

Гагарин полетел в космос на космическом корабле "Восток". Это особая машина, в которой Королёв создал исключительно удачную, решающую множество всевозможных практических задач космическую платформу. Тогда же, в самом начале шестидесятых, разрабатывался не только пилотируемый вариант космического полёта, но был выполнен и проект фото-разведчика. "Восток" вообще имел множество модификаций - более сорока. И сегодня эксплуатируются спутники из серии "Бион" - это прямые потомки корабля, на котором совершён первый полёт человека в космос. В этом же 1961 году гораздо более сложная экспедиция была у Германа Титова, который целые сутки провёл в космосе. Соединённые Штаты смогли это достижение повторить только в 1963 году.

"Восток"

Для космонавтов на всех кораблях "Восток" было предусмотрено катапультное кресло. Это было мудрым решением, поскольку одно-единственное устройство выполняло задачи и на старте (аварийное спасение экипажа), и мягкую посадку спускаемого аппарата. Конструкторы сосредоточили усилия на разработке одного устройства, а не двух. Это уменьшало технический риск, в авиации система катапульт в то время уже была отлично отработана. С другой стороны, огромный выигрыш во времени, чем если проектировать принципиально новое устройство. Ведь космическая гонка продолжалась, и её выигрывал с довольно большим отрывом СССР.

Таким же образом приземлился и Титов. Ему повезло опуститься на парашюте около железной дороги, по которой ехал поезд, и его немедленно сфотографировали журналисты. Система посадки, которая стала самой надёжной и мягкой, разработана в 1965 году, в ней используется гамма-высотомер. Она служит и до сих пор. В США этой технологии не было, именно поэтому все их спускаемые аппараты, даже новые Dragon SpaceX не приземляются, а приводняются. Только шаттлы являются исключением. А в 1962 году СССР уже начал групповые полёты на космических кораблях "Восток-3" и "Восток-4". В 1963 году отряд советских космонавтов пополнился первой женщиной - Валентина Терешкова побывала в космосе, став первой в мире. Тогда же Валерий Быковский поставил не побитый до сих пор рекорд длительности одиночного полёта - он пробыл в космосе пять суток. В 1964 году появился многоместный корабль "Восход", США и тут отстали на целый год. А в 1965-м Алексей Леонов вышел в открытый космос!

"Венера"

В 1966 году СССР начал межпланетные перелёты. Космический корабль "Венера-3" совершил жёсткую посадку на соседнюю планету и доставил туда глобус Земли и вымпел СССР. В 1975-м "Венере-9" удалось совершить мягкую посадку и передать изображение поверхности планеты. А "Венера-13" сделала цветные панорамные снимки и звукозапись. Серия АМС (автоматические межпланетные станции) для изучения Венеры, а также окружающего космического пространства продолжает совершенствоваться и сейчас. На Венере условия жёсткие, а достоверной информации о них практически не было, разработчики ничего не знали ни о давлении, ни о температуре на поверхности планеты, всё это, естественно, осложняло исследование.

Первые серии спускаемых аппаратов даже плавать умели - на всякий случай. Тем не менее поначалу полёты удачными не были, зато впоследствии СССР настолько преуспел в венерианских странствиях, что эту планету стали называть русской. "Венера-1" - первый из космических аппаратов в истории человечества, предназначенный для полёта на другие планеты и их исследования. Был запущен в 1961 году, через неделю потерялась связь от перегрева датчика. Станция стала неуправляемой и смогла сделать только первый в мире пролёт вблизи Венеры (на расстоянии около ста тысяч километров).

По стопам

"Венера-4" помогла нам узнать, что на этой планете двести семьдесят один градус в тени (ночная сторона Венеры), давление до двадцати атмосфер, а сама атмосфера - девяносто процентов углекислого газа. А ещё этот космический аппарат обнаружил водородную корону. "Венера-5" и "Венера-6" многое поведали нам о солнечном ветре (потоки плазмы) и его структуре вблизи планеты. "Венера-7" уточнила данные о температуре и давлении в атмосфере. Всё оказалось ещё сложнее: температура ближе к поверхности была 475 ± 20°C, а давление выше на порядок. На следующем космическом аппарате было переделано буквально всё, и через сто семнадцать суток "Венера-8" мягко привенерилась на дневной стороне планеты. На этой станции был фотометр и множество дополнительных приборов. Главное - была связь.

Оказалось, что освещение на ближайшей соседке почти не отличается от земного - как у нас в пасмурный день. Да там не просто пасмурно, погодка разгулялась по-настоящему. Картины увиденного аппаратурой просто ошеломили землян. Помимо этого, был исследован грунт и количество аммиака в атмосфере, измерена скорость ветра. А "Венера-9" и "Венера-10" смогли показать нам "соседку" по телевизору. Это первые в мире записи, переданные с другой планеты. А сами эти станции и теперь искусственные спутники Венеры. На эту планету последними летали "Венера-15" и "Венера-16", которые тоже стали спутниками, предварительно снабдив человечество абсолютно новыми и нужными знаниями. В 1985 году продолжением программы стали "Вега-1" и "Вега-2", которые изучали не только Венеру, но и комету Галлея. Следующий полёт планируется в 2024 году.

Кое-что о космической ракете

Поскольку параметры и технические характеристики у всех ракет отличаются друг от друга, рассмотрим ракету-носитель нового поколения, например "Союз-2.1А". Она является трёхступенчатой ракетой среднего класса, модифицированным вариантом "Союза-У", который весьма успешно эксплуатируется с 1973 года.

Данная ракета-носитель предназначена для того, чтобы обеспечить запуск космических аппаратов. Последние могут иметь военное, народнохозяйственное и социальное назначение. Эта ракета может выводить их на разные типы орбит - геостационарные, геопереходные, солнечно-синхронные, высокоэллиптические, средние, низкие.

Модернизация

Ракета предельно модернизирована, здесь создана принципиально иная цифровая система управления, разработанная на новой отечественной элементной базе, с быстродействующей бортовой цифровой вычислительной машиной с гораздо большим объёмом оперативной памяти. Цифровая система управления обеспечивает ракету высокоточным выведением полезных нагрузок.

Кроме того, установлены двигатели, на которых усовершенствованы форсуночные головки первой и второй ступеней. Действует другая система телеизмерений. Таким образом повысилась точность выведения ракеты, её устойчивость и, разумеется, управляемость. Масса космической ракеты не увеличилась, а полезный выводимый груз стал больше на триста килограммов.

Технические характеристики

Первая и вторая ступени ракеты-носителя оснащены жидкостными ракетными двигателями РД-107А и РД-108А от НПО "Энергомаш" имени академика Глушко, а на третьей ступени установлен четырёхкамерный РД-0110 от КБ "Химавтоматики". Ракетным топливом служат жидкий кислород, являющийся экологически чистым окислителем, а также слаботоксичное горючее - керосин. Длина ракеты - 46,3 метра, масса на старте - 311,7 тонн, а без головной части - 303,2 тонны. Масса конструкции ракеты-носителя - 24,4 тонны. Компоненты топлива весят 278,8 тонн. Лётные испытания "Союза-2.1А" начались в 2004 году на космодроме Плесецк, и прошли они успешно. В 2006-м ракета-носитель произвела первый коммерческий полёт - вывела на орбиту европейский метеорологический космический аппарат "Метоп".

Нужно сказать, что у ракет разные возможности вывода полезной нагрузки. Носители есть лёгкие, средние и тяжёлые. Ракета-носитель "Рокот", например, выводит космические аппараты на околоземные низкие орбиты - до двухсот километров, а потому ей по силам нагрузка в 1,95 тонн. А вот "Протон" - тяжёлого класса, на низкую орбиту он может вывести 22,4 тонн, на геопереходную - 6,15, а на геостационарную - 3,3 тонны. Рассматриваемая нами ракета-носитель предназначена для всех площадок, которыми пользуется "Роскосмос": Куру, Байконур, Плесецк, Восточный, и работает в рамках совместных российско-европейских проектов.

На сегодняшний день Российская Федерация обладает самой мощной в мире космической отраслью. Россия является безоговорочным лидером в области пилотируемой космонавтики и к тому же обладает паритетом с США в вопросах космической навигации. Некоторые отставания нашей страны имеются лишь в исследованиях далеких межпланетных пространств, а также в разработках по дистанционному зондированию Земли.

История

Космическая ракета впервые была задумана российскими учеными Циолковским и Мещерским. Они же в 1897-1903 годах создали теорию ее полета. Намного позже данное направление стали осваивать зарубежные ученые. Это были немцы фон Браун и Оберт, а также американец Годдард. В мирное межвоенное время вопросами реактивного движения, а также создания для этой цели твердотопливных и жидкостных двигателей занимались лишь три страны в мире. Это были Россия, США и Германия.

Уже к 40-м годам 20 века наша страна могла гордиться успехами, достигнутыми в вопросах создания твердотопливных двигателей. Это позволило во время Второй мировой войны использовать такое грозное оружие, как "Катюши". Что касается создания больших ракет, оснащенных жидкостными двигателями, то здесь лидером была Германия. Именно в этой стране на вооружение приняли "Фау-2". Это первые баллистические ракеты, имеющие малую дальность. В период Второй мировой войны "Фау-2" использовали для бомбардировок Англии.

После победы СССР над гитлеровской Германией основная команда Вернера фон Брауна под его непосредственным руководством развернула свою деятельность в США. При этом они забрали с собой из поверженной страны все разработанные ранее чертежи и расчеты, на основании которых должна была быть построена космическая ракета. Только мизерная часть команды немецких инженеров и ученых продолжила свою работу в СССР вплоть до середины 50-х годов 20 века. В их распоряжении были отдельные части технологического оборудования и ракет без каких-либо расчетов и чертежей.

В дальнейшем как в США, так и в СССР были воспроизведены ракеты "Фау-2" (у нас это Р-1), что и предопределило развитие ракетостроения, направленного на увеличение дальности полета.

Теория Циолковского

Этого великого русского ученого-самоучку и выдающегося изобретателя считают отцом космонавтики. Им еще в 1883 году был написана историческая рукопись "Свободное пространство". В этом труде Циолковский впервые высказал мысль о том, что перемещение между планетами возможно, и нужен для этого специальный который называется "космическая ракета". Сама теория реактивного прибора была обоснована им в 1903 г. Она содержалась в труде под названием "Исследование мирового пространства". Здесь автор приводил доказательства того, что космическая ракета является тем аппаратом, с помощью которого можно покинуть пределы земной атмосферы. Эта теория явилась настоящей революцией в научной сфере. Ведь о полете на Марс, Луну и на другие планеты человечество мечтало давно. Однако ученые мужи так и не смогли определить, каким образом должен быть устроен летательный аппарат, который будет перемещаться в абсолютно пустом пространстве без опоры, способной дать ему ускорение. Данная задача была решена Циолковским, который предложил использование для этой цели Только с помощью такого механизма можно было покорить космос.

Принцип действия

Космические ракеты России, США и других стран до настоящего времени выходят на орбиту Земли при помощи ракетных двигателей, предложенных в свое время Циолковским. В этих системах происходит преобразование химической энергии топлива в кинетическую, которой обладает выбрасываемая из сопла струя. Особый процесс происходит в камерах сгорания таких двигателей. В них в результате реакции окислителя и горючего выделяется теплота. При этом продукты сгорания расширяются, нагреваются, разгоняются в сопле и выбрасываются с огромной скоростью. Ракета при этом движется благодаря закону сохранения импульса. Она получает ускорение, которое направлено в противоположную сторону.

На сегодняшний день существуют такие проекты двигателей, как космические лифты, и т. д. Однако на практике они не применяются, так как пока еще находятся в разработке.

Первый космический аппарат

Ракета Циолковского, предложенная ученым, представляла собой металлическую камеру продолговатой формы. Внешне она была похожа на аэростат или дирижабль. Переднее, головное пространство ракеты предназначалось для пассажиров. Здесь же были установлены приборы управления, а также хранились поглотители углекислоты и запасы кислорода. В отсеке для пассажиров предусматривалось освещение. Во второй, основной части ракеты Циолковский расположил горючие вещества. При их смешении происходило образование взрывчатой массы. Она зажигалась в отведенном ей месте в самом центре ракеты и выбрасывалась из расширяющейся трубы с огромной скоростью в виде горячих газов.

В течение долгого времени имя Циолковского было малоизвестно не только за рубежом, но и в России. Многие считали его мечтателем-идеалистом и чудаком-фантазером. Истинную оценку труды этого великого ученого получили только с приходом советской власти.

Создание ракетного комплекса в СССР

Значительные шаги в освоении межпланетного пространства были сделаны после окончания Второй мировой войны. Это было время, когда США, являясь единственной атомной державой, стали оказывать на нашу страну политическое давление. Первоначальной задачей, которая ставилась перед нашими учеными, было наращивание военной мощи России. Для достойного отпора в условиях развязанной в эти годы холодной войны необходимо было создать атомную, а затем и Вторая, не менее сложная задача, состояла в доставке созданного оружия до цели. Для этого и требовались боевые ракеты. С целью создания данной техники уже в 1946 г. правительством были назначены главные конструкторы гироскопических приборов, реактивных двигателей, систем управления и т. д. Ответственным за увязку в единое целое всех систем стал С.П. Королев.

Уже в 1948 г. первая из разработанных в СССР баллистических ракет прошла успешные испытания. Аналогичные полеты в США были осуществлены на несколько лет позже.

Запуск искусственного спутника

Кроме наращивания военного потенциала правительство СССР ставило перед собой задачу освоения космического пространства. Работы в этом направлении велись многими учеными и конструкторами. Еще до того как в воздух поднялась ракета межконтинентальной дальности, разработчикам подобной техники стало понятно, что, сократив полезный груз летательного аппарата, можно было добиться скорости, превышающей космическую. Этот факт говорил о вероятности вывода на земную орбиту искусственного спутника. Данное эпохальное событие произошло 4.10.1957 г. Оно стало началом новой вехи в освоении космического пространства.

Работа по освоению безвоздушного околоземного пространства потребовала огромных усилий со стороны многочисленных коллективов конструкторов, ученых и рабочих. Создатели космических ракет должны были разработать программу вывода летательного аппарата на орбиту, отладить работу наземной службы и т. д.

Перед конструкторами стояла сложная задача. Необходимо было увеличить массу ракеты и сделать возможным достижение ею второй Именно поэтому в 1958-1959 годах в нашей стране был разработан трехступенчатый вариант реактивного двигателя. С его изобретением стало возможным производить первые космические ракеты, в которых на орбиту мог подняться человек. Трехступенчатые двигатели открыли и возможность полета на Луну.

Далее ракеты-носители все более и более усовершенствовались. Так, в 1961 г. была создана четырехступенчатая модель реактивного двигателя. С ним ракета могла достичь не только Луны, но и добраться до Марса или Венеры.

Первый пилотируемый полет

Старт космической ракеты с человеком на борту впервые состоялся 12.04.1961 г. От поверхности Земли оторвался корабль «Восток», пилотируемый Юрием Гагариным. Это событие явилось эпохальным для человечества. В апреле 1961 г. получило свое новое развитие. Переход к пилотируемым полетам потребовал от конструкторов создания таких летательных аппаратов, которые могли бы возвращаться на Землю, безопасно преодолевая слои атмосферы. Кроме того, на космической ракете должна была быть предусмотрена система жизнеобеспечения человека, включающая регенерацию воздуха, питание и многое другое. Все эти задачи были успешно решены.

Дальнейшее освоение космоса

Ракеты типа «Восток» еще долгое время способствовали удержанию ведущей роли СССР в сфере исследования околоземного безвоздушного пространства. Их использование продолжается и до настоящего времени. Вплоть до 1964 года летательные аппараты «Восток» превосходили все существующие аналоги по своей грузоподъемности.

Несколько позже в нашей стране и в США были созданы более мощные носители. Название космических ракет такого типа, сконструированных в нашей стране, - «Протон-М». Американский подобный аппарат - «Дельта-IV». В Европе была сконструирована ракета-носитель «Ариан-5», принадлежащая к тяжелому типу. Все эти летательные аппараты позволяют выводить 21-25 тонн груза на высоту в 200 км, где располагается низкая околоземная орбита.

Новые разработки

В рамках проекта полета человека на Луну были созданы РН, принадлежащие к сверхтяжелому классу. Это такие космические ракеты США, как «Сатурн-5», а также советская Н-1. Позднее в СССР была создана сверхтяжелая ракета «Энергия», которую в настоящее время не используют. Мощным американским РН стал «Спейс шаттл». Эта ракета позволяла выводить на орбиту космические корабли массой в 100 тонн.

Производители летательных аппаратов

Космические ракеты проектировались и создавались в ОКБ-1 (Особом конструкторском бюро), ЦКБЭМ (Центральном конструкторском бюро экспериментального машиностроения), а также в НПО (Научно-производственном объединении) «Энергия». Именно здесь увидели свет отечественные баллистические ракеты всех типов. Отсюда вышли и одиннадцать стратегических комплексов, которые взяла на вооружение наша армия. Усилиями работников данных предприятий была создана и Р-7 - первая космическая ракета, которая считается самой надежной в мире и в настоящее время. С середины прошлого века на этих производствах инициировались и велись работы по всем направлениям, касающимся развития космонавтики. С 1994 г. предприятие получило новое название, став ОАО РКК «Энергия».

Сегодняшний день производителя космических ракет

РКК «Энергия» им. С.П. Королева является стратегическим предприятием России. Оно играет ведущую роль в разработке и производстве пилотируемых космических систем. Большое внимание на предприятии уделяется вопросам создания новейших технологий. Здесь разрабатываются специализированные автоматические космические системы, а также РН для вывода на орбиту летательных аппаратов. Кроме того, РКК «Энергия» активно внедряет наукоемкие технологии для производства продукции, не относящейся к освоению безвоздушного пространства.

В составе этого предприятия, помимо головного конструкторского бюро, находятся:

ЗАО «Завод экспериментального машиностроения».

ЗАО «ПО «Космос».

ЗАО «Волжское КБ».

Филиал «Байконур».

Самыми перспективными программами предприятия являются:

Вопросы дальнейшего освоения космоса и создания пилотируемой транспортной космической системы новейшего поколения;

Разработка пилотируемых летательных аппаратов, которые способны освоить межпланетные пространства;

Конструирование и создание энергетических и телекоммуникационных космических систем с использованием специальных малогабаритных рефлекторов и антенн.

мы разбирали важнейший компонент полета в глубокий космос – гравитационный маневр. Но в силу своей сложности такой проект, как космический полет, всегда можно разложить на большой ряд технологий и изобретений, которые делают его возможным. Таблица Менделеева, линейная алгебра, расчеты Циолковского, сопромат и еще целые области науки внесли свою лепту в первый, да и все последующие полеты человека в космос. В сегодняшней статье мы расскажем, как и кому пришла в голову идея космической ракеты, из чего она состоит и как из чертежей и расчетов ракеты превратились в средство доставки людей и грузов в космос.

Краткая история ракет

Общий принцип реактивного полета, который лег в основу всех ракет, прост - от тела отделяется какая-то часть, приводящая все остальное в движение.

Кто первым реализовал этот принцип – неизвестно, но различные догадки и домыслы доводят генеалогию ракетостроения аж до Архимеда. Доподлинно о первых подобных изобретениях известно, что ими активно пользовались китайцы, которые заряжали их порохом и за счет взрыва запускали в небо. Таким образом они создали первые твердотопливные ракеты. Большой интерес к ракетам появился у европейских правительств в начале

Второй ракетный бум

Ракеты ждали своего часа и дождались: в 1920-х годах начался второй ракетный бум, и связан он в первую очередь с двумя именами.

Константин Эдуардович Циолковский - ученый-самоучка из Рязанской губернии, невзирая на трудности и препятствия, сам дошел до многих открытий, без которых невозможно было бы даже говорить о космосе. Идея использования жидкого топлива, формула Циолковского, которая рассчитывает необходимую для полета скорость, исходя из соотношения конечной и начальной масс, многоступенчатая ракета - все это его заслуга. Во многом под влиянием его трудов создавалось и оформлялось отечественное ракетостроение. В Советском Союзе начали стихийно возникать общества и кружки по изучению реактивного движения, в числе которых ГИРД - группа изучения реактивного движения, а в 1933 году под патронажем властей появился Реактивный институт.

Константин Эдуардович Циолковский.
Источник: Wikimedia.org

Второй герой ракетной гонки - немецкий физик Вернер фон Браун. Браун имел отличное образование и живой ум, а после знакомства с другим светилом мирового ракетостроения, Генрихом Обертом, он решил приложить все свои силы к созданию и усовершенствованию ракет. В годы Второй Мировой фон Браун фактически стал отцом «оружия возмездия» Рейха - ракеты «Фау-2», которую немцы начали применять на поле боя в 1944 году. «Крылатый ужас», как называли её в прессе, принес разрушение многим английским городам, но, к счастью, на тот момент крах нацизма был уже делом времени. Вернер фон Браун вместе со своим братом решил сдаться в плен к американцам, и, как показала история, это был счастливый билет не только и не столько для ученых, сколько для самих американцев. С 1955 года Браун работает на американское правительство, и его изобретения ложатся в основу космической программы США.

Но вернемся в 1930-е. Советское правительство по достоинству оценило рвение энтузиастов на пути к космосу и решило употребить его в своих интересах. В годы войны себя отлично показала «Катюша» - система залпового огня, которая стреляла реактивными ракетами. Это было во многом инновационное оружие: «Катюша» на базе легкого грузовика «Студебеккер» приезжала, разворачивалась, обстреливала сектор и уезжала, не давая немцам опомниться.

Окончание войны подкинуло нашему руководству новую задачу: американцы продемонстрировали миру всю мощь ядерной бомбы, и стало совершенно очевидно, что на статус сверхдержавы может претендовать только тот, у кого есть нечто похожее. Но здесь была проблема. Дело в том, что, помимо самой бомбы, нам нужны были средства доставки, которые бы смогли обойти ПВО США. Самолеты для этого не годились. И СССР решил сделать ставку на ракеты.

Константин Эдуардович Циолковский умер в 1935 году, но ему на смену пришло целое поколение молодых ученых, которое и отправило человека в космос. Среди этих ученых был Сергей Павлович Королев, которому суждено было стать «козырем» Советов в космической гонке.

СССР принялся за создание своей межконтинентальной ракеты со всем усердием: были организованы институты, собраны лучшие ученые, в подмосковных Подлипках создается НИИ по ракетному вооружению, и работа кипит вовсю.

Только колоссальное напряжение сил, средств и умов позволило Советскому Союзу в кратчайшие сроки построить свою ракету, которую назвали Р-7. Именно её модификации вывели в космос «Спутник» и Юрия Гагарина, именно Сергей Королев и его соратники дали старт космической эре человечества. Но из чего состоит космическая ракета?

Запуск космических аппаратов на околоземные орбиты и осуществление полетов к Луне, планетам и другим телам Солнечной системы стало возможно после создания необходимых для этого многоступенчатых космических ракет – ракет-носителей (РН).

Ракета (от итальянского rocchetta – веретено) – летательный аппарат, использующий принцип реактивного движения и способный летать не только в атмосфере, но и в вакууме. Большинство современных ракет-носителей оснащаются химическими ракетными двигателями, которые используют твердое, жидкое или гибридное ракетное топливо. Основные компоненты топлива – жидкий кислород (окислитель) и керосин (горючее), кроме того, применяются четырехокись азота и несимметричный диметилгидразин, жидкие кислород и водород. Масса топлива составляет 85 – 90% от стартовой массы ракеты. Химическая реакция между горючим и окислителем проходит в камере сгорания двигателя, в результате получаются горячие газы, которые выбрасываются, создавая тягу, она и заставляет ракету двигаться. Основной энергетический показатель работы каждого ракетного двигателя – удельный импульс тяги (отношение тяги к расходу топлива в секунду). Например, один из мощных современных ракетных двигателей РД-701 (Россия) тягой 4 МН (408 тс) и удельным импульсом в вакууме 462 с расходует топливо со скоростью 491 кг/с. Стартующие с Земли РН позволяют запускать полезные нагрузки (ПН) со скоростью равной или выше первой космической – 7.9 км/с, то есть достаточной для выведения ИСЗ на низкие орбиты. Обычно ракета при выведении ПН на низкую околоземную орбиту движется на активном участке, то есть с работающими двигателями, примерно 10–15 мин. Если необходимо выведение ПН на более высокие орбиты или траектории полета к Луне и за пределы тяготения Земли, то еще раз включаются двигатели последней (верхней) ступени РН или разгонный блок после пассивного участка, длительность движения на котором зависит от выбранной траектории полета. КА переводится либо на геостационарную орбиту (высотой 36 тыс. км), либо на высокоэллиптические орбиты, либо на траекторию полета к Луне и планетам. Вторая космическая скорость в поле тяготения Земли (11.19 км/с) необходима для запуска АМС к планетам и другим телам Солнечной системы. Третья космическая скорость (16.7 км/с) достаточна, чтобы КА улетел за пределы Солнечной системы.

Современная многоступенчатая космическая ракета представляет собой сложное сооружение, состоящее из тысяч деталей и устройств. Разрабатываемые в настоящее время ракеты-носители соответствуют высочайшим критериям современной науки и техники, при их создании используются передовые технологии и вычислительная техника. Космические технологии оказывают значительное влияние на нашу жизнь, помогая внедрить новые материалы и сплавы, средства коммуникации, компьютерную технику и т.д. Ступени ракет-носителей содержат топливные баки с горючим и окислителем, двигательную установку (маршевые и рулевые двигатели). Полет ракеты регулируется бортовой системой управления движением. Схема расположения ступеней на РН различна. При продольном разделении ступени размещаются одна над другой и работают последовательно друг за другом, включаясь только после отделения предыдущей ступени. Такая, весьма распространенная, схема применяется, например, на российских РН «Днепр» и «Протон-М», китайских «CZ-3/3A» и «CZ-4С», израильской «Shavit». Верхние ступени, доставляющие ПН на заданные орбиты, сейчас заменили разгонными блоками, например, российские ДМ, «Бриз-М» (РН «Протон») и «Фрегат» (РН «Союз-ФГ»). В отличие от продольной, в поперечной схеме («пакетная») несколько блоков первой ступени симметрично располагаются вокруг корпуса второй ступени. Таких РН немного и они бывают двухступенчатыми, например, советская «Спутник» (1957 – 1958) и американские «Atlas-B/D» (1958 – 1963). Широко используется комбинированная схема – продольно-поперечная, позволяющая совместить преимущества обеих схем. К ним относятся отечественные ракеты-носители «Восток», «Союз» и «Энергия», американские «Titan-3/4» и «Delta-4Н», европейская «Ariane-5», японские «H-II/IIA», индийская «GSLV». По особой схеме устроена американская многоразовая транспортная космическая система «Спейс Шаттл», первая ступень которой – два твердотопливных ускорителя, а вторая ступень – пилотируемый космический корабль с внешним сбрасываемым топливным баком.

Маршевая двигательная установка корабля расходует топливо из внешнего бака; когда оно исчерпано, бак сбрасывается. Далее работают другие двигатели корабля (маневрирования и ориентации), они же используются для маневров в космосе и торможения во время посадки. Современные ракеты-носители, как правило, имеют не более четырех ступеней. Чтобы улучшить энергетические характеристики РН, применяются стартовые ускорители, работающие, в основном, на твердом топливе. На участке полета в плотных слоях атмосферы ПН и разгонный блок, как правило, закрыты головным обтекателем, который сбрасывается в разреженных слоях атмосферы. В зависимости от энергетических характеристик и способности выводить на низкую околоземную орбиту ПН определенной массы ракеты-носители условно разделяются на классы: легкие (масса ПН до 4 т), средние (до 20 т), тяжелые (20 – 30 т) и сверхтяжелые (более 30 т). К основным характеристикам РН относятся: внешние габариты (максимальные высота и диаметр), используемый на ступенях тип топлива, число ступеней, разгонных блоков и стартовых ускорителей, стартовая масса, тяга двигательных установок на уровне моря (стартовая), максимальная масса ПН на низкой околоземной орбите. Стартовая тяга двигательной установки РН обычно выражается в меганьютонах (1 МН = 102 тс). Например, у гагаринского носителя «Восток» суммарная тяга достигала 3.4 МН = 347 тс (мощность двигательной установки – 15 х 106 кВт, или 2 х 107 л.с.).

В начале космической эры ракеты-носители были только у СССР и США. В настоящее время собственными РН обладают шесть стран (Россия, США, Китай, Япония, Индия и Израиль) и две международные корпорации – «Arianespace» (ESA) и «Морской старт». Первые спутники с помощью собственных ракет-носителей запустили в 1957 – 1958 гг. СССР и США, в 1970 г. к ним присоединились КНР и Япония, в 1979 – 1980 гг. - ESA и Индия, в 1988 г. – Израиль. В 1999 г. впервые стартовала РН «Зенит-3SL» с морской платформы «Одиссей» по программе «Морской старт».

Россия

К числу современных наиболее мощных отечественных ракет-носителей относятся «Союз-2», «Днепр» и «Протон-М».

Носитель среднего класса «Союз-2» (высота 50.7 м, диаметр 10.3 м, топливо – керосин + жидкий кислород, три ступени и разгонный блок «Фрегат», стартовые масса – 308.6 т и тяга – 3.8 МН, ПН – до 9 т) заменит старые РН «Союз» и «Молния», будет запускать КА на различные орбиты, пилотируемые и грузовые корабли на МКС. На ней используется новая цифровая система управления, модифицированные ЖРД и большой головной обтекатель (диаметр 4.1 м и длина 11.4 м). Запуски РН производятся с 2004 г. 19 октября 2006 г. она запустила с космодрома Байконур метеорологический ИСЗ «Metop-А» европейской организации «Eumetsat» (масса 4 т), через два месяца оттуда же она стартовала с французской космической обсерваторией «Corot», а с Плесецка вывела новый российский спутник связи «Меридиан» (масса 2 т).

РН «Днепр» (высота 34.3 м, диаметр 3.0 м, топливо – азотный тетроксид + несимметричный диметилгидразин, три ступени, стартовые масса – 207 – 211 т и тяга – 2.8 МН, ПН – до 4 т) создана в КБ «Южное» (Украина) на базе МБР Р-36М (РС-20А). Она обладает высокими энергетическими возможностями, точностью выведения и надежностью в полете. Программа реализуется международной компанией «Космотрас» (Россия и Украина). Стартует РН из шахтного транспортно-пускового контейнера, двигательная установка первой ступени запускается после покидания шахты. Первый запуск осуществлен 21 апреля 1999 г. с космодрома Байконур (английский научный спутник «UoSAT-12»). 17 апреля 2007 г. она запустила сразу 14 микроспутников разных стран.

На модифицированной РН «Протон-М» (высота 52 – 58.2 м, диаметр 7.4 м, топливо – азотный тетроксид + несимметричный диметилгидразин, три ступени и разгонный блок «Бриз-М», стартовые масса – 700 – 710 т и тяга – 11.8 МН, ПН – до 24 т) используются новые агрегаты и системы. Большие головные обтекатели (диаметр 5 м) позволяют более чем вдвое увеличить объем для размещения ПН и конкурировать с зарубежными носителями, например с РН «Ariane-5», а также использовать ряд перспективных разгонных блоков. При первом старте 7 апреля 2001 г. с космодрома Байконур «Протон-М» вывела геостационарный спутник связи «Экран М-4», созданный в НПО ПМ. 11 февраля 2008 г. она вывела на геостационарную орбиту норвежский ИСЗ связи «Thor-5» (масса 2 т), а 15 марта – американский «АМС-14» (масса 4.1 т) того же назначения. С помощью «Протона-М» запускаются спутники «Глонасс М» отечественной навигационной системы.

В настоящее время создается семейство ракет-носителей «Ангара». За основу нового поколения носителей взят универсальный ракетный модуль с кислородно-керосиновыми двигателями. В серию «Ангара» войдут носители от легкого до тяжелого классов в диапазоне грузоподъемности от 1.5 т до 28 т. Перспективную РН тяжелого класса «Ангара-5А» (длина 54.3 – 63.9 м, диаметр 10.6 м, топливо – керосин + жидкий кислород, три ступени и разгонный блок «Бриз-М» или КВРБ, стартовые масса – 773 – 790 т и тяга – 12.2 МН, ПН – 24.5 – 28 т) планируют запускать с 2015 г. с космодрома Байконур.

Многоразовая транспортная система «Спейс Шаттл» (высота 56.3 м, диаметр 16.6 м, топливо – жидкий водород + жидкий кислород, одна ступень и стартовые ускорители, стартовые масса – до 2063 т и тяга – 28.6 МН, КК – до 122 т, в том числе ПН – до 22 т) эксплуатируется с апреля 1981 г. Изготовлено шесть кораблей («Интерпрайз», «Колумбия», «Челленджер», «Дискавери», «Атлантис», «Индевор»), из них два потерпели катастрофу: «Челленджер» (28 января 1986 г.) и «Колумбия» (1 февраля 2003 г.). Всего совершено 123 полета, в том числе 26 в рамках строительства МКС. С помощью кораблей «Спейс Шаттл» запущены различные ИСЗ, АМС «Магеллан», «Галилео» и «Улисс», космический телескоп им. Хаббла (КТХ), лабораторные блоки «Спейслэб». На орбите ремонтировался КТХ, возвращались КА на Землю, производились стыковки с ОК «Мир»; на МКС доставлялись модули, грузы и экипажи.

Новая РН среднего класса «Atlas-5» (высота 58 – 59.4 м, диаметр 5.1 м, топливо – керосин + жидкий кислород, две ступени и стартовые ускорители, стартовые масса – 435 т и тяга – 6.8 МН, ПН – до 20 т) создана на базе «Atlas-II» компанией «Lockheed Martin Asronautic» в связи с увеличением массы коммерческих КА. На первой ступени установлен российский РД-180 – один из самых мощных маршевых ЖРД в мире (тяга в вакууме 4.1 МН). С 2002 г. «Atlas-5» запускает с космодрома Канаверал в основном геостационарные связные и военные спутники. 19 января 2006 г. с ее помощью АМС «Новые горизонты» стартовала к Плутону и развила пока наибольшую в мире скорость 17.62 км/с.

Самая большая по грузоподъемности американская одноразовая РН «Delta-4 Heavy» (высота 68.1 – 71.6 м, диаметр 15.3 м, топливо – керосин + жидкий кислород, две ступени и стартовые ускорители, стартовые масса – 725.6 т и тяга – 9.2 МН, ПН – до 25.8 т) создана компанией «Boeing». Она запускается с декабря 2004 г. с космодрома Канаверал. 11 ноября 2007 г. она вывела военный спутник (масса 3.4 т) на геостационарную орбиту. С 2010 г. ее старты планируются с космодрома Ванденберг (шт. Калифорния).

В настоящее время NASA проектирует еще более мощные ракеты-носители - «Ares-1» (высота 54 – 67 м, диаметр 5.6 м, топливо – жидкий водород + жидкий кислород, две ступени, стартовые масса – 530 – 780 т и тяга – 8.7 МН, ПН – до 26 т) и «Ares-5» (высота 116 м, диаметр 15.3 м, топливо – жидкий водород + жидкий кислород, две ступени и стартовые ускорители, стартовые масса – 2500 – 2780 т и тяга – 33.7 МН, ПН – до 137 т). Эти РН должны стать частью эффективной транспортной инфраструктуры, которая разрабатывается NASA в рамках программы «Constellation» ("Созвездие"). «Ares-1» – основное средство выведения на околоземную орбиту полезных грузов и нового пилотируемого КК «Орион». «Ares-5» способен запускать к Луне ПН массой до 71 т: посадочный модуль с экипажем, крупногабаритные конструкции, жилые блоки и расходуемые материалы для строительства постоянной лунной базы. Летные испытания РН «Ares-1» запланированы на 2012 г., первый полет экипажа на МКС – 2014 г. «Ares-1» и «Ares-5» будут применяться для лунных (начиная с 2020 г.) и марсианских экспедиций (намечена на 2030 г.).

«Арианспейс» (ЕSА)

Наиболее мощный носитель Европейского космического агентства РН тяжелого класса «Ariane-5» (высота 54.5 м, диаметр 10.3 м, топливо – жидкий водород + жидкий кислород, две ступени и стартовые ускорители, стартовые масса – 718 т и тяга – 11.8 МН, ПН – до 21 т). На ракете применяется самый крупный головной обтекатель диаметром 5.4 м и длиной 17 м. Первый старт с космодрома Куру состоялся 4 июня 1996 г. и оказался неудачным. Второй экспериментальный пуск 30 октября 1997 г. прошел успешно (запущены три ИСЗ). РН выводит в основном телекоммуникационные ИСЗ (общей массой до 8 т) на геостационарную орбиту. 9 марта 2008 г. РН «Ариан-5ES» вывела на орбиту первый грузовой корабль (ATV) «Жюль Верн» массой 9.7 т, позднее состыковавшийся с МКС.

«Морской старт»

По международной программе «Морской старт» («Sea Launch») для запусков КА с морской платформы из района экватора в Тихом океане применяется российско-украинская РН «Зенит-3SL», созданная на базе носителя «Зенит-2» и разгонного блока «ДМ». Ее характеристики: высота 59.6 м, диаметр 4.2 м, топливо – керосин + жидкий кислород, три ступени, стартовые масса – 470.8 т и тяга – 7.4 МН, ПН – до 13.8 т. С помощью этого носителя запускаются с 1999 г. коммерческие спутники связи.

Китай использует для запусков ПН ракеты-носители серии «Chang Zheng» ("Великий поход"). РН среднего класса «CZ-3В» (высота 54.8 м, диаметр 11.8 м, топливо – азотный тетроксид + несимметричный диметилгидразин, три ступени и стартовые ускорители, стартовые масса – 426 т и тяга – 8.1 МН, ПН – 13.6 т) используется в настоящее время для запусков с космодрома Сичан китайских телекоммуникационных ИСЗ и спутников других стран на геостационарную орбиту.

Самая мощная китайская РН тяжелого класса «CZ-4С» (высота 53.2 м, диаметр 4.1 м, топливо – жидкий водород + жидкий кислород, три ступени, стартовые масса – 440 т и тяга – 9.3 МН, ПН – до 21 т) с космодрома Тайюань запускает с 1999 г. метеорологические и океанографические спутники, а также военные КА.

Наиболее мощный носитель среднего класса «Н-II» был создан компанией «Rocket System Corporation» в рамках реализации космической программы Японии. Первые три пробных пуска в 1994 – 1995 гг. прошли успешно. На ее основе разработана РН «Н-IIА» с жидкостными стартовыми ускорителями (длина 52.5 м, диаметр 8.2 м, топливо – жидкий водород + жидкий кислород, три ступени и стартовые ускорители, стартовые масса – 410 т и тяга – 8.3 МН, ПН – до 15 т). Она запускается с 2001 г. с космодрома Йосинобу вблизи космического центра Танегасима. ПН представляют собой геостационарные телекоммуникационные и военные спутники массой до 4.8 т. 14 сентября 2007 г. с ее помощью к Луне запущена АМС «Кагуя».

С 1986 г. фирмой «Hindustan Aeronautics» под руководством индийского космического агентства ISRO разрабатывалась РН среднего класса «GSLV» (Geosynchronous Satellite Vehicle – носитель для выведения спутников на геостационарную орбиту; высота 50.9 м, диаметр 8.6 м, топливо – жидкий водород + жидкий кислород, две ступени и стартовые ускорители, стартовые масса – 402 – 414 т и тяга – 6.8 МН, ПН – до 13 т). 18 апреля 2001 г. с космодрома Шрикарикота осуществлен первый запуск на геостационарную орбиту спутника связи «G-SAT-1» (Индия).

Разработку и производство единственной израильской РН «Shavit» ("Метеор") осуществляет компания «Israel Aircraft Industries Ltd». Это прототип твердотопливной баллистической ракеты «Jericho-2» с добавленной третьей ступенью, созданной в Израиле в начале 1980-х гг. РН «Shavit» легкого класса (длина 18.2 м, диаметр 1.4 м, топливо – твердое, три – четыре ступени, стартовые масса – 22 т и тяга – 0.5 МН, ПН – до 0.3 т) запускает с 1988 г. с космодрома Пальмачим в основном национальные разведывательные спутники «Ofeg» (горизонт). 10 июня 2007 г. выведен очередной ИСЗ («Ofeg-7») массой 300 кг.

По материалам Роскосмос, РКК «Энергия» им. С.П. Королёва, «ЦСКБ – Прогресс», ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, NASA, ESA, CASC, JAXA, ISRO и IAI.