Як працюють космічні ракети: найпростіше пояснення
Нещодавно першій ракеті, яка побувала в космосі, виповнилося 80 років. Нею є німецька ракета «Фау-2», яка у червні 1944 року вперше перетнула лінію Кармана — умовну межу між Землею та космосом, що знаходиться на висоті 100 кілометрів над рівнем моря. Найперша ракета височіла на 14 метрів, важила понад 12 тонн і летіла зі швидкістю приблизно 5,7 тисячі кілометрів на годину. З того часу пройшло багато часу, космічні ракети були сильно вдосконалені, але принципи їхньої роботи майже не змінилися. Зараз ви дізнаєтеся, як влаштовані ракети і як вони літають у космос. Як завжди, все дуже коротко і простими словами.
Космічні ракети існують уже майже 100 років, але деякі люди не розуміють, як вони працюють — настав час це виправити: istockphoto.com
Як ракети літають у космос
Ракети літають у космос завдяки двом законам фізики.
Перший закон Ньютона говорить, що будь-який об'єкт, що має масу, опирається зміні свого стану спокою або руху. Ракета має двигуни, які створюють тягу і допомагають їй долати цей опір — за рахунок цього конструкція летить вгору.
Польоти ракет можна пояснити двома законами Ньютона. Джерело: lenta.ru
Третій закон Ньютона каже, що для кожної дії є рівна та протилежна протидія. Коли ракета викидає гази назад, вона отримує протилежну реакцію, яка штовхає її вгору, у бік космосу.
За даними IFL Science, ці два закони фізики пояснюють, як ракети долають силу гравітації та розуміються на космічному просторі.
З якою швидкістю літають ракети
Щоб піднятися із землі та полетіти в космос, ракеті потрібно набрати швидкість. Розрахунки вчених вже давно показали, що для перетину лінії кишені ракета повинна рухатися зі швидкістю близько 3500 кілометрів на годину. Щоб вийти на низьку навколоземну орбіту та залишатися там, потрібно набрати швидкість 28 800 кілометрів на годину. Якщо потрібно залишити гравітаційне поле Землі, потрібно розігнатися до 40 000 кілометрів на годину.
Щоб долетіти до космосу, ракети повинні набрати неймовірну швидкість. Джерело: nippon.com
Щоб створити тягу злетіти та набрати швидкість, ракети використовують двигуни. Тяга залежить від швидкості і маси газу, що викидається з сопел двигунів — тепло і енергія виникає, коли паливо ракети реагує з окислювачем. Як паливо можуть використовуватися гас (Falcon 9 від SpaceX), рідкий водень (Space Launch System від NASA) або метан (Starship від SpaceX). Окислювачами зазвичай є рідкий кисень, азотний тетроксид або перхлорат амонію.
Російський ракетний двигун РД-191. Джерело: mentoday.ru
На Землі окислювачем служить кисень, що міститься в повітрі. У космосі його немає, тому окислювачі заливаються у ракети.
Як управляються космічні ракети
Під час польоту ракетою потрібно керувати, інакше він полетить у довільному напрямку як здута повітряна кулька. Конструкція має витягнуту форму, а тяга створюється на її хвості, через що керування ракетою нагадує утримання олівця на пальці.
Ракетні двигуни SpaceX. Джерело: interestingengineering.com
Для управління ракетою використовуються рухомі сопла двигунів. Якщо вони вийдуть з ладу, конструкція буде перекидатися в повітрі і зрештою розбитися.
З яких частин складаються ракети
Сучасні ракети складаються з кількох частин, які називаються ступенями.
Перший ступінь — це найнижча частина ракети, яка оснащена найпотужнішими двигунами та максимальною кількістю палива. Вона піднімає ракету із землі і працює доти, доки в баку не закінчиться паливо. Після цього перший ступінь відокремлюється від конструкції і падає у воду, або сідає на платформу для повторного використання (така технологія є тільки у компанії SpaceX).
Будова російської ракети "Союз-ФГ". Джерело: space4kids.ru
Другий ступінь ракети теж оснащена двигунами і включається після відділення першого ступеня. Вона потрібна для того, щоб вивести конструкцію безпосередньо у космос.
Вище другого ступеня знаходиться вантажний відсік або капсула, всередині якого знаходиться корисний вантаж: супутники, наукові прилади тощо. Часто над другим щаблем знаходиться космічний корабель з астронавтами. Коли капсула виходить у космос, вона відкривається та дослідницькі апарати виходять у космічний простір. Космічний корабель зазвичай летить до МКС, стикується з ним і дослідники опиняються усередині станції.
Етапи запуску космічної ракети
Кожен запуск космічної ракети можна поділити на кілька етапів:
- Підготовка до запуску: ракету встановлюють на стартовий майданчик, заправляють та перевіряють працездатність усіх систем;
- Зворотній відлік: за кілька хвилин до запуску починається зворотний відлік, під час якого всі системи ракети перевіряються ще раз;
- Увімкнення двигунів: після зворотного відліку у ракети включаються двигуни першого ступеня і вона летить нагору;
- Відділення першого ступеня: на висоті від 50 до 150 кілометрів паливо першого ступеня закінчується, вона відокремлюється і або розбивається в океані, або сідає на посадкову платформу;
- Включення другого ступеня: після відділення першого ступеня включаються двигуни другого ступеня, яка ще сильніше прискорює конструкцію для виходу в космос;
- Вихід на орбіту: як тільки конструкція виходить на навколоземну орбіту, другий ступінь теж відокремлюється та згоряє в атмосфері Землі;
- Виконання місії: вантажний відсік відкривається, вивільняючи корисний вантаж. Якщо на борту були люди, вони летять кораблем на МКС, Місяць і так далі, залежно від місії.
Ще більше цікавих матеріалів на наукову тему ви знайдете у нашому Дзен-каналі. Нас уже понад 100 тисяч людей, тож підписуйтесь!
Найбільшою, дорогою та потужною ракетою сучасності є SpaceX Starship. У майбутньому її планують використовувати для польотів на Місяць та Марс. Можливо, ви навіть не уявляєте, наскільки вона величезна, подивіться самі!
"Роскосмос" показав "від першої особи", як відокремлюється і падає ступінь ракети-носія
«Роскосмос» опублікував на своїй сторінці в соціальній мережі «ВКонтакте» відеозапис, зроблений камерою на одному з блоків відокремлюваного першого ступеня ракети «Союз-2.1а».
Кадри зроблено камерою, яка була встановлена на перший щабель ракети, яка піднімала вантажівку «Прогрес МС-25» на Міжнародну космічну станцію у грудні 2023 року.
На відео видно, як перший ступінь ракети-носія відокремлюється і падає з висоти в кілька разів більше за Еверест. У кадр потрапили і Земля, що знаходиться вдалині, і блоки першого ступеня, що розлітаються в мезосфері, і ракета, що йде далі до орбіти.
Як пояснюють у «Роскосмосі», у ракетах-носіях «Союз-2.1а» та «Союз-2.1б» використовується пакетна схема: при старті одночасно працюють перший і другий щаблі. Приблизно через дві хвилини польоту відокремлюється перший щабель, який складається з чотирьох бічних блоків. Далі працює другий ступінь, що складається із центрального блоку. Перед її відділенням включається третій ступінь і наприкінці розгінний блок розвозить по цільових орбітах космічні апарати.
Характеристики міжконтинентальної балістичної ракети – її історія та опис
Міжконтинентальна балістична ракета (МБР) - снаряд класу "земля-земля", що вражає дистанція якого перевищує 5500 км. Можливе знищення стратегічної мети на іншому континенті. Ці ракети мають ядерну начинку та захист від ворожих ПРО. У зв'язку з напруженою обстановкою, що складається в світі, що загрожує ядерною війною, багатьом цікаво дізнатися про міжконтинентальну балістичну ракету: її опис, характеристики та історію розробки.
Як з'явилися МБР
Розробником принципів ракетобудування та винахідником реактивного рідинного двигуна був Ціолковський. У 1909 році американський інженер Річард Годдард вигадав схему багатоступінчастої ракети, яка зменшує вагу і збільшує дистанцію польоту, коли від неї відокремлюється ступінь.
У 1937 році геніальний німецький конструктор Вернер фон Браун заснував ракетний центр, що включає аеродинамічну випробувальну установку та завод, де зріджувався кисень. У цьому центрі було створено снаряд ФАУ-1, який взяли за основу для випуску 1942-го балістичної ракети ФАУ-2. Ця ракета, що важить 13 т, долала 300 км, летячи зі швидкістю 1,5 км/с.
Наприкінці Другої світової війни документація та результати розробок німецьких інженерів, а також екземпляри ФАУ-2 опинилися в руках радянських та американських військових. На основі отриманих матеріалів вже через рік американці створили ракету Redstone, в радянські вчені сконструювали модель Р-1.
Перші американські та радянські МБР були фактично аналогами ФАУ-2. Як і німецький оригінал, вони мали одну істотну ваду — окислюючим елементом у них був скраплений кисень. Цей окислювач поступово випаровувався, тому його тривале зберігання всередині ракети було неможливо. Була потрібна постійне виробництво рідкого кисню. Радянські вчені вийшли зі становища, зробивши окислювачем азотну кислоту.
1954-го стартувала розробка першої радянської міжконтинентальної ракети Р-7, яку в народі потім прозвали «сімкою». Її успішні випробування пройшли у серпні 1957 року, а на озброєння вона надійшла у 1960 році. Роком раніше у СРСР було сформовано Ракетні війська стратегічного призначення (РВСН). 1962-го на озброєння радянських збройних сил надійшла одноступенева ракета Р-17, яку американці прозвали «Скад».
На початку 1950-х американські інженери розробили MGR-1 «Honest John» із двигуном, що працює на твердому паливі. Нова рухова система виявилася вдалим рішенням, що активно задіялася протягом 40 років. У СРСР також вироблялися твердопаливні ракети, наприклад, ЗР-9 «Місяць».
Відхилення перших ракет перевищувало сотні метрів. Єдиною можливістю підвищити їхню тактичну ефективність було використання ядерних боєголовок.
1959-го американці прийняли на озброєння модель SM-65 Atlas, що стала основною ланкою американських ядерних сил.
Значним етапом вдосконалення ракетного оснащення стала розробка ракетних комплексів з головними елементами, що розділяються. Перші моделі не мали системи окремого наведення зарядних блоків. Конструкція, що передбачає експлуатацію кількох малих зарядів, а чи не одного великого, виявилася ефективнішою при поразці площадних об'єктів і протидії ПРО противника.
1970-го в СРСР з'явилися МБР Р-36 з трьома зарядними блоками, кожен з яких важив 2,3 Мт. Тоді ж американці ввели на озброєння ракетні комплекси Minuteman III, які мають здатність розводити боєголовки у напрямі різних цілей. Для цього ракети оснастили розвідним блоком, що знаходиться в додатковому ступені з маневровою руховою системою.
У СРСР 1976-го з'явилися перші мобільні установки на шасі — 2С «Темп». А 1989 року було прийнято на озброєння МБР, що базуються на залізничному транспорті, — РТ-23 УТТХ. У США також намагалися створити такі міжконтинентальні ракетні комплекси, але вивести розробки у виробництво так і не вийшло.
Особливим періодом історія розробки радянських МБР стало створення важких ракет. 1967 року на озброєння були прийняті ракети Р-36, а 1975-го — їхня модернізована версія Р-26М. Американці 1963 року випустили важку міжконтинентальну ракету «Титан-2». Найважча МБР історія створення такої зброї — радянська Р-36М2, випущена 1988 року. При вазі 211 т вона здатна пролетіти 16000 км, несучи 10 зарядних блоків, кожен із яких важить 750 Кт.
Опис та принцип роботи
За короткий час до старту в систему управління вбиваються координати кінцевої точки і траєкторія. Потім запускається рухова система 1-го ступеня.Коли балістична ракета розганяється, спеціальний кермовий механізм коригує напрямок для виходу на вказану траєкторію. При наборі певної висоти носій відокремлюється від головної частини.
Головна частина продовжує політ за інерцією з орієнтуванням на мету за допомогою двигунів. Сходи, що відокремилися, згоряють в атмосфері. Відокремлюються щаблі за мінометним принципом. Міжступеневий сектор наповнюється газом, активізуються детонатори у точках знаходження кріплень щаблів. В результаті щаблі відокремлюються без поштовху.
