Космические ракеты носителя космос 3 м. Космические ракеты (доклад)

Ракета-носитель “Протон-М”

Ракета-носитель (РН, также ракета космического назначения, РКН) - многоступенчатая баллистическая ракета, предназначенная для выведения полезной нагрузки в космическое пространство.

Иногда термин «ракета-носитель» применяется в расширенном значении: ракета, предназначенная для доставки в заданную точку (в космос, в отдаленный район или океана) полезной нагрузки - например, ядерных и неядерных боевых блоков. В такой трактовке термин «ракета-носитель» объединяет термины «ракета космического назначения» (РКН) и «межконтинентальная баллистическая ракета» (МБР).

Классификация

В отличие от некоторых горизонтально-стартующих авиационно-космических систем (АКС), ракеты-носители используют вертикальный тип старта и (много реже) воздушный старт.

Количество ступеней

Одноступенчатых ракет-носителей, выводящих полезную нагрузку в космос, до настоящего времени не создано, хотя имеются проекты различной степени проработки («КОРОНА», HEAT-1X и другие). В некоторых случаях как одноступенчатая может классифицироваться ракета, имеющая в качестве первой ступени воздушный носитель либо использующая в качестве таковой ускорители. Среди баллистических ракет, способных достичь космического пространства, немало одноступенчатых, в том числе и первая баллистическая ракета «Фау-2»; однако ни одна из них не способна выйти на орбиту искусственного спутника Земли.

Расположение ступеней (компоновка)

Конструктивное исполнение ракет-носителей может быть следующим:

• продольная компоновка (тандемная), у которой ступени расположены одна за другой и работают в полёте поочерёдно (РН «Зенит-2», «Протон», «Дельта-4»);
• параллельная компоновка (пакетная), при которой несколько блоков, расположенных параллельно и относящихся к разным ступеням, работают в полёте одновременно (РН «Союз»);
  • условно-пакетная компоновка (т. н. полутораступенчатая схема), в которой используются общие топливные баки для всех ступеней, от которых питаются стартовые и маршевые двигатели, запускающиеся и работающие одновременно; по завершении работы стартовых двигателей сбрасываются только они.

Используемые двигатели

В качестве маршевых двигателей могут использоваться:

• жидкостные ракетные двигатели;
• твёрдотопливные ракетные двигатели;
• различные комбинации на разных ступенях.

Масса полезной нагрузки

Классификация ракет по массе выводимой полезной нагрузки:

• лёгкая;
• средняя;
• тяжёлая;
• сверхтяжёлая.

Конкретные границы классов меняются с развитием техники и являются достаточно условными, в настоящее время лёгким классом считаются ракеты, выводящие на низкую опорную орбиту груз массой до 5 т, средними - от 5 до 20 т, тяжёлыми - от 20 до 100 тонн, сверхтяжёлыми - свыше 100 т. Появляется также новый класс так называемых «нано-носителей» (полезная нагрузка - до нескольких десятков кг).

Повторное использование

Наибольшее распространение получили одноразовые многоступенчатые ракеты как пакетной, так и продольной схем. Одноразовые ракеты отличаются высокой надёжностью благодаря максимальному упрощению всех элементов. Следует уточнить, что одноступенчатой ракете для достижения орбитальной скорости теоретически необходимо иметь конечную массу не более 7-10 % от стартовой, что при даже существующих технологиях делает их труднореализуемыми и экономически неэффективными из-за низкой массы полезного груза. В истории мировой космонавтики одноступенчатые ракеты-носители практически не создавались - существовали только т. н. полутораступенчатые модификации (например, американской РН «Атлас» со сбрасываемыми дополнительными стартовыми двигателями). Наличие нескольких ступеней позволяет существенно увеличить отношение массы выводимой полезной нагрузки к начальной массе ракеты. В то же время многоступенчатые ракеты требуют отчуждения территорий для падения промежуточных ступеней.

Ввиду необходимости применения высокоэффективных сложных технологий (прежде всего, в области двигательных установок и теплозащиты), полностью многоразовых ракет-носителей пока не существует, несмотря на постоянный интерес к этой технологии и периодически открывающиеся проекты разработки многоразовых носителей (за период 1990-2000-х годов - такие, как: ROTON, Kistler K-1, АКС VentureStar и др.). Частично многоразовой являлась широко использовавшаяся американская многоразовая транспортная космическая система (МТКС)-АКС «Спейс шаттл» («Космический челнок») и закрытая советская программа МТКС «Энергия-Буран», разработанная, но так и не использованная в прикладной практике, а также ряд нереализованных бывших (например, «Спираль», МАКС и др. АКС) и вновь разрабатываемых (например, «Байкал-Ангара») проектов. Вопреки ожиданиям, «Спейс шаттл» не смог обеспечить снижение стоимости доставки грузов на орбиту; кроме того, пилотируемые МТКС характеризуются сложным и длительным этапом предстартовой подготовки (из-за повышенных требований по надёжности и безопасности при наличии экипажа).

Присутствие человека

Ракеты для пилотируемых полётов должны обладать бо́льшей надёжностью (также на них устанавливается система аварийного спасения); допустимые перегрузки для них ограничены (обычно не более 3-4,5 единиц). При этом сама ракета-носитель является полностью автоматической системой, выводящей в космическое пространство аппарат с людьми на борту (это могут быть как пилоты, способные осуществлять непосредственное управление аппаратом, так и так называемые «космические туристы»).

История

Первым детально проработанным теоретическим проектом ракеты-носителя был «Lunar Rocket», спроектированный Британским межпланетным обществом в 1939 году. Проект представлял собой попытку разработки ракеты-носителя, способной доставить полезный груз на , основанную исключительно на существующих в 1930-х годах технологиях, то есть был первым проектом космической ракеты, не имевшем фантастических допущений. Ввиду начала Второй мировой войны работы по проекту были прерваны, и существенного влияния на историю космонавтики он не оказал.

Первой в мире настоящей ракетой-носителем, доставившей в 1957 году груз на орбиту, была советская Р-7 («Спутник»). Далее США и ещё несколько стран стали так называемыми «космическими державами», начав использовать собственные ракеты-носители, а три страны (а значительно позже также и четвёртая - Китай) создали РН для пилотируемых полётов.

Ракета-носитель Дельта 2

Самые мощные используемые на данный момент ракеты-носители - это российская РН «Протон-М», американская РН «Дельта-IV Heavy» и европейская РН «Ариан-5» тяжёлого класса, позволяющие выводить на низкую околоземную орбиту (200 км) 21-25 тонн полезного груза, на ГПО - 6-10 тонн и на ГСО - до 3-6 тонн.

Планируемая ракета Ариан 6

В прошлом были созданы (в рамках проектов высадки человека на Луну) и более мощные ракеты-носители сверхтяжёлого класса - такие, как американская РН «Сатурн-5» и советская РН «Н-1», а также, позднее, советская «Энергия», которые в настоящее время не используются. Соизмеримой мощной ракетной системой была американская МТКС «Спейс шаттл», которую можно было рассматривать как РН сверхтяжёлого класса для вывода пилотируемого корабля 100-тонной массы, или как РН всего лишь тяжёлого класса, для вывода на НОО прочей полезной нагрузки (до 20-30 тонн, в зависимости от орбиты). При этом космический корабль-челнок являлся частью (второй ступенью) многоразовой космической системы, которая могла использоваться только при его наличии - в отличие, например, от советского аналога МТКС «Энергия-Буран».

До космической ракеты-носителя .

В военной терминологии слово ракета обозначает класс, как правило, беспилотных летательных аппаратов , применяемых для поражения удалённых целей и использующих для полёта принцип реактивного движения. В связи с разнообразным применением ракет в вооружённых силах , различными родами войск , образовался широкий класс различных типов ракетного оружия .

История [ | ]

Существует предположение, что некое подобие ракеты было сконструировано ещё в Древней Греции Аликсом Сином. Речь идёт о летающем деревянном голубе Архита Тарентского (др.-греч. Ἀρχύτας ὁ Ταραντίνος ). Его изобретение упоминается в произведении древнеримского писателя Авла Геллия (лат. Aulus Gellius ) «Аттические ночи» (лат. «Noctes Atticae» ). В книге говорится, что птица поднималась с помощью разновесов и приводилась в движение дуновением спрятанного и скрытого воздуха. До сих пор не установлено, приводился ли голубь в движение действием воздуха, находящегося у него внутри, или воздуха, который дул на него снаружи. Остаётся неясным, как Архит мог получить сжатый воздух внутри голубя. В античной традиции пневматики нет аналогов такого использования сжатого воздуха.

Истоки возникновения ракет большинство историков относят ко временам китайской династии Хань (206 год до н. э. - год н. э.), к открытию пороха и началу его использования для фейерверков и развлечений. Сила, возникающая при взрыве порохового заряда, была достаточной, чтобы двигать различные предметы. Позже этот принцип нашёл применение при создании первых пушек и мушкетов . Снаряды порохового оружия могли летать на далёкие расстояния, однако не были ракетами, поскольку не имели собственных запасов топлива . Тем не менее, именно изобретение пороха стало основной предпосылкой возникновения настоящих ракет. Описание летающих «огненных стрел», применявшихся китайцами, показывает, что эти стрелы были ракетами. К ним прикреплялась трубка из уплотненной бумаги, открытая только с заднего конца и заполненная горючим составом. Этот заряд поджигался, и затем стрела выпускалась с помощью лука. Такие стрелы применялись в ряде случаев при осаде укреплений, против судов, кавалерии.

Известно, что ракеты применялись русскими казаками, начиная с XVI -XVII веков. Многоступенчатые ракеты были описаны в XVI веке Конрадом Хаасом и в XVII веке литовским военным инженером Казимиром Семеновичем .

Двухступенчатая ракета XVI века

Ракетная артиллерия широко применялась вплоть до конца XIX века. Ракеты были более лёгкими и подвижными, чем артиллерийские орудия. Точность и кучность ведения огня ракетами была небольшой, но сопоставимой с артиллерийскими орудиями того времени. Однако во второй половине XIX века появились нарезные артиллерийские орудия, обеспечивающие большую точность и кучность огня и ракетная артиллерия была всюду снята с вооружения. Сохранились лишь фейерверочные и сигнальные ракеты .

В конце XIX века стали предприниматься попытки математически объяснить реактивное движение и создать более эффективное ракетное вооружение. В России одним из первых этим вопросом занялся Николай Тихомиров в 1894 году.

Теорией реактивного движения занимался Константин Циолковский . Он выдвигал идею об использовании ракет для космических полетов и утверждал, что наиболее эффективным топливом для них было бы сочетание жидких кислорода и водорода . Ракету для межпланетных сообщений он спроектировал в 1903 году.

17 августа 1933 года была запущена ракета «ГИРД 9», которую можно считать первой советской зенитной ракетой. Она достигла высоты 1,5 км. А следующая ракета «ГИРД 10», запущенная 25 ноября 1933 года, достигла уже высоты в 5 км.

В 1957 году в СССР под руководством Сергея Павловича Королёва как средство доставки ядерного оружия была создана первая в мире межконтинентальная баллистическая ракета Р-7 , которая в том же году была использована для запуска первого в мире искусственного спутника Земли . Так началось применение ракет для космических полётов.

Ракетные двигатели [ | ]

Большинство современных ракет оснащаются химическими ракетными двигателями . Подобный двигатель может использовать твёрдое, жидкое или гибридное ракетное топливо . Химическая реакция между топливом и окислителем начинается в камере сгорания , получающиеся в результате горячие газы образуют истекающую реактивную струю, ускоряются в реактивном сопле (соплах) и выбрасываются из ракеты. Ускорение этих газов в двигателе создаёт тягу - толкающую силу, заставляющую ракету двигаться. Принцип реактивного движения описывается третьим законом Ньютона .

Однако не всегда для движения ракет используются химические реакции. В паровых ракетах перегретая вода, вытекающая через сопло, превращается в высокоскоростную паровую струю, служащую движителем . Эффективность паровых ракет относительно низка, однако это окупается их простотой и безопасностью, а также дешевизной и доступностью воды. Работа небольшой паровой ракеты в 2004 году была проверена в космосе на борту спутника UK-DMC. Существуют проекты использования паровых ракет для межпланетной транспортировки грузов, с нагревом воды за счёт ядерной или солнечной энергии.

Ракеты наподобие паровой, в которых нагрев рабочего тела происходит вне рабочей зоны двигателя, иногда описывают как системы с двигателями внешнего сгорания . Другими примерами ракетных двигателей внешнего сгорания может служить большинство конструкций ядерных ракетных двигателей .

Силы, действующие на ракету в полёте [ | ]

Наука, исследующая силы, действующие на ракеты или другие космические аппараты, называется астродинамикой .

Основные силы, действующие на ракету в полёте:

Применение [ | ]

Военное дело [ | ]

Ракеты используются как способ доставки к цели . Небольшие размеры и высокая скорость перемещения ракет обеспечивает им малую. Так как для управления боевой ракетой не нужен пилот , она может нести заряды большой разрушительной силы, в том числе ядерные. Современные системы самонаведения и навигации дают ракетам большую точность и манёвренность.

Существует множество видов боевых ракет, отличающихся дальностью полёта, а также местом старта и местом поражения цели («земля» - «воздух»). Для борьбы с боевыми ракетами используются системы противоракетной обороны .

Ракетные метеорологические исследования предшествовали спутниковым, поэтому на первых метеоспутниках стояли те же приборы, что и на метеорологических ракетах. В первый раз ракета была запущена с целью изучить параметры воздушной среды 11 апреля 1937 года , но регулярные ракетные запуски начались с 1950-х годов, когда были созданы серии специализированных научных ракет. В Советском Союзе это были метеорологические ракеты МР-1 , М-100 , МР-12 , ММР-06 и геофизические типа «Вертикаль ». В современной России в сентябре 2007 года использовались ракеты М-100Б . За пределами России применялись ракеты «Аэроби », «Black Brant », «».

Существуют также специальные противоградовые ракеты, предназначенные для защиты сельскохозяйственных угодий от градовых облаков. Они несут в головной части реагент (обычно йодистое серебро), который при взрыве распыляется и приводит к образованию дождевых облаков вместо градовых. Высота полета ограничивается 6-12 км.

Космонавтика [ | ]

Создателем космонавтики как науки считается Герман Оберт , впервые доказавший физическую возможность человеческого организма выносить возникающие при запуске ракеты перегрузки, а также состояние невесомости.

Чаще всего в качестве ракет-носителей используются многоступенчатые баллистические ракеты. Старт ракеты-носителя происходит с Земли, или, в случае долгого полёта, с орбиты

24 февраля текущего года космический грузовик «Прогресс-МС-05», запущенный с Байконура с помощью ракеты-носителя «Союз-У», пристыковался к Международной космической станции. Днем ранее на МКС произошла стыковка американского грузового корабля Dragon, запущенного с ракетой Falcon 9. Россия, США и Китай - главные мировые соперники в производстве и испытании ракет-носителей. Кто из них продвинулся в этом плане дальше всего?

УПУЩЕННОЕ ЛИДЕРСТВО

СССР был первым государством в мире, осуществившим в 1957 году запуск ракеты-носителя (Р-7, «Спутник»). За последние годы в России произошло несколько аварий космических грузовиков по причине тех или иных неисправностей в ракетах-носителях. Эксперты Роскосмоса считают, что у системных проблем в отечественном ракетостроении ряд причин: трудно управляемая кооперация предприятий, работающих «на космос», а также недостаток высококвалифицированных кадров. В прошлом году российскую ракетно-космическую отрасль обошли США и Китай - впервые за последние десятилетия наша страна осуществила рекордно малое количество космических запусков - 18 (у Америки был 21 запуск, у Китая - 20). Россия всегда была лидером - и в предыдущие годы по количеству космических запусков мы опережали США, КНР и страны ЕС. Во времена СССР в 1982 году их было выполнено и вовсе свыше 100! Затем эти показатели стали падать, но все равно до последнего времени отечественная ракетно-космическая отрасль «держала марку» на мировом уровне.

В прошлом году сравнительно небольшое количество запусков специалисты связывают с неудачами, касающимися работы двигателя ракеты-носителя «Протон-М» - обычно этот аппарат запускается до десятка и более раз в год, а в 2016 году было совершено всего 3 запуска.

КОГДА ПОЛЕТИТ «АНГАРА»?

По мнению академика РАК имени К. Э. Циолковского Александра Железнякова, российская космическая отрасль уже не вернется к прежнему количеству запусков, но в этом и нет необходимости: основные спутниковые группировки систем навигации и связи уже развернуты, и практической надобности в столь частых запусках ракет-носителей больше не существует. В связи с рядом аварий с участием «Протона», произошедших за последние годы, снизилось количество коммерческих пусков ракеты-носителя - часть прежних заказчиков она перестала интересовать.

Как считает Железняков, статус космической державы определяет не количество запущенных ракет, а число и назначение выведенных в космос космических аппаратов, с чем, уверен академик Российской академии космонавтики, у России дела обстоят неважно. Нашей стране принадлежит ничтожно малое количество научных спутников, и в космосе на данный момент не работает ни одна межпланетная станция, тогда как те же американцы за последние годы успешно осуществили несколько подобных миссий. Взять хотя бы Dawn, запущенный НАСА. С помощью этого космического аппарата научный мир получил массу уникальной информации о карликовой планете Церера и астероиде Веста - объектах главного астероидного пояса.

Тем не менее в планах Роскосмоса на 2016-2025 годы - испытание «Ангары» - ракетыносителя модульного типа, имеющей кислородно-керосиновые двигатели. Отдельные виды «Ангары» имеют грузоподъемность до 35 тонн. А также - создание нового типа ракеты-носителя, способной «потянуть» груз общей массой свыше 100 тонн, и другие не менее масштабные проекты, на которые планируется потратить свыше полутора миллиардов рублей.

Необходимо отметить, что и у Роскосмоса, и у американской частной компании Space X, посылавших космические грузовики к МКС, не все проходило гладко. В декабре прошлого года российский «Прогресс МС-04» потерпел аварию из-за проблем с двигателем третьей ступени ракеты-носителя. Американский грузовик должен был пристыковаться к МКС 22 февраля, но из-за неполадок в бортовом компьютере произошел временной сбой.

ОТ «ДЕЛЬТЫ» ДО «ФАЛЬКОНА»

В США разработаны два основных семейства ракет-носителей - Delta и Falcon. Первые запуски «Дельты» американцы начали осуществлять с 60-х годов прошлого века. На сегодня реализовано свыше 300 таких проектов, 95% которых проведены успешно. Разработкой серий Delta занимается совместное предприятие United Launch Alliance, которым напополам владеют крупнейшие корпорации «Боинг» и «Локхид Мартин». Компанией разработано порядка 20 серий «Дельты», две из которых, вторая и четвертая, используются и поныне. Так, последний запуск «Дельты-4» был осуществлен в конце прошлого года.

С 2002 года на американском рынке производства и запуска ракет-носителей действует частная компания Space X, основанная Илоном Маском, в прошлом основателем платежной системы PayPal. За это время Space X было произведено и испытано два типа ракет - Falcon 1 и Falcon 9, создан и также опробован на практике космический корабль Dragon.

Илон Маск изначально хотел производить именно многоразовые ракеты-носители, которые в перспективе помогли бы открыть пути к колонизации Марса. Этот энтузиаст рассчитывает, что первого человека на Марс их компания Space X доставит до 2026 года.

У Falcon 9 две ступени, компоненты топлива - керосин и жидкий кислород, используемый в качестве окислителя. Цифрой «9» обозначается число ЖРД - жидкостных ракетных двигателей Merlin, которые установлены на первой ступени «Фалькона».

Первые запуски Falcon 1 закончились авариями, не все удачно проходило с запусками и Falcon 9. Тем не менее в декабре 2015 года Space X была осуществлена первая в истории посадка первой ступени ракеты-носителя на Землю после вывода полезного груза на околоземную орбиту, а в апреле прошлого года ступень Falcon 9 успешно опустилась на морскую платформу. В начале текущего года компания Илона Маска намерена осуществить еще один запуск Falcon 9 «с возвратом».

В планах Space X помимо миссии на Марс - первая частная миссия на Луну, которую предполагается осуществить уже к концу текущего года; первая пилотируемая миссия на МКС, в которой также будет участвовать Falcon 9. В 2020 году компания собирается запустить первый беспилотник на Красную планету.

«ВЕЛИКИЙ ПОХОД» КИТАЯ

В Поднебесной на сегодня основная ракета-носитель - «Чанчжэн», что в переводе с китайского означает «Великий поход». Первое запуски ракет пилотных серий КНР начала осуществлять с 1970 года, на сегодня насчитывается несколько десятков таких успешно реализованных проектов. Разработано уже 11 серий «Чанчжэн».

Самой мощной китайской ракетой-носителем признана «Чанчжэн-5», успешно запущенная в конце прошлого года с космодрома Вэньчан, расположенного на острове Хайнань. В высоту ракета достигает почти 57 метров, основная ступень имеет диаметр 5 метров, «Чанчжэн-5» в состоянии выводить на орбиту Земли 25-тонный груз. Ободренные успехом, китайцы заявили всему миру, что в 2020 году намерены вывести на переходную орбиту нашей планеты и Марса специальный зонд, который будет исследовать Красную планету.

В рамках своей космической программы китайские ученые серьезно продвинулись в решении технических вопросов по функционированию ракет-носителей, в частности их двигателей.

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.

Пусть полеты в космос уже давно привычное дело. Но все ли вы знаете о космических ракетах-носителях? Разберем по частям и посмотрим, из чего они состоят и как работают.

Ракетные двигатели

Двигатели – важнейшая составная часть ракеты-носителя. Они создают силу тяги, за счет которой ракета поднимается в космос. Но когда речь идет о ракетных двигателях, не стоит вспоминать те, что находятся под капотом автомобиля или, например, крутят лопасти несущего винта вертолета. Ракетные двигатели совсем другие.

В основе действия ракетных двигателей – третий закон Ньютона. Историческая формулировка этого закона говорит, что любому действию всегда есть равное и противоположное противодействие, проще говоря – реакция. Поэтому и двигатели такие называются реактивными.

Реактивный ракетный двигатель в процессе работы выбрасывает вещество (так называемое рабочее тело) в одном направлении, а сам движется в противоположном направлении. Чтобы понять, как это происходит, не обязательно самому летать на ракете. Самый близкий, «земной», пример – это отдача, которая получается при стрельбе из огнестрельного оружия. Рабочим телом здесь выступают пуля и пороховые газы, вырывающиеся из ствола. Другой пример – надутый и отпущенный воздушный шарик. Если его не завязать, он будет лететь до тех пор, пока не выйдет воздух. Воздух здесь – это и есть то самое рабочее тело. Проще говоря, рабочее тело в ракетном двигателе – продукты сгорания ракетного топлива.

Модель ракетного двигателя РД-180

Топливо

Топливо ракетных двигателей, как правило, двухкомпонентное и включает в себя горючее и окислитель. В ракете-носителе «Протон» в качестве горючего используется гептил (несимметричный диметилгидразаин), а в качестве окислителя – тетраксид азота. Оба компонента чрезвычайно токсичны, но это «память» о первоначальном боевом предназначении ракеты. Межконтинентальная баллистическая ракета УР-500 – прародитель «Протона», – имея военное предназначение, до старта должна была долго находиться в боеготовом состоянии. А другие виды топлива не позволяли обеспечить долгое хранение. Ракеты «Союз-ФГ» и «Союз-2» используют в качестве топлива керосин и жидкий кислород. Те же топливные компоненты используются в семействе ракет-носителей «Ангара», Falcon 9 и перспективной Falcon Heavy Илона Маска. Топливная пара японской ракеты носителя «H-IIB» («Эйч-ту-би») – жидкий водород (горючее) и жидкий кислород (окислитель). Как и в ракете частной аэрокосмической компании Blue Origin, применяемой для вывода суборбитального корабля New Shepard. Но это все жидкостные ракетные двигатели.

Применяются также и твердотопливные ракетные двигатели, но, как правило, в твердотопливных ступенях многоступенчатых ракет, таких как стартовый ускоритель ракеты-носителя «Ариан-5», вторая ступень РН «Антарес», боковые ускорители МТКК Спейс шаттл.

Ступени

Полезная нагрузка, выводимая в космос, составляет лишь малую долю массы ракеты. Ракеты-носители главным образом «транспортируют» себя, то есть собственную конструкцию: топливные баки и двигатели, а также топливо, необходимое для их работы. Топливные баки и ракетные двигатели находятся в разных ступенях ракеты и, как только они вырабатывают свое топливо, то становятся ненужными. Чтобы не нести лишний груз, они отделяются. Кроме полноценных ступеней применяются и внешние топливные емкости, не оснащенные своими двигателями. В процессе полета они также сбрасываются.

Первая ступень РН «Протон-М»

Существует две классические схемы построения многоступенчатых ракет: c поперечным и продольным разделением ступеней. В первом случае ступени размещаются одна над другой и включаются только после отделения предыдущей, нижней, ступени. Во втором случае вокруг корпуса второй ступени расположены несколько одинаковых ракет-ступеней, которые включаются и сбрасываются одновременно. В этом случае двигатель второй ступени также может работать при старте. Но широко применяется и комбинированная продольно-поперечная схема.

Варианты компоновки ракет

Стартовавшая в феврале этого года с космодрома в Плесецке ракета-носитель легкого класса «Рокот» является трехступенчатой с поперечным разделением ступеней. А вот РН «Союз-2», запущенная с нового космодрома «Восточный» в апреле этого года, – трехступенчатая с продольно-поперечным разделением.

Интересную схему двухступенчатой ракеты с продольным разделением представляет собой система Спейс шаттл. В ней и кроется отличие американских шаттлов от «Бурана». Первая ступень системы Спейс шаттл – боковые твердотопливные ускорители, вторая – сам шаттл (орбитер) с отделяемым внешним топливным баком, который по форме напоминает ракету. Во время старта запускаются двигатели как шаттла, так и ускорителей. В системе «Энергия – Буран» двухступенчатая ракета-носитель сверхтяжелого класса «Энергия» была самостоятельным элементом и помимо вывода в космос МТКК «Буран» могла быть применена и для других целей, например для обеспечения автоматических и пилотируемых экспедиций на Луну и Марс.

Разгонный блок

Может показаться, что как только ракета вышла в космос, то цель достигнута. Но это не всегда так. Целевая орбита космического аппарата или полезного груза может быть гораздо выше линии, от которой начинается космос. Так, например, геостационарная орбита, на которой размещаются телекоммуникационные спутники, расположена на высоте 35 786 км над уровнем моря. Вот для этого и нужен разгонный блок, который, по сути, является еще одной ступенью ракеты. Космос начинается уже на высоте 100 км, там же начинается невесомость, которая является серьезной проблемой для обычных ракетных двигателей.

Одна из основных «рабочих лошадок» российской космонавтики ракета-носитель «Протон» в паре с разгонным блоком «Бриз-М» обеспечивает выведение на геостационарную орбиту полезных грузов массой до 3,3 т. Но первоначально вывод осуществляется на низкую опорную орбиту (200 км). Хотя разгонный блок и называют одной из ступеней корабля, от обычной ступени он отличается двигателями.

РН «Протон-М» с разгонным блоком «Бриз-М» на сборке

Для перемещения космического аппарата или корабля на целевую орбиту или направления его на отлетную или межпланетную траекторию разгонный блок должен иметь возможность выполнить один или несколько маневров, при совершении которых изменяется скорость полета. А для этого необходимо каждый раз включать двигатель. Причем в периоды между маневрами двигатель находится в выключенном состоянии. Таким образом, двигатель разгонного блока способен многократно включаться и выключаться, в отличие от двигателей других ступеней ракет. Исключением являются многоразовые Falcon 9 и New Shepard, двигатели первых ступеней которых используются для торможения при посадке на Землю.

Полезная нагрузка

Ракеты существуют для того, чтобы что-то выводить в космос. В частности, космические корабли и космические аппараты. В отечественной космонавтике это транспортные грузовые корабли «Прогресс» и пилотируемые корабли «Союз», отправляемые к МКС. Из космических аппаратов в этом году на российских ракетах-носителях отправились в космос американский КА Intelsat DLA2 и французский КА Eutelsat 9B, отечественный навигационный КА «Глонасс-М» №53 и, конечно, КА «ЭкзоМарс-2016», предназначенный для поиска метана в атмосфере Марса.

Возможности по выводу полезной нагрузки у ракет разные. Масса полезной нагрузки РН легкого класса «Рокот», предназначенной для выведения космических аппаратов на низкие околоземные орбиты (200 км), – 1,95 т. РН «Протон-М» относится к тяжелому классу. На низкую орбиту он выводит уже 22,4 т, на геопереходную – 6,15 т, а на геостационарную – 3,3 т. «Союз-2» в зависимости от модификации и космодрома способен вывести на низкую околоземную орбиту от 7,5 до 8,7 т, на геопереходную орбиту – от 2,8 до 3 т и на геостационарную – от 1,3 до 1,5 т. Ракета предназначена для запусков со всех площадок Роскосмоса: Восточного, Плесецка, Байконура и Куру, используемого в рамках совместного российско-европейского проекта. Применяемая для запуска транспортных и пилотируемых кораблей к МКС, РН «Союз-ФГ» имеет массу полезного груза от 7,2 т (с пилотируемым кораблем «Союз») до 7,4 т (с грузовым кораблем «Прогресс»). В настоящее время это единственная ракета, применяемая для доставки космонавтов и астронавтов на МКС.

Полезная нагрузка, как правило, находится в самой верхней части ракеты. Для того чтобы преодолеть аэродинамическое сопротивление, космический аппарат или корабль помещается внутрь головного обтекателя ракеты, который после прохождения плотных слоев атмосферы сбрасывается.

Вошедшие в историю слова Юрия Гагарина: «Вижу Землю… Красота-то какая!» были им сказаны именно после сброса головного обтекателя ракеты-носителя «Восток».

Установка головного обтекателя РН «Протон-М», полезная нагрузка КА «Экспресс-АТ1» и «Экспресс-АТ2»

Система аварийного спасения

Ракету, которая выводит на орбиту космический корабль с экипажем, практически всегда можно отличить по внешнему виду от той, которая выводит грузовой корабль или космический аппарат. Чтобы в случае возникновения аварийной ситуации на ракете-носителе экипаж пилотируемого корабля остался жив, применяется система аварийного спасения (САС). По сути, это еще одна (правда, небольшая) ракета в головной части ракеты-носителя. Со стороны САС выглядит как башенка необычной формы на вершине ракеты. Ее задача – в экстренной ситуации вытянуть пилотируемый корабль и увести его от места аварии.

В случае взрыва ракеты на старте или в начале полета основные двигатели системы спасения отрывают ту часть ракеты, в которой находится пилотируемый корабль, и уводят ее в сторону от места аварии. После чего осуществляется парашютный спуск. В случае же если полет проходит нормально, после достижения безопасной высоты система аварийного спасения отделяется от ракеты-носителя. На больших высотах роль САС не так важна. Здесь экипаж уже может спастись благодаря отделению спускаемого аппарата космического корабля от ракеты.

РН «Союз» с САС в верхней части ракеты