Как летают ракеты
Ракета движется благодаря тому, что выбрасывает вещество в противоположную сторону. Этот принцип работает и в воздухе, и в пустоте, поэтому ракеты могут доставлять аппараты на орбиту и отправлять их к другим небесным телам.
1Откуда берётся тяга
Над стартовой площадкой появляется яркое пламя, и огромная машина медленно отрывается от земли. Со стороны кажется, будто огненная струя упирается в поверхность и подталкивает ракету вверх. Но вскоре поверхность остаётся далеко внизу, а двигатель продолжает работать. Значит, причина движения другая.
Представьте человека на тележке, который бросает тяжёлый мяч вперёд. Тележка откатывается назад: человек передал мячу движение в одну сторону, а сам получил движение в другую. У ракеты вместо отдельных мячей из двигателя непрерывно вылетают газы. Их поток создаёт тягу, направленную противоположно выбросу.
Это проявление закона сохранения импульса. Ракете не нужна опора в виде дороги, воды или окружающего воздуха. Поэтому она способна разгоняться в космическом вакууме. При этом сила тяжести никуда не исчезает: во время подъёма двигателю приходится преодолевать её действие и сопротивление атмосферы.
2Что происходит в двигателе
В химическом ракетном двигателе энергия выделяется при взаимодействии топлива и окислителя. Окислитель нужен для реакции, которая в обычном костре идёт с участием кислорода воздуха. Ракета несёт оба компонента с собой, поэтому работа двигателя не зависит от наличия атмосферы.
В камере сгорания образуются горячие газы под высоким давлением. Они выходят через сопло — канал особой формы, который помогает превратить их энергию в быстрый направленный поток. Чем эффективнее двигатель выбрасывает вещество, тем больше движения может получить ракета при данном запасе топлива.
Двигатели бывают разными. В жидкостных компоненты поступают в камеру из баков. В твердотопливных топливо и окислитель заранее находятся в составе твёрдого заряда. У некоторых космических аппаратов есть электрические двигатели: они ускоряют частицы вещества с помощью электрических полей и создают небольшую, но длительную тягу.
Таблица: Двигатели и их особенности
| Вид двигателя | Как создаётся поток | Характерная особенность |
|---|---|---|
| Жидкостный химический | При реакции компонентов из баков | Работа требует системы подачи |
| Твердотопливный | При горении твёрдого заряда | Запас рабочего вещества находится в корпусе двигателя |
| Электрический | При электрическом ускорении частиц | Небольшая тяга может действовать долго |
3Зачем ракете ступени
У стартующей ракеты большая часть массы приходится на топливо, окислитель и конструкции, необходимые для их хранения. Полезная нагрузка — спутник, исследовательский аппарат или корабль — составляет лишь часть общей массы. По мере работы двигателя запасы расходуются, но пустые баки сами по себе не становятся невесомыми.
Если продолжать везти эти баки, потребуется тратить энергию на разгон уже ненужных деталей. Поэтому многие ракеты разделены на ступени. Когда одна из них заканчивает работу, её отделяют, а следующая продолжает полёт с меньшей общей массой.
Ступени могут располагаться одна над другой. Иногда дополнительные блоки крепят по бокам и сбрасывают раньше центральной части. Конкретная схема зависит от задачи: тяжёлый спутник, лёгкий аппарат и корабль для дальнего полёта требуют разных возможностей.
Отделение ступеней — заранее рассчитанная часть полёта. Нужно выбрать момент, обеспечить безопасное расхождение частей и вовремя включить следующий двигатель. Некоторые ступени проектируют для возвращения и повторного использования. Другие рассчитаны на единственный запуск.
4Почему мало подняться вверх
Космос начинается высоко над поверхностью, но достижение большой высоты ещё не означает выход на орбиту. Если аппарат поднять вверх и оставить без достаточной скорости, он начнёт падать обратно. Для движения вокруг Земли нужна прежде всего скорость вдоль её поверхности.
Орбиту можно представить как непрерывное падение мимо планеты. Земная поверхность закругляется, и при подходящей скорости аппарат всё время падает, но не встречается с ней. Это не означает отсутствия притяжения: именно оно удерживает аппарат на его траектории.
Поэтому ракета после начального подъёма постепенно наклоняет направление полёта. Двигатели увеличивают не только высоту, но и скорость в нужную сторону. В конце разгона аппарат должен оказаться в определённом месте с определённой скоростью. Просто добраться до той же высоты недостаточно.
5Как управляют полётом
Ракета должна выдерживать курс, хотя её масса постоянно меняется, а условия снаружи становятся другими. Сначала на неё заметно действует воздух, затем его влияние ослабевает. Для управления используют датчики, вычислительные системы и устройства, которые меняют направление тяги или создают дополнительные усилия.
Например, двигатель может немного отклоняться относительно корпуса. Тогда его тяга не только разгоняет ракету, но и поворачивает её. После выхода из плотной атмосферы аэродинамические поверхности теряют эффективность, зато небольшие управляющие двигатели продолжают работать.
На траекторию влияют цель запуска, масса аппарата и место старта. Вращение Земли может помогать разгону, но эту помощь нельзя использовать одинаково для любых орбит. Полёт рассчитывают как последовательность участков, у каждого из которых есть своя задача.
Спутник обычно защищён обтекателем, пока проходит через плотные слои воздуха. Когда защита больше не нужна, обтекатель отделяют. В нужной точке полезная нагрузка освобождается от ракеты и начинает самостоятельную работу.
6Что происходит после запуска
Для ракеты и космического аппарата полёт часто заканчивается по-разному. Ракета доставляет груз на заданную траекторию, а аппарат затем может работать годами. Его небольшие двигатели корректируют орбиту, меняют ориентацию или направляют его к другой цели.
Кораблю, который должен вернуться на Землю, необходимо уменьшить орбитальную скорость. После этого его траектория проходит через атмосферу. Воздух тормозит спускаемый аппарат и сильно нагревает окружающий поток, поэтому возвращение требует специальной теплозащиты.
Главная трудность космического полёта состоит в сочетании многих условий. Нужны достаточная тяга, запас энергии, точное управление и конструкции, которые выдержат нагрузки. Реактивное движение объясняется простым принципом, но надёжная ракета превращает этот принцип в сложную согласованную работу множества систем.