Как взлетает ракета ступени

Как взлетает ракета: космонавтика простыми словами

Космос – это таинственное и максимально неблагоприятное пространство. Тем не менее Циолковский считал, что будущее человечества заключается именно в космосе. Нет никаких оснований спорить с этим великим ученым. Космос – это безграничные перспективы для развития всей человеческой цивилизации и расширения жизненного пространства. Кроме того, он скрывает в себе ответы на многие вопросы. Сегодня человек активно использует космическое пространство. И от того, как взлетают ракеты, зависит наше будущее. Не менее важно и понимание людьми этого процесса.

Космическая гонка

Не так давно две могучие сверхдержавы находились в состоянии холодной войны. Это было похоже на бесконечное состязание. Многие этот промежуток времени предпочитают описывать как обычную гонку вооружений, но это совершенно не так. Это гонка науки. Именно ей мы обязаны многими гаджетами и благами цивилизации, к которым так привыкли.

Космическая гонка была лишь одним из важнейших элементов холодной войны. Всего за несколько десятилетий человек перешел от обычных атмосферных полетов к высадке на Луне. Это невероятный прогресс, если сравнивать с другими достижениями. В то прекрасное время люди думали, что освоение Марса — это куда более близкая и реальная задача, чем примирение СССР и США. Именно тогда люди были максимально увлечены космосом. Практически каждый студент или школьник понимал, как взлетает ракета. Это не было сложным знанием, наоборот. Такая информация была простой и очень интересной. Астрономия приобрела чрезвычайную важность среди других наук. В те годы никто и сказать не мог, что Земля плоская. Доступное образование повсеместно ликвидировало невежество. Однако те времена давно прошли, и сегодня все совсем не так.

Декаданс

С распадом СССР закончилась и конкуренция. Пропал повод для сверхфинансирования космических программ. Многие перспективные и прорывные проекты так и не были реализованы. Время стремления к звездам сменилось настоящим декадансом. Что, как известно, обозначает упадок, регресс и определенную степень деградации. Для того чтобы понять это, не нужно быть гением. Достаточно обратить внимание на медиасети. Секта плоской земли активно ведет свою пропаганду. Люди не знают элементарных вещей. В Российской Федерации астрономия и вовсе не преподается в школах. Если подойти к прохожему и поинтересоваться, как взлетают ракеты, он не ответит на этот простой вопрос.

Люди даже не знают о том, по какой траектории ракеты летают. В таких условиях нет и смысла спрашивать про орбитальную механику. Отсутствие должного образования, «Голливуд» и видеоигры – все это создало ложное представление о космосе как таковом и о полетах к звездам.

Это не вертикальный полет

Земля не плоская, и это неоспоримый факт. Земля даже не шар, ведь она немного сплюснута по полюсам. Как взлетают ракеты в таких условиях? Поэтапно, в несколько стадий и не вертикально.

Самое большое заблуждение нашего времени состоит в том, что ракеты взлетают вертикально. Это совсем не так. Такая схема выхода на орбиту возможна, но очень неэффективна. Ракетное топливо заканчивается очень быстро. Иногда – менее чем за 10 минут. Для такого взлета попросту не хватит топлива. Современные ракеты взлетают вертикально только на начальном этапе полета. Затем автоматика начинает давать ракете небольшой крен. Причем чем выше высота полета, тем заметнее угол крена космической ракеты. Так, апогей и перигей орбиты формируются сбалансированно. Таким образом достигается максимально комфортное соотношение между эффективностью и расходом топлива. Орбита получается близкой к идеальному кругу. Идеальной же она не будет никогда.

Если ракета взлетает вертикально вверх, получится невероятно огромный апогей. Топливо закончится раньше, чем появится перигей. Иными словами, ракета не только не вылетит на орбиту, но и из-за нехватки топлива полетит по параболе обратно на планету.

В основе всего — двигатель

Любое тело не способно двигаться само по себе. Должно быть что-то, что заставляет его это делать. В данном случае это ракетный двигатель. Ракета, взлетая в космос, не теряет своей способности двигаться. Для многих это непонятно, ведь в вакууме реакция горения невозможна. Ответ максимально прост: принцип работы ракетного двигателя немного иной.

Итак, ракета летит в безвоздушном пространстве. В ее баках находится два компонента. Это топливо и окислитель. Их смешивание обеспечивает воспламенение смеси. Однако из сопел вырывается не огонь, а раскаленный газ. В этом случае нет никаких противоречий. Такая установка прекрасно работает в вакууме.

Ракетные двигатели бывают нескольких типов. Это жидкостные, твердотопливные, ионные, электрореактивные и ядерные. Первые два вида применяются чаще всего, так как способны давать наибольшую тягу. Жидкостные применяются в космических ракетах, твердотопливные – в межконтинентальных баллистических с ядерным зарядом. Электрореактивные и атомные предназначены для максимально эффективного передвижения в вакууме, и именно на них возлагают максимум надежд. В настоящее время вне тестовых стендов они не применяются.

Однако недавно Роскосмос разместил заказ на разработку орбитального буксира с ядерным двигателем. Это дает повод надеяться на развитие технологии.

Особняком держится узкая группа двигателей орбитального маневрирования. Они предназначены для управления космическим аппаратом. Однако используются не в ракетах, а в космических кораблях. Их недостаточно для полетов, но хватает для маневрирования.

Скорость

К сожалению, в наше время люди приравнивают космические полеты к базовым единицам измерения. С какой скоростью взлетает ракета? Это вопрос не совсем корректен по отношению к космическим ракетам-носителям. Совершенно неважно, с какой скоростью они взлетают.

Ракет существует довольно-таки много, и все из них имеют разную скорость. Те, что предназначены для вывода космонавтов на орбиту, летят медленнее грузовых. Человек, в отличие от груза, ограничен перегрузками. Грузовые же ракеты, например сверхтяжелая Falcon Heavy, взлетает слишком быстро.

Точные единицы скорости посчитать трудно. Прежде всего потому, что они зависят от полезной нагрузки РН (ракеты-носителя). Вполне логично, что РН с полной загрузкой взлетает гораздо медленнее полупустой РН. Однако есть общая величина, которую все ракеты стремятся достигнуть. Это называется космической скоростью.

Существует первая, вторая и, соответственно, третья космическая скорости.

Первая — необходимая скорость, которая позволит двигаться по орбите и не падать на планету. Она составляет 7,9 км в секунду.

Вторая нужна для того, чтобы покинуть земную орбиту и отправиться к орбите другого небесного тела.

Третья же позволит аппарату преодолеть притяжение Солнечной системы и покинуть ее. В настоящее время с такой скоростью летят аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Однако вопреки словам СМИ, они все еще не покинули границы Солнечной системы. С астрономической точки зрения им потребуется не менее 30 000 лет, чтобы достигнуть облака Орта. Гелиопауза же не является границей звездной системы. Это лишь место, в котором солнечный ветер сталкивается с межсистемной средой.

Высота

На какую высоту взлетает ракета? На ту, которая требуется. После достижения гипотетической границы космоса и атмосферы измерять расстояние между кораблем и поверхностью планеты некорректно. После выхода на орбиту корабль находится в другой среде, и дистанция измеряется в величинах расстояния.

Источник

Что происходит в дальнейшем с отсоединёнными ступенями ракет после того, как они упадут на землю?

Вначале следует разделить ступени на две группы: первые ступени (самые большие, основная часть топлива в которых уходит на преодоление земной гравитации и сопротивления атмосферы) обычно частично сгорают, летя обратно к Земле; вторые и последующие ступени ракет обычно уже работают на создание нужной обриты, то есть при отделении они остаются на промежуточных орбитах.

Ракета-носитель от старта и до отделения спутника, пилотируемого корабля или другой полезной нагрузки, подвергаются воздействию множества факторов, соответственно и отделившиеся ступени подвергаются этим факторам. Если рассмотреть первую ступень ракеты, которая состоит из баков с окислителем и горючим (не будем рассматривать твердотопливные), жидкостными ракетными двигателями, малыми двигателями системы управления и/или аэродинамическими органами управлениями, системой поддержания нужного давления в баках и прочими системами, то при отделении от носителя она ещё продолжает своё движение по баллистической траектории (это даёт возможность, имея ввиду аэродинамические эволюции, просчитать место падения). Когда ступень начала падать, она начинает ускоряться и при достижении достаточно плотных слоёв атмосферы, начинает нагреваться и разрушаться. До какого-то момента она под действием гравитации планеты ещё продолжает набирать скорость, но, войдя в тропосферу и даже раньше, тормозиться (то, что от неё осталось) до дозвуковой скорости. И падает. Эти остатки находят и утилизируют. Даже, если в качестве топлива и окислителя использовались несимметричный диметилгидразин и тетраоксид диазота (очень токсичные вещества), то при сгорании они друг друга дезактивируют, а всё что остаётся в баках догорает в атмосфере.

Вторые и последующие ступени остаются на своих орбитах. Если орбита достаточно низкая (меньше 300 километров), то они постепенно тормозятся и практически полностью сгорают в атмосфере Земли.

Источник

Почему ракеты взлетают

Любовь Карась

Один из популярных детских вопросов «Почему ракеты летают?» для многих остается без ответа. Изучение космонавтики требует глубоких знаний по физике, ракетостроению, астрономии и в других отраслях. Т&Р объясняют, как происходит одно из самых завораживающих научных событий, и рассказывают, благодаря чему ракеты сохраняют скорость, не переворачиваются и преодолевают силу притяжения.

Как устроен реактивный двигатель

Русский революционер и изобретатель Николай Кибальчич создал первый в мире проект аппарата с реактивным двигателем. Однако ученый был казнен. В начале XX века эту идею стал развивать К.Э. Циолковский. Ученый разработал саму схему реактивного двигателя, который работал на жидком топливе.

Ракета способна обеспечивать собственное движение в пустоте за счет реактивной силы. То есть она самостоятельно толкает себя, подобно осьминогу или кальмару. Процесс воспламенения смеси в двигателе является непрерывным — это пример простого твердотопливного двигателя. Еще один тип ракетного двигателя — жидкостный . В нем используется жидкий кислород или азотная кислота, при окислении этого вещества увеличивается удельный импульс — показатель эффективности реактивного двигателя или ракетного топлива.

Несмотря на всю сложность конструкции современных космических кораблей, ракета — один из самых простых летательных аппаратов. В основе ее устройства лежит принцип, согласно которому всякое действие рождает противодействие. Ракета летит, выбрасывая определенное вещество из своей хвостовой части. Несмотря на всю эту простоту, ракеты разрабатывались и совершенствовались в течение более чем семисот лет.

Луис Блумфилд. «Как все работает. Законы физики в нашей жизни»

Луис Блумфилд в своей книге «Как все работает. Законы физики в нашей жизни» приводит в пример движение по скользкому льду. Единственный способ сдвинуться — получить какой-то толчок от самого себя . Необходимо бросить кроссовок, и вы начнете двигаться в противоположную сторону. Вы передали импульс брошенной обуви, и она обратно передала его вам. «Величина импульса кроссовка равна величине вашего противоположно направленного импульса. Естественно, ваша масса намного больше массы кроссовка, поэтому вы двигаетесь гораздо медленнее, чем он», — объясняет Блумфилд.

Движение ракеты предполагает действие двух равных и противоположно направленных сил

Аналогично этому работает реактивный двигатель. Топливо и окислитель попадают в рабочую камеру, смешиваются, сгорают в зоне горения, выделяя огромное количество тепла, которого достаточно для движения.

Траектория полета

Многие убеждены, что ракеты взлетают вертикально, однако это не так. Ракетное топливо может закончиться через 10 минут, а при вертикальном взлете этого времени просто не хватит для выхода на орбиту.

Современные ракеты взлетают вертикально на самом первом этапе, а далее меняют траекторию и двигаются под углом по отношению к Земле. Чем выше высота полета, тем заметнее угол. Ракета совершает гравитационный разворот — маневр, при котором направление тяги совпадает или противоположно направлению движения, изменяющемуся под действием силы тяжести. Этот маневр используется в момент выведения на орбиту или при посадке с нее.

Ускорение ракеты, взлетающей под углом к горизонту: g — ускорение свободного падения, ae — вклад двигателя в ускорение, a — итоговое ускорение ракеты

Как обеспечивается устойчивость ракеты

«Ракета сохраняет динамическую устойчивость, если суммарный момент приложенных к ней сил относительно центра масс равен нулю при ориентации носом вперед», — объясняет Луис Блумфилд. Иными словами, для того чтобы ракета постоянно двигалась носом вперед и не переворачивалась, двигатель должен создавать силу тяги, которая направлена к центру масс. Второе условие устойчивости — действие аэродинамических сил. Воздушный поток обволакивает ракету и помогает лететь, если сопротивление воздуха у хвостовой части больше, чем спереди. Для устойчивого полета модели ракеты необходимо, чтобы центр тяжести модели ракеты был впереди ее центра давления .

Действие трех скоростей

Нет однозначного ответа на вопрос, с какой скоростью летит ракета. Все зависит от ее типа, загрузки и так далее. Однако все летальные аппараты стараются достигнуть космической скорости — первой (7,9 км/с), второй (11,2 км/с) и, соответственно, третьей (46,9 км/с). Первая позволяет «не упасть» и выйти на орбиту, вторая — выйти из орбиты Земли, третья — преодолеть притяжение. Чем дальше объект, с которого стартует ракета, находится от звезды, тем меньше третья космическая скорость . Например, американский космический зонд «Вояджер-1» движется со скоростью 17 км/с.

Существует и четвертая космическая скорость . Она необходима для того, чтобы объект мог преодолеть притяжение Галактики и выйти в межгалактическое пространство. Например, около Солнца четвертая космическая составляет 550 км/с .

Источник