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.

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?

Лёгкая двухступенчатая ракета-носитель (РН) «Космос-3М» (11К65М) служит для выведения автоматических космических аппаратов (КА) легкого и среднего класса различного назначения на круговые и эллиптические орбиты.

Видео Космос-3М

На обеих ее ступенях установлены маршевые жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) открытого цикла с турбонасосной подачей долгохранимого самовоспламеняющегося топлива (окислитель – 27% раствор тетроксида азота в азотной кислоте (АК-27И), горючее – несимметричный диметилгидразин (НДМГ)). Система управления – инерциальная. Управление на участке работы первой ступени РН осуществляется с помощью четырёх графитовых газовых рулей (устанавливаются незадолго перед стартом ракеты), на участке работы второй ступени – с помощью четырёх качающихся сопел, работающих на отработанном на турбине («мятом») генераторном газе.

КА устанавливаются под головным обтекателем (ГО), на ферменном переходнике в зоне размещения полезного груза (ПГ). ГО сбрасывается на участке работы второй ступени на высоте 75 км.

Разделение ступеней – холодное, с использованием тормозных твердотопливных двигателей на межбаковом отсеке первой ступени.
Выведение КА на орбиту функционирования – по схеме с двухкратным включением ДУ второй ступени: после первого включения полёт происходит по переходной траектории, в расчётной точке которой вторым включением обеспечивается дополнительное приращение скорости, необходимое для выхода аппарата на заданную орбиту.

Параметры траектории определяются за счет выбора продолжительности работы и интервалов между включениями ДУ второй ступени. Стабилизация ступени на участке полёта по переходной траектории – с помощью четырёх ЖРД малой тяги (по 25 Н каждый), имеющих автономные баки с вытеснительной системой подачи топлива.

«Космос-3М» (Впервые наименование «Космос-3М» было заявлено в СМИ 26 апреля 1994 г.) использовался для выведения на орбиту спутников серии «Надежда» международной системы спасения «КОСПАС-САРСАТ», геодезических, навигационно-связных и других КА военного назначения, индийских спутников Aryabhata, Bhaskara и Bhaskara 2, французского КА Signe-3, шведских Astrid и Astrid 2, американских FAISat и FAISat-2V, мексиканского Unamsat-2, итальянских MegSat 0 и MITA, германских Tubsat B, Abrixas и CHAMP, британского SNAP-1, китайского Tsing Hua 1.

С помощью ракеты "Космос-3М" проводились астрофизические, технологические и другие эксперименты в интересах Академии наук СССР, международной организации «Интеркосмос», отраслевых научно-исследовательских организаций, в т.ч. с возвращением ПГ на Землю (см. табл. 2). Примерно половина всех проведенных пусков ракеты приходится на суборбитальные полёты с полигона Капустин Яр для выполнения экспериментов на гиперзвуковых скоростях.

В 1995 г. ракета "Космос-3М" участвовала в международном конкурсе на легкий носитель Med-Lite для NASA. По оценке американских специалистов, которые провели сравнительный анализ 18 типов ракет легкого класса, созданных в разных странах, «Космос-3М» был признан одним из самых совершенных.

Маркетинг носителя на западном рынке ведут совместное предприятие Cosmos International GmbH (при участии германской фирмы OHB-Systems) и российское предприятие «Пусковые услуги».

Производство носителя осуществляется (в низком темпе) в ПО «Полет» (г.Омск). В настоящее время конструкторы предприятия ведут разработку перспективного варианта 11К65МУ «Космос-3МУ» («Взлет»), оснащенного новой системой управления.

Краткая история создания носителя «Космос-3М»

Эскизный проект носителя 65С3 для вывода КА «малой» и «средней» массы (от 100 до 1500 кг) на круговые (высотой от 200 км до 2000 км) и эллиптические орбиты был разработан к апрелю 1961 г. в ОКБ-586 (г.Днепропетровск) на базе одноступенчатой баллистической ракеты среднего радиуса действия Р-14 (8К65) и подкреплен Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР № 984-425 от 30 октября 1961 г. и Комиссией Президиума Совета Министров от 12 июля 1962 г. Поскольку эта работа несколько выпадала из главного направления деятельности предприятия (создание боевых баллистических ракет), генеральный конструктор днепропетровского ОКБ М.К.Янгель предложил передать ее в красноярское ОКБ-10 под руководством М.Ф.Решетнева.

В конце 1961 г. представители ОКБ-10 включились в работу. Решетневцы предложили оригинальное техническое решение, позволяющее запускать спутники на круговые орбиты путем введения «пунктирного» участка стабилизированного полёта. Для реализации идеи была принята двухимпульсная схема включения маршевого ЖРД второй ступени: первый импульс формирует эллиптическую траекторию, в апогее которой вторым включением аппарат переводится на круговую орбиту.

В ОКБ-456 А.М.Исаева создали трехрежимный двигатель 11Д49 (два включения на номинальной тяге и работа в дроссельном режиме), а решетневцы разработали систему малой тяги, обеспечившую стабилизированный полёт между двумя включениями маршевого ЖРД. Топливо для этой системы располагалось в двух специальных баках, подвешенных на внешней поверхности основного бака второй ступени.

Разработка ракетного комплекса велась в два этапа. На первом был создан носитель 11К65 «Космос-3». В мае 1964 г. две таких ракеты были вывезены на Байконур для пуска со стартовой площадки 41, имеющей недобрую славу: именно здесь в 1960 г. при катастрофе во время предстартовой подготовки ракеты Р-16 погибла большая группа специалистов и военных, включая маршала М.И.Неделина.

В августе началась предстартовая подготовка. В соответствии «с законами жанра», незаправленная ракета упала со стартового стола!
Приняли решение: пустую ракету до заправки крепить к башне обслуживания. За ночь, используя «производственные мощности» ремонтного поезда В.Н.Челомея, изготовили установку для крепления.
После заправки носителя на полигон пришла туча с ветром до 25 м/с (порывы до 27 м/с), что превышало тактико-технические требования. Судьба продолжала и далее испытывать создателей «Космоса-3»: произошли три сбоя электроники и местная потеря устойчивости хвостового отсека (на его обшивке появились «хлопуны»). Но с третьей попытки, 18 августа, ракета стартовала, выведя на орбиту три габаритно-весовых макета КА «Стрела» (спутники «Космос-38»…-40) с передатчиками системы «Маяк», получавшими питание от батареек для карманного фонаря.

3 сентября 1965 г. ТАСС сообщил о выведении пяти новых «Космосов» (№80–84) на круговую орбиту высотой 1500 км.

Дальнейшая судьба 11К65М сложилась так: первые 14 носителей были изготовлены на опытном производстве ОКБ-10 с участием «Красмашзавода». В 1966 г. их изготовление было полностью передано на «Красмашзавод», а с 1970 г. – в ПО «Полёт».
Постановлением ЦК КПСС и Совмина СССР №949-321 от 30 декабря 1971 г. ракета-носитель 11К65М была принята на вооружение в составе космического комплекса специального назначения.

В 1972 г. разработка 11К65М была отмечена Государственной премией СССР в области науки и техники.

Для замены РН «Космос-3М» в 1980-х годах ОКБ «Южное» (Днепропетровск) и ПО «Полет» (Омск) выпущен проект легкой экологически чистой ракеты 11К55 на базе технологических решений, разработанных в ходе программы «Энергия–Буран», но разработка сначала затормозилась, а потом и полностью прекратилась, осложненная процессами, происходящими в последние годы существования СССР.

Тактико-технические характеристики Космос-3М

Количество ступеней........................2
Длина........................32,4 м
Диаметр........................2,4 м
Стартовая масса........................109000 кг
История запусков
Состояние........................снята с эксплуатации
Места запуска........................Плесецк, Капустин Яр
Число запусков........................440
- успешных........................420
- неудачных........................20
Первый запуск........................15 мая 1967

Первая ступень - Р-14У

Маршевый двигатель........................РД-216 (11Д614)
Тяга........................1485,6 кН на уровне моря
Удельный импульс........................291 с на уровне моря
Время работы........................130 с

Вторая ступень

Маршевый двигатель........................11Д49
Тяга........................157,3 кН
Удельный импульс........................303 с
Время работы........................350 с
Горючее........................НДМГ
Окислитель........................АК-27И

Фото Космос-3М

Ракета - летательный аппарат, двигающийся в пространстве за счёт действия реактивной тяги, возникающей при отбросе ракетой части собственной массы (рабочего; тела). Полёт ракеты не требует обязательного наличия окружающей воздушной или газовой среды и возможен не только в атмосфере, но и в вакууме. Словом обозначают широкий спектр летающих устройств от праздничной петарды до космической ракеты-носителя .

Обычно научные ракеты оснащают приборами для измерения атмосферного давления, магнитного поля, космического излучения и состава воздуха, а также оборудованием для передачи результатов измерения по радио на землю. Существуют модели ракет, где приборы с полученными в ходе подъёма данными опускаются на землю с помощью парашютов.

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, 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-го использовались ракеты М-100Б. За пределами России применялись ракеты «Аэроби», «Black Brant», «Skylark».

Космонавтика

Создателем космонавтики , как науки, считается Герман Оберт впервые доказавший физическую возможность человеческого организма выносить возникающие при запуске ракеты перегрузки, а также состояние невесомости. Высокая скорость истечения продуктов сгорания топлива (часто большая, чем М10), позволяет использовать ракеты в областях, где требуются сверхбольшие скорости движения, например, для вывода космических аппаратов на орбиту Земли (см. Первая космическая скорость). Максимальная скорость, которая может быть достигнута при помощи ракеты , рассчитывается по формуле Циолковского, описывающей приращение скорости, как произведение скорости истечения на натуральный логарифм отношения начальной и конечной массы аппарата.

Ракета является единственным транспортным средством способным вывести космический аппарат в космос. Альтернативные способы поднимать космические аппараты на орбиту, такие как «космический лифт», пока что находятся на стадии проектирования.

В космосе наиболее ярко проявляется основная особенность ракеты - отсутствие потребности в окружающей среде или внешних силах для своего перемещения. Эта особенность, однако, требует того, чтобы все компоненты, необходимые для создания реактивной силы находились на борту самой ракеты . Так для ракет , использующих в качестве топлива такие плотные компоненты, как жидкий кислород и керосин отношение веса топлива к весу конструкции достигает 20/1. Для ракет, работающих на кислороде и водороде, это соотношение меньше - около 10/1. Массовые характеристики ракеты очень сильно зависят от типа используемого ракетного двигателя и закладываемых пределов надёжности конструкции.

За счёт уменьшения общего веса конструкции и выгорания топлива ускорение составной ракеты с течением времени увеличивается. Оно может немного снижаться лишь в момент сбрасывания отработавших ступеней и начала работы двигателей следующей ступени. Подобные многоступенчатые ракеты, предназначенные для запуска космических аппаратов, называют ракеты-носители.

Используемые для нужд космонавтики ракеты называются ракетами-носителями, так как они несут на себе полезную нагрузку. Чаще всего в качестве ракет-носителей используются многоступенчатые баллистические ракеты . Старт ракеты-носителя происходит с Земли, или, в случае долгого полёта, с орбиты искусственного спутника Земли.

В настоящее время космическими агентствами разных стран используются ракеты-носители Атлас V, Ариан 5, Протон, Дельта-4, Союз-2 и многие другие.

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:
1. Тяга двигателя
2. Притяжение небесного тела
3. При движении в атмосфере - лобовое сопротивление.
4. Подъёмная сила. Обычно мала, но значительна для ракетопланов.

Литература

1. Ракета // Космонавтика: Маленькая энциклопедия; Главный редактор В. П. Глушко. 2-е издание, дополнительное - Москва: «Советская энциклопедия», 1970 - C. 372
2. Википедия

Закрытие ИП