АПУСК проведений за допомогою багатоступінчастої ракети », - ці слова вже багато разів читали ми в повідомленнях про запуск перших в світі штучних супутників Землі, про створення супутника Сонця, про запуск космічних ракет до Місяця. Всього одна коротка фраза, а скільки натхненної праці вчених, інженерів і робітників нашої Батьківщини ховається за цими шістьма словами!
Що ж являють собою сучасні багатоступінчасті ракети? Чому виникла необхідність застосовувати для космічних польотів ракети, що складаються з великої кількості ступенів? Який технічний ефект дає збільшення числа ступенів ракети?
Спробуємо коротко відповісти на ці питання. Для здійснення польотів в космос потрібні величезні запаси палива. Вони настільки великі, що їх неможливо помістити в баках одноступінчастої ракети. При сучасному рівні інженерної науки можна побудувати ракету, в якій на частку палива припадало б до 80- 90% її загальної ваги. А для польотів на інші планети потрібні запаси палива повинні в сотні і навіть в тисячі разів перевершувати власну вагу ракети і знаходиться в ній корисного вантажу. При тих запасах палива, які вдається помістити в баках одноступінчастої ракети, можна досягти швидкості польоту до 3-4 км / сек. Удосконалення ракетних двигунів, вишукування найвигідніших сортів палива, застосування більш якісних конструкційних матеріалів і подальше удосконалення конструкції ракет, безумовно, дозволять дещо збільшити швидкість одноступінчатих ракет. Але до космічних швидкостей все-таки буде ще дуже далеко.
Щоб досягти космічних швидкостей, К. Е. Ціолковський запропонував застосовувати багатоступінчасті ракети. Сам вчений образно назвав їх «ракетними поїздами». На думку Ціолковського ракетний поїзд, або, як ми говоримо зараз, багатоступенева ракета, повинен складатися з декількох ракет, укріплених одна на інший. Нижня ракета зазвичай є найбільшою. Вона несе на собі весь «поїзд». Наступні сходинки робляться все менших і менших розмірів.
При зльоті з поверхні Землі працюють двигуни нижньої ракети. Вони діють до тих пір, поки не витратять все паливо, що знаходиться в її баках. Коли баки першого ступеня виявляться порожніми, вона відокремлюється від верхніх ракет, щоб не обтяжувати мертвим вантажем їх подальший політ. Відокремилася перша щабель з порожніми баками деякий час за інерцією продовжує політ вгору, а потім падає на землю. Для збереження першого ступеня заради повторного використання можна забезпечити її спуск на парашуті.
Після відділення першого ступеня включаються в роботу двигуни другого ступеня. Вони починають діяти тоді, коли ракета вже піднялася на деяку висоту і має значну швидкість польоту. Двигуни другого ступеня розганяють ракету далі, збільшуючи її швидкість ще на кілька кілометрів в секунду. Після витрачення всього палива, що міститься в баках другого ступеня, скидається і вона. Подальший політ складовою ракети забезпечує робота двигунів третього ступеня. Потім скидається і третій ступінь. Черга підходить до двигунів четвертого ступеня. Виконавши покладену на них роботу, вони підвищують швидкість ракети ще на деяку величину, а потім поступаються місцем двигунів п'ятому ступені. Після скидання п'ятому ступені починають працювати двигуни шостий.
Розташовані по боках цього і наступних розворотів частини малюнка, що зображає космічну ракету, можуть скласти розбірну модель її. Для цього потрібно скласти сторінки вздовж, як показано на схемі.
Так, кожен ступінь ракети послідовно збільшує швидкість польоту, а остання, верхня ступінь досягає в безповітряному просторі необхідної космічної швидкості. Якщо ставиться завдання здійснити посадку на іншу планету і повернутися назад на Землю, то вилетіла в космос ракета, в свою чергу, повинна складатися з декількох ступенів, послідовно включаються при спуску на планету і при зльоті з неї.
Цікаво подивитися, який ефект дає застосування на ракетах великої кількості ступенів.
Візьмемо одноступенчатую ракету зі стартовим вагою 500 т. Припустимо, що ця вага розподіляється наступним чином: корисний вантаж - 1 т, суха вага ступені - 99,8 т і паливо - 399,2 т. Отже, конструктивну досконалість цієї ракети таке, що вага палива в 4 рази перевершує суху вагу ступені, тобто вага самої ракети без палива і корисного вантажу. Число Ціолковського, тобто відношення стартового ваги ракети до її вазі після витрачання всього палива, для даної ракети дорівнюватиме 4,96. Це число і величина швидкості витікання газу з сопла двигуна визначають швидкість, яку може досягти ракета. Спробуємо тепер замінити одноступенчатую ракету двоступеневої. Знову візьмемо корисний вантаж в 1 т і будемо вважати, що конструктивну досконалість ступенів і швидкість витікання газу залишаться такими ж, як і в одноступінчастої ракети. Тоді, як показують розрахунки, для досягнення такої ж швидкості польоту, як і в першому випадку, буде потрібно двоступенева ракета з повним вагою всього в 10,32 т, тобто майже в 50 разів легше, ніж одноступенева. Суха вага двоступеневої ракети складе 1,86 т, а вага палива, поміщеного в обох щаблях, - 7,46 т. Як бачимо, в розглянутому прикладі заміна одноступінчастої ракети двоступеневої дозволяє в 54 рази скоротити витрату металу і палива при здійсненні запуску однакового корисного вантажу .
Візьмемо для прикладу космічну ракету з корисним вантажем в 1 т. Нехай ця ракета повинна пробити щільні шари атмосфери і, вилетівши в безповітряний простір, розвинути другу космічну швидкість - 11,2 км / сек. На наших діаграмах показано зміна ваги такої космічної ракети в залежності від вагової частки палива в кожному ступені і від числа ступенів (див. Стор. 22).
Неважко підрахувати, що якщо побудувати ракету, двигуни якої відкидають гази зі швидкістю 2 400 м / сек і в кожної із ступенів на частку палива припадає лише 75% ваги, то навіть при влаштуванні шести ступенів злітна вага ракети виявиться дуже великим - майже 5,5 тис. т. Покращуючи конструктивну характеристику ступенів ракети, можна домогтися істотного зниження стартового ваги. Так, наприклад, якщо на частку палива припадає 90% ваги ступені, то шестиступінчаста ракета може важити 400 т.
Виключно великий ефект дає використання в ракетах висококалорійного палива і підвищення ефективності їх двигунів. Якщо цим шляхом збільшити швидкість витікання газу з сопла двигуна всього на 300 м / сек, довівши її до величини, зазначеної на графіку - 2 700 м / сек, то стартова вага ракети можна буде скоротити в кілька разів. Шестиступінчаста ракета, в якій вага палива лише в 3 рази перевищує вагу конструкції ступені, матиме стартова вага приблизно 1,5 тис. Т. А зменшивши вагу конструкції до 10% від повної ваги кожного ступеня, ми можемо знизити стартову вагу ракети з тим же числом ступенів до 200 т.
Якщо збільшити швидкість витікання газу ще на 300 м / сек, тобто прийняти її рівною 3 тис. М / сек, то відбудеться ще більше скорочення ваги. Наприклад, шестиступінчаста ракета при ваговій частці палива, що дорівнює 75%, буде мати стартовий вага 600 т. Підвищивши вагову частку палива до 90%, можна створити космічну ракету всього з двома ступенями. Вага її виявиться близько 850 т. Збільшивши в 2 рази число ступенів, можна скоротити вагу ракети до 140 т. А при шести ступенях злітна вага знизиться до 116 т.
Ось як впливає число ступенів, їх конструктивну досконалість і швидкість витікання газу на вагу ракети.
При польоті ракет на інші планети потреби витрачається палива не обмежується тією кількістю, яка необхідна для розгону при зльоті з Землі. Підлітаючи до іншої планети, космічний корабель потрапляє в сферу її тяжіння і починає наближатися до її поверхні з наростаючою швидкістю. Якщо планета позбавлена атмосфери, здатної погасити хоча б частину швидкості, то ракета при падінні на поверхню планети розвине таку ж швидкість, яка необхідна для відльоту з цієї планети, тобто другу космічну швидкість. Величина другої космічної швидкості, як відомо, різна для кожної планети. Наприклад, для Марса вона дорівнює 5,1 км / сек, для Венери - 10,4 км / сек, для Місяця - 2,4 км / сек. У тому випадку, коли ракета підлетить до сфери тяжіння планети, володіючи певною швидкістю щодо останньої, швидкість падіння ракети виявиться ще більшою. Наприклад, друга радянська космічна ракета досягла поверхні Місяця зі швидкістю 3,3 км / сек. Якщо ставиться завдання забезпечити плавну посадку ракети на поверхню Місяця, то на борту ракети треба мати додаткові запаси палива. Щоб погасити будь-яку швидкість, потрібно витратити стільки ж палива, скільки необхідно для того, щоб ракета розвинула таку ж швидкість. Отже, космічна ракета, призначена для безпечної доставки на місячну поверхню якого-небудь вантажу, повинна нести значні запаси палива. Одноступінчата ракета з корисним вантажем в 1 т повинна мати вагу 3-4,5 т в залежності від її конструктивного досконалості.
Раніше ми показали, який величезний вага повинні мати ракети, щоб забрати в космічний простір вантаж в 1 т. А тепер бачимо, що з цього вантажу тільки третя або навіть четверта частка може бути безпечно опущена на поверхню Місяця. Решта має припадати на паливо, баки для його зберігання, двигун і систему управління.
Який же в підсумку повинен бути стартова вага космічної ракети, призначеної для безпечної доставки на поверхню Місяця наукової апаратури чи іншого корисного вантажу вагою в 1 т?
Для того щоб дати уявлення про кораблях такого типу, на нашому малюнку умовно зображена в розрізі п'ятиступінчаста ракета, призначена для доставки на поверхню Місяця контейнера з науковою апаратурою вагою в 1 т. В основу розрахунку цієї ракети були покладені технічні дані, що наводяться у великій кількості книг (наприклад, в книгах В. Феодосьева і Г. Сінярева «Введення в ракетну техніку» і Саттона «Ракетні двигуни»).
Були взяті ракетні двигуни, що працюють на рідкому паливі. Для подачі палива в камери згоряння передбачені турбонасосного агрегати, які приводяться в дію продуктами розкладання перекису водню. Середня швидкість витікання газу для двигунів першого ступеня прийнята рівною 2 400 м / сек. Двигуни верхніх щаблів працюють в сильно розріджених шарах атмосфери і в безповітряному просторі, тому їх ефективність виявляється дещо більшою і для них швидкість витікання газу прийнята рівною 2 700 м / сек. Для конструктивних характеристик ступенів були прийняті такі значення, які зустрічаються в ракетах, описаних в технічній літературі.
При обраних вихідних даних вийшли наступні вагові характеристики космічної ракети: злітна вага-3 348 т, в тому числі 2 892 т - паливо, 455 т - конструкція і 1 т - корисний вантаж. Вага по окремим ступеням розподілився так: перший ступінь - 2 760 т, друга - 495 т, третя - 75,5 т, четверта - 13,78 т, п'ята - 2,72 т. Висота ракети досягла 60 м, діаметр нижнього ступеня - 10 м.
На першому місці поставлено 19 двигунів з тягою по 350 т кожен. На другий - 3 таких же двигуна, на третій - 3 двигуни з тягою по 60 т. На четвертій - один з тягою 35 т і на останньому щаблі - двигун з тягою 10 т.
При зльоті з поверхні Землі двигуни першого ступеня розганяють ракету до швидкості 2 км / сек. Після скидання порожнього корпусу першого ступеня включаються двигуни наступних трьох ступенів, і ракета набуває другу космічну швидкість.
Далі ракета по інерції летить до Місяця. Наблизившись до її поверхні, ракета повертається соплом вниз. Чи включається двигун п'ятому ступені. Він гасить швидкість падіння, і ракета плавно опускається на місячну поверхню.
Наведений рисунок і відносяться до нього розрахунки, звичайно, не є реального проекту місячної ракети. Вони наведені лише для того, щоб дати перше уявлення про масштаби космічних багатоступеневих ракет. Абсолютно ясно, що конструкція ракети, її розміри і вага залежать від рівня розвитку науки і техніки, від матеріалів, які мають конструктори, від застосовуваного палива та якості ракетних двигунів, від майстерності її будівельників. Створення космічних ракет представляє безмежні простори для творчості вчених, інженерів, технологів. У цій області ще належить зробити багато відкриттів і винаходів. І з кожним новим досягненням будуть змінюватися характеристики ракет.
Як сучасні повітряні кораблі типу «ІЛ-18», «ТУ-104», «ТУ-114» не схожі на аероплани, які літали на початку цього століття, так і космічні ракети будуть безперервно вдосконалюватися. Згодом для польотів в космос в ракетних двигунах буде використовуватися не тільки енергія хімічних реакцій, а й інші джерела енергії, наприклад енергія ядерних процесів. Зі зміною типів ракетних двигунів зміниться і конструкція самих ракет. Але чудовою ідеєю Ціолковського про створення «ракетних поїздів» завжди буде належати почесна роль в дослідженні безкраїх просторів космосу.