Как устроена ракета

Ракета устроена как летающий набор баков с топливом, двигателя и груза наверху: топливо и окислитель сгорают в камере сгорания, раскалённые газы с огромной скоростью вырываются наружу через сопло, а сама ракета получает толчок в противоположную сторону, точно так же как отдача толкает назад того, кто выстрелил из ружья. Этот толчок называют реактивной тягой, и именно она, а не крылья или воздушный винт, поднимает ракету и разгоняет её до скорости, достаточной, чтобы выйти за пределы атмосферы.

Реактивный принцип: почему ракета летит даже в пустоте

Самолёт, устройство которого разобрано в статье «Почему самолёты летают», нуждается в воздухе: крыло создаёт подъёмную силу, отталкиваясь от набегающего потока воздуха, а винт или турбина засасывают воздух спереди и выбрасывают его назад, отталкиваясь от той же атмосферы. У ракеты принцип совершенно другой: она отталкивается не от воздуха вокруг, а от собственного вырывающегося газа. Двигатель выбрасывает назад раскалённую струю продуктов сгорания с огромной скоростью, и по третьему закону механики, гласящему, что действие равно противодействию, ракета получает точно такой же по величине толчок вперёд.

Именно поэтому ракета одинаково успешно разгоняется и в плотных слоях атмосферы у поверхности Земли, и в пустоте открытого космоса, где никакого воздуха, от которого можно было бы оттолкнуться, попросту нет. Самолёт в вакууме беспомощен: винту не за что зацепиться, а крылу не на чем создавать подъёмную силу, тогда как ракетный двигатель в тех же условиях работает даже эффективнее, потому что вырывающимся газам больше не приходится преодолевать сопротивление окружающего воздуха на выходе из сопла.

Из чего состоит ракета-носитель

Если смотреть на типичную ракету-носитель сверху вниз, устройство читается почти как разрез: на самой вершине находится головной обтекатель, защищающий груз, ниже, в основном корпусе, расположены баки с топливом и окислителем, а в хвостовой части, ближе к земле, стоят двигатели с соплами. Между баками и двигателями проходят трубопроводы, по которым топливо и окислитель подаются в камеру сгорания, а снаружи корпус ракеты обшит лёгкой, но прочной обшивкой, которая держит форму и выдерживает аэродинамические нагрузки на разгоне через атмосферу.

Отдельно от силовой части идёт система управления: бортовой компьютер, гироскопы и датчики ускорения, которые постоянно отслеживают положение ракеты в пространстве и передают команды на органы управления двигателем. Современная ракета почти никогда не состоит из одного цельного корпуса от начала до конца: обычно это несколько ступеней, соединённых друг с другом и разделяющихся по очереди в полёте, о чём отдельно стоит рассказать дальше.

Двигатель и камера сгорания: как рождается тяга

Сердце ракетного двигателя, камера сгорания, устроена просто по идее и сложна по исполнению: туда под большим давлением подают топливо и окислитель, они смешиваются и сгорают, создавая колоссальное количество раскалённого газа при огромной температуре и давлении. Из камеры сгорания этот газ должен как можно быстрее покинуть двигатель, и для этого служит сопло особой формы, которое сначала сужается, а затем снова расширяется, поэтому такую форму называют соплом Лаваля.

Сужение разгоняет поток газа до скорости звука, а последующее расширение позволяет газу расшириться и разогнаться дальше, уже до сверхзвуковой скорости, прежде чем он покинет сопло. Чем выше скорость вырывающихся газов относительно ракеты, тем сильнее отдача и тем эффективнее двигатель расходует топливо на каждую единицу тяги. Форма и длина сопла подбираются под условия работы: двигатель первой ступени, который трудится в плотной атмосфере у земли, и двигатель верхней ступени, работающий уже в разреженном воздухе или в вакууме, устроены немного по-разному именно из-за разницы в давлении снаружи сопла.

Топливо и окислитель: почему ракете нужен собственный запас кислорода

Обычному двигателю внутреннего сгорания в автомобиле кислород для горения топлива поставляет окружающий воздух, засасываемый через воздушный фильтр. Ракета в этом смысле полностью автономна: на больших высотах и тем более в космосе никакого воздуха рядом уже нет, поэтому ей приходится нести окислитель с собой, во втором отдельном баке рядом с топливом. У жидкостных двигателей это чаще всего жидкий кислород, охлаждённый до очень низкой температуры, чтобы оставаться в жидком состоянии в баке, а у твердотопливных двигателей окислитель уже замешан прямо в саму твёрдую топливную смесь, вместе со связующим веществом и горючим компонентом.

Необходимость возить с собой не только топливо, но и окислитель, объясняет, почему ракеты выглядят такими объёмными по сравнению с полезным грузом на верхушке: большая часть стартовой массы ракеты, это именно топливо с окислителем, а сам груз, будь то спутник или капсула с людьми, занимает относительно скромную долю от общего объёма и веса конструкции.

Жидкостные и твердотопливные двигатели

Жидкостные ракетные двигатели хранят топливо и окислитель раздельно в жидком виде и подают их в камеру сгорания насосами или под давлением из баллона с инертным газом. Главное преимущество такой схемы, управляемость: подачу компонентов можно менять на лету, регулируя силу тяги, а при необходимости двигатель можно вовсе остановить и, если конструкция это позволяет, запустить заново уже в полёте. Обратная сторона, это сложность: множество трубопроводов, клапанов, насосов и уплотнений, каждое из которых должно работать безотказно при экстремальных температурах и давлениях.

Твердотопливные двигатели устроены заметно проще: топливная смесь уже готова и залита прямо в корпус двигателя ещё на земле, а горит она послойно, от центрального канала наружу, начиная с момента поджига. Такой двигатель нельзя выключить и снова включить, а силу тяги в процессе горения регулировать почти невозможно, зато он надёжнее в хранении, проще по конструкции и способен развивать очень большую тягу в первые секунды полёта, поэтому его часто используют как боковые ускорители, помогающие ракете оторваться от земли, работая параллельно с более управляемым жидкостным двигателем основной ступени.

Многоступенчатость: зачем ракета сбрасывает часть себя в полёте

Одна из самых характерных черт устройства ракеты, деление на ступени, каждая из которых после выработки своего топлива отделяется и падает или сгорает в атмосфере, а полёт продолжает следующая ступень с уже облегчённой конструкцией. Причина в том, что пустой топливный бак и отработавший своё двигатель становятся чистым балластом: тащить их дальше означает тратить топливо оставшихся ступеней не на разгон полезного груза, а на разгон уже ненужного металла.

Отбрасывая отработавшую ступень, ракета резко уменьшает свою массу, и оставшемуся топливу приходится разгонять уже заметно более лёгкую конструкцию, что даёт огромный выигрыш в конечной скорости по сравнению с гипотетической одноступенчатой ракетой того же стартового веса. Именно поэтому почти все ракеты, способные вывести груз на орбиту, состоят минимум из двух ступеней, а часто и из большего числа, хотя каждое дополнительное разделение добавляет свою долю сложности и рисков в конструкцию.

Система управления: как ракета держит курс

Ракета на активном участке полёта неустойчива сама по себе: тяга приложена снизу, а основная масса конструкции находится выше точки приложения силы, и без постоянной коррекции ракета почти сразу начала бы кувыркаться, как палка, которую толкают за нижний конец. Чтобы этого не происходило, современные ракетные двигатели закрепляют на подвижном шарнирном узле, позволяющем слегка отклонять сопло в разные стороны: отклоняя направление реактивной струи, двигатель создаёт небольшой управляющий момент, который выправляет положение ракеты в пространстве, почти как весло, которым подруливают лодку.

Данные для этой постоянной коррекции поставляют гироскопы и акселерометры на борту, а бортовой компьютер десятки раз в секунду пересчитывает нужный угол отклонения двигателей и рассылает команды приводам. На верхних ступенях, где основной двигатель уже может быть выключен между манёврами, ориентацией занимаются отдельные небольшие двигатели ориентации, расположенные по бокам корпуса и способные короткими импульсами разворачивать ракету в нужную сторону без работы главного двигателя.

Головной обтекатель и полезная нагрузка

На вершине ракеты, под аэродинамическим обтекателем, скрывается то, ради чего вообще затевается запуск: спутник, научный аппарат или капсула с грузом. Обтекатель нужен именно на начальном участке полёта, в плотных слоях атмосферы, где скоростной напор воздуха и аэродинамический нагрев способны повредить незащищённый груз или сбить показания его чувствительных приборов. Как только ракета поднимается достаточно высоко и атмосфера становится настолько разреженной, что эти риски исчезают, половинки обтекателя отделяются и падают, а полезная нагрузка продолжает путь открытой, чтобы не нести лишний вес до самого конца полёта.

Именно ракеты выводят на орбиту спутники, в том числе те, что участвуют в спутниковой навигации: принцип работы такой системы разобран в статье «Как работает спутниковая навигация». Груз при этом не обязательно означает спутник связи или навигации: под тем же обтекателем ракета способна доставить на орбиту научный телескоп, модуль для орбитальной станции или капсулу с экипажем, а форма и внутреннее устройство обтекателя подбираются под конкретный груз для каждого запуска отдельно.

Почему ракета летит не строго вверх, а разворачивается по дуге

Со стороны может показаться, что для выхода в космос достаточно набрать высоту, но настоящая задача ракеты, выводящей груз на орбиту, гораздо сложнее: ей нужно не просто подняться над атмосферой, а разогнать груз до огромной горизонтальной скорости, при которой падение к Земле под действием притяжения происходит с той же скоростью, с какой сама поверхность Земли из-за кривизны уходит вниз. Тело, движущееся достаточно быстро в горизонтальном направлении, постоянно падает на планету, но никогда до неё не долетает, именно это движение по кругу вокруг Земли и называют орбитой.

Поэтому сразу после старта, набрав небольшую высоту, ракета начинает постепенно наклонять траекторию из вертикальной в почти горизонтальную, разгоняясь параллельно поверхности всё сильнее по мере набора высоты. Такой манёвр экономит топливо сразу по двум причинам: он позволяет пройти самые плотные слои атмосферы по короткому вертикальному участку, где сопротивление воздуха максимально, а основную часть разгона выполнять уже в разреженных слоях, где сопротивление почти не мешает, и одновременно направляет всё больше энергии двигателей именно в нужную, горизонтальную составляющую скорости, а не тратит её на бесполезный после определённой высоты набор дополнительных километров вверх.

Возвращение и многоразовость первой ступени

Долгое время каждая ступень ракеты, отработав своё, безвозвратно падала в океан или сгорала в атмосфере, и для следующего запуска приходилось строить всю конструкцию заново с нуля. Часть современных ракет устроена иначе: первая ступень после отделения не падает бесконтрольно, а совершает управляемый спуск и садится вертикально обратно на площадку или на плавающую платформу в море. Для этого на корпусе ступени устанавливают решётчатые рули, которые раскрываются после отделения и помогают управлять ориентацией на спуске через плотные слои атмосферы, а перед самым касанием земли двигатель включается повторно на короткое время, создавая тормозной импульс, который гасит скорость падения почти до нуля непосредственно у поверхности.

Возвращаемая ступень после посадки проходит осмотр и, если конструкция это позволяет, отправляется в повторный полёт уже с новым грузом наверху, а не разбирается на металлолом. Такой подход экономит основную часть стоимости запуска, ведь именно первая ступень с её мощными двигателями обычно и составляет наибольшую долю цены всей ракеты, тогда как верхние ступени меньше по размеру и чаще по-прежнему остаются одноразовыми даже в самых современных конструкциях.