Всё о космических путешествиях за 60 минут

У меня есть своя жизненная позиция. Я здесь, чтобы выполнить работу, и я знаю, что у меня есть возможность сделать ее, и именно на этом я концентрируюсь.

Анни Изли, ученый NASA (2001)

Циолковский вывел свою формулу из работы сэра Исаака Ньютона, великого британского физика. Он сформулировал три емких закона, описывающих поведение движущегося объекта. В первом говорится, что объект будет поддерживать состояние покоя или равномерного движения, если на него не действует никакая сила. Второй гласит, что если на объект с массой т действует сила F, то он будет набирать скорость с ускорением а, так что F = та. Но больше всего Циолковского интересовал третий закон Ньютона. В нем утверждается, что сила действия равна по величине и противоположна по направлению силе противодействия. Сядьте на стул, и он окажет сопротивление, чтобы вы не упали на пол.

По этой причине винтовка бьет стрелка в плечо во время выстрела: одна сила толкает пулю вперед, тогда как равная и противоположная сила толкает оружие назад. Второй закон Ньютона объясняет, почему, несмотря на то что на пулю действует та же сила, она летит с большой скоростью, а гораздо более тяжелое оружие движется относительно медленно. Так же выхлопные газы из ракеты, имея малую массу, выходят из двигателя на очень высокой скорости, в результате чего ракета, обладая относительно большой массой, постепенно набирает скорость, двигаясь в противоположном направлении.

Поставь их друг на друга

Формула Циолковского гласит, что максимальная скорость, достигаемая ракетой, увеличивается вместе со скоростью ее выхлопных газов. Например, ракета, у которой 90 % ее стартовой массы приходится на топливо, может набрать Av, в 2,3 раза превышающую скорость выхлопных газов. Это означает, что если выхлопные газы движутся со скоростью 2500 м/с (или 9000 км/ч – такая скорость достигается некоторыми современными ракетами), то конечная скорость ракеты составит 5750 м/с – что эквивалентно 20 700 км/ч.

Кажется впечатляющим, и этого хватит, чтобы доставить вас выше линии Кармана. Однако такой скорости недостаточно, чтобы добраться до околоземной орбиты – не говоря уже о более дальних точках назначения. Согласно закону всемирного тяготения вращение вокруг Земли требует подъема на высоту не менее нескольких сотен километров над поверхностью планеты. С учетом гравитации для этого необходима скорость 7800 м/с (28 080 км/ч).

Если сверху большой ракеты установлена маленькая и если большая ракета отбрасывается, а малая запускается, то их скорости складываются.

Герман Оберт (1967)

Пытаясь придумать, как решить эту проблему, Циолковский задался вопросом: что, если полезная нагрузка ракеты – 10 % от стартовой массы – окажется другой, меньшей, ракетой? Когда первая ракета заканчивает гореть, она отбрасывается, и меньшая ракета, которая теперь движется со скоростью 5750 м/с (20 700 км/ч), запускает собственные двигатели. Когда и они исчерпывают свое топливо, набираются дополнительные 5750 м/с, так что конечная скорость вырастает до 11 500 м/с (41 400 км/ч). Добавление ступеней увеличивает ее еще больше. Эта идея известна как «многоступенчатость». Циолковский доказал, что многоступенчатая ракета способна доставить в космос больший груз, чем одноступенчатая, при одинаковой стартовой массе.

Недостатком такого подхода является то, что масса полезной нагрузки уменьшается. Ракета, состоящая из п ступеней, полезная нагрузка каждой из которых составляет 10 % от полной массы ступени, может иметь полезную нагрузку, равную 0,1" от общей массы ракеты. Для двухступенчатой ракеты это 0,01, для трехступенчатой – 0,001 и так далее. Это означает, что полезная нагрузка трехступенчатой ракеты с общей стартовой массой 50 000 кг составит всего 50 кг.

Таким образом, запуск достаточно массивного груза в космос требует действительно огромных многоступенчатых ракет. Многоступенчатость была использована NASA в лунной программе «Аполлон» в 1960-х годах. Запущенная в ее рамках трехступенчатая «Сатурн-5» по-прежнему остается самой большой из когда-либо существовавших ракет. Это настоящий гигант более 110 метров в высоту и весом 3000 тонн, из которых 2870 тонн – вес топлива и окислителя. У «Сатурна-5» ступени располагались одна на другой (такой вариант называется поперечным разделением), но у других, более поздних ракет ступени запускаются одновременно (это продольное разделение): примером такой конструкции являются два больших боковых стартовых двигателя на космическом шаттле.

Ракетостроение

Современные ракетные двигатели бывают нескольких основных типов. Самые простые, как и их ранние предшественники, работают на твердом топливе, похожем на порох. Боковые ускорители, расположенные по обеим сторонам шаттла, представляют собой твердотопливные ракеты, работающие на алюминиевом порошке, который сжигается при использовании окислителя, перхлората аммония. Они потенциально опасны – как римские свечи: после запуска их уже нельзя выключить или хотя бы скорректировать их мощность. С другой стороны, двигатели на жидком топливе, разработанные Робертом Годдардом (см. главу 1), более управляемы. Однако цена, которую приходится за это платить, – дополнительная сложность (и, следовательно, повышенная вероятность сбоя) в виде насосов и топливопроводов, а также инжекторов, обеспечивающих тщательное перемешивание топлива перед сжиганием.

Мне захотелось узнать, что же на самом деле заставляет человека по собственной воле забираться на верхушку огромной свечи… и ждать, пока зажгут запал?

Том Вулф. Битва за космос (1979)

В жидкостных ракетах топливо и окислитель обычно хранятся по отдельности – это так называемые двухкомпонентные двигатели. Например, первая ступень ракеты «Сатурн-5», которая доставляла астронавтов «Аполлона-11» на Луну, имела два топливных бака: один для керосина, а другой был заполнен чистым жидким кислородом для сжигания керосина. Эти два топлива отдельно подавались в двигатель, где они смешивались перед сгоранием. Жидкий кислород – распространенный окислитель, часто используемый в ракетных двигателях. Для того чтобы он находился в жидком состоянии, его температура должна быть ниже – 183°С, и именно поэтому иногда можно увидеть лед на внешней стороне жидкостной ракеты, стоящей на стартовой площадке. Куски этого льда затем эффектно отрываются во время запуска.

Есть также однокомпонентные жидкостные двигатели, работающие только на одном баке с топливом. Им, как правило, оснащаются более мелкие ракеты и двигательные установки, используемые для ориентации космических аппаратов в пространстве после того, как те покинут Землю. Подходящее топливо для такого двигателя – гидразин (H₂N – NH₂), который при прохождении через катализатор распадается на высокотемпературную смесь из водорода, азота и аммиака для создания тяги.

Существует еще один тип ракетных двигателей, на границе между твердотопливными и жидкостными, – гибридный. В таких двигателях используется твердое топливо и жидкий окислитель, что делает их менее сложными, чем жидкостные двигатели, и в то же время более управляемыми, чем твердотопливные. Разработанный Mojave Aerospace Ventures SpaceShipOne, который в 2004 году осуществил первый частный космический полет, имел гибридный двигатель, использовавший полибутадиен в качестве топлива и закись азота в качестве окислителя.

Во всех типах двигателей высокотемпературный газ под высоким давлением, возникающий в результате сгорания, необходимо превратить в высокоскоростную струю выхлопных газов. Делается это с помощью сопла – конусообразного отверстия, которое находится непосредственно под камерой сгорания. Одно из самых эффективных – сопло Лаваля. В 1888 году изобретатель Густаф де Лаваль предложил использовать созданное им сопло в паровых турбинах. Оно состоит из трубки, которая асимметрично сжимается на стороне впуска, где в нее входит горячий газ, а затем расширяется в плавно изогнутую колоколообразную форму для выталкивания выходящих газов с противоположной стороны. Сопло Лаваля может преобразовывать газ, образующийся внутри типичного ракетного двигателя, в сверхзвуковую выхлопную струю, движущуюся со скоростью в тысячи метров в секунду.

Один из самых мощных ракетных двигателей на сегодняшний день – жидкостный двигатель Raptor («Хищник»), разрабатываемый компанией SpaceX для сверхтяжелой ракеты Starship («Звездный корабль»). Во время огневого испытания в феврале 2019 года Raptor установил рекорд по максимальному зарегистрированному давлению в камере сгорания – 2689 Н/см². Это примерный вес большого автомобиля, сконцентрированный в квадрате со стороной 2 см. Когда разработка Raptor будет завершена, ожидается, что конечное давление в камере достигнет 3034 Н/см², а сопло Лаваля разгонит поток выхлопных газов до поразительных 3400 м/с (12 240 км/ч), что в десять раз превышает скорость звука в воздухе.

¹ United Launch Alliance – совместное предприятие, принадлежащее компаниям Boeing и Lockheed Martin.

Под действием импульса

Скорость выхлопа – один из показателей эффективности ракетного двигателя, это доля всей химической энергии, запасенной в топливе, которая в конечном итоге может быть преобразована в движение ракеты. Сопло Лаваля резко повышает скорость выхлопных газов, делая ее сверхзвуковой, тем самым увеличивая эффективность с нескольких процентов до, как правило, более 60 %. Это очень высокий показатель, учитывая, какими шумными и малопродуктивными могут казаться ракеты.

Еще одна мера эффективности ракет – удельный импульс. Это общая величина тяги, которую двигатель генерирует на единицу массы сгоревшего топлива. Тяга – направленная вверх сила, толкающая ракету. Она действует против направленной вниз силы тяжести, оказывающей воздействие на массу ракеты. Чтобы ракета взлетела, тяга должна превышать вес.

Вполне возможно, что двигатель окажется очень неэффективным (то есть с низким удельным импульсом и низкой скоростью выхлопа), но при этом все равно будет обеспечивать тягу, необходимую для взлета. И наоборот, существуют чрезвычайно эффективные двигатели, которые, хотя и прекрасно используют свое топливо, не образуют достаточно тяги, чтобы преодолеть силу притяжения и оторваться от Земли.

Один из таких двигателей – ионный. Вместо того чтобы задействовать химическую энергию, выделяемую при сгорании, для создания высокоскоростной выхлопной струи электрические поля в нем используются для ускорения заряженных частиц топлива до невероятных скоростей – до 50 000 м/с, а это более чем в десять раз выше того, на что способны двигатели в обычных ракетах. Тем не менее скорость, с которой эти частицы выбрасываются, настолько мала, а их тяга так слаба, что они едва способны оторвать от Земли несколько граммов.

Когда вы готовитесь к запуску в космос, вы сидите на большой бочке с взрывчаткой, ожидая, когда та рванет.

Салли Райд (1988)

Вы наверняка задаетесь вопросом (что вполне справедливо), для чего в таком случае нужны ионные двигатели. Оказывается, высокая эффективность последних проявляется в глубоком космосе, вдали от сильной гравитации планет. Запущенный в космос обычной ракетой космический корабль, работающий на ионной тяге, расходует свое топливо медленно, но разумно в течение недель, месяцев и даже лет – постепенно накапливая большую Δv из сравнительно малой массы топлива, что позволяет ему преодолевать огромные расстояния в космическом пространстве.

В 1998 году АМС NASA Deep Space 1 стартовала с Земли на борту Delta II – жидкостной ракеты с тремя твердотопливными ускорителями. Оказавшись в космосе, станция запустила ионный двигатель и отправилась в путешествие по Солнечной системе. Она пролетела мимо кометы и астероида и смогла получить фотографии обоих, а также научные данные о них. В течение своей трехлетней миссии ионный двигатель изменил скорость космического аппарата более чем на 4000 м/с, использовав менее 74 кг своего ксенонового газообразного топлива.

Черт возьми, эта штука взлетела!

Илон Маск (2018)

В настоящее время ученые разрабатывают новые двигатели, способные обеспечивать еще более высокие скорости выхлопа – до сотен тысяч или миллионов метров в секунду. Аппараты с такими двигателями по сути являются продолжением оригинальных идей Циолковского, которым более ста лет. И однажды благодаря им люди смогут попасть в самые отдаленные уголки Солнечной системы или даже за ее пределы.