По каким законам механики летают ракеты

Ракета — аппарат, предназначенный для полётов в атмосфере и космическом пространстве. Она сконструирована таким образом, что может перемещаться не только в окружающей воздушной или газовой среде, но и в вакууме. К этому летательному аппарату приравнивается множество объектов — от праздничных петард до военных беспилотников и космических устройств. А как летают ракеты, может объяснить астродинамика.

Астродинамика как раздел небесной механики

Наука о Вселенной называется астрономией. Она изучает все небесные тела и системы и имеет несколько основных направлений:

• астрометрия изучает геометрические и кинематические свойства созвездий, небесной сферы и системы координат, а также времени;
• небесная механика вычисляет движение небесных тел;
• астрофизика изучает физические процессы в астрономических объектах (звёздах, чёрных дырах и так далее) и их эволюцию;
• космология исследует свойства и эволюцию Вселенной в целом, предметы изучения — явление красного смещения, реликтовое излучение, модель Большого взрыва, проблема скрытой массы и тёмная энергия;
• планетология изучает планеты, их системы и спутники.

Движение ракет исследуется в разделе небесной механики, называемом астродинамикой. В сферу её задач входит определение параметров запуска космических аппаратов, расчёт траектории их движения, вычисление её изменений во время орбитальных манёвров и планирование последних.

Главной особенностью астродинамики перед другими разделами небесной механики является то, что она должна решать прикладные задачи управления космическими кораблями с учётом многих факторов, среди которых влияние атмосферы и магнитного поля Земли, гравитационные аномалии, давление солнечного излучения. В других науках эти факторы могут игнорироваться, поскольку не оказывают влияние на движение естественных космических тел, главной для которых остаётся сила тяготения.

Начало движения

В ракете должен быть двигатель, работающий на химическом топливе. Оно может быть твёрдым, жидким или гибридным. Самыми лучшими комбинациями веществ являются следующие:

• Керосин и кислород. Дешёвое и экологичное топливо, идеально подходящее для многих двигателей.
• Гептил и тетраоксид диазота. Широко распространено благодаря высокой устойчивости горения, самовоспламеняемости, лёгкости горения, хорошей плотности и энергетическим характеристиками. Однако от этого вида топлива постепенно отказываются из-за высокой токсичности.
• Водород и кислород. Смесь обладает высокой экологичностью, используется в случаях, когда нужна большая масса и нет приоритета тяги.
• Перхлорат аммония. Дешёвое твёрдое ракетное топливо, с помощью которого можно легко получить значительную тягу. Недостатком является низкая экологичность и сложность управления двигателями, работающими на нём. Для повышения управляемости дополнительно необходимо использовать небольшие жидкостные двигатели.

Задача ракетного топлива — взаимодействие с окислителем, в результате которого образуются горячие газы. Они истекают из камеры сгорания, ускоряются до нескольких тысяч километров в час в сопле и выбрасываются из летательного аппарата. Ускорение газов в двигателе создаёт реактивную тягу. Эта толкающая сила заставляет ракету перемещаться в пространстве.

В качестве движущей силы может использоваться и обыкновенная вода. Она дешёвая и доступная, а применять её просто и безопасно. Принцип работы заключается в том, что вода перегревается, при вытекании через сопло превращается в высокоскоростную паровую струю и создаёт тягу.

Сконструированные таким образом ракеты называют паровыми. Они менее эффективны, чем те, что работают на химическом топливе, но достаточно перспективны. Паровое устройство было успешно проверено в космосе на борту спутника. В дальнейшем его можно будет использовать для межпланетной транспортировки грузов. Нагрев воды при этом планируется осуществлять при помощи ядерной или солнечной энергии.

Законы Ньютона

Во время полёта на ракету действует несколько сил. В первую очередь это тяга двигателя, толкающая аппарат сквозь пространство. Она должна быть направлена точно к центру масс, чтобы ракета летела носом вперёд, не теряла стабилизацию и не начинала беспорядочно вращаться в пространстве. Динамическую устойчивость обеспечивают аэродинамические силы — обтекающий ракету воздушный поток.

Во время движения в атмосфере полёту противостоит лобовое сопротивление, складывающееся из сил трения и давления. Преодолеть его можно, если увеличить тягу и ускорение.

Небольшой вклад также делает подъёмная сила и сила тяжести. Последняя была описана ещё в XVII веке в законах великого английского учёного Исаака Ньютона.

Первый закон Ньютона описывает инерцию — свойство тела сохранять свою скорость движения неизменной при отсутствии воздействия на него. Мера проявления инертности выражается массой и связывается с силой движущегося предмета и его ускорением в более важном для ракетостроения втором законе Ньютона.

Согласно ему, ускорение вычисляется при делении равнодействующей всех сил, воздействующих на тело, на его массу. Исходя из этого, чем больше двигатель выбросит сгоревшего топлива, тем быстрее полетит ракета, поэтому в баке содержатся миллионы литров выделяющего энергию вещества.

Третий закон Ньютона утверждает, что силы действия и противодействия равны. В приложении к полёту ракеты на практике это означает, что вылетающая из двигателя струя горячих газов или пара вызывает противодействующую силу, толкающую летательный аппарат вперёд.

Многоступенчатые ракеты

В открытом космическом пространстве скорость движения возрастает благодаря тому, что выбрасываемые частицы сгоревшего топлива не ограничиваются трением воздуха, они быстро распространяются, а полёт ничто не тормозит. Чем дальше ракета от родной планеты, тем меньше её масса, и вскоре слабого толчка двигателя становится достаточно для того, чтобы сдвинуть массивный аппарат с места.

Из-за этого некоторые космические корабли для выхода на околоземную орбиту используют сразу две ракеты. Запуск одной обеспечивает полёт в атмосфере. Когда аппарат переходит в космическое пространство, ракета-носитель и израсходованные топливные баки отсоединяются и на парашютах спускаются на Землю.

Чтобы можно было периодически сбрасывать лишний груз, двигатели и топливные ёмкости располагаются на различных ступенях ракеты. Они могут быть разделены следующим образом:

• в поперечном направлении (ступени отсоединяются последовательно, начиная с нижней);
• в продольном (ступени вокруг корпуса расположены на одном уровне и сбрасываются одновременно);
• по комбинированной схеме.

На практике применяются разные конструкции ступеней. Иногда отделяемая ракета после выполнения своей функции по выводу корабля в космос не просто возвращается на Землю, а выполняет ещё какую-либо задачу, например, обеспечивает автоматические и пилотируемые экспедиции к небесным объектам.

Корабль тем временем также выполняет свои задачи, например, выводит на орбиту метеорологические и астрономические спутники или проводит различные научные эксперименты, по завершении которых он планирует и приземляется как обычный самолёт.

Разгонный блок

На одной из ступеней ракеты может располагаться разгонный блок, оснащённый особыми двигателями. Он нужен для вывода летательного аппарата на целевую орбиту, если она расположена значительно выше линии космоса, начинающейся уже через 100 км от поверхности Земли.

Такая ситуация не является редкой, даже телекоммуникационные спутники находятся почти в 36 тысячах км от уровня моря. Чтобы не только достичь их, но ещё и доставить находящийся в верхнем отсеке полезный груз, масса которого может превышать 3 тонны, ракета-носитель с разгонным блоком осуществляет вывод на опорную орбиту, расположенную всего в 200 км от Земли.

Затем на блоке включаются двигатели, при помощи которых выполняются манёвры по изменению траектории и скорости полёта. Способность устройств многократно включаться и выключаться отличает их от большинства двигателей, расположенных на других ступенях.

Система аварийного спасения

Ракеты могут выводить в космос не только грузовые корабли и аппараты, но и экипажи специалистов. В последнем случае предусмотрена система аварийного спасения (САС), которая поможет людям выжить в непредвиденных ситуациях.

САС представляет собой небольшую ракету в форме башенки, расположенную в головной части корабля. В экстренной ситуации, случившейся до достижения большой высоты (например, при взрыве ракеты на старте), её двигатели вытянут отсек с экипажем и уведут его от места аварии. Затем будет осуществлён парашютный спуск.

При благополучном достижении определённых высот корабль отделяется от ракеты, и система становится не нужна. Тогда она самостоятельно возвращается на Землю.

Военная и научная область применения

В настоящее время ракета является единственным способом вывода кораблей на орбиты. Однако, помимо исследования космоса, у неё есть и другие области применения, например, в военном деле.

Ракетное оружие малоуязвимо благодаря небольшим размерам и высокой скорости перемещения, а современные системы самонаведения и навигации дают ему большую точность и манёвренность. Ракета может без пилота доносить к цели самые мощные средства поражения, в том числе и ядерные заряды.

Но практически те же самые аппараты могут быть использованы и в мирных научных целях. К таким относятся следующие типы ракет:

• Геофизическая. Совершает полёт на расстояние от 100 до 1500 км от Земли без пилота. Запускается с целью сбора физических, химических и медико-биологических данных о верхних слоях атмосферы и близлежащем космосе. Сведения могут передаваться по радио, но чаще записываются локально, поэтому главными элементами конструкции, помимо разгонных блоков, является контейнер с аппаратурой, обычно опускающийся на парашюте.
• Метеорологическая. Она лёгкая, поэтому может поднять только один комплекс приборов, и её высота полёта ограничивается 40−100 км. Остальные характеристики сходны с геофизическим типом. В СССР со специальных станций ракетного зондирования в атмосферу ежегодно запускалось около 600 аппаратов, собиравших данные высотных профилей температуры, давления, плотности, ветров.
• Противоградовая. Этот тип, как и следует из названия, предотвращает выпадение града путём поднятия аппарата на 6−12 км ввысь и распыления из головной части йодистого серебра или другого реагента, ускоряющего осадкообразование и выпадение дождей. Это позволяет не допустить потери виноградников, чайных плантаций, посевов табака, хлопка, зерновых и других сельскохозяйственных культур.

Простые примеры

Увидеть действие реактивной тяги можно даже дома. Для этого достаточно надуть воздушный шарик, зажать горловину, а затем отпустить. Вырывающийся воздух заставит шарик летать по комнате.

Более сложный пример — пушка, колёса которой стоят на железной дороге. Когда из неё будет произведён выстрел, возникнет отдача, которая сместит пушку по рельсам в направлении, обратном траектории полёта снаряда. При учащении выстрелов, движение по дороге ускорится.

Таким образом, в основе движения ракеты лежат довольно простые для понимания процессы. Они используются не только в космонавтике или военном деле, но и в хобби или развлечениях, например, праздничных фейерверках.

Кроме того, существует ракетомодельный спорт, под которым подразумевается конструирование, изготовление, запуск и пилотирование моделей. В нём предусмотрены различные соревнования, участники которых пытаются добиться максимальной высоты и продолжительности полёта.