Рисунок из книги
Казимира Семеновича
Artis Magnae Artilleriae pars prima
1650 г.
Многоступе?нчатая раке?та
?
летательный аппарат
, состоящий из двух или более механически соединённых
ракет
, называемых
ступенями
, разделяющихся в
полёте
. Многоступенчатая ракета позволяет достигнуть
скорости
большей, чем каждая из её ступеней в отдельности.
Один из первых эскизов многоступенчатой ракеты был представлен в 1556 году в книге военного техника
Конрада Хааса
. В XVII веке рисунок с изображением ракет был опубликован в труде военного инженера и генерала от артиллерии
Казимира Семеновича
, ≪Artis Magnae Artilleriae pars prima≫ (
лат.
≪Великое искусство артиллерии часть первая≫), напечатанном в
1650 году
в
Амстердаме
,
Нидерланды
. На нём ? трехступенчатая
ракета
, в которой третья ступень вложена во вторую, а обе они вместе ? в первую ступень. В головной части помещался состав для
фейерверка
. Ракеты были начинены твёрдым топливом ?
порохом
. Это изобретение интересно тем, что оно более трёхсот лет назад предвосхитило направление, по которому пошла современная ракетная техника.
Впервые идея использования многоступенчатых ракет была выдвинута американским инженером
Робертом Годдардом
в 1914 году, и был получен патент на изобретение. В
1929
г.
К. Э. Циолковский
выпустил в свет свою новую книгу под заглавием ≪
Космические ракетные поезда
≫. Этим термином К. Циолковский назвал составные ракеты или, вернее, агрегат ракет, делающих разбег по земле, потом в воздухе и, наконец, в космическом пространстве. Поезд, составленный, например, из 5 ракет, ведётся сначала первой ? головной ракетой; по использовании её горючего, она отцепляется и сбрасывается на землю. Далее, таким же образом, начинает работать вторая, затем третья, четвёртая и, наконец, пятая,
скорость
которой будет к тому времени достаточно велика, чтобы унестись в
межпланетное пространство
. Последовательность работы с головной ракеты вызвана стремлением заставить материалы ракет работать не на сжатие, а на растяжение, что позволит облегчить конструкцию. По Циолковскому, длина каждой ракеты ? 30 метров. Диаметры ? 3 метра.
Газы
из сопел вырываются косвенно к оси ракет, чтобы не давить на следующие ракеты. Длина разбега по земле ? несколько сот
километров
.
Несмотря на то, что в технических деталях ракетостроение пошло во многом по другому пути (современные ракеты, например, не ≪разбегаются≫ по земле, а взлетают вертикально, и порядок работы ступеней современной ракеты ? обратный, по отношению к тому, о котором говорил Циолковский), сама идея многоступенчатой ракеты и сегодня остаётся актуальной.
В
1935 году
Циолковский написал работу ≪Наибольшая скорость ракеты≫, в которой утверждал, что при уровне технологии того времени достичь первой космической скорости (на Земле) можно только с помощью многоступенчатой ракеты. Это утверждение сохраняет свою справедливость и сегодня: все современные носители космических аппаратов ? многоступенчатые. Первым рукотворным объектом, пересекшим
линию Кармана
и вышедшим в космос, была одноступенчатая немецкая ракета
Фау-2
. Высота полётов достигала 188 км.
Ракета является весьма ≪затратным≫ транспортным средством.
Ракеты-носители
космических аппаратов
≪транспортируют≫, главным образом, топливо, необходимое для работы их двигателей, и собственную конструкцию, состоящую в основном из топливных контейнеров и двигательной установки. На долю полезной нагрузки приходится лишь малая часть (1,5-2,0 %) стартовой массы ракеты.
Составная ракета позволяет более рационально использовать ресурсы за счёт того, что в полёте ступень, выработавшая своё топливо, отделяется, и остальное топливо ракеты не тратится на ускорение конструкции отработавшей ступени, ставшей ненужной для продолжения полёта. Пример расчёта, подтверждающего эти соображения, приводится в статье ≪
Формула Циолковского
≫.
Варианты компоновки ракет. Слева направо:
1. одноступенчатая ракета;
2. двухступенчатая ракета с поперечным разделением;
3. двухступенчатая ракета с продольным разделением.
4. Ракета с внешними топливными ёмкостями, отделяемыми после исчерпания топлива в них.
Трёхступенчатая ракета с поперечным разделением ≪
Сатурн-5
≫ без переходников (демонстрационный экземпляр)
Конструктивно многоступенчатые ракеты выполняются c
поперечным
или
продольным разделением ступеней
.
При
поперечном разделении
ступени размещаются одна над другой и работают последовательно друг за другом, включаясь только после отделения предыдущей ступени. Такая схема даёт возможность создавать системы, в принципе, с любым количеством ступеней. Недостаток её заключается в том, что ресурсы последующих ступеней не могут быть использованы при работе предыдущей, являясь для неё пассивным грузом.
Трёхступенчатая ракета-носитель с продольно-поперечным разделением ≪
Союз-2
≫.
При
продольном разделении
первая ступень состоит из нескольких одинаковых ракет (на практике ? от 2 до 8) или разных, работающих одновременно и располагающихся вокруг корпуса второй ступени симметрично, чтобы равнодействующая сил тяги двигателей первой ступени была направлена по оси симметрии второй. Такая схема позволяет работать двигателю второй ступени одновременно с двигателями первой, увеличивая, таким образом, суммарную тягу, что особенно нужно во время работы первой ступени, когда вес ракеты максимален. Ракета с продольным разделением ступеней, теоретически, может иметь неограниченное количество ступеней, работающих параллельно, но на практике количество таких ступеней ограничено двумя. Известен проект ракеты-носителя ≪Виктория-К≫, имеющей три ступени с продольным разделением
[a]
.
Существует и комбинированная схема разделения ?
продольно-поперечная
, позволяющая совместить преимущества обеих схем, при которой первая ступень разделяется со второй продольно, а разделение всех последующих ступеней происходит поперечно. Пример такого подхода ? отечественный носитель ≪
Союз
≫.
Компоновка ≪
Спейс-Шаттла
≫.
Первая ступень ? боковые твердотопливные ускорители.
Вторая ступень ? орбитальный корабль с отделяемым внешним топливным баком. При старте запускаются двигатели обеих ступеней.
Старт ≪
Спейс-Шаттла
≫.
Уникальную схему двухступенчатой ракеты с продольным разделением имеет космический корабль ≪
Спейс-Шаттл
≫, первая ступень которого состоит из двух боковых твердотопливных ускорителей,
главные двигатели
второй ступени установлены на орбитере (собственно многоразовый космический корабль), а топливо второй ступени содержится во внешнем баке. После исчерпания топлива во внешнем баке, он отделяется и сгорает в атмосфере, главные двигатели отключаются
[1]
, а вывод корабля на орбиту завершает с помощью маневровой
двигательной установки орбитера
. Такая схема позволяет повторно использовать дорогостоящие главные двигатели.
При поперечном разделении ступени соединяются между собой специальными секциями ?
переходниками
? несущими конструкциями цилиндрической или конической формы (в зависимости от соотношения диаметров ступеней), каждый из которых должен выдерживать суммарный вес всех последующих ступеней, помноженный на максимальное значение
перегрузки
, испытываемой ракетой на всех участках полёта, на которых данный переходник входит в состав ракеты.
При продольном разделении на корпусе второй ступени создаются силовые бандажи (передний и задний), к которым крепятся блоки первой ступени.
Элементы, соединяющие части составной ракеты, сообщают ей жёсткость цельного корпуса, а при разделении ступеней должны практически мгновенно освобождать верхнюю ступень. Обычно соединение ступеней выполняется с помощью
пироболтов
.
Пироболт
? это крепёжный болт, в стержне которого рядом с головкой создается полость, заполняемая
бризантным
взрывчатым веществом с
электродетонатором
. При подаче импульса тока на электродетонатор происходит взрыв, разрушающий стержень болта, в результате чего его головка отрывается. Количество взрывчатки в пироболте тщательно дозируется, чтобы, с одной стороны, гарантировать отрыв головки, а, с другой ? не повредить ракету. При разделении ступеней на электродетонаторы всех пироболтов, соединяющих разделяемые части, одновременно подаётся импульс тока, и соединение освобождается. Альтернативно пироболтам, используются пневматические механизмы разделения. Такой тип механизма позволяет обеспечить его дистанционное испытание и контроль, повышая надёжность разделения ступеней.
Далее ступени должны быть разведены на безопасное расстояние друг от друга, так как запуск двигателя высшей ступени вблизи низшей может вызвать прогар её топливной ёмкости и взрыв остатков топлива, который повредит верхнюю ступень, или дестабилизирует её полет. При разделении ступеней в атмосфере для их разведения может быть использована аэродинамическая сила встречного потока воздуха, а при разделении в пустоте иногда используются вспомогательные небольшие твердотопливные ракетные двигатели.
На жидкостных ракетах эти же двигатели служат и для того, чтобы ≪осадить≫ топливо в баках верхней ступени: при выключении двигателя низшей ступени ракета летит по инерции, в состоянии
свободного падения
, при этом жидкое топливо в баках находится во взвешенном состоянии, что может привести к сбою при запуске двигателя. Вспомогательные двигатели сообщают ступени небольшое ускорение, под действием которого топливо ≪оседает≫ на днища баков.
На приведённом выше снимке ракеты ≪
Сатурн-5
≫, на корпусе третьей ступени (крайняя слева, в кадре представлена частично) виден чёрный корпус одного из вспомогательных твердотопливных двигателей разведения 3-й и 2-й ступеней.
Увеличение числа ступеней даёт положительный эффект только до определённого предела. Чем больше ступеней ? тем больше суммарная масса переходников, а также двигателей, работающих лишь на одном участке полёта, и, в какой-то момент, дальнейшее увеличение числа ступеней становится контрпродуктивным. В современной практике ракетостроения более четырёх ступеней, как правило, не делается.
При выборе числа ступеней важное значение имеют также вопросы
надёжности
. Пироболты и вспомогательные
РДТТ
? элементы одноразового действия, проверить функционирование которых до старта ракеты невозможно. Между тем, отказ только одного пироболта может привести к аварийному завершению полёта ракеты. Увеличение числа одноразовых элементов, не подлежащих проверке функционирования, снижает надёжность всей ракеты в целом. Это также заставляет конструкторов воздерживаться от слишком большого количества ступеней.
- ↑
Можно отметить, что в ракетных системах ≪
Юнона I
≫ и ≪
Юнона II
≫, применявшихся в 50-х годах XX века для запуска первых искусственных спутников по космической программе США, в качестве 2-й и 3-й ступеней использовались
пакеты
, соответственно, из 11 и из 3 твердотопливных ракет ≪
Сержант
≫. Но такую компоновку следует рассматривать как
с поперечным разделением
, поскольку совмещения работы ступеней по времени здесь нет.
- ↑
Jenkins, Dennis R.
Space Shuttle: The History of the National Space Transportation System. ? Voyageur Press, 2006. ?
ISBN 0-9633974-5-1
.