Как называется сила с которой взлетает ракета. Что такое «Тополь-М». Региональный этап всероссийского детского конкурса

Даже среди людей, изучавших физику, случается нередко слышать совершенно превратное объяснение полета ракеты: она летит потому будто бы, что своими газами, образующимися при горении в ней пороха, отталкивается от воздуха. Так думали в старину (ракеты – давнее изобретение). Однако если бы пустить ракету в безвоздушном пространстве, она полетела бы не хуже, а даже лучше, чем в воздухе. Истинная причина движения ракеты совершенно иная. Очень понятно и просто изложил ее революционер‑первомартовец Кибальчич в предсмертной своей записке об изобретенной им летательной машине. Объясняя устройство боевых ракет, он писал:

«В жестяной цилиндр, закрытый с одного основания и открытый с другого, вставляется плотно цилиндр из прессованного пороха, имеющий по оси пустоту в виде канала. Горение пороха начинается с поверхности этого канала и распространяется в течение определенного промежутка времени до наружной поверхности прессованного пороха; образующиеся при горении газы производят давление во все стороны; но боковые давления газов взаимно уравновешиваются, давление же на дно жестяной оболочки пороха, не уравновешенное противоположным давлением (так как в эту сторону газы имеют свободный выход), толкает ракету вперед».

Здесь происходит то же, что и при выстреле из пушки: снаряд летит вперед, а сама пушка отталкивается назад. Вспомните «отдачу» ружья и всякого вообще огнестрельного оружия! Если бы пушка висела в воздухе, ни на что не опираясь, она после выстрела двигалась бы назад с некоторой скоростью, которая во столько же раз меньше скорости снаряда, во сколько раз снаряд легче самой пушки. В фантастическом романе Жюля Верна «Вверх дном» американцы задумали даже воспользоваться силой отдачи исполинской пушки для выполнения грандиозной затеи – «выпрямить земную ось».

Ракета – та же пушка, только извергает она не снаряды, а пороховые газы. По той же причине вертится и так называемое «китайское колесо», которым, вероятно, случалось вам любоваться при устройстве фейерверков: при горении пороха в трубках, прикрепленных к колесу, газы вытекают в одну сторону, сами же трубки (а с ними и колесо) получают обратное движение. В сущности, это лишь видоизменение общеизвестного физического прибора – сегнерова колеса.

Интересно отметить, что до изобретения парохода существовал проект механического судна, основанный на том же начале; запас воды на судне предполагалось выбрасывать с помощью сильного нагнетательного насоса в кормовой части; вследствие этого корабль должен был двигаться вперед, как те плавучие жестянки, которые имеются для доказательства рассматриваемого принципа в школьных физических кабинетах. Проект этот (предложенный Ремзи) не был осуществлен, однако он сыграл известную роль в изобретении парохода, так как натолкнул Фультона на его идею.

Рисунок 7. Самая древняя паровая машина (турбина), приписываемая Герону Александрийскому (II век до нашей эры).

Рисунок 8. Паровой автомобиль, приписываемый Ньютону.

Рисунок 9. Игрушечный пароходик из бумаги и яичной скорлупы. Топливом служит налитый в наперсток спирт. Пар, выбивающийся из отверстия «парового котла» (выдутое яйцо), заставляет пароходик плыть в противоположном направлении.

Мы знаем также, что самая древняя паровая машина, изобретенная Героном Александрийским еще во II веке до нашей эры, была устроена по тому же принципу: пар из котла (рис. 7) поступал по трубке в шар, укрепленный на горизонтальной оси; вытекая затем из коленчато‑изогнутых трубок, пар толкал эти трубки в обратном направлении, и шар начинал вращаться. К сожалению, геронова паровая турбина в древности оставалась только любопытной игрушкой, так как дешевизна труда рабов никого не побуждала к практическому использованию машин. Но самый принцип не заброшен техникой: в наше время он применяется при устройстве реактивных турбин.

Ньютону – автору закона действия и противодействия – приписывают один из самых ранних проектов парового автомобиля, основанный на том же начале: пар из котла, поставленного на колеса, вырывается в одну сторону, а самый котел в силу отдачи катится в противоположную (рис. 8).

Ракетные автомобили, об опытах с которыми в 1928 г. много писали в газетах и журналах, представляют собой современное видоизменение ньютоновой повозки.

Для любителей мастерить приведен здесь Рисунок бумажного пароходика, также очень похожего на ньютонову повозку: в паровом котле из опорожненного яйца, нагреваемом намоченной в спирте ваткой в наперстке, образуется пар; вырываясь струёй в одну сторону, он заставляет весь пароходик двигаться в противоположную сторону. Для сооружения этой поучительной игрушки нужны, однако, очень искусные руки.

Что такое космическая ракета? Как она устроена? Как летит? Почему в космосе путешествуют именно на ракетах?

Казалось бы, все это давно и хорошо нам известно. Но давайте на всякий случай проверим себя. Повторим азбуку.

Наша планета Земля покрыта слоем воздуха - атмосферой. У поверхности Земли воздух довольно плотный, густой. Выше - редеет. На высоте в сотни километров он незаметно «сходит на нет», переходит в безвоздушное космическое пространство.

По сравнению с воздухом, в котором мы живем, там пустота. Но, говоря строго научно, все же пустота не полная. Все это пространство пронизано лучами Солнца и звезд, летящими от них осколочками атомов. В нем плавают космические пылинки. Можно встретить метеорит. В окрестностях многих небесных тел ощущаются следы их атмосфер. Поэтому безвоздушное космическое пространство мы не можем называть пустотой. Мы будем называть его просто космосом.

И на Земле, и в космосе действует один и тот же закон всемирного тяготения. По этому закону все предметы притягивают друг друга. Притяжение огромного земного шара очень ощутимо.

Чтобы оторваться от Земли и полететь в космос, нужно прежде всего как-то преодолеть ее притяжение.

Самолет его преодолевает лишь частично. Взлетая, он опирается крыльями на воздух. И не может подняться туда, где воздух сильно разрежен. Тем более в космос, где воздуха нет вообще.

Нельзя залезть по дереву выше самого дерева.

Что же делать? Как «вскарабкаться» в космос? На что опереться там, где ничего нет?

Представим себя великанами огромного роста. Мы стоим на поверхности Земли, и атмосфера нам по пояс. В руках у нас мяч. Выпускаем его из рук - он летит вниз, к Земле. Падает у наших ног.

Теперь бросаем мяч параллельно поверхности Земли. Повинуясь нам, мяч должен лететь над атмосферой, вперед, куда мы его бросили. Но Земля не перестала его тянуть к себе. И, повинуясь ей, он, как и в первый раз, должен лететь вниз. Мяч вынужден повиноваться обоим. И потому летит где-то посередине между двумя направлениями, между «вперед» и «вниз». Путь мяча, его траектория, получается в виде изгибающейся к Земле кривой линии. Мяч идет на снижение, погружается в атмосферу и падает на Землю. Но уже не у наших ног, а где-то поодаль.

Бросим мяч сильнее. Он полетит быстрее. Под действием притяжения Земли он снова начнет заворачивать к ней. Но теперь - более полого.

Бросим мяч еще сильнее. Он полетел так быстро, заворачивать стал так полого, что уже «не успевает» упасть на Землю. Поверхность ее «круглится» под ним, как бы уходит из-под него. Траектория мяча хоть и изгибается в сторону Земли, но недостаточно круто. И получается, что, непрерывно падая к Земле, мяч тем не менее летит вокруг земного шара. Его траектория замкнулась в кольцо, стала орбитой. И мяч теперь будет летать по ней все время. Не переставая падать к Земле. Но и не приближаясь к ней, не ударяясь о нее.

Чтобы так вот вывести мяч на круговую орбиту, нужно бросить его со скоростью 8 километров в секунду! Эту скорость называют круговой, или первой космической.

Любопытно, что скорость эта в полете будет сохраняться сама собой. Полет замедляется, когда что-нибудь мешает лететь. А мячу ничто не мешает. Он летит выше атмосферы, в космосе!

Как можно лететь «по инерции», не останавливаясь? Это трудно понять, потому что мы никогда не жили в космосе. Привыкли к тому, что нас всегда окружает воздух. Мы знаем - комочек ваты, как сильно ни бросай его, не полетит далеко, увязнет в воздухе, остановится, упадет на Землю. В космосе же все предметы летят, не встречая сопротивления. Со скоростью 8 километров в секунду могут рядом лететь и развернутые листы газеты, и чугунные гири, крохотные картонные игрушечные ракеты и самые настоящие стальные космические корабли. Все будут лететь рядом, не отставая и не обгоняя друг друга. Будут одинаково кружиться вокруг Земли.

Но вернемся к мячу. Бросим его еще сильнее. Например, со скоростью 10 километров в секунду. Что с ним станет?

Орбиты ракет при различных начальных скоростях.

При такой скорости траектория еще более распрямится. Мяч начнет удаляться от Земли. Потом снизит скорость, плавно повернет назад к Земле. И, приближаясь к ней, разгонится как раз до той скорости, с какой мы его отправляли в полет, до десяти километров в секунду. С этой скоростью он промчится мимо нас и унесется дальше. Все повторится сначала. Снова подъем с замедлением, поворот, падение с разгоном. Мяч этот тоже никогда не упадет на Землю. Он тоже вышел на орбиту. Но уже не круговую, а эллиптическую.

Мяч, брошенный со скоростью 11.1 километра в секунду, «дотянет» до самой Луны и только там повернет обратно. А при скорости 11.2 километра в секунду уже вообще не вернется к Земле, уйдет бродить по Солнечной системе. Скорость 11,2 километра в секунду называется второй космической.

Итак, удержаться в космосе можно только с помощью большой скорости.

Как же разогнаться хотя бы до первой космической скорости, до восьми километров в секунду?

Скорость автомобиля на хорошем шоссе не превышает 40 метров в секунду. Скорость самолета ТУ-104 не более 250 метров в секунду. А нам нужно двигаться со скоростью 8000 метров в секунду! Лететь в тридцать с лишним раз быстрее самолета! Мчаться с такой скоростью в воздухе вообще невозможно. Воздух «не пускает». Он становится на нашем пути непробиваемой стеной.

Вот почему мы тогда, представляя себя великанами, «высунулись по пояс» из атмосферы в космос. Воздух нам мешал.

Но чудес не бывает. Великанов нет. А «высунуться» все же надо. Как быть? Построить башню высотой в сотни километров - смешно и думать. Надо найти способ медленно, «не спеша», пройти сквозь густой воздух в космос. И только там, где уже ничто не мешает, «по хорошей дороге» разогнаться до нужной скорости.

Одним словом, чтобы удержаться в космосе, надо разогнаться. А чтобы разогнаться, надо сперва добраться до космоса и удержаться там.

Чтобы удержаться - разогнаться! Чтобы разогнаться - удержаться!

Выход из этого заколдованного круга подсказал людям в свое время наш замечательный русский ученый Константин Эдуардович Циолковский. Для выхода в космос и разгона в нем годится только ракета. О ней и пойдет дальше наш разговор.

Ракета не имеет ни крыльев, ни пропеллеров. Она может в полете ни на что не опираться. Для разгона ей не нужно ни от чего отталкиваться. Она может двигаться и в воздухе, и в космосе. В воздухе медленнее, в космосе быстрее. Она движется реактивным способом. Что это значит? Приведем старый, но очень хороший пример.

Берег тихого озера. В двух метрах от берега стоит лодка. Носом направлена в озеро. На корме лодки стоит паренек, хочет прыгнуть на берег. Присел, поднатужился, со всей силы прыгнул… и благополучно «приземлился» на берегу. А лодка… тронулась с места и тихо поплыла от берега.

Что получилось? Когда паренек прыгал, ноги его сработали как пружина, которая была сжата, а потом распрямилась. Эта «пружина» одним концом толкнула человека на берег. Другим - лодку в озеро. Лодка и человек оттолкнулись друг ох друга. Лодка поплыла, как говорят, благодаря отдаче, или реакции. Это и есть реактивный способ движения.

Схема многоступенчатой ракеты.

Отдача нам хорошо известна. Вспомните, например, как стреляет пушка. При выстреле снаряд вылетает из ствола вперед, а сама пушка при этом резко откатывается назад. Почему? Да все потому же. Порох внутри ствола пушки, сгорая, превращается в раскаленные газы. Стремясь вырваться, они давят изнутри на все стенки, готовы разорвать ствол пушки на куски. Они выталкивают артиллерийский снаряд и, расширяясь, работают тоже как пружина - «бросают в разные стороны» пушку и снаряд. Только снаряд полегче, и его удается отбросить на много километров. Пушка же потяжелее, и ее удается лишь немного откатить назад.

Возьмем теперь обычную маленькую пороховую ракету, которая уже сотни лет используется для фейерверков. Это картонная трубка, закрытая с одной стороны. Внутри - порох. Если его поджечь, он горит, превращаясь в раскаленные газы. Вырываясь через открытый конец трубки, они себя отбрасывают назад, а ракету вперед. И толкают ее так сильно, что она летит к небу.

Пороховые ракеты существуют давно. Но для больших, космических ракет порох, оказывается, не всегда удобен. Прежде всего - порох вовсе не самое сильное взрывчатое вещество. Спирт или керосин, например, если их мелко разбрызгать и смешать с капельками жидкого кислорода, взрываются посильнее пороха. Такие жидкости имеют общее название - горючее. А жидкий кислород или заменяющие его жидкости, содержащие много кислорода, называются окислителем. Горючее и окислитель вместе образуют ракетное топливо.

Современный жидкостный ракетный двигатель, или, сокращенно, ЖРД - это очень прочная, стальная, напоминающая бутылку камера сгорания. Ее горловина с раструбом - сопло. В камеру по трубкам в большом количестве непрерывно впрыскиваются горючее и окислитель. Происходит бурное горение. Бушует пламя. Раскаленные газы с невероятной силой и громким ревом вырываются через сопло наружу. Вырываясь, отталкивают камеру в обратную сторону. Камера закреплена на ракете, и получается, что газы толкают ракету. Струя газов направлена назад, и поэтому ракета летит вперед.

Современная большая ракета выглядит так. Внизу, в ее хвосте, стоят двигатели, один или несколько. Выше почти все свободное место занимают баки с топливом. Наверху, в головке ракеты, помещают то, ради чего она летит. То, что она должна «доставить по адресу». В космических ракетах это может быть какой-нибудь спутник, который надо вывести на орбиту, или космический корабль с космонавтами.

Саму ракету называют ракетой-носителем. А спутник или корабль - полезной нагрузкой.

Итак, мы как будто нашли выход из заколдованного круга. Имеем ракету с жидкостным ракетным двигателем. Двигаясь реактивным способом, она может «тихим ходом» пройти сквозь плотную атмосферу, выйти в космос и там разогнаться до нужной скорости.

Первая же трудность, с которой столкнулись ракетостроители, - это нехватка топлива. Ракетные двигатели нарочно делают очень «прожорливыми», чтобы они быстрее сжигали топливо, изготовляли и выбрасывали назад как можно больше газов. Но… ракета не успеет набрать и половины необходимой скорости, как топливо в баках кончится. И это несмотря на то, что мы заполнили топливом буквально всю внутренность ракеты. Сделать ракету крупнее, чтобы поместилось больше топлива? Не поможет. На разгон крупной, более тяжелой ракеты уйдет больше топлива, и никакой выгоды не получится.

Из этого неприятного положения выход тоже подсказал Циолковский. Он посоветовал делать ракеты многоступенчатыми.

Берем несколько ракет разного размера. Их называют ступенями - первая, вторая, третья. Ставим одну на другую. Внизу самую большую. На нее - поменьше. Сверху - самую маленькую, с полезной нагрузкой в головке. Это трехступенчатая ракета. Но может быть ступеней и больше.

При взлете разгон начинает первая, самая мощная ступень. Израсходовав свое топливо, она отделяется и падает обратно на Землю. Ракета избавляется от лишней тяжести. Начинает работать вторая ступень, продолжая разгон. На ней двигатели стоят поменьше, более легкие, и топливо они расходуют экономнее. Отработав, вторая ступень тоже отделяется, передавая эстафету третьей. Той уже совсем легко. Она и заканчивает разгон.

Все космические ракеты - многоступенчатые.

Следующий вопрос - как лучше всего ракете выходить в космос? Может быть, подобно самолету, разбежаться по бетонной дорожке, оторваться от Земли и, постепенно набирая высоту, подняться в безвоздушное пространство?

Это невыгодно. Слишком долго придется лететь в воздухе. Путь через плотные слои атмосферы надо по возможности сократить. Поэтому, как вы, наверное, заметили, все космические ракеты, куда бы они потом ни летели, взлетают всегда прямо вверх. И только в разреженном воздухе постепенно заворачивают в нужную сторону. Такой взлет в смысле расхода топлива самый экономный.

Многоступенчатые ракеты выводят полезный груз на орбиту. Но какой ценой? Посудите сами. Чтобы вывести на околоземную орбиту одну тонну, нужно сжечь несколько десятков тонн топлива! Для груза в 10 тонн - сотни тонн. Американская ракета «Сатурн-5», выводящая на околоземную орбиту 130 тонн, сама весит 3000 тонн!

И едва ли не самое огорчительное - мы еще не умеем возвращать на Землю ракеты-носители. Сделав свое дело, разогнав полезную нагрузку, они отделяются и… падают. Разбиваются о Землю или тонут в океане. Второй раз мы их не можем использовать.

Представьте себе, что пассажирский самолет строился бы только для одного рейса. Невероятно! А вот ракеты, которые стоят дороже самолетов, строят только для одного полета. Поэтому вывод на орбиту каждого спутника или космического корабля обходится очень дорого.

Но мы отвлеклись.

Далеко не всегда наша задача - только вывести полезную нагрузку на круговую околоземную орбиту. Гораздо чаще ставится более сложное задание. Например, доставить полезную нагрузку на Луну. А иногда и вернуть ее оттуда обратно. В этом случае после выхода на круговую орбиту ракета должна совершить еще много разных «маневров». И все они требуют расхода топлива.

Вот и поговорим теперь об этих маневрах.

Самолет летит носом вперед, потому что ему нужно острым носом разрезать воздух. А ракете, после того как она вышла в безвоздушное пространство, разрезать нечего. На ее пути ничего нет. И потому ракета в космосе после выключения двигателя может лететь в любом положении - и кормой вперед, и кувыркаясь. Если во время такого полета снова ненадолго включить двигатель, он толкнет ракету. И тут все зависит от того, куда нацелен нос ракеты. Если вперед - двигатель подтолкнет ракету, и она полетит быстрее. Если назад - двигатель попридержит, притормозит ее, и она полетит медленнее. Если ракета глядела носом вбок - двигатель толкнет ее в сторону, и она, не меняя скорости, изменит направление своего полета.

Один и тот же двигатель может делать с ракетой все что угодно. Разгонять, тормозить, поворачивать. Все зависит от того, как мы перед включением двигателя нацелим, или ориентируем ракету.

На ракете, где-нибудь в хвосте, стоят маленькие реактивные двигатели ориентации. Они направлены соплами в разные стороны. Включая и выключая их, можно подталкивать хвост ракеты вверх-вниз, вправо-влево и таким образом поворачивать ракету. Ориентировать ее носом в любую сторону.

Представим себе, что нам нужно слетать на Луну и вернуться. Какие для этого потребуются маневры?

Прежде всего мы выходим на круговую орбиту около Земли. Здесь можно передохнуть, выключив двигатель. Не расходуя ни грамма драгоценного топлива, ракета будет «молча» ходить вокруг Земли, пока мы не решим лететь дальше.

Чтобы добраться до Луны, надо с круговой орбиты перейти на сильно вытянутую эллиптическую.

Ориентируем ракету носом вперед и включаем двигатель. Он начинает нас разгонять. Как только скорость немного превысит 11 километров в секунду, выключаем двигатель. Ракета пошла по новой орбите.

Надо сказать, что «попасть в цель» в космосе очень трудно. Если бы Земля и Луна стояли неподвижно, а летать в космосе можно было бы по прямым линиям, дело было бы простое. Нацелился - и лети, держа цель все время «по курсу», как это делают капитаны морских кораблей и летчики. Там и скорость не имеет значения. Раньше или позже прибудешь на место, какая разница. Все равно цель, «порт назначения», никуда не денется.

В космосе все не так. Попасть с Земли в Луну - это примерно то же самое, что, быстро вращаясь на карусели, попасть мячиком в летящую птицу. Посудите сами. Земля, с которой мы взлетаем, вращается. Луна - наш «порт назначения» - тоже не стоит на месте, летит вокруг Земли, пролетая километр за каждую секунду. Кроме того, ракета наша летит не по прямой линии, а по эллиптической орбите, постепенно замедляя свое движение. Ее скорость лишь в начале была одиннадцать с лишним километров в секунду, а потом из-за притяжения Земли стала уменьшаться. И лететь надо долго, несколько суток. И при этом вокруг нет никаких ориентиров. Нет никакой дороги. Нет и не может быть никакой карты, потому что на карту нечего было бы наносить - ничего кругом нет. Одна чернота. Только далеко-далеко звезды. Они и над нами, и под нами, со всех сторон. И мы должны так рассчитать направление своего полета и его скорость, чтобы в конце пути прийти в намеченное место пространства одновременно с Луной. Ошибемся в скорости - опоздаем на «свидание», Луна ждать нас не будет.

Чтобы, несмотря на все эти трудности, дойти до цели, на Земле и на ракете стоят сложнейшие приборы. На Земле работают электронно-вычислительные машины, трудятся сотни наблюдателей, вычислителей, ученых и инженеров.

И, несмотря на все это, мы все же в пути раз-другой проверяем, правильно ли мы летим. Если немного отклонились, проводим, как говорят, коррекцию траектории. Для этого ориентируем ракету носом в нужную сторону, включаем на несколько секунд двигатель. Он чуть толкнет ракету, подправит ее полет. И дальше она уже летит как надо.

К Луне подходить тоже непросто. Во-первых, надо лететь так, как будто мы намерены «промазать» мимо Луны. Во-вторых, лететь «кормой вперед». Как только ракета поравнялась с Луной, включаем ненадолго двигатель. Он притормаживает нас. Под действием притяжения Луны мы заворачиваем в ее сторону и начинаем ходить вокруг нее по круговой орбите. Здесь можно снова немного передохнуть. Затем приступаем к посадке. Снова ориентируем ракету «кормой вперед» и еще раз ненадолго включаем двигатель. Скорость уменьшается, и мы начинаем падать на Луну. Недалеко от поверхности Луны снова включаем двигатель. Он начинает сдерживать наше падение. Надо так рассчитать, чтобы двигатель полностью погасил скорость и остановил нас перед самой посадкой. Тогда мы мягко, без удара опустимся на Луну.

Возвращение с Луны уже идет знакомым порядком. Сперва взлетаем на круговую, окололунную орбиту. Потом увеличиваем скорость и переходим на вытянутую эллиптическую орбиту, по которой идем к Земле. Вот только посадка на Землю происходит не так, как посадка на Луну. Земля окружена атмосферой, и можно для торможения использовать сопротивление воздуха.

Однако отвесно врезаться в атмосферу нельзя. От слишком резкого торможения ракета вспыхнет, сгорит, развалится на куски. Поэтому мы нацеливаем ее так, чтобы она вошла в атмосферу «вкось». В этом случае она погружается в плотные слои атмосферы не так быстро. Скорость наша снижается плавно. На высоте нескольких километров раскрывается парашют - и мы дома. Вот сколько маневров требует полет к Луне.

Для экономии топлива конструкторы и здесь используют многоступенчатость. Например, наши ракеты, которые мягко садились на Луну и потом привозили оттуда образцы лунного грунта, имели пять ступеней. Три - для взлета с Земли и полета к Луне. Четвертую - для посадки на Луну. И пятую - для возвращения на Землю.

Все, что мы говорили до сих пор, была, так сказать, теория. Теперь совершим мысленно экскурсию на космодром. Посмотрим, как это все выглядит на практике.

Строят ракеты на заводах. Всюду, где возможно, используют самые легкие и самые прочные материалы. Для облегчения ракеты стараются все ее механизмы и всю аппаратуру, стоящую на ней, делать как можно более «портативными». Легче получится ракета - больше можно взять с собой топлива, увеличить полезную нагрузку.

На космодром ракету привозят по частям. В большом монтажно-испытательном корпусе ее собирают. Потом особый кран - установщик - в лежачем положении везет ракету, пустую, без топлива, на стартовую площадку. Там он поднимает ее и ставит в вертикальное положение. Со всех сторон ракету обхватывают четыре опоры стартовой системы, чтобы она не упала от порывов ветра. Потом подводят к ней фермы обслуживания с балконами, чтобы техники, готовящие ракету к старту, могли подобраться к любому ее месту. Подводят заправочную мачту со шлангами, через которые в ракету заливают топливо, и кабель-мачту с электрическими кабелями для проверки всех механизмов и приборов ракеты перед полетом.

Космические ракеты огромны. Самая первая наша космическая ракета «Восток» и то имела высоту 38 метров, с десятиэтажный дом. А самая большая американская шестиступенчатая ракета «Сатурн-5», которая доставляла американских космонавтов на Луну, имела высоту больше ста метров. Поперечник ее у основания 10 метров.

Когда все проверено и заливка топлива закончена, фермы обслуживания, заправочную мачту и кабель-мачту отводят.

И вот старт! По сигналу с командного пункта начинает работать автоматика. Она подает в камеры сгорания топливо. Включает зажигание. Топливо воспламеняется. Двигатели начинают быстро набирать мощность, все сильнее давят снизу на ракету. Когда наконец они набирают полную мощность и приподнимают ракету, опоры откидываются, освобождают ракету, и она с оглушительным ревом, как бы на огненном столбе, уходит в небо.

Управление полетом ракеты производится частично автоматически, частично по радио с Земли. А если ракета несет на себе космический корабль с космонавтами, то управлять могут и они сами.

Для связи с ракетой по всему земному шару размещены радиостанции. Ведь ракета ходит вокруг планеты, и может возникнуть необходимость связаться с ней как раз тогда, когда она будет «на той стороне Земли».

Ракетная техника, несмотря на свою молодость, показывает нам чудеса совершенства. Ракеты летали на Луну и возвращались обратно. Летали за сотни миллионов километров на Венеру и Марс, совершая там мягкие посадки. Пилотируемые космические корабли выполняли в космосе сложнейшие маневры. Сотни самых различных спутников выведены в космос ракетами.

На путях, ведущих в космические дали, много трудностей.

Для путешествия человека, скажем, на Марс нам нужна была бы ракета совершенно невероятных, чудовищных размеров. Больше грандиозных океанских кораблей, весом в десятки тысяч тонн! О постройке такой ракеты нечего и думать.

На первое время, при полетах к ближайшим планетам, может помочь стыковка в космосе. Огромные космические корабли «дальнего плавания» можно строить разборными, из отдельных звеньев. С помощью сравнительно небольших ракет выводить эти звенья на одну и ту же «монтажную» орбиту около Земли и там состыковывать. Так можно в космосе собрать корабль, который будет даже крупнее ракет, по частям поднимавших его в космос. Технически это возможно даже сегодня.

Впрочем, стыковка облегчает завоевание космоса ненамного. Гораздо больше даст освоение новых ракетных двигателей. Тоже реактивных, но менее прожорливых, чем теперешние, жидкостные. Посещение планет нашей Солнечной системы резко двинется вперед после освоения двигателей электрических и атомных. Однако наступит время, когда станут необходимы полеты к другим звездам, в другие солнечные системы И тогда снова потребуется новая техника. Возможно, к тому времени ученые и инженеры сумеют построить фотонные ракеты. «Огненной струей» у них будет невероятно мощный луч света. При ничтожном расходе вещества такие ракеты смогут разгоняться до скоростей в сотни тысяч километров в секунду!

Космическая техника никогда не перестанет развиваться. Человек будет ставить перед собой все новые и новые цели. Для их достижения - придумывать все более совершенные ракеты. А создав их - ставить еще более величественные цели!

Многие из вас, ребята, наверняка, посвятят себя завоеванию космоса. Успехов вам на этом интереснейшем пути!

Как известно, ракета пока самый быстрый транспорт на планете Земля. У ракеты необычный двигатель, который называется – реактивным. Прежде чем ракета отправится в полет, ее огромные баки заправляют ракетным топливом. При старте происходит возгорание топлива, которое при сгорании превращается в раскаленный газ. Этот газ через сопло (сопло это такое узкое отверстие, расположенное на дне ракеты), с большой скоростью и силой вырывается наружу.

Мощная струя газа бьет в одну сторону, а ракета за счет ее отталкивающего действия летит в противоположную.

Весь груз расположен в самой верхней части этой многоступенчатой ракеты. Верхняя часть закрывается специальной обтекающей шапкой, которая так и называется – головной обтекатель. Каждая ступень – это самостоятельная ракета, внутри которой помещены баки с горючим, а в хвосте двигатели.

При старте включается самая нижняя и очень мощная , в обязанности которой входит поднять всю тяжесть через слои атмосферы. Когда топливо в ней полностью сгорает, нижняя ступень автоматически отсоединяется, как уже больше ненужный элемент и начинает работать двигатель второй ступени – ракеты. Ракета разгоняется все быстрее.

И когда кончается во второй средней ступени, включается двигатель самой верхней ракеты – носителя, а нижняя ступень тоже отсоединяется. Наконец разгоняется до первой космической скорости и выходит на орбиту земли, где он уже движется самостоятельно.

Отвалившиеся ступени не , от трения с атмосферой они раскаляются до такой степени, что полностью сгорают. Сама ракета носитель – космический корабль, разделяется на две части: спускаемый аппарат и приборный отсек. В спускаемом аппарате находятся космонавты, которые там работают, отдыхают и спят.

А в приборном отсеке находится тормозная двигательная установка, с помощью которой корабль возвращается на землю. Там же находятся приборы, с помощью которых космонавты проводят исследования.

Краткая история ракет

Общий принцип реактивного полета, который лег в основу всех ракет, прост - от тела отделяется какая-то часть, приводящая все остальное в движение.

Кто первым реализовал этот принцип – неизвестно, но различные догадки и домыслы доводят генеалогию ракетостроения аж до Архимеда. Доподлинно о первых подобных изобретениях известно, что ими активно пользовались китайцы, которые заряжали их порохом и за счет взрыва запускали в небо. Таким образом они создали первые твердотопливные ракеты. Большой интерес к ракетам появился у европейских правительств в начале

Второй ракетный бум

Ракеты ждали своего часа и дождались: в 1920-х годах начался второй ракетный бум, и связан он в первую очередь с двумя именами.

Константин Эдуардович Циолковский - ученый-самоучка из Рязанской губернии, невзирая на трудности и препятствия, сам дошел до многих открытий, без которых невозможно было бы даже говорить о космосе. Идея использования жидкого топлива, формула Циолковского, которая рассчитывает необходимую для полета скорость, исходя из соотношения конечной и начальной масс, многоступенчатая ракета - все это его заслуга. Во многом под влиянием его трудов создавалось и оформлялось отечественное ракетостроение. В Советском Союзе начали стихийно возникать общества и кружки по изучению реактивного движения, в числе которых ГИРД - группа изучения реактивного движения, а в 1933 году под патронажем властей появился Реактивный институт.

Константин Эдуардович Циолковский.
Источник: Wikimedia.org

Второй герой ракетной гонки - немецкий физик Вернер фон Браун. Браун имел отличное образование и живой ум, а после знакомства с другим светилом мирового ракетостроения, Генрихом Обертом, он решил приложить все свои силы к созданию и усовершенствованию ракет. В годы Второй Мировой фон Браун фактически стал отцом «оружия возмездия» Рейха - ракеты «Фау-2», которую немцы начали применять на поле боя в 1944 году. «Крылатый ужас», как называли её в прессе, принес разрушение многим английским городам, но, к счастью, на тот момент крах нацизма был уже делом времени. Вернер фон Браун вместе со своим братом решил сдаться в плен к американцам, и, как показала история, это был счастливый билет не только и не столько для ученых, сколько для самих американцев. С 1955 года Браун работает на американское правительство, и его изобретения ложатся в основу космической программы США.

Но вернемся в 1930-е. Советское правительство по достоинству оценило рвение энтузиастов на пути к космосу и решило употребить его в своих интересах. В годы войны себя отлично показала «Катюша» - система залпового огня, которая стреляла реактивными ракетами. Это было во многом инновационное оружие: «Катюша» на базе легкого грузовика «Студебеккер» приезжала, разворачивалась, обстреливала сектор и уезжала, не давая немцам опомниться.

Окончание войны подкинуло нашему руководству новую задачу: американцы продемонстрировали миру всю мощь ядерной бомбы, и стало совершенно очевидно, что на статус сверхдержавы может претендовать только тот, у кого есть нечто похожее. Но здесь была проблема. Дело в том, что, помимо самой бомбы, нам нужны были средства доставки, которые бы смогли обойти ПВО США. Самолеты для этого не годились. И СССР решил сделать ставку на ракеты.

Константин Эдуардович Циолковский умер в 1935 году, но ему на смену пришло целое поколение молодых ученых, которое и отправило человека в космос. Среди этих ученых был Сергей Павлович Королев, которому суждено было стать «козырем» Советов в космической гонке.

СССР принялся за создание своей межконтинентальной ракеты со всем усердием: были организованы институты, собраны лучшие ученые, в подмосковных Подлипках создается НИИ по ракетному вооружению, и работа кипит вовсю.

Только колоссальное напряжение сил, средств и умов позволило Советскому Союзу в кратчайшие сроки построить свою ракету, которую назвали Р-7. Именно её модификации вывели в космос «Спутник» и Юрия Гагарина, именно Сергей Королев и его соратники дали старт космической эре человечества. Но из чего состоит космическая ракета?

Конструкция ракеты

Схема двухступенчатой ракеты.

Взлетом космической ракеты сейчас можно полюбоваться и по телевизору, и в кино. Ракета вертикально стоит на бетонном стартовом столе. По команде из пункта управления включаются двигатели, мы видим загорающееся внизу пламя, мы слышим нарастающий рев. И вот ракета в клубах дыма отрывается от Земли и сначала медленно, а потом все быстрее и быстрее устремляется вверх. Через минуту она уже на такой высоте, куда не могут подняться самолеты, а еще через минуту - Космосе, в околоземном безвоздушном пространстве.

Двигатели ракеты называются реактивными. Почему? Потому что в таких двигателях сила тяги является силой реакции (противодействия) силе, которая отбрасывает в противоположную сторону струю раскаленных газов, получаемых от сгорания топлива в специальной камере. Как известно, согласно третьему закону Ньютона сила этого противодействия равна силе действия. То есть, сила, поднимающая ракету в космическое пространство равна силе, которую развивают раскаленные газы, вырывающиеся из сопла ракеты. Если Вам кажется невероятным, что газ, которому положено быть бесплотным, забрасывает на космическую орбиту тяжеленную ракету, вспомните о том, что сжатый в резиновых баллонах воздух успешно поддерживает не только велосипедиста, но и тяжелые самосвалы. Раскаленный добела газ, вырывающийся из сопла ракеты - тоже полон силы и энергии. Настолько, что после каждого старта ракеты стартовый стол ремонтируют, добавляя выбитый огненным вихрем бетон.

Третий закон Ньютона можно сформулировать иначе, как закон сохранения импульса. Импульсом называется произведение массы на скорость. В терминах закона сохранения импульса старт ракеты можно описать так.
Первоначально импульс космической ракеты, покоящейся на стартовой площадке, был равен нулю (Большая масса ракеты, умноженная на нулевую ее скорость). Но вот включен двигатель. Топливо сгорает, образуя огромное количество газообразных продуктов сгорания. Они имеют высокую температуру и с высокой скоростью истекают из сопла ракеты в одну сторону, вниз. Это создает вектор импульса, направленный вниз, величина которого равна массе истекающего газа, умноженного на скорость этого газа. Однако, в силу закона сохранения импульса, суммарный импульс космической ракеты относительно стартовой площадки должен быть по-прежнему равен нулю. Поэтому тут же возникает вектор импульса, направленный вверх, уравновешивающий систему «ракета - отбрасываемые газы». За счет чего возникнет этот вектор? За счет того, что стоящая до тех пор неподвижно ракета начнет движение вверх. Импульс, направленный вверх, будет равен массе ракеты, умноженной на ее скорость.

Если двигатели ракеты мощные, ракета очень быстро набирает скорость, достаточную для того, чтобы вывести космический корабль на околоземную орбиту. Эта скорость называется первой космической скоростью и равна приблизительно 8 километрам в секунду.

Мощность двигателя ракеты определяется в первую очередь тем, какое топливо сгорает в двигателях ракеты. Чем выше температура сгорания топлива, тем мощнее двигатель. В самых ранних советских ракетных двигателях топливом был керосин, а окислителем - азотная кислота. Сейчас в ракетах используется более активные (и более ядовитые) смеси. Топливом в современных американских ракетных двигателях является смесь кислорода и водорода. Кислородно-водородная смесь очень взрывоопасна, но при сгорании выделяет огромное количество энергии.