APUSK este produs cu ajutorul unei rachete cu mai multe etape ", - am citit deja aceste cuvinte de mai multe ori în rapoartele despre lansarea primelor sateliți de pământ artificial din lume, crearea unui satelit al Soarelui și lansarea rachetelor spațiale pe Lună. Doar o scurtă frază, precum și o lucrare inspirată de oameni de știință, ingineri și muncitori patriei noastre se află în spatele acestor șase cuvinte!
Care sunt rachetele moderne cu mai multe etape? De ce a devenit necesar să se utilizeze rachete constând dintr-un număr mare de etape pentru misiunile spațiale? Ce efect tehnic are creșterea numărului de etape de rachete?
Să încercăm să răspundem pe scurt acestor întrebări. Pentru a efectua zboruri în spațiu, sunt necesare cantități uriașe de combustibil. Ele sunt atât de mari încât nu pot fi plasate în rezervoarele unei rachete cu o singură treaptă. La nivelul modern al științei inginerești, este posibilă construirea unei rachete, în care combustibilul ar reprezenta 80-90% din greutatea sa totală. Și pentru zborurile către alte planete, rezervările de combustibil necesare trebuie să fie sute sau chiar mii de ori mai mari decât greutatea rachetei și încărcătura utilă din ea. Cu rezervările de combustibil care pot fi plasate în rezervoarele unei rachete cu o singură treaptă, este posibil să se atingă o viteză de zbor de până la 3-4 km / sec. Îmbunătățirea motoarelor cu rachete, căutarea celor mai favorabile tipuri de combustibil, utilizarea materialelor structurale de înaltă calitate și îmbunătățirea în continuare a proiectării rachetelor vor crește, fără îndoială, viteza rachetelor cu o singură treaptă. Dar va fi încă departe de vitezele cosmice.
Pentru a atinge viteze cosmice, Tsiolkovsky a propus utilizarea rachetelor cu mai multe etape. Însuși omul de știință ia numit figurativ "trenuri de rachete". Potrivit lui Tsiolkovsky, un tren de rachete sau, așa cum spunem acum, o rachetă cu mai multe etape, ar trebui să fie alcătuit din mai multe rachete, întărite una peste alta. Racheta inferioară este de obicei cea mai mare. Acesta poartă întregul "tren". Următorii pași devin din ce în ce mai mici.
La decolarea de pe suprafața Pământului funcționează motoarele rachetei inferioare. Acționează până când tot combustibilul din tancurile sale este epuizat. Când rezervoarele din prima etapă sunt goale, acestea se separă de rachetele superioare, astfel încât să nu se încarce încărcătura mortă cu zborul lor ulterior. Prima etapă separată cu rezervoare goale pentru o vreme continuă să zboare în sus prin inerție și apoi cade la pământ. Pentru a salva prima etapă de dragul reutilizării, puteți să vă asigurați coborârea prin parașută.
După separarea primei etape, motoarele celei de-a doua etape sunt activate. Acestea încep să funcționeze când racheta a crescut deja la o anumită înălțime și are o viteză semnificativă de zbor. Motoarele celei de-a doua etape dispersează racheta în continuare, sporind viteza cu încă câțiva kilometri pe secundă. După consumarea întregului combustibil conținut în rezervoarele celei de-a doua etape, este descărcat. Flotarea ulterioară a rachetei compozite este asigurată de funcționarea motoarelor din a treia etapă. Apoi, treapta a treia este de asemenea abandonată. Coada se apropie de motoarele celei de-a patra etape. După finalizarea lucrărilor care le sunt atribuite, ele măresc viteza rachetei cu o anumită sumă și apoi dau drumul la motoarele celei de-a cincea etape. După căderea celei de-a cincea etape, motoarele încep de la al șaselea început.
Situat pe părțile laterale ale acesteia și următoarele inversări ale părții figurinei care prezintă o rachetă spațială, poate face un model pliabil al acesteia. Pentru a face acest lucru, trebuie să aliniați paginile, așa cum se arată în diagrama.
Astfel, fiecare etapă a vitezei de zbor racheta crește în mod succesiv, iar ultimul nivel superior atinge o viteză spațială de vid necesară. În cazul în care sarcina de a efectua aterizarea pe o altă planetă și să se întoarcă înapoi pe Pământ, apoi ejectate în rachetă spațială, la rândul său, trebuie să constea din mai multe etape, incluse consecutiv în timpul coborârii pe planeta si decolare de la ea.
Este interesant să vedem ce efect are utilizarea unui număr mare de etape pe rachete.
Ia-o rachetă cu o singură treaptă, cu o greutate de pornire de 500 t Presupunem că greutatea este distribuită după cum urmează :. Payload - 1 tonă greutate uscată de pași - 99,8 m și combustibil - 399,2 T Prin urmare, perfecțiunea structurală a rachetei, astfel încât greutatea. combustibilul de 4 ori depășește greutatea uscată a etapei, adică greutatea rachetei însăși, fără combustibil și încărcătură utilă. Numărul de Tsiolkovsky, adică raportul în greutate de lansare de rachete a greutății sale, după epuizarea întregii cantități de combustibil va fi egal cu 4,96 pentru aceasta racheta. Acest număr și viteza debitului de gaze din duza motorului determină viteza pe care racheta o poate atinge. Să încercăm acum să înlocuim racheta cu o singură etapă cu una cu două etape. Din nou, vom lua o sarcina utila de 1 m și presupun că etapele perfecțiune constructive și viteza gazului expirare rămân aceleași ca și în racheta cu o singură treaptă. Apoi, așa cum se arată prin calcule, pentru a atinge aceeași viteză de zbor, precum și în primul caz, este nevoie de o rachetă în două trepte, cu o greutate totală de numai 10,32 m, care este de aproape 50 de ori mai ușor decât o singură etapă. Greutatea uscată a rachetei în două etape să fie 1,86 m, iar greutatea combustibilului, plasate în ambele etape, -. 7,46 m După cum se poate observa, în acest exemplu, înlocuirea unei singure etape, cu două trepte de rachete de 54 de ori permite reducerea consumului de metal și a alerga combustibil în timpul implementării aceeași sarcină utilă .
Să luăm de exemplu o lansare spațială cu o sarcină utilă de 1 t Să presupunem că racheta trebuie să străpungă atmosfera densă și luată în vid, pentru a dezvolta o viteză de evacuare. - 11.2 km / sec. În diagramele noastre se arată modificări de greutate într-un spațiu de rachete în funcție de greutatea fracțiunii de combustibil în fiecare etapă și numărul de etape (vezi. P. 22).
Este ușor de calculat că, dacă vom construi un motoare de racheta care sunt eliminate gazele cu o viteză 2400 m / s, în fiecare dintre etapele asupra combustibilului, reprezentând doar 75% în greutate, chiar dacă dispozitivul șase etape de rachete decolare greutate ar fi foarte mare - aproximativ 5.5 mii tone. Îmbunătățirea caracteristicii de proiectare a treptelor de rachete, este posibil să se obțină o reducere semnificativă a greutății inițiale. De exemplu, dacă reprezintă combustibilul pentru 90% din gradul de greutate, de șase rachete poate cântări 400 de tone.
Un efect deosebit de mare este oferit de utilizarea combustibilului cu calorii ridicate în rachete și de creșterea eficienței motoarelor. Dacă în acest mod de a crește viteza de gaz care curge din duza de motor numai 300 m / sec, aducând-o la valoarea prezentată în graficul - 2700 m / sec, racheta de lansare în greutate ar putea fi redus de mai multe ori. O rachetă cu șase trepte, în care greutatea combustibilului doar de 3 ori greutatea etapei de construcție, va avea o greutate de pornire de aproximativ 1,5 mii. T. O reducere a greutății structurii la 10% din greutatea totală a fiecărei etape, putem reduce greutatea inițială a rachetei la același număr de pași până la 200 de tone.
Dacă debitul de gaz este mărit cu încă 300 m / s, adică, pentru a-l lua egal cu 3 mii m / s, va avea loc o reducere și mai mare a greutății. De exemplu, rachete șase combustibil la o fracțiune de greutate de 75%, va avea o greutate de pornire de 600 de tone. Prin creșterea fracției în greutate a combustibilului până la 90%, este posibil să se creeze un spațiu rachetă cu doar două etape. Greutatea sa ar fi de aproximativ 850 m. Crescând de 2 ori numărul de trepte, este posibil să se reducă greutatea rachetei la 140 m. A cu șase trepte decolare scădere în greutate până la 116 m.
Iată cum afectează numărul de pași, perfecțiunea lor constructivă și rata de expirare a gazului asupra greutății rachetei.
Atunci când zboară rachete către alte planete, consumul de combustibil necesar nu se limitează la cantitatea necesară pentru a accelera atunci când decolează de pe Pământ. Venind pe o altă planetă, nava spațiale intră în sfera atracției sale și începe să se apropie de suprafața sa cu viteză sporită. În cazul în care o planetă lipsită de atmosferă, capacitatea de a rambursa cel puțin o parte din viteza, racheta in toamna la suprafața planetei se va dezvolta aceeași viteză, care este necesară pentru plecarea de pe această planetă, adică să scape de viteză. Amploarea celei de-a doua viteze cosmice, după cum se știe, este diferită pentru fiecare planetă. De exemplu, pentru Marte este de 5,1 km / sec, pentru Venus - 10,4 km / sec, pentru Luna - 2,4 km / sec. În cazul în care racheta va zbura până la sfera de gravitație a planetei, avînd o anumită viteză față de cea din urmă, viteza de cădere a rachetei va fi și mai mare. De exemplu, a doua rachetă spațială sovietică a ajuns la suprafața Lunii la o viteză de 3,3 km / sec. Dacă sarcina este de a asigura o aterizare lină a rachetei pe suprafața lunii, atunci la bordul rachetei este necesară o rezervă suplimentară de combustibil. Pentru a stinge orice viteză, este necesar să consumați aceeași cantitate de combustibil necesară pentru a se asigura că racheta dezvoltă aceeași viteză. În consecință, o rachetă spațială destinată livrării în siguranță a unei încărcături către suprafața lunară trebuie să aibă rezerve semnificative de combustibil. O rachetă cu o singură treaptă, cu o sarcină utilă de 1 tonă, ar trebui să aibă o greutate de 3-4,5 tone, în funcție de perfecțiunea sa constructivă.
Anterior, am arătat o greutate enormă trebuie să aibă rachete pentru a transporta marfa în spațiu la 1 m. Și acum vedem că această marfă este doar o treime sau chiar o a patra fracție poate fi coborâtă în condiții de siguranță pe suprafața Lunii. Restul trebuie să fie reprezentat de combustibil, rezervoare de stocare, motor și sistem de control.
Ce ar trebui, în final, să fie greutatea de lansare a unei rachete spațiale destinate furnizării în siguranță a echipamentului științific sau a altor mărfuri utile care cântăresc 1 tonă la suprafața Lunii?
Pentru a da o idee despre navele de acest tip, în desenul nostru afișat provizoriu, în contextul unei rachete cu cinci trepte, destinate livrării către suprafața containerului a Lunii cu echipament științific, în greutate de 1 tona. Calculul acestei rachete au fost pe datele tehnice prezentate într-un număr mare de cărți (de exemplu, în cărțile lui V. Feodos'ev și G. Sinyarev "Introducere în tehnologia rachetelor" și "Motoarele rachetelor" ale lui Sutton).
Motoarele cu rachete care lucrează cu combustibil lichid au fost luate. Pentru alimentarea combustibilului în camerele de combustie, sunt furnizate unități de pompare turbionare conduse de produse de descompunere a peroxidului de hidrogen. Debitul mediu de gaz pentru motoarele de primă treaptă se presupune a fi de 2 400 m / s. Motoarele etapelor superioare funcționează în straturi atmosferice foarte rare și într-un spațiu fără aer, astfel încât eficiența lor este ceva mai mare, iar pentru ei debitul de gaz este considerat a fi de 2.700 m / sec. Pentru caracteristicile structurale ale etapelor au fost adoptate valori precum cele întâlnite în rachetele descrise în literatura tehnică.
Următoarele caracteristici de greutate rachetă spațială avansat la datele inițiale selectate: decolare greutate- 3348 m, inclusiv 2892 T - combustibil 455 m - 1 t construcție și - sarcina utilă. Greutatea etapelor individuale au fost distribuite după cum urmează :. Prima etapă - 2760 m, iar al doilea - 495 m, iar al treilea - 75.5 m, a patra - 13,78 m, al cincilea - racheta 2,72 m înălțime a ajuns la 60 m, cu diametrul de pe treapta inferioară - 10 m.
La prima etapă, au fost livrate 19 motoare cu o tură de 350 tone fiecare. Al doilea - 3 din același motor, pe a treia - trei motor cu o forță de 60 de tone, la a patra -. Unul cu o forță de 35 de tone și la ultima etapă - motor cu o forță de 10 tone.
Când decolează de pe suprafața Pământului, motoarele din prima treaptă accelerează racheta la o viteză de 2 km / sec. După resetarea carcasei goale a primei etape, motoarele următoarelor trei trepte sunt pornite, iar racheta dobândește oa doua viteză spațială.
Apoi, racheta zboară spre Lună prin inerție. Apropiind suprafața sa, racheta se rotește cu o duză în jos. Motorul din a cincea treaptă este pornit. Elimină viteza căderii și racheta se alunecă ușor pe suprafața lunară.
Figura de mai sus și calculele aferente, desigur, nu reprezintă un proiect real al unei rachete lunare. Ele sunt date numai pentru a da prima idee despre scara rachetelor cosmice cu mai multe etape. Este foarte clar că proiectarea unei rachete, dimensiunile și greutatea acesteia depind de nivelul de dezvoltare a științei și tehnologiei, de materialele disponibile pentru designeri, de combustibilul utilizat și de calitatea motorului cu rachete, precum și de calitatea constructorilor săi. Crearea de rachete spațiale reprezintă spații fără limite pentru creativitatea oamenilor de știință, a inginerilor și a tehnologilor. În acest domeniu, mai sunt multe descoperiri și invenții care trebuie făcute. Și cu fiecare nouă realizare, caracteristicile rachetelor se vor schimba.
Ca avioane moderne, cum ar fi „IL-18“, „TU-104“, „TU-114“ nu sunt ca avioanele care zburau la începutul acestui secol, iar rachetele spațiale sunt îmbunătățite în mod continuu. În timp, nu numai energia reacțiilor chimice, ci și alte surse de energie, de exemplu, energia proceselor nucleare, vor fi utilizate pentru zborul în spațiu în motoarele cu rachete. Odată cu schimbarea tipurilor de motoare cu rachete, proiectarea rachetelor se va schimba, de asemenea. Dar ideea remarcabilă a Tsiolkovsky pentru a stabili un „tren rachetă“ va aparține întotdeauna un rol onorabil în studiul vaste întinderi de spațiu.