Ракеты и двигатели
Как ракета летит в пустоте: реактивная тяга, уравнение Циолковского, многоступенчатые схемы, жидкостные и ионные двигатели, многоразовые ракеты и солнечный парус.
Ракета — единственный пока способ вывести груз в космос. Чтобы понять, почему ракеты такие огромные и почему они так дороги, достаточно одной формулы, которую вывел Константин Циолковский.
Как ракета летит в пустоте
Ракета не отталкивается от воздуха или земли. Она выбрасывает назад рабочее тело (газ) с большой скоростью, и по закону сохранения импульса сама получает такой же импульс вперёд. Ракета потому и работает в пустоте, где нет воздуха; именно в вакууме она эффективнее. Сила, которая ускоряет ракету, называется тягой.
Главная характеристика двигателя — скорость истечения газа, или удельный импульс (в секундах). Чем выше скорость выброса, тем меньше топлива нужно для того же прироста скорости.
Уравнение Циолковского
В 1903 году калужский учитель Константин Циолковский опубликовал работу «Исследование мировых пространств реактивными приборами», где вывел связь между приростом скорости ракеты и массой топлива: Δv = w · ln(M₀ / M₁). Здесь w — скорость истечения газов, M₀ — стартовая масса ракеты с топливом, M₁ — масса после выработки топлива. Логарифм означает неприятную вещь: чтобы увеличить скорость вдвое, топлива нужно не вдвое больше, а в разы. Поэтому у ракет вроде «Сатурна-5» около 85–90 % стартовой массы составляет топливо («Аполлон»).
Чтобы выйти на низкую орбиту, нужна первая космическая скорость около 7,9 км/с («Космические скорости»), а с учётом потерь на тяготение и сопротивление воздуха ракета должна набрать порядка 9–10 км/с.
Ступени
Решение — многоступенчатая ракета: отработавшая ступень с пустыми баками отбрасывается, и дальше ускоряется только то, что осталось. Идею предложил ещё Циолковский. Первая ракета-носитель, выведшая спутник, — советская Р-7: 4 октября 1957 года она запустила первый искусственный спутник Земли, а 12 апреля 1961 года — корабль «Восток» с Юрием Гагариным («История космонавтики»). В ступенчатой схеме работает и «Союз», который летает до сих пор.
Химические двигатели
Горючее и окислитель в ракете хранятся вместе, потому что воздуха для горения в космосе нет. Сочетания разные: - Твёрдое топливо — простое и надёжное, но трудно управлять и нельзя выключить. Оно в ускорителях Space Shuttle и SLS. - Керосин и жидкий кислород — «Союз», Falcon 9; удельный импульс порядка 300–350 с. - Водород и кислород — самые энергичные из жидких пар (около 450 с), но водород очень лёгок и требует больших баков. Так работают двигатели RS-25 шаттлов и ракеты SLS и верхние ступени «Сатурна-5». - Метан и кислород — топливо новых двигателей, например Raptor у Starship и BE-4 у ракет New Glenn и Vulcan; метан удобнее водорода в хранении и пригоден для добычи на Марсе.
Электрические и ионные двигатели
Ионный двигатель разгоняет ионы газа (чаще ксенона) электрическим полем. Тяга у него ничтожна — около 90 миллиньютонов, как вес листа бумаги, — зато скорость выброса в разы больше, чем у химического, а удельный импульс — в несколько тысяч секунд. Для старта с Земли это не годится, но в космосе, где можно разгоняться месяцами и годами, такой двигатель экономит огромную массу топлива. Первым межпланетным аппаратом с ионным двигателем стал Deep Space 1 (1998). Зонд Dawn с тремя ионными двигателями вышел на орбиту сначала вокруг астероида Весты, а затем карликовой планеты Цереры («Плутон и карликовые планеты»): химический двигатель для такого маршрута потребовал бы гораздо больше топлива.
Многоразовые ракеты
Ступень стоит больше всего денег, и в течение десятилетий её выбрасывали. Шаттлы (1981–2011) использовали многоразовые ускорители и сам орбитальный корабль, но обслуживание обходилось дорого. 21 декабря 2015 года первая ступень ракеты Falcon 9 вернулась на площадку и села, после чего посадки и повторные пуски стали регулярными. Сегодня над возвращением ступеней и кораблей работают и другие компании («Новые миссии»).
Что дальше
Для дальних полётов перебирают другие идеи: ядерные тепловые двигатели (рабочее тело нагревается реактором) разрабатывались ещё в 1960-е, солнечный парус использует давление света — японский аппарат IKAROS в 2010 году показал, что парус работает в межпланетном полёте. Скорости, нужные для поездок за пределы Солнечной системы, пока остаются недостижимыми: «Вояджеры» летят со скоростью около 17 км/с, а до ближайшей звезды им лететь десятки тысяч лет («Вояджеры»).