Досье любознательных
Современные ракеты-носители
Запуск космических аппаратов на околоземные орбиты и осуществление полетов к Луне, планетам и другим телам Солнечной системы стали возможны после создания необходимых для этого многоступенчатых космических ракет - ракет-носителей (РН). Ракета (от итальянского госс/пвНа -веретено) - летательный аппарат, использующий принцип реактивного движения и способный летать не только в атмосфере, но и в вакууме. Большинство современных ракет-носителей оснащаются химическими ракетными двигателями, которые используют твердое, жидкое или гибридное ракетное топливо. Основные компоненты топлива - жидкий кислород (окислитель) и керосин (горючее), кроме того, применяются четы-рехокись азота и несимметричный диметилгид-разин, жидкие кислород и водород. Масса топлива составляет 85-90% от стартовой массы ракеты. Химическая реакция между горючим и окислителем проходит в камере сгорания двигателя, в ре-
зультате получаются горячие газы, которые выбрасываются, создавая тягу, она и заставляет ракету двигаться. Основной энергетический показатель работы каждого ракетного двигателя - удельный импульс тяги (отношение тяги к расходу топлива в секунду). Например, один из мощных современных ракетных двигателей РД-701 (Россия) тягой 4 МН (408 тс) и удельным импульсом в вакууме 462 с расходует топливо со скоростью 491 кг/с. Стартующие с Земли РН позволяют запускать полезные нагрузки (ПН) со скоростью, равной или выше первой космической (7.9 км/с), то есть достаточной для выведения ИСЗ на низкие орбиты. Обычно ракета при выведении ПН на низкую околоземную орбиту движется на активном участке, то есть с работающими двигателями, примерно 10-15 мин. Если необходимо выведение ПН на более высокие орбиты или траектории полета к Луне и за пределы тяготения Земли, то еще раз включаются двигатели последней (верхней) ступе-
ни РН или разгонный блок после пассивного участка, длительность движения на котором зависит от выбранной траектории полета. КА переводится либо на геостационарную орбиту (высотой 36 тыс. км), либо на высокоэллиптические орбиты,либо на траекторию полета к Луне и планетам. Вторая космическая скорость в поле тяготения Земли (11.19 км/с) необходима для запуска АМС к планетам и другим телам Солнечной системы. Третья космическая скорость (16.7 км/с) достаточна, чтобы КА улетел за пределы Солнечной системы.
Современная многоступенчатая космическая ракета представляет собой сложное сооружение, состоящее из тысяч деталей и устройств. Разрабатываемые в настоящее время ракеты-носители соответствуют высочайшим критериям современной науки и техники, при их создании используются передовые технологии и вычислительная техника. Космические технологии оказывают значительное влияние на нашу жизнь,
90
© Левитан Е.П., Герасютин С.А.
1 -
2-
3-
4-
5-
6-
7-
8-
старт и работа первой ступени РН,
отделение боковых блоков первой ступени и включение двигателей второй ступени, сброс створок головного обтекателя,
отделение второй ступени и включение двигателей третьей ступени, сброс створок хвостового отсека, отделение третьей ступени,
запуск двигательной установки четвертой ступени, отделение ИСЗ от верхней ступени РН.
Схема выведения ИСЗ на околоземную орбиту (по рисунку из книги С.П. Уманского "Ракеты-носители. Космодромы". М.: "Рестарт+", 2001).
ю
Устройство современной ракеты-носителя.
Головной обтекатель
Третья ступень
Приборный отсек
Вторая ступень (центральный блок)
Крепление блоков первой ступени
Космический аппарат
- Разгонный блок
и— Переходный отсек
Бак горючего (керосин)
\ Отсек системы управления и измерения
Бак окислителя (кислород)
Маршевый двигатель
Ферма переходная
Бак окислителя (кислород)
Первая ступень (боковые блоки)
Хвостовой отсек двигательной установки
• Межбаковый отсек
Бак горючего (керосин)
Маршевые двигатели
Рулевые двигатели
помогая внедрить новые материалы и сплавы, средства коммуникации, компьютерную технику и т.д. Ступени ракет-носителей содержат топливные баки с горючим и окислителем, двигательную установку (маршевые и рулевые двигатели). Полет ракеты регулируется бортовой системой управления движением. Схема расположения ступеней на РН различна. При продольном разделении ступени размещаются одна над другой и работают последовательно, включаясь только после отделения предыдущей ступени. Такая, весьма распространенная, схема применяется, например, на российских РН "Днепр" и "Протон-М", китайских "С2-3/3Д" и "С2-4С", израильской "ЭИау-И". Верхние ступени, доставляющие ПН на заданные орбиты, сейчас заменили разгонными блоками, это, например, российские "ДМ", "Бриз-М" (РН "Протон") и "Фрегат" (РН "Союз-ФГ"). В отличие от продольной, в поперечной схеме ("пакетной") несколько блоков первой ступени симметрично располагаются вокруг корпуса второй ступени. Таких РН немного, и они бывают двухступенчатыми, например советская "Спутник" (1957-1958) и американские "ДИав-Б/й" (19581963). Широко используется комбинированная схема -
"Союз-2" (Россия).
продольно-поперечная, позволяющая совместить преимущества обеих схем. К ним относятся отечественные ракеты-носители "Восток", "Союз" и "Энергия", американские "ТКап-Э/4" и "ОеИа-4Н", европейская "Апапе-5", японские "Н-11/11А", индийская "ОЭЬУ". По особой схеме устроена американская многоразовая транспортная космическая система "Спейс Шаттл, первая ступень которой - два твердотопливных ускорителя, а вторая ступень -пилотируемый космический корабль с внешним сбрасываемым топливным баком. Маршевая двигательная установка кораб-
ля расходует топливо из внешнего бака, когда оно будет исчерпано, бак сбрасывается. Далее работают другие двигатели корабля (маневрирования и ориентации), они же используются для маневров в космосе и торможения во время посадки. Современные ракеты-носители, как правило, имеют не более четырех ступеней. Чтобы улучшить энергетические характеристики РН, применяются стартовые ускорители,работающие в основном на твердом топливе. На участке полета в плотных слоях атмосферы ПН и разгонный блок, как правило, закрыты головным обтекателем, который сбрасывается в разреженных слоях атмосферы. В зависимости от энергетических характеристик и способности выводить на низкую околоземную орбиту ПН определенной массы ракеты-носители условно разделяются на классы: легкие (масса ПН до 4 т), средние (до 20 т), тяжелые (20-Э0 т) и сверхтяжелые (более 30 т). К основным характеристикам РН относятся: внешние габариты (максимальные высота и диаметр), используемый на ступенях тип топлива, число ступеней, разгонных блоков и стартовых ускорителей, стартовая масса, тяга двигательных установок на уровне моря (стартовая), максимальная масса ПН на низкой околоземной орбите. Стартовая тяга двигательной установки РН обычно выражается в меганьютонах (1 МН =
"Днепр" (Россия).
= 102 тс). Например, суммарная тяга гагаринского носителя "Восток" достигала 3.4 МН = 347 тс (мощность двигательной установки - 15 х 106 кВт, или 2 х 107 л.с.).
В начале космической эры ракеты-носители были только у СССР и США. В настоящее время собственными РН обладают шесть стран (Россия, США, Китай, Япония, Индия и Израиль) и две международные корпорации -"Arianespace" (ESA) и "Морской старт". Первые спутники с помощью собственных ракет-носителей запустили в 19571958 гг. СССР и США, в 1970 г. к ним присоединились КНР и Япония, в 1979-1980 гг. - ESA и Индия, в 1988 г. - Израиль. В 1999 г. впервые стартовала РН "Зенитки' с
"Протон-М" (Россия).
морской платформы "Одиссей" по программе "Морской старт".
РОССИЯ
К числу современных наиболее мощных отечественных ракет-носителей относятся "Союз-2", "Днепр" и "Протон-М".
Носитель среднего класса "Союз-2" (высота -50.7 м, диаметр - 10.3 м, топливо - керосин + жидкий кислород, три ступени и разгонный блок "Фрегат", стартовые масса -308.6 т и тяга - 3.8 МН, ПН -до 9 т). Она заменит ста-
рые РН "Союз"и "Молния", будет запускать КА на различные орбиты, пилотируемые и грузовые корабли на МКС. На ней используется новая цифровая система управления, модифицированные ЖРД и большой головной обтекатель (диаметр 4.1 м и длина 11.4 м). Запуски РН производятся с 2004 г. 19 октября 2006 г. она запустила с космодрома Байконур метеорологический ИСЗ "Metop-A" европейской организации "Eu-metsat" (масса 4 т), через два месяца оттуда же она стартовала с французской космической обсерваторией "Corot", а с Плесецка вывела новый российский спутник связи "Меридиан" (масса 2 т).
РН "Днепр" (высота -34.3 м, диаметр - 3.0 м, топливо - азотный тетрок-сид + несимметричный ди-метилгидразин, три ступени, стартовые масса -207-211 т и тяга - 2.8 МН, ПН - до 4 т) создана в КБ "Южное" (Украина) на базе МБР Р-36М (РС-20А). Она обладает высокими энергетическими возможностями, точностью выведения и надежностью в полете. Программа реализуется международной компанией "Космотрас" (Россия и Украина). Стартует РН из шахтного транс-портно-пускового контейнера, после этого запускается двигательная установка первой ступени. Первый запуск осуществлен 21 апреля 1999 г. с космодрома Байконур (английский научный спутник "UoSAT-12"). 17 апреля 2007 г. она запустила сра-
"Ангара-5А" (проект, Россия).
зу 14 микроспутников разных стран.
На модифицированной РН "Протон-М" (высота 52-58.2 м, диаметр - 7.4 м, топливо - азотный тет-
роксид + несимметричный диметилгидразин, три ступени и разгонный блок "Бриз-М", стартовые масса - 700-710 т и тяга -11.8 МН, ПН - до 24 т) используются новые агрегаты и системы. Большие головные обтекатели (диаметр 5 м) позволят более чем вдвое увеличить объем для размещения ПН и конкурировать с зарубежными носителями, например с РН "Апапе-5", а также использовать ряд перспективных разгонных блоков. При первом старте 7 апреля 2001 г. с космодрома Байконур "Протон-М" вывела геостационарный спутник связи "Экран М-4", созданный в НПО прикладной механики. 11 февраля 2008 г. она вывела на геостационарную орбиту норвежский ИСЗ связи "ТИог-5" (масса 2 т), а 15 марта - американский "АМС-14" (масса 4.1 т) того же назначения. С помощью "Пр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.