Для чего нужны ракеты
Запуск ракеты: зачем и как осуществляется
Пуск ракеты сегодня уже не считается чем-то необычным, ученые постоянно отправляют в космос подобные летательные аппараты. Но от этого процесс не становится менее увлекательным. В данной статье разберемся, для чего вообще необходимо запускать ракеты и как это происходит.
Зачем нужен запуск ракеты
Если на данный момент возможен запуск космического корабля, имеется немало беспилотных спутников, то целесообразным становится вопрос: для чего нужно отправлять ракеты, если это требует огромных финансовых вложений? Выделим несколько основных причин:
Процесс подготовки к старту ракеты
Опишем подробнее, как осуществляются космические запуски. Выкат ракеты из ангара производится за два дня до запуска, эту задачу стандартно выполняют на рассвете. Локомотив с устройством направляют на стартовую площадку. По традиции на эту территорию ракету сопровождают пешим ходом люди с автоматами и инженеры. Процесс ее выката и установки занимает несколько часов. Вертикализация летательного аппарата происходит бесшумно при помощи силовых балок, в таком положении он остается до дня полета. После монтажа конструкции, первыми на нее входят специалисты, чтобы проверить её исправность. Далее происходит заправка объекта топливом.
Космонавты в последние дни запуска должны пребывать в абсолютно стерильной зоне. Любое общение с прессой и родственниками осуществляется из-за стеклянной перегородки. В день вылета космонавтов, одетых в скафандры, проверяют наличие включенных систем жизнедеятельности. Позже они подключаются к бортовой системе космического корабля. Для наблюдателей за запуском существует специальный смотровой пункт, расположенный на дистанции в 1800 метров от пуска. Запуск ракеты в космос происходит уже тогда, когда начинает темнеть. Технические службы еще раз оценивают связь и производят другие проверки систем аппарата.
Космонавты заходят внутрь ракеты и ждут начала отправления. За полчаса до главного события технологические фермы отходят от космического устройства, при этом он продолжает удерживаться на весу за счет силовых балок. В самом конце, перед тем как стартовать, ведется обратный отсчет, и аппарат летит в космос.
Чтобы лично наблюдать за процессом, можно заказать тур на космодром, например, на первый и крупнейший в мире – «Байконур». С него совсем недавно был запущен на орбиту «Протон-М». По желанию можно посмотреть на официальном сайте Роскосмоса, какую запустили ракету сегодня и каким старт только предстоит.
Что происходит при запуске космического корабля
Космическое устройство имеет реактивный двигатель. Перед стартом ракеты топливо поджигают, происходит горение и его превращение в раскаленный газ. Через отверстия днища ракеты мощно выходят потоки газа, которые толчками отбрасывают аппарат в сторону.
Космический корабль имеет сложную конструкцию, состоящую из 3 похожих ступеней. На каждом таком уровне имеется двигатель и топливо. Проходя все ступени подключения, на последней включается космическая скорость, и корабль выходит на орбиту в одиночку. Третья ступень ракеты целиком сгорает при отщеплении.
megavolt_lab
megavolt_labЗаписки сумасшедшего ракетчика
В этом блоге я буду много писать о ракетах и космических аппаратах, но для начала давайте разберемся с тем, что же такое ракета и за счет чего она летает. Ведь кроме ракеты есть еще немало видов техники, умеющей летать.
Есть тип летательных аппаратов, которые могут обходиться вообще без двигателя. Это аэростаты (воздушные шары). Летают только засчет силы Архимеда. В сети есть много видео, где люди развлечения ради запускают самодельные воздушные шары с камерой, как они пишут, в космос. Вот пример такого видео:
Но как же подняться выше предельных высот для самолетов и воздушных шаров? Вот тут-то нас и выручит ракета. Основное отличие ракеты от других видов летательных аппаратов состоит в том, что полет ракеты практически никак не зависит от внешних условий (плотности воздуха, его состава и т. п.), поскольку все, что ей нужно для полета у нее с собой.
Для того, чтобы ракета полетела, нужно чтобы сила, с которой она отталкивается от рабочего тела (эту силу называют тягой двигателя) превышала вес ракеты. Параметр, показывающий, во сколько раз тяга двигателя превышает вес ракеты, называется тяговооруженность ракеты.
Современная ракета Союз очень тяжелая. Ее масса вместе с топливом и поднимаемым ей космическим кораблем составляет 307,7 тонн. Для того, чтобы поднять такую массу, ракете нужно выбрасывать рабочее тело с огромной скоростью: от 2,5 км/с, до 3 км/с, что примерно в 9 раз превышает скорость звука у поверхности Земли.
Вот, как выглядит старт этой ракеты:
Но для успешного полета ракете мало только двигателя и топлива. Нужна еще, как минимум, система стабилизации. Дело в том, что сила тяги двигателя прикладывается к ракете снизу, гораздо ниже ее центра тяжести, поэтому ракета в течение всего полета находится в состоянии неустойчивого равновесия. Чтобы понять смысл этих слов попробуйте удержать карандаш острием на пальце.
Работает она очень просто: «крылышки» (называются стабилизаторы) увеличивают площадь поверхности корпуса ракеты позади центра тяжести. При отклонении ракеты от курса набегающий поток воздуха давит на боковую поверхность корпуса тем сильнее, чем больше эта поверхность. Поскольку позади центра тяжести поверхность больше, чем впереди, воздух давит на нее сильнее, заставляя ракету повернуться вокруг центра тяжести и вернуться на курс.
Разумеется, такая система работает только в атмосфере. В космосе, где воздуха нет, аэродинамические стабилизаторы бесполезны. Для космических ракет применяется активная система стабилизации. Она состоит из гироскопа, бортовой электроники и маленьких подруливающих двигателей.
Вот здесь можно посмотреть на то, как работает гироскоп:
Основываясь на показания датчиков, следящих за положением гироскопа относительно ракеты, бортовая электроника выдает команды исполнительным механизмам на изменение положения маленьких подруливающих двигателей, расположенных рядом с основным двигателем. Они изменяют направление вектора тяги, создавая вращательный момент, возвращающий ракету в заданное положение.
На этой фотографии изображен двигатель центрального блока ракеты Союз. Кроме основных четырех сопел видны четыре маленьких сопла, расположенные по краям блока. Это и есть подруливающие двигатели. Они закреплены на кардановом подвесе, поэтому могут поворачиваться.
На этом пока все. В следующей статье я расскажу о том, как ракеты выводят на орбиту космические аппараты.
Космические ракеты: на чем человечество покоряет Вселенную
Ракеты-носители «Союз» являются «рабочими лошадками» российской пилотируемой космонавтики. Сегодня только они могут доставлять людей на МКС
4 октября 1957 года на орбиту нашей планеты был выведен первый искусственный спутник ИСЗ-1. С тех пор прошло более шестидесяти лет, и сегодня полеты в космос – давно привычное дело. Освоение околоземного пространства стало возможным благодаря ракетам-носителям (РН) – особому классу летательных аппаратов, способных победить земное притяжение.
Современные ракеты-носители на химическом топливе трудно назвать идеальным средством покорения Вселенной. После каждого запуска эти сложнейшие многотонные изделия сгорают в атмосфере или превращаются в груду металлолома. Именно поэтому запуски космических аппаратов обходятся так дорого. Однако пока это единственный способ побороть притяжение нашей планеты, и вряд ли человечество в ближайшие годы придумает что-нибудь более эффективное.
Что такое космические ракеты
Ракета-носитель – это разновидность баллистической ракеты, которая способна вывести полезную нагрузку за пределы атмосферы планеты. Как правило, РН имеют несколько ступеней, для их запуска используют вертикальный или воздушный старт. Ракеты космического назначения могут выводить грузы на низкие опорные, геопереходные и геостационарные (ГСО) орбиты.
Полезная нагрузка, доставляемая на орбиту, является лишь малой долей (ничтожные 1,5-2,0 %) от общего веса ракеты. Ее основную массу составляют элементы конструкции, а также окислитель и топливо. Получается, что РН поднимает в первую очередь саму себя и лишь в небольшой степени полезный груз.
Ракета «Ангара» – надежда российской космонавтики. Она должна заменить заслуженные, но уже устаревшие «Протоны»
Для повышения эффективности ракеты составляют из нескольких ступеней, каждая из которых имеет топливный бак и двигатель и, по сути, является самостоятельной ракетой. Ступени включаются одна за другой, работают до полного исчерпания топлива, а затем сбрасываются, уменьшая общий вес РН. Достичь космического пространства способна и одноступенчатая ракета, что было доказано еще немецкой «Фау-2», но она не может выйти на стабильную орбиту спутника планеты или вывести на него полезный груз.
Используют и комбинированную схему. Например, она применяется на российских «Союзах» и «Протонах». В этом случае первая и вторая ступень разделяются поперечно, а после их отделения начинает работу третья ступень.
Важнейшим элементом ракеты-носителя является двигатель. Он выбрасывает раскаленное вещество и, в соответствии с третьим законом Ньютона, толкает аппарат в противоположную сторону. В зависимости от типа используемого топлива, РН бывают:
Твердотопливные двигатели отличаются простотой конструкции и невысокой стоимостью, но на космических ракетах, как правило, используются двигатели на жидком топливе. Они позволяют регулировать тягу в широких пределах, а также производить многократные включения и выключения. Последняя особенность особенно важна при маневрировании на орбите. Существует множество типов ЖРД: с открытым и закрытым циклом, с частичной и полной газификацией топлива.
Ракета-носитель Electron предназначен для вывода на орбиту легких и сверхлегких спутников. Созданием этих ракет занимается компания Rocket Lab
Важнейшая характеристика любой ракеты-носителя – вес полезной нагрузки, который она способна забросить на низкую околоземную орбиту (НОО). Исходя из нее, выделяют следующие классы РН:
Самой мощной и грузоподъемной из когда-либо построенных считается американская сверхтяжелая ракета-носитель «Сатурн-5». Она использовалась в программе «Аполлон» и могла вывести на НОО 140 тонн.
Немного истории
Впервые идею о применении ракет для исследования космического пространства высказал Константин Циолковский в начале XX столетия, он же предложил многоступенчатую схему ракет-носителей.
Реваншем США стала программа «Аполлон», в ходе которой на Луну были доставлены несколько миссий, и человек впервые ступил на поверхность другого небесного тела. Этот триумф был бы невозможен без уникальной ракеты «Сатурн-5», чьи характеристики остаются непревзойденными и сегодня.
Очень интересным американским проектом был «Спейс шаттл». Его идея заключалась в создании многоразовой системы для доставки на орбиту грузов и астронавтов. Она состояла из космического корабля, похожего на самолет, двух ускорителей и огромного топливного бака. «Шаттлы» взлетали вертикально, а садились на обычную взлетную полосу, по-самолетному. Применив такую конструкцию, разработчики надеялись существенно снизить цену одного пуска. Однако эти ожидания не оправдались – цена доставки килограмма на орбиту у «шаттла» оказалась даже выше, чем у огромного «Сатурна-5».
Ракета-носитель «Энергия» и многоразовый космический корабль «Буран». Самый технологичный проект Советского Союза
Советским ответом на «шаттл» стал многоразовый челнок «Буран». На орбиту его выводила ракета-носитель сверхтяжелого класса «Энергия», способная доставлять на НОО до 100 тонн груза. «Буран» совершил единственный полет в беспилотном режиме в 1988 году, в 1993 – программа была закрыта.
Какие ракеты-носители используются сегодня
Россия
Российская ракета-носитель «Протон»
Falcon Heavy и ее создатель Илон Маск
Это далеко не полный список американских космических ракет и компаний-производителей, работающих в данной отрасли. Каждый год появляются новые фирмы и стартапы, занимающиеся космической техникой. Большая часть из них разоряется, но оставшиеся на плаву генерируют новые идеи и двигают человечество в космос.
Китай
Китайская ракета «Чанчжэн-5»
«Великий поход». Китай покоряет околоземные пространства с помощью семейства ракет-носителей «Чанчжэн» («Великий поход»). Оно включает в себя легкие, средние и тяжелые аппараты. 27 декабря 2019 года был успешно запущен «Чанчжэн-5Y3», способный вывести на НОО 25 т. В будущем китайцы планируют с помощью этой ракеты доставлять грузы и космонавтов на Луну и Марс, а также строить собственную орбитальную станцию. Все РН этой группы используют исключительно экологически чистое топливо: жидкий кислород, керосин и жидкий водород.
Европа
«Ариан-5». Это тяжелая одноразовая ракета-носитель, предназначенная для вывода на НОО до 21 т полезного груза. Ее первый запуск состоялся еще в 1997 году, с тех пор ракета более ста раз выводила аппараты на орбиту планеты. Сегодня ведутся работы над созданием следующей модификации РН, старт которого намечен на 2023 год. «Ариан-5» – довольно дорогая ракета, каждый ее запуск обходится Европейскому космическому агентству в 160-220 млн долларов.
Ракеты 2.0: космическая эпоха Возрождения
Вспомните, когда вы в последний раз поднимали голову и смотрели на звезды?
Осталось ли в памяти ощущение величия и необъятности Вселенной, которое появилось после получения первых знаний об окружающем вас мире? А тот момент, когда вы впервые узнали расстояние от Земли до Луны, до других планет Солнечной системы? Какие мысли возникали в вашей голове в этот момент?
Скорее всего, с возрастом эти мысли стали уходить на второй план, ведь человек привыкает ко всему, а семейные и рабочие вопросы затягивают похлеще трясины.
Но не всех. В ракетном деле, как и в любой сфере, есть свои энтузиасты, которые «горят» своим делом и идут вперед, не отвлекаясь на внешние факторы. И именно эти люди, которые когда-то лежали на траве, глядя на столь далекие звезды в ночном небе, решили сделать их ближе.
Ближе для всего человечества.
Мы не располагаем достоверными данными о человеке, который первым подал мысль о том, что человек может вырваться за пределы атмосферы Земли с помощью искусственного аппарата.
Но первые задокументированные исследования, в которых теория уже начинала пересекаться с практическими планами реализации, принадлежат перу Константина Циолковского — русского ученого, философа и признанного основоположника теории ракетостроения.
В трактате «Грезы о земле и небе и эффекте всемирного тяготения» (1895 год) изобретатель пришел к выводу, что преодолеть гравитацию возможно, используя реактивные силы двигателя и естественные физические процессы. Максимальное ускорение движения и центробежная сила — главные факторы, правильно применяя которые, можно справиться с притяжением Земли.
В 1903 году была опубликована работа «Исследование мировых пространств реактивными приборами», в которой Циолковский создал проект первой ракеты. Ее характеристики достаточно близки к реально сконструированным позднее моделям:
Многие идеи из трудов Циолковского (расчеты полета, конструкции ракет и траектория движения) использовались впоследствии на практике ракетостроителями всего мира. Но все же главным его достижением, на наш взгляд, является не техническая составляющая трудов — основным эффектом стало изменение мышления целого поколения ученых и инженеров, которые знакомились с его теоретическими выкладками.
И сам Циолковский это прекрасно понимал: «Во многих случаях я принужден лишь гадать или предполагать. Я нисколько не обманываюсь и отлично знаю, что не только не решаю вопроса во всей полноте, но что остается поработать над ним в 100 раз больше, чем я поработал. Моя цель возбудить к нему интерес, указав на великое значение его в будущем и на возможность его решения».
Прошедшие годы показали, что отцу космонавтики это удалось — его труды сподвигли десятки, а позже сотни и тысячи людей начать работы в этой новой для человечества сфере.
И вот наступила весна 1926 года, и первая ракета на жидком топливе устремилась ввысь. Историческое событие произошло в городе Оберн, расположенном в штате Массачусетс.
Американский ученый и инженер Роберт Годдард полностью организовал и успешно провел первый пуск устройства длиной в человеческую руку на высоту в 12 метров. И хотя такие габариты и дистанция, на которую аппарат Годдарда поднялся в воздух, сейчас выглядят довольно смешно, в тот момент этот запуск заложил основу будущего ракетной промышленности США.
Существенную роль в развитии новой сферы сыграл известный летчик Чарльз Линдберг, который помог найти Годдарду инвестора — известного финансиста и филантропа Дэниэла Гуггенхайма.
С момента запуска первой ракеты в США прошло десять лет, и вот ученые СССР под руководством Сергея Королева начали первые пробные испытания по созданию ракет-носителей. В 1933 году был проведен первый эксперимент по запуску на жидком (гибридном) топливе.
Проект ГИРД-09 стал дебютом советских ученых: ракета с одноразовым двигателем под номером 09 имела массу всего 19 кг и работала на сгущенном канифолью бензине с жидким кислородом в качестве окислителя.
К сожалению, все пробные запуски заканчивались провалами — лучшим результатом стало достижение отметки в полтора километра, после чего ракета выходила из строя по разным причинам. Исследования приостановились, и новый виток попыток покорения космоса начался уже в послевоенное время.
В 1945 году, после окончания Второй Мировой войны, страны-победительницы вновь обратили внимание не только на военные исследования в области ракетостроения — завоевание космического пространства фактически равнялось выдвижению государства в лидеры на политической арене.
Работы, касающиеся запуска ракет, проводились параллельно в двух державах-гигантах: США и СССР. Шансы были приблизительно равны, ведь у стран-соперниц появилась материально-техническая и научная база Германии, которая на тот момент была явным лидером ракетного дела: СССР получил в свое распоряжение детали инновационной немецкой баллистической ракеты «Фау-2» и завод по ее изготовлению.
Этот ученый практически в одно время с Циолковским, не будучи при этом знакомым с его трудами, пришел к аналогичным выводам о возможностях ракет и подкрепил их целым рядом научных работ. В Советском союзе руководителем проекта в НИИ-88 назначили реабилитированного после репрессий Королева.
Державы-соперницы вели фактически идентичную деятельность, предпринимая попытки создать ракету, способную победить земное притяжение (на основе элементов «Фау-2»). Для этого было необходимо преодолеть так называемую «линию Кармана» (высота 100 километров над уровнем моря), что было технически выполнимо для немецких ракет дальнего действия.
Двигатель на горючем из жидкого кислорода в сочетании с этанолом позволял развить огромную скорость и обеспечивал высокую дальность полета в горизонтальной плоскости (до 320 км).
Стоит отметить, что еще в 1944 году немецкие исследователи под руководством фон Брауна проводили пробные вертикальные запуски, во время которых ракета «Фау-2» смогла преодолеть высоту в 188 км и, таким образом, стать первым в истории объектом, попавшим в открытый космос.
Фактически в США и СССР происходило следующее: ученые раз за разом модифицировали немецкую «Фау-2», пользуясь опытом и рабочими выкладками немецких коллег. Целью был полноценный космический полет. В США для этого разрабатывалась секретная программа Hermes.
Ракеты, собранные по аналогии с немецкими трофеями, запускались вплоть до 1952 года, и первое время достигали результатов, которые оставляли советские достижения позади.
И это было неудивительно, ведь сам Вернер фон Браун в начале взаимодействия с американским властями достаточно резко отреагировал на слова о своей первопроходческой деятельности в области разработки, сборки и запуска ракет: «Вы не знаете о собственном первопроходце ракетостроения? Доктор Годдард был впереди всех нас!»
Несмотря на успехи в отрасли, одноступенчатой системы, которой с лихвой хватало для военных целей (примером служит баллистическая ракета PGM-19 «Юпитер»), было недостаточно для реального выхода на околоземную орбиту и тем более для перевозки грузов, что было следующей целью космических исследований.
Но работы не стояли на месте, и в 1949 году Америка произвела запуск двухступенчатой ракеты, где «Фау-2» выступала первой ступенью, а в качестве второй использовалась WAC Corporal, созданная по американским технологиям. Это был наиболее успешный эксперимент: устройство преодолело линию Кармана и достигло высоты 393 км при скорости 1,8 км/с.
Особое конструкторское бюро (ОКБ-1) при НИИ-88 продвигалось по аналогичному пути, исследуя детали и модифицируя те же трофейные «Фау-2». У Королева в распоряжении был завод и немецкий испытательный полигон, с которого и проводились многочисленные пробные запуски аналогов немецких ракет под маркировкой «Р».
Пробные запуски «Р-1» совершались с 1947 года. Высота полета неуклонно росла: «Р-1» достигла отметки в 247 км, а в 1949 году «Р-2» преодолела рубеж в 600 км. Чтобы продвинуться к итоговой цели, которой был запуск первого простейшего спутника, потребовалось 6 поколений ракет.
Кстати, на основе чертежей «Р-2», выданных Китаю дружественным Советским Союзом, в стране были созданы баллистические военные ракеты «Дунфэн», впоследствии ставшие прообразом китайских космических кораблей «Чанчжэн».
В 1957 году была разработана ракета «Р-7» с дальностью полета 9000 км, способная развить скорость 8 км/с и выйти на околоземную орбиту. Именно она доставила на орбиту аппарат «Спутник-1».
Триумфальный запуск произошел с космодрома «Байконур». Спутник был простейшим устройством, представляющим собой сферу диаметром 58 см и массой 83 кг. Аппаратура, установленная на устройстве, позволила ему передать с орбиты радиосигнал об успешном завершении миссии, а также измерить плотность верхнего слоя атмосферы. В итоге устройство облетело Землю за 96 минут, выполнив все поставленные задачи.
Таким образом, теоретические предположения о возможности выбраться за пределы Земли и оставаться при этом на радиосвязи были подтверждены в реальности.
Но эта реальность была жестко приправлена происходящим в мире процессом — холодной войной сверхдержав.
В первую очередь политиков волновало не развитие космической промышленности с целью исследований околоземного пространства, а лишь то, возможна ли перевозка грузов не менее тонны. Грузов, предназначенных для войны. В рамках политики это было уже серьезной угрозой, не исключающей возможность атаки с космоса.
Уже через 5 месяцев после первого успешного запуска, в 1957 году, СССР вновь вывел на орбиту объект, «Спутник-3», несущий на борту 1300 кг полезной нагрузки.
Промышленность США практически не отставала: через год американцам также удалось вывести на околоземную орбиту свой спутник «Эксплорер-1». Использовалась четырехступенчатая модификация ракеты PGM-19. Модель носила кодовое название «Джуно-1».
Американский спутник весил всего 4,8 кг, но был оснащен счетчиком Гейгера, с помощью которого вокруг планеты был найден радиоактивный пояс Ван-Аллена. Стоит отметить, что американцы также часто сталкивались с неудачами при запуске новых ракет и выведении спутников на орбиту: из 11 моделей всего 3 достигли программных целей.
Так или иначе, но ближнее околоземное пространство было исследовано с помощью автоматических аппаратов. Новой целью космической гонки стала Луна.
Начало космического «соревнования» было не очень удачным. США запустили серию ракет «Юпитер-С» с зондами «Пионер», но первые три полета закончились падением лунных зондов из-за раннего сгорания первой ступени. Четвертый зонд, запущенный в 1959 году, пролетел мимо Луны, но дальше, чем планировалось.
Вплоть до 1959 года терпели фиаско и советские ракетостроители. Основной причиной были развивающиеся в процессе полета сильные колебания, разрушающие корпус носителя.
Ситуацию спасло техническое решение: в отсеке с топливом установили гидродемпфер – устройство, гасящее амплитуду колебаний. Оснащенная гидродемпфером станция «Луна-1» (ракета-носитель «Восток-Л») смогла выйти за пределы орбиты, но из-за ошибки в расчетах попала на орбиту Солнца, превратившись в искусственный спутник светила.
В том же 1959 году на спутник Земли отправили первый зонд (с помощью ракеты «Восток»). Станция «Луна-2» провела измерения радиации и магнитного поля вокруг спутника Земли и выполнила успешную посадку на поверхность Луны. Таким образом, впервые аппарат, созданный человеком, сел на поверхность другого небесного тела.
После победы над гравитацией и первым перелетом на спутник Земли перед учеными остро встает вопрос: есть ли способ отправить в космос на пилотируемой ракете живое существо так, чтобы оно выжило за пределами планеты и успешно вернулось на Землю?
Без возможности отправки в космическое пространство живого человека с последующим его успешным возвращением все дальнейшие исследования теряли смысл, поэтому следующим этапом стала система разработки жизнеобеспечения в условиях космоса.
Технические характеристики ракет по-прежнему не отличались совершенством, запуск не гарантировал успешного исхода миссии. Достаточно обратиться к статистике: с 1957 по 1961 год и у США, и у СССР успешно проходили два запуска из трех.
Первые попытки проверки эффективности систем жизнеобеспечения проводились на животных. Известные Белка и Стрелка были далеко не первыми собаками, запущенными в космос, но первыми, которым удалось там выжить.
Еще в 1957 году на борту «Спутника-2» была установлена отдельная кабина с собакой Лайкой, которая погибла через 5 часов после запуска из-за ошибок в расчете терморегуляции системы жизнеобеспечения. Безуспешные запуски с различными представителями фауны продолжались до 1960 года, но все ракеты разрушались в связи с техническими неполадками.
Параллельно велись исследования, касающиеся возможности создания возвращаемого аппарата. Наконец в 1960 году удалось успешно запустить на орбиту Земли и вернуть обратно станцию «Спутник-5» с выжившими Белкой и Стрелкой на борту. Это событие можно считать новым этапом развития технологии ракетостроения: теперь в космос можно было отправлять живых существ, используя космические аппараты
Отправка человека в космос и его удачное возвращение стало следующим этапом в развитии космонавтики. 12 апреля 1961 года Юрий Гагарин облетел Землю на корабле «Восток-1».
Во время полета космонавт размещался в небольшой капсуле с теплозащитой и атмосферой из смеси азота с кислородом под давлением. Конструкция аппарата предусматривала возможность ручного и автоматического пилотирования. Сам полет продолжался 90 минут и завершился успешным возвращением Гагарина на Землю. Советский союз и практически весь цивилизованный мир ликовал.
Через месяц США также смогли произвести успешный запуск аппарата с космонавтом Аланом Шепардом на борту. Корабль «Меркурий-3», закрепленный на ракете-носителе «Редстоун», не достиг орбиты Земли, но пересек линию Кармана, поднявшись на высоту 186 км. Пилотируемая капсула была защищена от перегрева титановой обшивкой, а внутренняя атмосфера состояла из кислорода без примесей. Шепард стал первым космонавтом, осуществившим пилотирование в условиях невесомости.
На орбиту американцы попали в 1962 году. Джон Гленн, пилотирующий «Меркурий-6», совершил три оборота вокруг Земли и доказал, что в условиях невесомости можно проводить работы внутри корабля, находящегося в открытом космосе.
Оставался открытым вопрос, сможет ли человек выжить вне корабля, находясь в невесомости и используя автономные средства жизнеобеспечения.
Фактически одновременно это удалось подтвердить на практике экипажам кораблей «Восход» (СССР) и «Джемини-4» (США). В марте 1965 года советский космонавт Алексей Леонов провел 20 минут за пределами корабля, а в июне того же года астронавт Эдвард Уайт изучал перемещение в невесомости (также около 20 минут).
Корабли постепенно становятся многоместными: мощности ракет теперь хватает, чтобы отправлять экипажи для разнообразных исследований и брать большее количество научной аппаратуры и полезной нагрузки в целом.
При всех достижениях перелеты оставались достаточно рискованными: не до конца отлаженные системы могли отказать в самый неожиданный момент.
Так, в 1967 году сгорел экипаж «Аполлона» (астронавты Уайт, Гриссом, Чаффи), в этом же году при возвращении на Землю из-за отказа парашютной системы разбился советский космонавт Владимир Комаров. Человечество понесло первые жертвы, но это не остановило пионеров космоса.
Второе по значимости событие после полета Гагарина — высадка человека на Луну,— произошло в 1969 году. Экипаж корабля «Аполлон-11» успешно достиг спутника Земли, а Нил Армстронг совершил первую среди людей лунную прогулку длиной в два с половиной часа и успешно вернулся на родину человечества, не забыв прихватить с собой образцы лунного грунта.
Фраза Нила Армстронга: «Это один маленький шаг для человека, но гигантский скачок для всего человечества», стала такой же знаменитой во всем мире, как и «Поехали!» Юрия Гагарина.
Путешествия людей за пределами Земли и высадка на другие планеты становилась реальностью.
Недостатком ракетных установок и космических кораблей оставался малый срок службы — стоимость аппаратов и потребляемого топлива была так высока, что владеть подобными устройствами могли только государства.
Корабли быстро сгорали в слоях атмосферы, а каждый новый запуск требовал не только денег, но и большого количества времени на подготовку. После первых успехов стало понятно, что разовые запуски невыгодны — за короткий период нахождения космонавтов на орбите времени на полноценное изучение космоса и Земли катастрофически не хватало.
Эта проблема положила начало эпохе разработки орбитальных станций (ОС) длительного срока эксплуатации, в которых люди смогли бы жить и работать на орбите нашей планеты.
В 1971 году была выведена первая орбитальная станция «Салют-1». Она представляла собой саму станцию (модифицированный военный корабль «Алмаз») и трехместный космический корабль «Союз-10» с экипажем. Для запуска использовалась ракета-носитель «Протон».
Из-за технических проблем в единственном стыковочном шлюзе первый экипаж не смог проникнуть внутрь станции, но успешно вернулся на Землю, совершив первую в мире ночную посадку космического модуля.
Позже туда отправился корабль «Союз-11», команде которого удалось провести на «Салют-1» 24 дня. На обратном пути случилось несчастье — капсула с экипажем разгерметизировалась, и члены экипажа, до последнего пытавшиеся устранить поломку, погибли, не добравшись до Земли. Это событие притормозило развитие советской космонавтики на долгие 27 месяцев.
Но энтузиасты космического дела не останавливались. Гибель экипажа «Союза-11» (Добровольского, Волкова и Пацаева) простимулировала создание безопасных для человека решений.
Технические проблемы были устранены, и в 1977 году новые ракеты понесли людей на орбиту Земли. Время пребывания экспедиций на борту значительно увеличилось, и в конструкции появилось два стыковочных узла — за счет этого выполнять работы стало проще.
Таким образом, человек научился жить в космосе.
Первый мировой рекорд непрерывного нахождения на орбитальной станции «Салют-7» составил почти 237 дней.
Электрическое питание обеспечивалось солнечными панелями. Вода и кислород отчасти (в меньшей мере) регенерировались системами жизнеобеспечения, а частично — доставлялись с поверхности планеты. Кроме того, сама станция достраивалась с помощью дополнительных стыкуемых модулей, доставленных ракетами с Земли. Сама ОС работала до 1991 года, после чего, согласно плану эксплуатации, штатно сгорела в атмосфере.
Немного позже «Салюта», в 1973 году США запустили свою ОС «Скайлаб-1», которая была единственной американской станцией на орбите и просуществовала до 1979 года.
В отличие от «Салют-7», у «Скайлаб» не было собственных двигателей, зато имелось несколько узлов стыковки: проводить технические работы было проще, а на борт могло попасть сразу несколько экипажей.
В качестве космического корабля, который обеспечивал прибытие и возвращение космонавтов, а также служил командным модулем станции, использовался аппарат «Аполлон».
Энергию станция получала от солнечных панелей на корпусе. Как раз с ними в процессе запуска и возникли неполадки, которые были устранены ремонтной командой. Личный состав провел необходимые работы по устранению, после чего оставался на орбите еще 28 дней, проводя все необходимые исследования.
Всего на борт «Скайлаб-1» было отправлено три экспедиции. После третьего визита проект заморозили, и станция сгорела в атмосфере в 1979 году (раньше, чем планировалось).
Запуски орбитальных спутников и ОС продолжались до 1990 года. В это же время (1986 год) СССР запустил на орбиту первую многомодульную космическую станцию «Мир», состоящую из 5 сегментов (и двух недостроенных модулей).
Основной модуль был модифицированным «Салютом» («Салют-8» или «Заря»). Станция задумывалась как место постоянного жительства экипажей и включала технические, жилые и служебные отсеки, а также модули для наблюдения за космосом — с медицинским оборудованием, портами стыковок и беспилотником-снабженцем.
На ОС имелось шесть узлов стыковки. Доставка экипажей на борт КС и на Землю производилась с помощью КК «Союз». По официальной версии, причиной для заморозки проекта стал новый приоритет — Международная космическая станция (МКС), а также финансовые сложности, связанные с содержанием сразу двух станций в космосе.
Кроме того, «Мир» был поврежден пожаром из-за столкновения с беспилотником «Прогресс» в 1997 году и требовал дорогостоящего ремонта. Несмотря на то что в 2001 году президент Ирана предложил выкупить ОС или финансировать ее содержание в течение ближайших двух-трех лет (в обмен на допуск и обучение иранского космонавта), было принято решение о ликвидации «Мира».
В марте 2001 года конструкция была смещена с орбиты толчком КК «Прогресс». Штатное затопление станции произошло в Тихом океане.
В 1998 году сверхдержавы (включая США, Россию, Европу, Японию и Канаду) объединились и создали одну общую многонациональную станцию (МКС).
Многомодульная станция рассчитана на длительное проживание космонавтов, выполняющих мультинациональные научные программы.
Пока это самый внушительный аппарат в космосе: объем конструкции составляет 400 кубических метров, а вес – почти 400 тонн. Поскольку собранную станцию поднять было невозможно (ракет подобной мощности не существовало), МКС собирали прямо на орбите, постепенно присоединяя к ней различные модули.
Российский жилой модуль «Звезда» был создан на базе ОС «Салют» («Салют-9»). Первый экипаж из России прибыл на станцию в 2000 году и прожил там 5 месяцев. Космонавт из США Пегги Уилсон установила рекорд пребывания человека в космосе (665 дней).
Командные центры МКС находятся в США и России, а в целом этот дорогостоящий проект (на конец 2018 года в создание, модернизацию и обслуживание станции инвестировано более 150 млрд долларов) существует по настоящее время.
Сейчас главными целями развития ракетостроения являются:
В приоритетах — коммерческая сфера ракетостроения: переброска грузов и космический туризм. Единственным на сегодняшний день рабочим решением является использование многоразовых ракет нового поколения.
И этот вариант развития стал возможным благодаря тому, что космические программы больше не являются монополией государств — к игре присоединились частные компании. Коммерческое ракетостроение и частные перелеты существенно расширят сферу освоения космоса людьми.
На борту орбитальных станций активно ведутся эксперименты по обеспечению полной регенерации кислорода и воды. Физико-химические системы частичного цикла уже применялись в первых «Салютах»: из отходов жизнедеятельности и атмосферы концентрировалась влага, а воздух очищался от углекислого газа.
На данный момент в МКС применяется частично замкнутая система контроля окружающей среды и жизнеобеспечения (ECLSS), которая способна регенерировать воду и очищать атмосферу. Совершенствование этой системы — одно из приоритетных направлений.
Предполагается, что в будущем для создания полностью замкнутой системы жизнеобеспечения, а также воспроизведения пищи и кислорода будут использоваться биологические процессы.
Дополнительно анализируются способы выращивания растений на борту аппаратов. Все эти меры в комплексе обеспечат широкую автономность орбитальных станций и космических кораблей, избавив находящихся в космосе людей от привязки к Земле и, как следствие, позволят заняться исследованием глубокого космоса.
Важным вопросом, который постепенно перешел от теории к практической реализации в современных космических исследованиях, становится колонизация других планет — преимущественно Луны и Марса.
Но при текущем уровне развития космической техники доставка людей и груза — билет в один конец. Состав атмосфер на планетах и существующие технологические решения не позволяют создавать космодромы для обратного запуска. Устранению этой проблемы посвящен ряд государственных и частных проектов.
Ведутся разработки по усовершенствованию двигателей и топлива. Планируется переход на более эффективные и экономичные виды систем — идеальным было бы создание ядерного двигателя, работающего на газообразном топливе — небольшой объем и огромная мощность позволили бы увеличить скорость движения и максимальную грузоподъемность ракеты.
Но исследования этого вида топлива, проводившиеся с 1950-х годов в США (NERVA) и СССР (РД-0410), не были завершены. Эксперименты закончились неудачно, поскольку в реакторе использовалось твердое топливо и достигнутой максимальной температуры оказалось недостаточно для толчкового выброса.
Работы по газофазному двигателю также не увенчались успехом и были заморожены в 1994 году из-за риска загрязнения окружающей среды продуктами распада и невозможности защитить корпус аппарата от побочных реакций.
Россия пошла по пути освоения электрической энергии: с 2007 года Роскосмос ведет разработку ракетной установки на электротяге. Результатом должна стать возвращаемая конструкция с высокой грузоподъемностью и скоростью, в несколько раз превышающей аналогичный параметр аппаратов на химическом топливе.
Создание однократно запускаемых ракет-носителей стало крайне невыгодным занятием — затраты на производство не окупаются, поскольку на орбиту регулярно выводятся многочисленные спутники, а к другим планетам отправляются исследовательские беспилотники.
Стоимость деталей ракеты и топлива тормозит развитие частного использования космических аппаратов (транспортировка грузов и туризм), поэтому единственным решением являются многоразовые возвращаемые ракеты.
На текущий момент (конец 2019 года) эта проблема фактически решена компанией SpaceX»Илона Маска.
В настоящее время космическими проектами активно занимаются страны, стоявшие у истоков звёздных исследований: США и РФ. При этом сфера космоиндустрии стремительно расширяется, и на арену событий выходят частные компании и капиталы. И здесь уместно упомянуть компанию, которая сейчас занимает лидирующее положение в сфере ракетных инноваций — SpaceX.
Программа Илона Маска является наиболее успешным частным проектом ракетостроения и освоения космоса. Кроме того, уровень амбиций бизнесмена создает серьезную конкуренцию госпрограммам США и РФ.
SpaceX, зародившаяся в начале 2000-х годов, не только стала единственной успешной частной фирмой по производству ракетных технологий — на данный момент корпорация Маска успешно проводит рекордное количество гражданских запусков ракет в космос.
Для достижения своих целей Маск полностью перерабатывает структуру существующих ракет, пытаясь привести их к следующим параметрам:
Для достижения этих целей компания Маска уже 17 лет постоянно совершенствует свои ракеты, покоряя новые вершины ракетостроения. И хотя путь компании нельзя назвать легким — за эти годы аппараты взрывались, падали и разрушались, — но результатом такого труда стали:
Помимо перечисленных, «SpaceX» запускала и другие типы ракет (например, серию грузовиков Dragon для переброски космонавтов на МКС) и коммерческие спутники разных стран. Отдельно стоит обратить внимание на успешные запуски спутников Starlink. Это коммерческий проект, цель которого — распространение недорогого интернета, доступного в любой точке мира.
Кроме того, Маск ставит и более локальную цель для своих ракет — организовать не только частные перелеты в космосе, но и скоростные маршруты доставки грузов в любую точку Земли. Хотя назвать «локальным» то, что значительно повлияет на систему грузоперевозок на планете, довольно сложно.
Сейчас, в декабре 2019 года, венцом развития компании является Starship»(ранее — Big Falcon Rocket, или BFR) — корабль, который представляет собой основу для главной цели программы SpaceX.
Своей главной долгосрочной целью Илон Маск ставит колонизацию Марса.