Якби до вас підійшов учень початкових класів і спитав «Чому в космос літають ракети, а не літаки?», чи змогли б ви швидко відповісти? Звичайно, адже ви наш вірний читач :).

Найперше, ви б пояснили йому, що наша планета вкрита шаром повітря, тобто атмосферою. І що вище ви підіймаєтесь, то меншою стає його щільність. Літак спирається крилами на повітря, тому на певній висоті концентрації повітря для опори стає замало. І тут на допомогу приходять ракети!

Сучасна ракета це літальний апарат, що рухається завдяки реактивному двигуну і доставляє у космос будь-який вантаж. Людство навчилося використовувати ракети не тільки для дослідження просторів галактики вони можуть доставляти і боєголовки, перетворюючись на зброю масового ураження.

Усвідомлюючи, що мати цілий арсенал бойових ракет з радіусом в тисячі кілометрів це вже занадто, 1979 року США та СРСР підписали договір ОСО-2 про обмеження ракетного арсеналу. Війни війнами, та історія ракетного озброєння заслуговує окремої статті.

Сьогодні бойові ракети можуть долати наземні відстані від 100 до 20 тис. кілометрів. Це дозволяє вразити будь-яку ціль на Землі звідки завгодно.

Утім, нині весь хайп збирають саме космічні ракети, або ракети-носії. Не плутайте їх із ракетоносіями (це ті, що везуть ракету на станцію кораблі, потяги, КамАЗи, мопеди). Отже, ракетоносії перевозять ракети-носії. Про них і поговоримо.

 

Схема роботи ракетного двигуна

Як працює реактивний двигун

Двигун ракети називається реактивним і базується на класичному законі Ньютона «кожна дія викликає протидію». Себто, ракетний двигун викидає масу в одному напрямку, а Ньютон рухає ракету в протилежному.

Якщо ви колись стріляли з вогнепальної зброї, ви зрозумієте цей принцип. Віддача і є та сила, що спрацьовує у ваш бік після вильоту кулі на великій швидкості у бік протилежний. Якщо ви станете на скейтборд постріл буде вашим реактивним двигуном.

Тільки от ракетний двигун викидає масу не кулею, а газом під високим тиском. Принцип роботи двигуна дуже простий: паливо згоряє у спеціальній камері, створює потік гарячих газів із високою швидкістю і викидає його вниз, у такий спосіб прискорюючи рух ракети вгору.

Розібравшись з технологією реактивного двигуна, перейдемо до легенької математичної частини. Аби космічна ракета успішно виконала свою місію, потрібно правильно розрахувати її швидкість, чому ми вас і спробуємо навчити.

Унікальну формулу, що використовують і досі, 100 років тому винайшов вчений Ціолковський. Він здогадався, що можна побудувати математичну модель польоту, адже ракета є рухомою точкою з перемінною масою. Він привів рівняння до вигляду зручної інженерної формули та зробив низку практичних висновків. Протягом століття у формулі не змінилися навіть позначки.

Формула Ціолковського, написана ним вручну

Насамперед зануримося у суть формули. Вона дозволяє отримати швидкість ракети V, не враховуючи гравітацію та атмосферу. Розпечені гази зі сопла ракети викидаються зі швидкістю V1, початкова маса ракети М1, а після викиду палива М2.

Ви, звичайно, пам’ятаєте, що є перша, друга, третя та четверта космічні швидкості. Себто, мінімальна швидкість для виведення тіла на навколоземну орбіту становить ~8 км/с.

Як уже згадувалося, окрім цієї формули, Ціолковський дійшов кількох ключових висновків, які надалі допомогли не одному поколінню науковців. Найперше, задля досягнення першої космічної швидкості потрібно використовувати паливо та двигуни, що прискорять швидкість викиду газів V1. По-друге, слід зробити якомога більшою різницю між початковою M1 та кінцевою M2 масою ракети.

Помітивши за своїми розрахунками, що значення V1, M1 та M2 занадто маленькі, Ціолковський зрозумів потрібне нове паливо і нові конструкторські рішення. Як паливне рішення, він запропонував пару «рідкий водень рідкий кисень», яка донині залишається найефективнішою.

Інноваційним конструкторським рішенням стали «ракетні потяги», що перевозили різні частини однієї ракети. У польоті ці частини від’єднувалися, коли в них закінчувалося паливо. Як ви вже здогадались, M2 в такому випадку це маса супутника та останньої порожної частини. Отже, ключовий фактор різниця M2/M1 — зростає.

Сьогодні це називається багатоступінчатими ракетами, і вони широко використовуються у всьому світі. Кінцева швидкість для них розраховується як сума швидкостей кожної частини окремо, за формулою Ціолковського.

У нашій голові сформувався стереотип, що ракетний двигун конче має спалювати паливо. Але це не так. Для польоту ракети до космосу потрібна будь-яка система, що здатна штовхати масу.

Нині основними темами для обговорень у спільноті космонавтики є термоядерна енергія двигуна та анігіляція речовини й антиречовини. Ці новації, що досі перебувають у розробці, мали б допомогти розвинути швидкість до тисяч кілометрів за секунду.

Публіцист, інженер сонячних панелей.

Підтримайте Токар
50 грн.

10% середньостатистичної статті,
або ж пів дня роботи нашого сервера

Підтримати
Ось вона, нагода стати причетним до розвитку незалежних медіа!
Коменти