Ракета

Чтобы узнать о других значениях, см. Ракета (значения) .

Гагаринского старта Старт ракеты "Союз-ФГ" с " " (площадка 1/5) космодрома Байконур .

Ракета « (от итальянского : rocchetto , букв.   катушка/катушка») Это транспортное средство , использующее реактивное движение для ускорения без использования окружающего воздуха . Ракетный двигатель создает тягу за счет реакции выхлопных газов, выбрасываемых на высокой скорости. Ракетные двигатели полностью работают на топливе, находящемся внутри корабля; поэтому ракета может летать в вакууме космическом . Ракеты работают более эффективно в вакууме и теряют тягу из-за противоположного давления атмосферы.

Многоступенчатые ракеты способны достигать скорости отрыва от Земли и, следовательно, могут достигать неограниченной максимальной высоты. По сравнению с воздушно-реактивными двигателями ракеты легкие, мощные и способны создавать большие ускорения . Чтобы управлять своим полетом, ракеты полагаются на импульс , аэродинамические профили , вспомогательные реактивные двигатели , карданную тягу , импульсные колеса , отклонение выхлопного потока , поток топлива, вращение или гравитацию .

Ракеты для военных и развлекательных целей появились как минимум в Китае в 13 веке . Значительного научного, межпланетного и промышленного использования не происходило до 20-го века, когда ракетная техника стала технологией, обеспечивающей космическую эпоху , включая высадку на Луну . Ракеты сейчас используются для фейерверков , ракет и другого вооружения , катапультных кресел , ракет-носителей для искусственных спутников , полетов человека в космос и исследования космоса .

Химические ракеты тип ракет большой мощности, обычно создающие высокоскоростной выхлоп за счет сгорания топлива — наиболее распространенный с окислителем . Хранящееся топливо может представлять собой простой сжатый газ или одно жидкое топливо , которое диссоциирует в присутствии катализатора ( монопропеллент ), две жидкости, которые самопроизвольно реагируют при контакте ( гиперголические топлива ), две жидкости, которые необходимо воспламенить для реакции (например, керосин (керосин) РП1) и жидкий кислород, используемый в большинстве жидкостных ракет , сочетание твердого топлива с окислителем ( твердое топливо ) или твердого топлива с жидким или газообразным окислителем ( гибридная топливная система ). Химические ракеты хранят большое количество энергии в легко высвобождаемой форме и могут быть очень опасными. Однако тщательное проектирование, тестирование, изготовление и использование сводят риски к минимуму.

История

Основная статья: История ракет

Дополнительная информация: Хронология развития ракет и ракетных технологий.

Ракетные стрелы, изображенные в Хуолунцзин : «огненная стрела», «рама стрелы в форме дракона» и «полная огненная стрела».

В Китае ракеты с пороховым двигателем появились в средневековом Китае при династии Сун к 13 веку. они также разработали раннюю форму реактивной системы залпового огня В это время . Монголы переняли китайскую ракетную технологию, и это изобретение распространилось через монгольское вторжение на Ближний Восток и в Европу. в середине 13 века По словам Джозефа Нидэма, флот Сун использовал ракеты в военных учениях, датированных 1245 годом. Ракетные двигатели внутреннего сгорания упоминаются в ссылке на 1264 год, где отмечается, что «земляная крыса», тип фейерверка , напугала императрицу. Мать Гуншэн на пиру, устроенном в ее честь ее сыном императором Лицзуном . Впоследствии ракеты включены в военный трактат «Хуолунцзин» , также известный как «Руководство огненного дракона», написанный китайским артиллерийским офицером Цзяо Юем в середине XIV века. В этом тексте упоминается первая известная многоступенчатая ракета «Огненный дракон , вылетающий из воды» (Хо лонг чу шуй), которая, как полагают, использовалась китайским военно-морским флотом.

Средневековые и ранние современные ракеты использовались в качестве зажигательного оружия при осадах . Между 1270 и 1280 годами Хасан аль-Рамма написал «аль-фурусийя ва аль-манасиб аль-харбийя» ( «Книга военной верховой езды и гениальных военных устройств »), в которую вошли 107 рецептов пороха, 22 из них для ракет. В Европе Роджер Бэкон упомянул петарды, изготовленные в различных частях мира в Opus Majus 1267 года. Между 1280 и 1300 годами в Liber Ignium были даны инструкции по созданию устройств, похожих на петарды, на основе свидетельств из вторых рук. Конрад Кайзер описал ракеты в своем военном трактате «Беллифортис» около 1405 года. Джованни Фонтана , падуанский инженер, в 1420 году создал фигурки животных с ракетным двигателем.

Название «ракета» происходит от итальянского слова «rocchetta» , что означает «шпулька» или «маленькое веретено», данное из-за сходства по форме со шпулькой или катушкой, используемой для удержания нити прялки. Леонхард Фронспергер и Конрад Хаас переняли этот итальянский термин в немецкий язык в середине 16 века; Слово «ракета» появляется в английском языке в начале 17 века. Artis Magnae Artilleriae pars prima , важная ранняя современная работа по реактивной артиллерии Казимира Семеновича , была впервые напечатана в Амстердаме в 1650 году.

Майсурские ракеты и реактивная артиллерия использовались для поражения батальона Ост-Индской компании во время битвы при Гунтуре.

Майсурские ракеты были первыми успешными ракетами в железном корпусе, разработанными в конце 18 века в Королевстве Майсур (часть современной Индии) под властью Хайдера Али .

Уильям Конгрив при бомбардировке Копенгагена (1807 г.) во время наполеоновских войн .

Ракета Конгрива — британское оружие, спроектированное и разработанное сэром Уильямом Конгривом в 1804 году. Эта ракета была основана непосредственно на майсорских ракетах, использовала сжатый порох и применялась в наполеоновских войнах . Именно о ракетах Конгрива имел в виду Фрэнсис Скотт Ки , когда писал о «красном свете ракет», находясь в плену на британском корабле, осаждавшем форт МакГенри в 1814 году. Вместе майсорские и британские инновации увеличили эффективную дальность боевых ракет со 100 до 2000 ярдов (с 91 до 1829 м).

Первое математическое описание динамики ракетного движения принадлежит Уильяму Муру (1813 г.). В 1814 году Конгрив опубликовал книгу, в которой обсуждал использование реактивных систем залпового огня. В 1815 году Александр Дмитриевич Засядко построил ракетные площадки, позволявшие запускать ракеты залпами (по 6 ракет одновременно), и устройства для наводки. Уильям Хейл в 1844 году значительно повысил точность реактивной артиллерии. Эдвард Мунье Боксер усовершенствовал ракету Конгрива в 1865 году.

Уильям Лейтч впервые предложил концепцию использования ракет для полета человека в космос в 1861 году. Описание ракетного космического полета Лейтча было впервые представлено в его эссе 1861 года «Путешествие в космос», которое позже было опубликовано в его книге « Слава Божья на небесах » (1862). Константин Циолковский позже (в 1903 году) также задумал эту идею и широко разработал корпус теории, которая легла в основу последующего развития космических полетов.

Британский королевский летный корпус разработал управляемую ракету во время Первой мировой войны . Арчибальд Лоу заявил: «... в 1917 году Экспериментальный завод разработал ракету с электрическим управлением… Эксперименты с ракетами проводились по моим собственным патентам с помощью командира Брока ». Патент «Усовершенствования ракет» был выдан в июле 1918 года, но опубликован только в феврале 1923 года по соображениям безопасности. Органы управления стрельбой и наведением могли быть как проводными, так и беспроводными. Истечение силовой установки и ракеты наведения вышло из отклоняющего капота в носовой части.

Роберт Годдард с жидкокислородно-бензиновой ракетой (1926 г.)

В 1920 году профессор Роберт Годдард из Университета Кларка опубликовал предложенные улучшения ракетной технологии в книге «Метод достижения экстремальных высот» . В 1923 году Герман Оберт (1894–1989) опубликовал Die Rakete zu den Planetenräumen ( «Ракета в планетарное пространство »). Современные ракеты возникли в 1926 году, когда Годдард прикрепил сверхзвуковое сопло ( де Лаваля ) к камере сгорания высокого давления . Эти форсунки превращают горячий газ из камеры сгорания в более холодную, гиперзвуковую , высоконаправленную струю газа, увеличивая тягу более чем вдвое и повышая КПД двигателя с 2% до 64%. Использование им жидкого топлива вместо пороха значительно снизило вес и повысило эффективность ракет.

Батарея советских реактивных установок «Катюши» ведет огонь по немецким войскам во время Сталинградской битвы , 6 октября 1942 года.

В 1921 году советская научно-исследовательская лаборатория «Лаборатория газовой динамики» начала разработку твердотопливных ракет , результатом которых стал первый запуск в 1928 году, который пролетел примерно 1300 метров. Эти ракеты были использованы в 1931 году для первого в мире успешного использования ракет для реактивного взлета самолетов. и стали прототипами ракетной установки «Катюша» , которые использовались во время Второй мировой войны .

В 1929 году Фрица Ланга немецкий научно-фантастический фильм «Женщина на Луне» вышел . Он продемонстрировал использование многоступенчатой ​​ракеты , а также впервые представил концепцию стартовой площадки до запуска ракеты для ракеты (ракета, стоящая вертикально у высокого здания перед запуском, которую медленно перекатывают на место) и часы обратного отсчета . Кинокритик Guardian Стивен Армстронг утверждает, что Лэнг «создал ракетную промышленность». Ланг был вдохновлен книгой 1923 года «Ракета в межпланетное пространство» Германа Оберта, который стал научным консультантом фильма, а затем важной фигурой в команде, разработавшей ракету Фау-2. Фильм считался настолько реалистичным, что нацисты запретили его, когда пришли к власти, опасаясь, что он раскроет секреты ракет Фау-2.

Запуск ракеты Фау-2 с испытательного стенда VII , лето 1943 года.

В 1943 году в Германии началось производство ракеты Фау-2 . Он был разработан Армейским исследовательским центром Пенемюнде под Вернера фон Брауна . техническим директором Фау-2 стал первым искусственным объектом, отправившимся в космос, пересек линию Кармана при вертикальном запуске MW 18014 20 июня 1944 года. Дуг Миллард, историк космоса и куратор космических технологий в Музее науки в Лондоне , где в главном выставочном зале выставлен Фау-2, заявляет: «Фау-2 был квантовым скачком технологических изменений. Мы добрались до Луны. с использованием технологии Фау-2, но эта технология была разработана с использованием огромных ресурсов, в том числе некоторых особенно мрачных. Программа Фау-2 была чрезвычайно дорогостоящей с точки зрения человеческих жизней, поскольку нацисты использовали рабский труд для производства этих ракет». Параллельно с немецкой программой управляемых ракет ракеты также использовались на самолетах либо для обеспечения горизонтального взлета ( RATO ), вертикального взлета ( Bachem Ba 349 «Natter»), либо для их приведения в действие ( Me 163 , см. список). управляемых ракет Германии времен Второй мировой войны ). Ракетные программы союзников были менее технологичными и в основном опирались на неуправляемые ракеты, такие как советская ракета «Катюша» в роли артиллерии и американский противотанковый снаряд «Базука» . В них использовалось твердое химическое топливо.

Американцы захватили большое количество немецких ученых-ракетчиков , в том числе Вернера фон Брауна, в 1945 году и доставили их в США в рамках операции «Скрепка» . После Второй мировой войны ученые использовали ракеты для изучения высотных условий, радиотелеметрии температуры и давления атмосферы, обнаружения космических лучей и других методов; обратите внимание также на Bell X-1 , первую пилотируемую машину, преодолевшую звуковой барьер (1947 г.). Самостоятельно в СССР продолжались исследования космической программы под руководством главного конструктора Сергея Королева (1907–1966).

Во время холодной войны ракеты приобрели чрезвычайно важное военное значение с развитием современных межконтинентальных баллистических ракет (МБР).В 1960-е годы наблюдалось бурное развитие ракетной техники, особенно в Советском Союзе ( «Восток» , «Союз» , «Протон» ) и в США (например, Х-15 ). Ракеты начали использовать для освоения космоса . Американские пилотируемые программы ( проект «Меркурий» , проект «Близнецы» , а затем программа «Аполлон» ) завершились в 1969 году первой высадкой экипажа на Луну с использованием оборудования, запущенного ракетой «Сатурн-5» .

Типы

Конфигурации автомобиля

Duration: 1 minute and 14 seconds.1:14

Запуск ракеты «Аполлон-15 Сатурн V» : от Т − 30 с до Т + 40 с.

Ракетные транспортные средства часто имеют типичную форму высокой тонкой «ракеты», которая взлетает вертикально, но на самом деле существует множество различных типов ракет, в том числе:

• крошечные модели, такие как воздушные шары , водные ракеты , воздушные ракеты или небольшие твердотопливные ракеты , которые можно купить в магазине товаров для хобби.
• ракеты
• космические ракеты, такие как огромный «Сатурн-5», используемый в программе «Аполлон»
• ракетные автомобили
• ракетный велосипед
• самолеты с ракетным двигателем (в том числе ракетный взлет обычных самолетов - РАТО )
• ракетные сани
• ракетные поезда
• ракето-торпеды
• с ракетным двигателем реактивные ранцы
• системы быстрого эвакуации, такие как катапультные сиденья и системы эвакуации при запуске
• космические зонды

Дизайн

Конструкция ракеты может быть такой же простой, как картонная трубка, наполненная черным порохом , но создание эффективной и точной ракеты или снаряда требует решения ряда сложных проблем. К основным трудностям относятся охлаждение камеры сгорания, прокачка топлива (в случае жидкого топлива), контроль и корректировка направления движения.

Компоненты

Ракета состоит из топлива , места для его размещения (например, топливного бака ) и сопла . Они также могут иметь один или несколько ракетных двигателей , устройство(а) стабилизации направления (например, плавники , нониусные двигатели или подвесы двигателей для управления вектором тяги , гироскопы ) и конструкцию (обычно монокок ), удерживающую эти компоненты вместе. Ракеты, предназначенные для использования в атмосфере на высоких скоростях, также имеют аэродинамический обтекатель, например носовой обтекатель , который обычно удерживает полезную нагрузку.

Помимо этих компонентов, ракеты могут иметь любое количество других компонентов, таких как крылья ( ракетопланы ), парашюты , колеса ( ракетные машины ), даже, в некотором смысле, человек ( ракетный пояс ). Транспортные средства часто оснащены навигационными системами и системами наведения , которые обычно используют спутниковую навигацию и инерциальные навигационные системы .

Двигатели

Основная статья: Ракетный двигатель

Викинг 5С Ракетный двигатель

Ракетные двигатели используют принцип реактивного движения . Ракетные двигатели, приводящие в движение ракеты, бывают самых разных типов; Полный список можно найти в основной статье « Ракетный двигатель» . Большинство современных ракет представляют собой ракеты с химическим двигателем (обычно двигатели внутреннего сгорания , но некоторые используют разлагающееся монотопливо ), выделяющее горячие выхлопные газы . Ракетный двигатель может использовать газовое топливо, твердое топливо , жидкое топливо или гибридную смесь твердого и жидкого топлива . В некоторых ракетах используется тепло или давление, которые поступают из источника, отличного от химической реакции топлива(ов), например, паровые ракеты , солнечные тепловые ракеты , ядерные тепловые ракетные двигатели или простые ракеты под давлением, такие как водяные ракеты или двигатели с холодным газом . инициируется химическая реакция При использовании горючего топлива между топливом и окислителем в камере сгорания , и образующиеся горячие газы ускоряются из ) ракетного двигателя сопла (или сопел на обращенном назад конце ракеты. Ускорение этих газов через двигатель оказывает силу («тягу») на камеру сгорания и сопло, приводя в движение автомобиль (согласно третьему закону Ньютона ). На самом деле это происходит потому, что сила (давление, умноженная на площадь) на стенке камеры сгорания не уравновешивается отверстием сопла; ни в каком другом направлении дело обстоит иначе. Форма сопла также создает силу, направляя выхлопные газы вдоль оси ракеты.

Порох

Основная статья: Ракетное топливо

Лампочка с газовым сердечником

Ракетное топливо — это масса, которая хранится, обычно в той или иной форме топливного бака или кожуха, до использования в качестве движущей массы, которая выбрасывается из ракетного двигателя в виде жидкости струи для создания тяги . В химических ракетах топливом часто является топливо, такое как жидкий водород или керосин, сжигаемый с окислителем, таким как жидкий кислород или азотная кислота, с образованием больших объемов очень горячего газа. Окислитель либо хранится отдельно и смешивается в камере сгорания, либо поставляется предварительно смешанным, как в твердотопливных ракетах.

Иногда топливо не сгорает, но все же подвергается химической реакции и может представлять собой «монопропеллент», такой как гидразин , закись азота или перекись водорода , который может каталитически разлагаться до горячего газа.

В качестве альтернативы можно использовать инертное топливо, которое можно нагревать извне, например, в паровых ракетах , солнечных тепловых ракетах или ядерных тепловых ракетах .

Для ракет меньшего размера и с низкой производительностью, таких как двигатели ориентации , где высокая производительность менее необходима, в качестве топлива используется жидкость под давлением, которая просто выходит из космического корабля через реактивное сопло.

Ошибка маятниковой ракеты

Иллюстрация ошибки маятниковой ракеты. Независимо от того, установлен ли двигатель внизу (слева) или вверху (справа) транспортного средства, вектор тяги (T) направлен вдоль оси, прикрепленной к транспортному средству (вверху), а не вертикально (внизу), независимо от транспортного средства. положение, которое приведет к вращению автомобиля.

Первая ракета на жидком топливе , сконструированная Робертом Х. Годдардом , существенно отличалась от современных ракет. Ракетный двигатель находился вверху, а топливный бак внизу ракеты. основанный на вере Годдарда в то, что ракета достигнет устойчивости, «зависая» от двигателя, как маятник в полете. Однако ракета отклонилась от курса и разбилась в 184 футах (56 м) от стартовой площадки . что указывает на то, что ракета была не более устойчивой, чем ракета с ракетным двигателем в основании.

Использование

Ракеты или другие подобные реакционные устройства, несущие собственное топливо, должны использоваться, когда нет другого вещества (земли, воды или воздуха) или силы ( гравитации , магнетизма , света ), которые транспортное средство может с пользой использовать для движения, например, в космосе. В таких обстоятельствах необходимо иметь с собой все топливо , которое будет использоваться.

Однако они также полезны и в других ситуациях:

Военный

Основные статьи: Реактивная артиллерия и ракеты

Ракета Trident II запущена с моря

Некоторые виды военного оружия используют ракеты для доставки боеголовок к цели. Ракета и ее полезная нагрузка вместе обычно называются ракетой, если оружие имеет систему наведения (не все ракеты используют ракетные двигатели, в некоторых используются другие двигатели, например реактивные ), или ракетой , если она неуправляемая. Противотанковые и зенитные ракеты используют ракетные двигатели для поражения целей на высокой скорости на расстоянии нескольких миль, в то время как межконтинентальные баллистические ракеты могут использоваться для доставки нескольких ядерных боеголовок на тысячи миль, а противобаллистические ракеты пытаются их остановить. . Ракеты также испытывались для разведки , например, ракета «Пинг-Понг» , которая запускалась для наблюдения за объектами противника, однако разведывательные ракеты так и не получили широкого применения в армии.

Наука и исследования

Смотрите также: Космический зонд

Ракета с бамперным звуком

Зондирующие ракеты обычно используются для перевозки приборов, снимающих показания на высоте от 50 километров (31 мили) до 1500 километров (930 миль) над поверхностью Земли. Первые изображения Земли из космоса были получены с ракеты Фау-2 в 1946 году ( полет №13 ).

Ракетные двигатели также используются для движения ракетных саней по рельсам на чрезвычайно высокой скорости. Мировой рекорд — 8,5 Маха.

Космический полет

Основная статья: Космический полет

Ракеты большего размера обычно запускаются со стартовой площадки , которая обеспечивает стабильную поддержку в течение нескольких секунд после зажигания. Из-за высокой скорости истечения — от 2500 до 4500 м/с (от 9000 до 16 200 км/ч; от 5600 до 10 100 миль в час) — ракеты особенно полезны, когда требуются очень высокие скорости, например, орбитальная скорость примерно 7800 м/с (28 000 м/с). км/ч; 17 000 миль в час). Космические аппараты, выведенные на орбитальные траектории, становятся искусственными спутниками , которые используются во многих коммерческих целях. Действительно, ракеты остаются единственным способом вывода космических кораблей на орбиту и за ее пределы. Они также используются для быстрого ускорения космических кораблей при смене орбиты или сходе с орбиты для посадки . Также ракету можно использовать для смягчения жесткого приземления на парашюте непосредственно перед приземлением (см. Ретроракета ).

Спасать

Apollo LES Тест прерывания площадки с типовым модулем экипажа

Ракеты использовались для продвижения троса к потерпевшему бедствие кораблю, чтобы буй Бричеса можно было использовать для спасения находящихся на борту. Ракеты также используются для запуска аварийных сигнальных ракет .

Некоторые пилотируемые ракеты, особенно Сатурн V. and Soyuz , иметь запуск систем эвакуации . Это небольшая, обычно твердотопливная ракета, способная в любой момент оттянуть капсулу с экипажем от основного корабля в безопасное место. Системы такого типа эксплуатировались несколько раз, как на испытаниях, так и в полете, и каждый раз работали корректно.

Так было, когда Система обеспечения безопасности (советская номенклатура) успешно оторвала капсулу Л3 во время трех из четырех неудачных запусков советской лунной ракеты, Н1 аппаратов 3Л, 5Л и 7Л . Во всех трех случаях капсула, хоть и неуправляемая, была спасена от разрушения. Только три вышеупомянутые ракеты Н1 имели функциональные системы обеспечения безопасности. Выдающийся корабль 6L имел макеты верхних ступеней и, следовательно, не имел системы эвакуации, что давало ракете-носителю N1 100% вероятность успешного выхода из неудачного запуска.

Успешный побег капсулы с экипажем произошел, когда корабль «Союз Т-10» , направлявшийся к «Салют-7» космической станции , взорвался на стартовой площадке.

с твердотопливными ракетными двигателями Катапультные кресла используются во многих военных самолетах для отвода экипажа в безопасное место от машины в случае потери управления полетом.

Хобби, спорт и развлечения

Основная статья: модель ракеты

Модель ракеты — это небольшая ракета, предназначенная для достижения малых высот (например, 100–500 м (330–1640 футов) для модели весом 30 г (1,1 унции)) и восстановления различными способами.

Согласно Кодексу безопасности Национальной ассоциации ракетной техники США (НАР), Модели ракет изготавливаются из бумаги, дерева, пластика и других легких материалов. Кодекс также содержит рекомендации по использованию двигателей, выбору стартовой площадки, методам запуска, размещению пусковой установки, проектированию и развертыванию системы восстановления и т. д. С начала 1960-х годов копия Кодекса безопасности моделей ракет поставлялась с большинством комплектов моделей ракет и двигателей. Несмотря на присущую ему связь с чрезвычайно легковоспламеняющимися веществами и предметами с заостренным наконечником, движущимися с высокой скоростью, исторически сложилось так, что ракетное моделирование Это очень безопасное хобби, которое считается важным источником вдохновения для детей, которые в конечном итоге становятся учеными и инженерами .

Любители собирают и запускают самые разнообразные модели ракет. Многие компании производят комплекты и детали для моделей ракет, но из-за присущей им простоты некоторые любители делают ракеты практически из чего угодно. Ракеты также используются в некоторых типах бытовых и профессиональных фейерверков . — Водяная ракета это тип модели ракеты, в которой в качестве реакционной массы используется вода. Сосуд под давлением (двигатель ракеты) обычно представляет собой использованную пластиковую бутылку из-под безалкогольных напитков. Вода вытесняется сжатым газом, обычно сжатым воздухом. Это пример третьего закона движения Ньютона.

Масштаб любительской ракетной техники может варьироваться от маленькой ракеты, запущенной на заднем дворе, до ракеты, достигшей космоса. двигателей делится на три категории Любительская ракетная техника по суммарному импульсу : маломощную, средней мощности и большой мощности .

Ракеты на перекиси водорода используются для питания реактивных ранцев . и использовались для привода автомобилей в движение , а автомобиль-ракета является рекордсменом всех времен (хотя и неофициальным) в дрэг-рейсинге .

Corpulent Stump — самая мощная некоммерческая ракета, когда-либо запускавшаяся на двигателе Aerotech в Великобритании.

Полет

Видео запуска космического корабля " Индевор " на STS-134

Запуски для орбитальных космических полетов или в межпланетное пространство обычно осуществляются из фиксированного места на земле, но также возможны с самолета или корабля.

Технологии запуска ракет включают в себя весь набор систем, необходимых для успешного запуска корабля, причем не только саму машину, но и системы управления огнем , центр управления полетом , стартовую площадку , наземные станции и станции слежения , необходимые для успешного запуска или восстановления или оба. Их часто называют « наземным сегментом ».

Орбитальные ракеты-носители обычно взлетают вертикально, а затем начинают постепенно наклоняться, обычно следуя траектории гравитационного разворота .

Оказавшись над большей частью атмосферы, транспортное средство затем поворачивает реактивную струю, направляя ее в основном горизонтально, но несколько вниз, что позволяет транспортному средству набирать, а затем поддерживать высоту, одновременно увеличивая горизонтальную скорость. По мере роста скорости корабль будет становиться все более и более горизонтальным, пока на орбитальной скорости не отключится двигатель.

Все нынешние транспортные средства находятся на стадии сбрасывания оборудования на пути к орбите. Хотя были предложены аппараты , которые могли бы достигать орбиты без ступеней, ни один из них так и не был построен, и, если бы он приводился в движение только ракетами, экспоненциально растущие потребности в топливе такого аппарата сделали бы его полезную полезную нагрузку крошечной или вообще несуществующей. Большинство современных и исторических ракет-носителей «расходуют» сброшенное оборудование, обычно позволяя ему упасть в океан, но некоторые восстанавливают и повторно используют сброшенное оборудование либо с помощью парашюта, либо путем приземления с использованием реактивной тяги.

Извилистая траектория полета запуска PSLV к полярным склонам, минуя Шри-Ланки сушу

При выводе космического корабля на орбиту " Изгиб - это управляемый поворот с приводом на этапе подъема, который заставляет траекторию полета ракеты отклоняться от «прямой» траектории. Изгиб необходим, если желаемый азимут запуска для достижения желаемого наклонения орбиты будет проходить земной траектории по . (или над населенной территорией, например, Россия обычно запускает над сушей, но над безлюдными территориями), или если ракета пытается достичь орбитального самолета, который не достигает широты места запуска, изгибы нежелательны из-за лишнего веса на борту. требуется топливо, что приводит к увеличению нагрузки и снижению производительности автомобиля.

Шум

Рабочие и представители СМИ стали свидетелями испытания системы шумоподавления на стартовой площадке 39А.

Выхлоп ракеты генерирует значительное количество акустической энергии. Когда сверхзвуковой выхлоп сталкивается с окружающим воздухом, ударные волны образуются . Интенсивность звука этих ударных волн зависит от размера ракеты, а также от скорости истечения. Интенсивность звука больших, высокопроизводительных ракет потенциально может убить на близком расстоянии.

Спейс Шаттл создавал вокруг своего основания шум мощностью 180 дБ. Чтобы бороться с этим, НАСА разработало систему шумоподавления, которая может пропускать воду со скоростью до 900 000 галлонов в минуту (57 м3). ³ /s) на стартовую площадку. Вода снижает уровень шума со 180 дБ до 142 дБ (проектное требование — 145 дБ). Без системы шумоподавления акустические волны отражались бы от стартовой площадки в сторону ракеты, вызывая вибрацию чувствительной полезной нагрузки и экипажа. Эти акустические волны могут быть настолько сильными, что могут повредить или уничтожить ракету.

Шум обычно наиболее интенсивен, когда ракета находится близко к земле, поскольку шум двигателей распространяется вверх от реактивного самолета, а также отражается от земли. Этот шум можно несколько снизить с помощью пламегасителей с крышами, впрыском воды вокруг струи и отклонением струи под углом.

В пилотируемых ракетах используются различные методы для снижения интенсивности звука для пассажиров, и обычно размещение космонавтов вдали от ракетных двигателей существенно помогает. Для пассажиров и экипажа, когда транспортное средство переходит на сверхзвуковую скорость, звук прекращается, поскольку звуковые волны больше не могут идти в ногу с транспортным средством.

Физика

Операция

Основная статья: Ракетный двигатель

Баллон с сужающейся насадкой. В этом случае сопло само по себе не толкает баллон, а тянется за него.

Эффект . сгорания топлива в ракетном двигателе заключается в увеличении внутренней энергии образующихся газов за счет использования запасенной в топливе химической энергии По мере увеличения внутренней энергии давление увеличивается, и для преобразования этой энергии в направленную кинетическую энергию используется сопло. Это создает тягу к окружающей среде, в которую выделяются эти газы. Идеальное направление движения выхлопа – в направлении, создающем тягу. В верхнем конце камеры сгорания горячий энергичный газовый поток не может двигаться вперед и поэтому толкается вверх к верхней части камеры сгорания ракетного двигателя . По мере приближения газов сгорания к выходу из камеры сгорания их скорость увеличивается. Воздействие сужающейся части сопла ракетного двигателя на жидкость высокого давления газов сгорания заключается в ускорении газов до высокой скорости. Чем выше скорость газов, тем меньше давление газа ( принцип Бернулли или сохранение энергии ), действующее на эту часть камеры сгорания. В правильно спроектированном двигателе скорость потока в горловине сопла будет достигать 1 Маха. В этот момент скорость потока увеличивается. За горловиной сопла колоколообразная расширяющаяся часть двигателя позволяет расширяющимся газам давить на эту часть ракетного двигателя. Таким образом, раструбная часть сопла придает дополнительную тягу. Проще говоря, на каждое действие есть равное и противоположное противодействие, согласно Третий закон Ньютона , в результате которого выходящие газы вызывают реакцию силы на ракету, заставляя ее ускорять ракету.

Тяга ракеты создается давлением, действующим как на камеру сгорания, так и на сопло.

В закрытой камере давления одинаковы во всех направлениях и ускорение не происходит. Если в нижней части камеры предусмотрено отверстие, то давление больше не действует на недостающую секцию. Это отверстие позволяет выхлопным газам выходить. Оставшееся давление создает результирующую тягу на стороне, противоположной отверстию, и именно это давление толкает ракету вперед.

Форма насадки имеет важное значение. Рассмотрим воздушный шар, приводимый в движение воздухом, выходящим из сужающегося сопла. В этом случае сочетание давления воздуха и вязкого трения таково, что сопло не толкает баллон, а тянет его. Использование сужающегося/расширяющегося сопла дает большую силу, поскольку выхлоп также давит на него, расширяясь наружу, примерно удваивая общую силу. Если в камеру непрерывно добавляется пороховой газ, то это давление можно поддерживать до тех пор, пока остается порох. Обратите внимание, что в случае жидкостных двигателей насосы, перемещающие топливо в камеру сгорания, должны поддерживать давление, превышающее давление в камере сгорания, обычно порядка 100 атмосфер.

В качестве побочного эффекта это давление на ракету также действует на выхлоп в противоположном направлении и ускоряет этот выхлоп до очень высоких скоростей (согласно Третьему закону Ньютона ). Из принципа сохранения импульса скорость истечения ракеты определяет, насколько увеличится импульс при данном количестве топлива. ракеты Это называется удельным импульсом . Поскольку ракету, топливо и выхлоп в полете без каких-либо внешних возмущений можно рассматривать как замкнутую систему, суммарный импульс всегда постоянен. Следовательно, чем выше чистая скорость выхлопа в одном направлении, тем большей скорости ракета может достичь в противоположном направлении. Это особенно верно, поскольку масса корпуса ракеты обычно намного ниже конечной общей массы выхлопных газов.

Силы на ракете в полете

Силы на ракете в полете

Общее исследование сил , действующих на ракету, является частью области баллистики . Космические корабли в дальнейшем изучаются в области астродинамики .

На летающие ракеты в первую очередь влияют следующие факторы:

• Тяга от двигателя(ов)
• Гравитация небесных тел
• Перетаскивание при движении в атмосфере
• Поднимать ; обычно относительно небольшой эффект, за исключением самолетов с ракетными двигателями

Кроме того, инерция и центробежная псевдосила могут быть значительными из-за траектории ракеты вокруг центра небесного тела; при достижении достаточно высоких скоростей в правильном направлении и высоте достигается стабильная орбита или космическая скорость .

Эти силы, вместе со стабилизирующим оперением ( хвостовым оперением ), будут, если не будут предприняты преднамеренные усилия по управлению, естественным образом заставлять транспортное средство следовать примерно параболической траектории, называемой гравитационным разворотом , и эта траектория часто используется, по крайней мере, на начальном этапе разворота. запуск. (Это верно, даже если ракетный двигатель установлен в носовой части.) Таким образом, транспортные средства могут поддерживать низкий или даже нулевой угол атаки , что сводит к минимуму поперечную нагрузку на ракету-носитель , позволяя использовать более слабую и, следовательно, более легкую ракету-носитель.

Тащить

Основные статьи: Сопротивление (физика) , Гравитационное сопротивление и Аэродинамическое сопротивление.

Сопротивление — это сила, противоположная направлению движения ракеты относительно воздуха, через который она движется. Это замедляет скорость транспортного средства и создает нагрузки на конструкцию. Силы торможения быстро движущихся ракет рассчитываются с помощью уравнения сопротивления .

Сопротивление можно минимизировать за счет аэродинамического носового обтекателя и использования формы с высоким баллистическим коэффициентом ракеты («классическая» форма ракеты - длинная и тонкая), а также за счет сохранения угла атаки как можно меньшим.

Во время запуска, когда скорость корабля увеличивается, а атмосфера становится тоньше, возникает точка максимального аэродинамического сопротивления, называемая max Q. Это определяет минимальную аэродинамическую прочность корабля, поскольку ракета не должна прогибаться под действием этих сил.

Чистая тяга

Более подробную модель чистой тяги ракетного двигателя, включающую влияние атмосферного давления, см. в разделе «Ракетный двигатель § Чистая тяга» .

Форма струи ракеты меняется в зависимости от внешнего давления воздуха. Сверху вниз:

• Недорасширенный
• В идеале расширенный
• Перерасширенный
• Сильно расширен

Типичный ракетный двигатель может перерабатывать значительную долю топлива своей собственной массы каждую секунду, при этом топливо покидает сопло со скоростью несколько километров в секунду. Это означает, что тяговооруженность ракетного двигателя, а часто и всей машины, может быть очень высокой, в крайних случаях более 100. Это по сравнению с другими реактивными двигателями, которые могут превышать 5 у некоторых лучших двигателей. двигатели.

Чистая тяга ракеты равна

$F_{n}={\dot {m}}\;v_{e},$

где

${\dot {m}}=\,$расход топлива (кг/с или фунт/с)

$v_{e}=\,$эффективная скорость выхлопа (м/с или фут/с).

Эффективная скорость выхлопа $v_{e}$ примерно равна скорости выхлопа, покидающего транспортное средство, а в космическом вакууме эффективная скорость выхлопа часто равна фактической средней скорости выхлопа вдоль оси тяги. Однако эффективная скорость выхлопа допускает различные потери и, в частности, снижается при работе в атмосфере.

Скорость потока топлива через ракетный двигатель часто намеренно варьируется в течение полета, чтобы обеспечить возможность контролировать тягу и, следовательно, воздушную скорость транспортного средства. Это, например, позволяет минимизировать аэродинамические потери. рост перегрузок за и может ограничить счет снижения пороховой нагрузки.

Общий импульс

Основная статья: Импульс (физика)

Импульс определяется как сила, действующая на объект с течением времени, которая в отсутствие противодействующих сил (гравитации и аэродинамического сопротивления) изменяет импульс (интеграл массы и скорости) объекта. Таким образом, это лучший показатель класса характеристик (масса полезной нагрузки и предельная скорость) ракеты, а не взлетная тяга, масса или «мощность». Полный импульс ракеты (ступени), сжигающей топливо, равен:

$I=\int Fdt$

Когда имеется фиксированная тяга, это просто:

$I=Ft\;$

Суммарный импульс многоступенчатой ​​ракеты представляет собой сумму импульсов отдельных ступеней.

Удельный импульс

Основная статья: удельный импульс

Я _{провожу} в вакууме различные ракеты

Ракета	Пороха	Я сп , вакуум(ы)
Космический шаттл жидкостные двигатели	ЛОКС / ЛХ 2	453
Космический шаттл твердотопливные двигатели	APCP	268
Космический шаттл ОМС	НИЧЕГО / ММХ	313
Сатурн V этап 1	ЛОКС / РП-1	304

Как видно из уравнения тяги, эффективная скорость выхлопа контролирует величину тяги, создаваемую определенным количеством топлива, сжигаемого в секунду.

Эквивалентная мера, чистый импульс на единицу веса выброшенного пороха, называется удельным импульсом . $I_{sp}$, и это одна из важнейших цифр, характеризующих летно-технические характеристики ракеты. Она определяется так, что она связана с эффективной скоростью выхлопа следующим образом:

$v_{e}=I_{sp}\cdot g_{0}$

где:

$I_{sp}$ имеет единицы секунды

$g_{0}$ это ускорение у поверхности Земли

Таким образом, чем больше удельный импульс, тем больше полезная тяга и производительность двигателя. $I_{sp}$ определяется путем измерения при испытаниях двигателя. На практике эффективная скорость истечения ракет варьируется, но может быть чрезвычайно высокой, ~ 4500 м/с, что примерно в 15 раз превышает скорость звука в воздухе на уровне моря.

Дельта-v (уравнение ракеты)

Основная статья: уравнение ракеты Циолковского

Карта приблизительных дельта-v вокруг Солнечной системы между Землей и Марсом.

Дельта -v мощности ракеты — это теоретическое общее изменение скорости, которого ракета может достичь без какого-либо внешнего вмешательства (без сопротивления воздуха, гравитации или других сил).

Когда $v_{e}$ постоянна, дельта-v, которую может обеспечить ракета, может быть рассчитана из уравнения ракеты Циолковского :

$\Delta v\ =v_{e}\ln {\frac {m_{0}}{m_{1}}}$

где:

$m_{0}$ - начальная общая масса, включая топливо, в кг (или фунтах).

$m_{1}$ конечная общая масса в кг (или фунтах)

$v_{e}$ - эффективная скорость выхлопа в м/с (или футах/с)

$\Delta v\$ это дельта-v в м/с (или футах/с)

При запуске с Земли практическая дельта-расходность одиночной ракеты с полезной нагрузкой может составлять несколько км/с. В некоторых теоретических проектах ракеты имеют разность скоростей более 9 км/с.

Требуемая дельта-v также может быть рассчитана для конкретного маневра; например, скорость delta-v для запуска с поверхности Земли на низкую околоземную орбиту составляет около 9,7 км/с, что оставляет аппарат с боковой скоростью около 7,8 км/с на высоте около 200 км. При этом маневре около 1,9 км/с теряется из- за сопротивления воздуха , силы тяжести и набора высоты .

Соотношение ${\frac {m_{0}}{m_{1}}}$ иногда называют отношением масс .

Соотношения масс

Основная статья: Соотношение масс

Уравнение ракеты Циолковского дает связь между соотношением масс и конечной скоростью, кратной скорости истечения.

Почти вся масса ракеты-носителя состоит из топлива. Отношение масс для любого «горения» представляет собой соотношение начальной массы ракеты и ее конечной массы. При прочих равных условиях высокий коэффициент массы желателен для хороших характеристик, поскольку он указывает на то, что ракета легкая и, следовательно, работает лучше, по сути, по тем же причинам, по которым малый вес желателен в спортивных автомобилях.

Ракеты как группа имеют самую высокую тяговооруженность среди всех типов двигателей; и это помогает транспортным средствам достичь высокой удельной массы , что улучшает летные характеристики. Чем выше передаточное число, тем меньшую массу двигателя необходимо перевозить. Это позволяет нести еще больше топлива, значительно улучшая дельта-v. Альтернативно, некоторые ракеты, например, для спасательных операций или гонок, несут относительно мало топлива и полезной нагрузки, поэтому им требуется только легкая конструкция, а вместо этого они достигают высоких ускорений. Например, спасательная система «Союза» может производить г. 20

Достижимое соотношение масс сильно зависит от многих факторов, таких как тип топлива, конструкция двигателя, используемого в транспортном средстве, запасы прочности конструкции и методы строительства.

Наивысшие соотношения масс обычно достигаются с помощью жидкостных ракет, и эти типы обычно используются для орбитальных ракет-носителей , что требует высокой дельта-v. Жидкое топливо обычно имеет плотность, аналогичную воде (за заметными исключениями жидкого водорода и жидкого метана ), и эти типы могут использовать легкие резервуары с низким давлением и обычно использовать высокопроизводительные турбонасосы для подачи топлива в камеру сгорания.

Некоторые заметные массовые доли приведены в следующей таблице (некоторые самолеты включены для сравнения):

Транспортное средство	Взлетная масса	Конечная масса	Соотношение масс	Массовая доля
Ариан 5 (машина + полезная нагрузка)	746 000 кг (~ 1 645 000 фунтов)	2700 кг + 16000 кг (~6000 фунтов + ~35300 фунтов)	39.9	0.975
Титан 23G первая ступень	117 020 кг (258 000 фунтов)	4760 кг (10 500 фунтов)	24.6	0.959
Сатурн V	3 038 500 кг (~ 6 700 000 фунтов)	13 300 кг + 118 000 кг (~ 29 320 фунтов + ~ 260 150 фунтов)	23.1	0.957
Спейс Шаттл (транспортное средство + полезная нагрузка)	2040000 кг (~ 4500000 фунтов)	104 000 кг + 28 800 кг (~ 230 000 фунтов + ~ 63 500 фунтов)	15.4	0.935
Сатурн 1Б (только сцена)	448 648 кг (989 100 фунтов)	41 594 кг (91700 фунтов)	10.7	0.907
Virgin Atlantic GlobalFlyer	10 024,39 кг (22 100 фунтов)	1678,3 кг (3700 фунтов)	6.0	0.83
V-2	13000 кг (~ 28 660 фунтов) (12,8 тонны)		3.85	0.74
Х-15	15 420 кг (34 000 фунтов)	6620 кг (14600 фунтов)	2.3	0.57
Конкорд	~ 181 000 кг (400 000 фунтов) )		2	0.5
Боинг 747	~ 363 000 кг (800 000 фунтов) )		2	0.5

Постановка

Основная статья: Многоступенчатая ракета

Подготовка космического корабля предполагает удаление ненужных частей ракеты для уменьшения массы.

Аполлон-6 во время сброса межступенчатого кольца

До сих пор необходимая скорость (дельта-v) для выхода на орбиту не была достигнута ни одной ракетой, потому что топливо , баки, конструкция, наведение , клапаны, двигатели и т. д. занимают определенный минимальный процент взлетной массы, т. е. слишком велик для топлива, которое он несет, чтобы достичь такого дельта-v, несущего разумную полезную нагрузку. Поскольку одноступенчатый выход на орбиту до сих пор недостижим, орбитальные ракеты всегда имеют более одной ступени.

Например, первая ступень Сатурна V, несущая вес верхних ступеней, смогла достичь отношения масс около 10 и достичь удельного импульса 263 секунды. Это дает дельта-v около 5,9 км/с, тогда как дельта-v около 9,4 км/с необходима для выхода на орбиту со всеми учтенными потерями.

Эту проблему часто решают путем каскадирования — ракета сбрасывает лишний вес (обычно пустой бак и связанные с ним двигатели) во время запуска. Постановка бывает либо последовательной , когда ракеты загораются после того, как отпала предыдущая ступень, либо параллельной , когда ракеты сгорают вместе, а затем отделяются, когда сгорают.

Максимальные скорости, которых можно достичь с помощью каскадирования, теоретически ограничены только скоростью света. Однако полезная нагрузка, которую можно нести, уменьшается геометрически с каждой необходимой дополнительной ступенью, в то время как дополнительная дельта-v для каждой ступени просто складывается.

Ускорение и тяговооруженность

Основная статья: тяговооруженность

Из второго закона Ньютона ускорение $a$, транспортного средства - это просто:

$a={\frac {F_{n}}{m}}$

где m - мгновенная масса транспортного средства и $F_{n}$ — чистая сила, действующая на ракету (в основном тяга, но определенную роль могут играть сопротивление воздуха и другие силы).

По мере того, как оставшееся топливо уменьшается, ракеты становятся легче, и их ускорение имеет тенденцию увеличиваться до тех пор, пока топливо не исчерпается. Это означает, что большая часть изменения скорости происходит ближе к концу горения, когда автомобиль становится намного легче. Однако при необходимости тягу можно регулировать, чтобы компенсировать или изменить ее. Перебои в ускорении также возникают при перегорании ступеней, часто начиная с более низкого ускорения при каждом включении новой ступени.

Пиковое ускорение можно увеличить, спроектировав транспортное средство с уменьшенной массой, что обычно достигается за счет уменьшения загрузки топлива, баков и связанных с ними конструкций, но, очевидно, это уменьшает дальность полета, дельта-v и время горения. Тем не менее, для некоторых применений, для которых используются ракеты, весьма желательно высокое пиковое ускорение, приложенное на короткое время.

Минимальная масса транспортного средства состоит из ракетного двигателя с минимальным количеством топлива и конструкции для его перевозки. В этом случае тяговооруженность Ракетный двигатель ограничивает максимальное ускорение, которое можно создать. Оказывается, ракетные двигатели вообще имеют поистине отличную тяговооруженность (137 у двигателя НК-33 ; у некоторых твердотопливных ракет более 1000 ), и почти все транспортные средства с действительно высокой перегрузкой используют или использовали ракеты.

Высокие ускорения, которыми естественным образом обладают ракеты, означают, что ракетные аппараты часто способны к вертикальному взлету , а в некоторых случаях, при соответствующем наведении и управлении двигателями, и к вертикальной посадке . Для выполнения этих операций необходимо, чтобы двигатели транспортного средства обеспечивали большее, чем местное гравитационное ускорение .

Энергия

Энергоэффективность

Основная статья: тяговая эффективность

Космический шаттл «Атлантис» на этапе запуска

Плотность энергии типичного ракетного топлива часто составляет около одной трети от плотности энергии обычного углеводородного топлива; основную часть массы составляет (часто относительно недорогой) окислитель. Тем не менее, при взлете ракета содержит много энергии в топливе и окислителе, хранящихся внутри корабля. Конечно, желательно, чтобы как можно большая часть энергии топлива превращалась в кинетическую или потенциальную энергию корпуса ракеты.

Энергия топлива теряется из-за сопротивления воздуха и силы тяжести и используется ракетой для набора высоты и скорости. Однако большая часть потерянной энергии попадает в выхлопные газы.

В химической двигательной установке КПД двигателя представляет собой просто соотношение кинетической мощности выхлопных газов и мощности, получаемой в результате химической реакции:

$\eta _{c}={\frac {{\frac {1}{2}}{\dot {m}}v_{e}^{2}}{\eta _{combustion}P_{chem}}}$

100% КПД внутри двигателя ( КПД двигателя $\eta _{c}=100\%$) будет означать, что вся тепловая энергия продуктов сгорания преобразуется в кинетическую энергию струи. Это невозможно, но почти адиабатические сопла с высокой степенью расширения , которые можно использовать в ракетах, удивительно близки: когда сопло расширяет газ, газ охлаждается и ускоряется, и может быть достигнута энергоэффективность до 70%. . Большая часть остального — это тепловая энергия выхлопных газов, которая не рекуперируется. Высокий КПД является следствием того факта, что сгорание ракеты может осуществляться при очень высоких температурах, а газ в конечном итоге выделяется при гораздо более низких температурах, что обеспечивает хороший КПД Карно .

Однако эффективность двигателя – это еще не все. Как и другие реактивные двигатели , но особенно ракеты, из-за их высоких и обычно фиксированных скоростей выхлопа, ракетные транспортные средства крайне неэффективны на низких скоростях, независимо от эффективности двигателя. Проблема в том, что на малых скоростях выхлоп уносит огромное количество кинетической энергии назад. Это явление называется движущей эффективностью ( $\eta _{p}$).

Однако по мере увеличения скорости результирующая скорость выхлопа снижается, а общий энергетический КПД автомобиля увеличивается, достигая пика, составляющего около 100% от КПД двигателя, когда автомобиль движется точно с той же скоростью, с которой выбрасываются выхлопные газы. В этом случае выхлоп в идеале остановился бы в пространстве позади движущегося транспортного средства, забирая нулевую энергию, а в результате сохранения энергии вся энергия попадала бы в транспортное средство. Затем эффективность снова падает на еще более высоких скоростях, поскольку выхлопные газы перемещаются вперед, следуя за автомобилем.

График мгновенного тягового КПД (синий) и общего КПД ракеты, разгоняющейся из состояния покоя (красный) в процентах от КПД двигателя

Из этих принципов можно показать, что движительная эффективность $\eta _{p}$ для ракеты, движущейся со скоростью $u$ со скоростью истечения $c$ является:

$\eta _{p}={\frac {2{\frac {u}{c}}}{1+({\frac {u}{c}})^{2}}}$

И общая (мгновенная) энергоэффективность $\eta$ является:

$\eta =\eta _{p}\eta _{c}$

Например, из уравнения с $\eta _{c}$ При значении 0,7 ракета, летящая со скоростью 0,85 Маха (на которой летает большинство самолетов) со скоростью выхлопа 10 Маха, будет иметь прогнозируемый общий КПД энергии 5,9%, тогда как обычный современный воздушно-реактивный двигатель достигает около 35 % эффективность. Таким образом, ракете потребуется примерно в 6 раз больше энергии; а учитывая, что удельная энергия ракетного топлива составляет примерно одну треть от энергии обычного воздушного топлива, для того же путешествия потребуется перевезти примерно в 18 раз больше массы топлива. Вот почему ракеты редко, если вообще когда-либо, используются в авиации общего назначения.

Поскольку энергия в конечном итоге поступает из топлива, эти соображения означают, что ракеты в основном полезны, когда требуется очень высокая скорость, например, межконтинентальные баллистические ракеты или орбитальный запуск . Например, НАСА космический челнок запустил свои двигатели примерно на 8,5 минут, израсходовав 1000 тонн твердого топлива (содержащего 16% алюминия) и дополнительно 2 000 000 литров жидкого топлива (106 261 кг жидкого водородного топлива), чтобы поднять корабль массой 100 000 кг. (включая полезную нагрузку 25 000 кг) на высоту 111 км и орбитальную скорость 30 000 км/ч. На этой высоте и скорости аппарат имел кинетическую энергию около 3 ТДж и потенциальную энергию примерно 200 ГДж. Учитывая начальную энергию 20 ТДж, Энергоэффективность космического корабля «Шаттл» при запуске орбитального аппарата составляла около 16%.

Таким образом, реактивные двигатели с лучшим соответствием между скоростью и скоростью выхлопа реактивных двигателей (такие как турбовентиляторные двигатели , несмотря на их худшие характеристики) $\eta _{c}$) — преобладают при дозвуковом и сверхзвуковом использовании в атмосфере, тогда как ракеты лучше всего работают на гиперзвуковых скоростях. С другой стороны, ракеты используются во многих военных приложениях малой дальности и с относительно низкой скоростью, где их неэффективность на низкой скорости перевешивается их чрезвычайно высокой тягой и, следовательно, высокими ускорениями.

Эффект Оберта

Основная статья: Эффект Оберта

Одна тонкая особенность ракет связана с энергией. Ступень ракеты, неся заданную нагрузку, способна давать определенную дельту-v . Эта дельта-v означает, что скорость увеличивается (или уменьшается) на определенную величину, независимо от начальной скорости. Однако, поскольку кинетическая энергия представляет собой квадратичный закон скорости, это означает, что чем быстрее ракета движется до сгорания, тем больше орбитальной энергии она получает или теряет.

Этот факт используется в межпланетных путешествиях. Это означает, что величина дельта-v для достижения других планет, сверх того, чтобы достичь скорости убегания, может быть намного меньше, если дельта-v применяется, когда ракета движется на высоких скоростях, близко к Земле или другой планетарной поверхности. ; тогда как ожидание, пока ракета замедлится на высоте, многократно увеличивает усилие, необходимое для достижения желаемой траектории.

Безопасность, надежность и несчастные случаи

См. Также: Список происшествий и происшествий, связанных с космическими полетами.

Спейс шаттл Челленджер разорвался на части через Т+73 секунды после того, как горячие газы вышли из SRB , что привело к разрушению стопки шаттла.

Надежность ракет, как и всех физических систем, зависит от качества проектирования и строительства.

Из-за огромной химической энергии ракетного топлива (большая энергия по весу, чем у взрывчатых веществ, но меньшая, чем у бензина ), последствия аварий могут быть серьезными. У большинства космических миссий есть некоторые проблемы. В 1986 году, после космического корабля « Челленджер катастрофы » , американский физик Ричард Фейнман , работавший в Комиссии Роджерса , подсчитал, что вероятность небезопасных условий для запуска «Шаттла» составляла примерно 1%; совсем недавно исторический риск на одного человека в орбитальных космических полетах составил около 2% или 4%.

В мае 2003 года управление астронавтов разъяснило свою позицию относительно необходимости и возможности повышения безопасности экипажа для будущих миссий НАСА с экипажем, указав на свое «консенсус в том, что снижение риска для человеческой жизни во время подъема на порядок по сравнению с космическим шаттлом является возможным». оба достижимы с помощью современных технологий и соответствуют стремлению НАСА к постоянному повышению надежности ракет».

Затраты и экономика

Затраты на ракеты можно грубо разделить на стоимость топлива, затраты на получение и/или производство «сухой массы» ракеты, а также затраты на любое необходимое вспомогательное оборудование и средства.

Большую часть взлетной массы ракеты обычно составляет топливо. Однако топливо редко стоит более чем в несколько раз дороже бензина за килограмм (по состоянию на 2009 год стоимость бензина составляла около 1 доллара за кг [0,45 доллара за фунт] или меньше), и, хотя необходимы значительные количества, для всех ракет, кроме самых дешевых, его стоимость оказывается, что затраты на топливо обычно сравнительно невелики, хотя и не совсем незначительны. При стоимости жидкого кислорода 0,15 доллара за килограмм (0,068 доллара за фунт) и жидкого водорода 2,20 доллара за килограмм (1,00 доллара за фунт) у космического корабля "Шаттл" в 2009 году расходы на жидкое топливо составляли примерно 1,4 миллиона долларов для каждого запуска, что стоило 450 миллионов долларов из других расходов (с учетом 40% массы использованного им топлива составляют жидкости во внешнем топливном баке , 60% — твердые вещества в SRB ).

Несмотря на то, что нетопливная сухая масса ракеты часто составляет всего 5–20% от общей массы, тем не менее эта стоимость доминирует. Для оборудования с характеристиками, используемым в орбитальных ракетах-носителях , расходы в размере 2000–10 000 долларов США на килограмм сухого веса являются обычными, в основном на проектирование, изготовление и испытания; сырье обычно составляет около 2% от общих затрат. Для большинства ракет, за исключением многоразовых (двигателей-челноков), двигатели должны работать не более нескольких минут, что упрощает конструкцию.

Экстремальные требования к характеристикам ракет, достигающих орбиты, коррелируют с высокой стоимостью, включая интенсивный контроль качества для обеспечения надежности, несмотря на ограниченные коэффициенты безопасности, допустимые по соображениям веса. Компоненты, производимые в небольших количествах, если они не обрабатываются индивидуально, могут предотвратить амортизацию затрат на НИОКР и оборудование по сравнению с массовым производством до такой степени, как это наблюдается при более автоматизированном производстве. Среди ракет на жидком топливе сложность может зависеть от того, насколько оборудование должно быть легким, например, двигатели с напорным питанием могут иметь на два порядка меньшее количество деталей, чем двигатели с насосным питанием, но приводят к большему весу из-за необходимости большего давления в баке, чаще всего Как следствие, используется только в небольших маневрирующих двигателях.

Чтобы изменить предыдущие факторы для орбитальных ракет-носителей, предлагаемые методы включали массовое производство простых ракет в больших количествах или в больших масштабах. или разработку ракет многоразового использования, предназначенных для очень частых полетов, чтобы окупить их первоначальные затраты на большое количество полезной нагрузки, или снижение требований к характеристикам ракет путем создания неракетной системы космического запуска, которая выводит на орбиту часть скорости (или всю ее, но с большинством методов, включающих некоторое использование ракет).

Затраты на вспомогательное оборудование, стоимость дальности и стартовых площадок обычно увеличиваются в зависимости от размера ракеты, но меньше меняются в зависимости от скорости запуска, поэтому их можно считать примерно фиксированными затратами.

Ракеты, предназначенные для других применений, кроме запуска на орбиту (например, военные ракеты и взлет с помощью ракеты ), обычно не требуют сопоставимых характеристик и иногда производятся серийно, часто являются относительно недорогими.

Возникающая в 2010-х годах частная конкуренция

Дополнительная информация: Конкуренция на рынке космических запусков § 2010-е годы: Конкуренция и ценовое давление.

С начала 2010-х годов появились новые частные варианты получения услуг космических полетов, что привело к существенному ценовому давлению на существующий рынок.

См. также

Списки

• Списки ракет
• Хронология ракетно-ракетной техники

Общая ракетная техника

• Аэрокосмическая техника - Отрасль машиностроения
• Линкор (ракетная техника) - нефункциональная ракета или ракетная ступень.
• Ракетный сад – Музей ракетной техники под открытым небом
• Сервисная структура - структура, построенная на стартовой площадке ракеты для обслуживания ракет-носителей.
• Космодром - место, используемое для запуска и приема космических кораблей.
• Система переменной массы - совокупность материи, масса которой меняется со временем.

Ракетная установка

• Композиционное топливо на основе перхлората аммония – Твердотопливное ракетное топливо
• Импульсный ракетный двигатель
• Паровая ракета - тепловая ракета, использующая перегретую воду, находящуюся в сосуде под давлением.
• Трехкомпонентная ракета - ракета, сжигающая 3 топлива одновременно или 2 топлива с окислителем последовательно.
• Ядерная тепловая ракета

Рекреационная ракетная техника

• Ракетная техника большой мощности — страницы хобби с краткими описаниями без пробелов.
• Национальная ассоциация ракетной техники - некоммерческая организация США.
• Триполийская ракетная ассоциация - Ассоциация модельной ракетной техники США.
• Skyrocket - тип фейерверка.

Вооружение

• Огненная стрела - китайский пороховой снаряд. Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• Реактивная установка «Катюша» — советская и российская реактивная система залпового огня.
• Реактивная граната - противотанковое оружие, запускаемое с плеча.
• Синджион - корейская ракета с огненной стрелой.
• ВА-111 Шквал - советская суперкавитационная торпеда. Страницы, отображающие описания в Викиданных в качестве запасного варианта.

Ракеты для исследований

• Ракетные салазки - испытательная платформа, которую ракеты толкают по рельсам.
• Зондирующая ракета - ракета, предназначенная для проведения измерений во время полета.

Разнообразный

• Самолет - Транспортное средство или машина, способная летать, получая поддержку с воздуха.
• Принцип эквивалентности - гипотеза о том, что инерционная и гравитационная массы эквивалентны.
• Launch Pad (карточная игра) – Страницы стратегической карточной игры, отображающие описания из Викиданных в качестве запасного варианта.
• Фестиваль ракет – традиционный фестиваль Лаоса и Таиланда.
• Ракетная почта - доставка почты ракетами или ракетами.

Внешние ссылки

Управляющие агентства

• Управление коммерческого космического транспорта ФАУ
• Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА)
• Национальная ассоциация ракетной техники (США)
• Триполийская ракетная ассоциация
• Asoc Coheteria Experimental y Modelista de Argentina. Архивировано 27 октября 2020 г. в Wayback Machine.
• Ассоциация ракетостроения Соединенного Королевства
• IMR – Немецко-Австрийско-Швейцарская Ракетная Ассоциация
• Канадская ассоциация ракетной техники
• Индийская организация космических исследований

Информационные сайты

• Энциклопедия астронавтики - Алфавитный указатель ракет и ракет
• Ракетно-космическая техника
• Космическая страница Гюнтера - полные списки ракет и ракет
• Технические статьи о Rocketdyne
• Калькулятор относительности – изучите уравнения ракеты Циолковского
• Роберт Годдард - пионер космоса Америки. Архивировано 5 февраля 2009 г. в Wayback Machine.