Когда отделяется первая ступень ракеты

Что происходит в дальнейшем с отсоединёнными ступенями ракет после того, как они упадут на землю?

Вначале следует разделить ступени на две группы: первые ступени (самые большие, основная часть топлива в которых уходит на преодоление земной гравитации и сопротивления атмосферы) обычно частично сгорают, летя обратно к Земле; вторые и последующие ступени ракет обычно уже работают на создание нужной обриты, то есть при отделении они остаются на промежуточных орбитах.

Ракета-носитель от старта и до отделения спутника, пилотируемого корабля или другой полезной нагрузки, подвергаются воздействию множества факторов, соответственно и отделившиеся ступени подвергаются этим факторам. Если рассмотреть первую ступень ракеты, которая состоит из баков с окислителем и горючим (не будем рассматривать твердотопливные), жидкостными ракетными двигателями, малыми двигателями системы управления и/или аэродинамическими органами управлениями, системой поддержания нужного давления в баках и прочими системами, то при отделении от носителя она ещё продолжает своё движение по баллистической траектории (это даёт возможность, имея ввиду аэродинамические эволюции, просчитать место падения). Когда ступень начала падать, она начинает ускоряться и при достижении достаточно плотных слоёв атмосферы, начинает нагреваться и разрушаться. До какого-то момента она под действием гравитации планеты ещё продолжает набирать скорость, но, войдя в тропосферу и даже раньше, тормозиться (то, что от неё осталось) до дозвуковой скорости. И падает. Эти остатки находят и утилизируют. Даже, если в качестве топлива и окислителя использовались несимметричный диметилгидразин и тетраоксид диазота (очень токсичные вещества), то при сгорании они друг друга дезактивируют, а всё что остаётся в баках догорает в атмосфере.

Вторые и последующие ступени остаются на своих орбитах. Если орбита достаточно низкая (меньше 300 километров), то они постепенно тормозятся и практически полностью сгорают в атмосфере Земли.

Источник

Многоступенчатая ракета

Сегодня мы расскажем об устройстве и работе многоступенчатой ракеты. Есть несколько схем таких ракет и каждая по своему уникальна.

В схеме с поперечным делением ступеней двигательные установки работают последовательно; в схеме с продольным делением двигательные установки последующей ступени могут работать одновременно с двигательными установками предыдущей ступени; в комбинированной схеме и одновременно, и последовательно. Множество различных моделей многоступенчатых ракет разработано в SpaceX.

К комбинированной схеме относится известная трехступенчатая ракета-носитель космического корабля «Восток», модификации которой вот уже почти четверть века выводят в космос самые различные космические аппараты. Мы расскажем о ней несколько подробнее в следующей статье.

В полете, когда еще израсходован не весь запас топлива, а лишь находящийся в баках одной ступени, происходит сброс использованных и не нужных для дальнейшего полета элементов конструкции. Пока работают двигатели первой ступени, мы можем рассматривать остальную часть ракеты в качестве полезной нагрузки.

После отделения первой ступени работают двигатели второй ступени. Они-то и добавляют к уже имеющейся скорости свою собственную и в результате суммарная скорость становится большей.

Следует отметить, что значение коэффициента К для многоступенчатой ракеты обычно немного больше, чем для одноступенчатой, так как при подъеме ракеты плотность воздуха, а следовательно, и его сопротивление постепенно уменьшаются.

Рассмотрим на конкретном примере преимущества многоступенчатой ракеты. Предположим, что поставлена задача сообщить ракете первую космическую скорость. Конструктивное совершенство ее таково, что в каждой ее ступени масса топлива составляет 80%, а на долю конструкции приходятся остальные 20%. Примем скорость истечения газов двигателей всех ступеней , равной 3000 м/с.

Условимся, что коэффициент К также остается постоянным у каждой ступени. Расчет показывает, что при этих условиях, как уже было показано выше, к концу работы двигателей первой ступени ракета разовьет скорость V1, равную 3381 м/с. После окончания работы двигателей первой ступени она отделяется, а оставшаяся часть ракеты продолжает движение. Но так как полет этой ракеты начнется не из состояния покоя, и она уже имеет скорость V1, равную 3381 м/с, то конечная скорость ее составит 6762 м/с. При скорости истечения с—3500 м/с и 4000 м/с соответственно получим V3 = 7900 м/с и 9000 м/с.

Итак, решение задачи достижения первой космической скорости найдено. Для получения же еще больших скоростей надо только увеличивать число ступеней. Однако при переходе даже от одноступенчатых ракет малой массы к более тяжелым конструкторы встретились с рядом значительных трудностей.

Они состоят в том, что при увеличении линейных размеров, например в два раза, объем и масса ракеты возрастают в восемь раз, а поперечное сечение конструкции ее элементов — в четыре раза. Соответственно возрастают, примерно в два раза, и механические напряжения, вызываемые инерционными силами.

Поэтому увеличение размера и массы ракеты не может быть достигнуто простым воспроизведением ее в более крупном масштабе. Вот почему еще на заре развития ракетной техники среди конструкторов зародилась такая крылатая фраза: «Мы должны быть ювелирами в своей работе». Она не потеряла своего значения и поныне.

Источник

Ступени ракет — носителей или о сосисках по чуть-чуть.

Поболтаем немного о конструкции ракет космического назначения.

Будучи немного огорченным из-за брошенного камня в мой огород на тему «ступени ракеты-носителя» в посту http://pikabu.ru/story/otdelenie_bokovyikh_blokov_raketyinositelya_4358814#comment_69629676 заливаю сей пост.

Исключительно в познавательных целях.

Для начала: ракета-носитель (далее РН) являет собой многоступенчатый (состоит из нескольких частей) аппарат (ракету), который своим существованием обязан выводить полезную нагрузку в космическое пространство.

Каждая ступень ракеты — это по своей сути отдельная ракета, которая сочленена с другой ступенью (ракетой).

Почему «многоступенчатая» ракета-носитель? Просто потому, что одноступенчатой ракеты-носителя, способной доставить полезную нагрузку на орбиту пока не изобрели.

Имеются проекты одноступенчатых РН на стадии разработки, но в эксплуатацию проекты по запуску одноступенчатых ракет так и не поступили (пока что) по причине их крайне малой эффективности.

Идея применять многоступенчатые ракеты появилась довольно давно. В 1650 году была опубликована книга польского артиллериста Казимира Сименовича «Первая книга великого искусства артиллерии».

В книге опубликовано изображение видения многоступенчатой ракеты Казимиром. В качестве топлива применялся порох, сама ракета несла в начинке фейерверк)

Изобретение такой ракеты повлияло на дальнейшие развитие ракетостроения.

Позже в 1929 году Циолковский выпустит книгу под названием «Космические ракетные поезда», в которой рассуждал на темы применения многоступенчатых ракет в целях освоения космоса.

Термином космический поезд Эдуард Константинович назвал агрегат ракет, выполняющих разгон по земле, потом в воздухе и, наконец, в космическом пространстве. Поезд, составленный, например, из 5 ракет, ведется сначала первой — головной ракетой; по использовании ее горючего, она отцепляется на землю. Далее, таким же образом, начинает работать вторая, затем третья, четвертая и, наконец, пятая, скорость которой будет к тому времени достаточно велика, чтобы выйти в космическое пространство. Последовательность работы с головной ракеты вызывается стремлением заставить материалы ракет работать не на сжатие, а на растяжение, с которым легче бороться.

Логика применения многоступенчатых ракет очевидна и мысли Константина Эдуардовича были правильными.

Современные ракеты-носители работают именно по этому принципу с той разницей, что естественно по земле они, как поезд не разгоняются, а стартуют вертикально с стартового комплекса.

Первая ступень поднимает до определенной высоты и разгонят всю РН, по мере расхода топлива масса первой ступени снижается и после выгорания всего топлива происходит отделение первой ступени. Далее включаются двигатели второй ступени, и она дополнительно сообщает нужное ускорение уже разогнанной РН для вывода третей ступени на необходимую высоту и сообщения ей необходимой скорости, аналогично первой ступени, вторая так же отделяется от РН после расхода топлива. Третья ступень уже разгоняет космический аппарат и выводит его на орбиту. Это упрощенная схема вывода КА (космического аппарата) на орбиту. В ряде случае к КА дополнительно сочленяется разгонный модуль, который сообщит КА дополнительное ускорение при выводе на более высокую орбиту.

По принципу сочленения ступеней ракеты-носители разделяют на тандемные и пакетные.

Тандемное сочленение – это последовательное соединение ступеней. Запуск двигателей ступеней происходит поочередно. В качестве одного из примеров выступает РН «SATURN-V», которая осуществляла «доставку» астронавтов модуля «Аполлон» на Луну.

Каждая ступень представляет собой отдельный блок – ракету. Запуск двигателей последующей ступени происходит только после отделения отработанной предшествующей ступени.

Всего ступени – 3. Не 4, ни 5, как часто думают многие, а именно 3 ступени и космический аппарат (КА) – «Аполлон».

Первая ступень (S-IC) имела 5 двигателей F1 компании Rocketdyne. Сама ступень производилась компанией «Боинг» на заводе Michoud Assembly Facility в Новом Орлеане в штате Луизиана. Прогон в аэродинамической трубе проходил в Сиэтле. Ступень была создана конструкторами из Космического центра Маршала, ведущего центра НАСА.

Вторая ступень (S-II) производилась компанией North American Aviation. В движение ступень приводилась пятью двигателям J-2 от компании Rocketdyne на жидком водороде и кислороде. Сборка производилась в Сил-Бич в штате Калифорния.

Третья ступень (S-IVB) производилась компанией Douglas Aircraft в Хантингтон-Бич в Калифорнии. Как и на второй, здесь стоял двигатель J-2, но один. Он работал на тех же водороде и кислороде. Третья ступень умещалась в самолёт Pregnant Guppy, а две другие приходилось доставлять на мыс Канаверал по воде

Полётом трёх ступеней управлял инструментальный модуль конструкции Космического центра Маршала и сборки IBM. Конструкторы решили разделить системы навигации корабля и ракеты по ряду причин. В их числе была надёжность. Решение спасло жизни: во время полёта «Аполлона-12» в ракету ударила молния. Компьютер «Аполлона» отключился, а «Сатурна-5» — нет.

Космический аппарат «Аполлон» (Apollo)

Сам же КА состоит из 3х основных частей:

Командный модуль с системой аварийного спасения – возвращаемая капсула. Именно в ней находится экипаж весь полет, за исключением спуска на Луну и в нем возвращается на Землю.

Сервисный модуль – по своей сути это разгонный модуль, несет в себе двигатели, топливо, системы жизнеобеспечения. Осуществляет транспортировку КА до Луны и обратно. После отделения командного модуля сгорает в атмосфере.

Лунный модуль – аппарат, спускаемый на поверхность Луны. При том сам лунный модуль состоит из двух ступеней. Посадочная/стартовая ступень – осуществляет спуск второй (взлетной) ступени на поверхность и возвращение ее на орбиту, где взлетная ступень стыкуется с сервисным модулем.

Продолжение поста размещаю в комментариях в течении 5 минут из-за лимита на картинки.

Источник

Как это работает: космические ракеты

Пусть полеты в космос уже давно привычное дело. Но все ли вы знаете о космических ракетах-носителях? Разберем по частям и посмотрим, из чего они состоят и как работают.

Ракетные двигатели

Двигатели – важнейшая составная часть ракеты-носителя. Они создают силу тяги, за счет которой ракета поднимается в космос. Но когда речь идет о ракетных двигателях, не стоит вспоминать те, что находятся под капотом автомобиля или, например, крутят лопасти несущего винта вертолета. Ракетные двигатели совсем другие.

В основе действия ракетных двигателей – третий закон Ньютона. Историческая формулировка этого закона говорит, что любому действию всегда есть равное и противоположное противодействие, проще говоря – реакция. Поэтому и двигатели такие называются реактивными.

Реактивный ракетный двигатель в процессе работы выбрасывает вещество (так называемое рабочее тело) в одном направлении, а сам движется в противоположном направлении. Чтобы понять, как это происходит, не обязательно самому летать на ракете. Самый близкий, «земной», пример – это отдача, которая получается при стрельбе из огнестрельного оружия. Рабочим телом здесь выступают пуля и пороховые газы, вырывающиеся из ствола. Другой пример – надутый и отпущенный воздушный шарик. Если его не завязать, он будет лететь до тех пор, пока не выйдет воздух. Воздух здесь – это и есть то самое рабочее тело. Проще говоря, рабочее тело в ракетном двигателе – продукты сгорания ракетного топлива.

Топливо

Топливо ракетных двигателей, как правило, двухкомпонентное и включает в себя горючее и окислитель. В ракете-носителе «Протон» в качестве горючего используется гептил (несимметричный диметилгидразаин), а в качестве окислителя – тетраксид азота. Оба компонента чрезвычайно токсичны, но это «память» о первоначальном боевом предназначении ракеты. Межконтинентальная баллистическая ракета УР-500 – прародитель «Протона», – имея военное предназначение, до старта должна была долго находиться в боеготовом состоянии. А другие виды топлива не позволяли обеспечить долгое хранение. Ракеты «Союз-ФГ» и «Союз-2» используют в качестве топлива керосин и жидкий кислород. Те же топливные компоненты используются в семействе ракет-носителей «Ангара», Falcon 9 и перспективной Falcon Heavy Илона Маска. Топливная пара японской ракеты носителя «H-IIB» («Эйч-ту-би») – жидкий водород (горючее) и жидкий кислород (окислитель). Как и в ракете частной аэрокосмической компании Blue Origin, применяемой для вывода суборбитального корабля New Shepard. Но это все жидкостные ракетные двигатели.

Применяются также и твердотопливные ракетные двигатели, но, как правило, в твердотопливных ступенях многоступенчатых ракет, таких как стартовый ускоритель ракеты-носителя «Ариан-5», вторая ступень РН «Антарес», боковые ускорители МТКК Спейс шаттл.

Ступени

Полезная нагрузка, выводимая в космос, составляет лишь малую долю массы ракеты. Ракеты-носители главным образом «транспортируют» себя, то есть собственную конструкцию: топливные баки и двигатели, а также топливо, необходимое для их работы. Топливные баки и ракетные двигатели находятся в разных ступенях ракеты и, как только они вырабатывают свое топливо, то становятся ненужными. Чтобы не нести лишний груз, они отделяются. Кроме полноценных ступеней применяются и внешние топливные емкости, не оснащенные своими двигателями. В процессе полета они также сбрасываются.

Существует две классические схемы построения многоступенчатых ракет: c поперечным и продольным разделением ступеней. В первом случае ступени размещаются одна над другой и включаются только после отделения предыдущей, нижней, ступени. Во втором случае вокруг корпуса второй ступени расположены несколько одинаковых ракет-ступеней, которые включаются и сбрасываются одновременно. В этом случае двигатель второй ступени также может работать при старте. Но широко применяется и комбинированная продольно-поперечная схема.

Стартовавшая в феврале этого года с космодрома в Плесецке ракета-носитель легкого класса «Рокот» является трехступенчатой с поперечным разделением ступеней. А вот РН «Союз-2», запущенная с нового космодрома «Восточный» в апреле этого года, – трехступенчатая с продольно-поперечным разделением.

Интересную схему двухступенчатой ракеты с продольным разделением представляет собой система Спейс шаттл. В ней и кроется отличие американских шаттлов от «Бурана». Первая ступень системы Спейс шаттл – боковые твердотопливные ускорители, вторая – сам шаттл (орбитер) с отделяемым внешним топливным баком, который по форме напоминает ракету. Во время старта запускаются двигатели как шаттла, так и ускорителей. В системе «Энергия – Буран» двухступенчатая ракета-носитель сверхтяжелого класса «Энергия» была самостоятельным элементом и помимо вывода в космос МТКК «Буран» могла быть применена и для других целей, например для обеспечения автоматических и пилотируемых экспедиций на Луну и Марс.

Разгонный блок

Может показаться, что как только ракета вышла в космос, то цель достигнута. Но это не всегда так. Целевая орбита космического аппарата или полезного груза может быть гораздо выше линии, от которой начинается космос. Так, например, геостационарная орбита, на которой размещаются телекоммуникационные спутники, расположена на высоте 35 786 км над уровнем моря. Вот для этого и нужен разгонный блок, который, по сути, является еще одной ступенью ракеты. Космос начинается уже на высоте 100 км, там же начинается невесомость, которая является серьезной проблемой для обычных ракетных двигателей.

Одна из основных «рабочих лошадок» российской космонавтики ракета-носитель «Протон» в паре с разгонным блоком «Бриз-М» обеспечивает выведение на геостационарную орбиту полезных грузов массой до 3,3 т. Но первоначально вывод осуществляется на низкую опорную орбиту (200 км). Хотя разгонный блок и называют одной из ступеней корабля, от обычной ступени он отличается двигателями.

Для перемещения космического аппарата или корабля на целевую орбиту или направления его на отлетную или межпланетную траекторию разгонный блок должен иметь возможность выполнить один или несколько маневров, при совершении которых изменяется скорость полета. А для этого необходимо каждый раз включать двигатель. Причем в периоды между маневрами двигатель находится в выключенном состоянии. Таким образом, двигатель разгонного блока способен многократно включаться и выключаться, в отличие от двигателей других ступеней ракет. Исключением являются многоразовые Falcon 9 и New Shepard, двигатели первых ступеней которых используются для торможения при посадке на Землю.

Полезная нагрузка

Ракеты существуют для того, чтобы что-то выводить в космос. В частности, космические корабли и космические аппараты. В отечественной космонавтике это транспортные грузовые корабли «Прогресс» и пилотируемые корабли «Союз», отправляемые к МКС. Из космических аппаратов в этом году на российских ракетах-носителях отправились в космос американский КА Intelsat DLA2 и французский КА Eutelsat 9B, отечественный навигационный КА «Глонасс-М» №53 и, конечно, КА «ЭкзоМарс-2016», предназначенный для поиска метана в атмосфере Марса.

Возможности по выводу полезной нагрузки у ракет разные. Масса полезной нагрузки РН легкого класса «Рокот», предназначенной для выведения космических аппаратов на низкие околоземные орбиты (200 км), – 1,95 т. РН «Протон-М» относится к тяжелому классу. На низкую орбиту он выводит уже 22,4 т, на геопереходную – 6,15 т, а на геостационарную – 3,3 т. «Союз-2» в зависимости от модификации и космодрома способен вывести на низкую околоземную орбиту от 7,5 до 8,7 т, на геопереходную орбиту – от 2,8 до 3 т и на геостационарную – от 1,3 до 1,5 т. Ракета предназначена для запусков со всех площадок Роскосмоса: Восточного, Плесецка, Байконура и Куру, используемого в рамках совместного российско-европейского проекта. Применяемая для запуска транспортных и пилотируемых кораблей к МКС, РН «Союз-ФГ» имеет массу полезного груза от 7,2 т (с пилотируемым кораблем «Союз») до 7,4 т (с грузовым кораблем «Прогресс»). В настоящее время это единственная ракета, применяемая для доставки космонавтов и астронавтов на МКС.

Полезная нагрузка, как правило, находится в самой верхней части ракеты. Для того чтобы преодолеть аэродинамическое сопротивление, космический аппарат или корабль помещается внутрь головного обтекателя ракеты, который после прохождения плотных слоев атмосферы сбрасывается.

Вошедшие в историю слова Юрия Гагарина: «Вижу Землю… Красота-то какая!» были им сказаны именно после сброса головного обтекателя ракеты-носителя «Восток».

Система аварийного спасения

Ракету, которая выводит на орбиту космический корабль с экипажем, практически всегда можно отличить по внешнему виду от той, которая выводит грузовой корабль или космический аппарат. Чтобы в случае возникновения аварийной ситуации на ракете-носителе экипаж пилотируемого корабля остался жив, применяется система аварийного спасения (САС). По сути, это еще одна (правда, небольшая) ракета в головной части ракеты-носителя. Со стороны САС выглядит как башенка необычной формы на вершине ракеты. Ее задача – в экстренной ситуации вытянуть пилотируемый корабль и увести его от места аварии.

В случае взрыва ракеты на старте или в начале полета основные двигатели системы спасения отрывают ту часть ракеты, в которой находится пилотируемый корабль, и уводят ее в сторону от места аварии. После чего осуществляется парашютный спуск. В случае же если полет проходит нормально, после достижения безопасной высоты система аварийного спасения отделяется от ракеты-носителя. На больших высотах роль САС не так важна. Здесь экипаж уже может спастись благодаря отделению спускаемого аппарата космического корабля от ракеты.

Источник