Шел 1932 год. Потерпевшая поражение в Первой мировой войне Германия вовсю работала над восстановлением своей военной мощи, однако условия Версальского договора не позволяли ей разрабатывать и использовать столь любимые немцами артиллерийские орудия большой дальности и калибра. К тому же как и во многих других странах в то время в Германии образовалась группа ракетчиков-энтузиастов. Но на кинематографических трюках и рекордных аттракционах не заработаешь денег для осуществления мечты о полете в космос. Поэтому двадцатилетний физик-конструктор Вернер фон Браун демонстрирует военным свои разработки ракет на жидком топливе, в частности — на этиловом спирте и кислороде. Выбор спирта был обусловлен тем что примитивные камеры сгорания тогдашних двигателей не возможно было охладить с помощью бензина или керосина, температура сгорания которых была гораздо выше чем у спирта. Исследователи даже потратили некоторое время устанавливая оптимальную концентрацию спирта в 74% при которой двигатель не сгорал и давал тягу, а не столб пара. В качестве окислителя в первой работающей ракете А-2 использовался жидкий кислород. Это сочетание позволило создать достаточно надежный и мощный двигатель. До начала войны немецкие инженеры активно общались с американским конструктором-ракетчиком Робертом Годдардом, запустившим первую ракету на жидком топливе еще в 1926 году. Уже тогда физик мечтал об использовании ЖРД (жидкостных ракетных двигателей) для покорения космоса.

В 1945 году, когда ракетный полигон Пенемюнде, и без того нещадно разбомбленный Ланкастерами и Летающими Крепостями, захватывают советские войска, фон Браун переводит своих сотрудников и исследователей в Нордхаузен рядом с которым расположен тот самый подземный завод Миттельверк, также известный как концлагерь Дора. Вместе с приближенными инженерами ракетчик принимает решение сдаться в плен американцам, аргументируя это репрессиями советских войск против членов элиты нацистской Германии. В результате операции «Скрепка» по вывозу в США и «отмыванию от нацизма» ученых и инженеров фон Браун вместе с лучшими из своих сотрудников начинает работу на американскую ракетную промышленность.

Чтобы понять дальнейшие вопросы и проблемы, встававшие перед отраслью ракетостроения, следует разобраться с тем, как происходит старт ракет-носителей, что они могут на себе нести и куда способны нас доставить.

Составные части

Так как одним из главных стоит вопрос массы, общую массу ракет-носителей принято разделять на три части: конструкция, полезная нагрузка, топливо. Именно масса полезной нагрузки, которую РН способна «поднять», является главной характеристикой: от нее зависит количество груза, которое мы можем доставить на МКС, масса научных приборов, которые можно «засунуть» в спутник, размеры телескопа, который предстоит «подвесить» на орбите планеты.

Скорость

Да, высота на которую взлетает ракета не делает из нее космическую : из курса школьной физики вы должны помнить о том, что такое космическая скорость. Первая космическая скорость позволяет вывести аппарат на орбиту объекта. Вторая — достичь этой орбиты и выйти за ее пределы. Достижение третьей космической скорости даст возможность покинуть звездную систему. Ну а разогнавшись до четвертой, мы покинем галактику. Другими словами для того что бы доставить на МКС скажем килограмм еды нам нужно этот самый килограмм разогнать до первой космической скорости, т.е. сообщить полезной нагрузке суммарный импульс равный произведению массы ПН на эту самую первую космическую скорость — 7.9 км/с. И не метром в секунду меньше. Иначе вместо орбиты спутник попадет на дно океана.
Стоит учитывать и тот факт, что форма Земли неидеальна, наклонения орбит спутников различаются, и вывод аппаратов на орбиту усложняется своеобразным маневрированием и поочередным включением двигателя. С космодрома Байконур, например, можно вывести по этой причине на Луну или какую-либо планету больше груза, чем на МКС.

Орбиты Земли

Их типов (условных) имеется аж шесть штук, и выведение аппарата на каждую из них имеет свои цели и условия. Часть спутников вращается на низкой орбите, вглядываясь в поверхность Земли, или обеспечивая мобильную спутниковую связь как Иридиум, где-то на высоте 20 000 км чинно вращаются навигационные спутники, часть находится на геостационарной орбите (ГСО), продолжительность обращения на которой совпадает с продолжительностью Земных суток.

Спутник на ГСО как бы зависает над определенной точкой над поверхностью Земли. Поэтому известный фантаст и футуролог сэр Артур Кларк еще в 1945 году предложил использовать такие орбиты для спутников связи. Сегодня мы наслаждаемся спутниковым телевидением получая сигнал именно с таких спутников с высоты 36 000 км., Еще одна интересная орбита – гелиосинхронная. Ее наклон как бы совпадает с терминатором – линией дня и ночи – и спутник все время пролетает над какой то точкой в одно и то же время суток. Что в сочетании с утренней/вечерней тенью делает такую орбиту идеальной для спутников дистанционного зондирования Земли или по-простому спутников-шпионов.

При этом следует понимать, что вращение аппаратов вокруг Земли не является постоянным и в идеале должно корректироваться. Орбиту МКС обычно «поднимают» при помощи включения двигателей стыкуемых к станции грузовых корабей «Прогресс». В среднем такую операцию выполняют 2-3 раза в год.

При запуске обычно используется несколько ступеней, состоящих из топливных баков и двигателей. После сгорания топлива в ступени, она отстреливается, чтобы уменьшить общую массу ракеты-носителя.

После запуска первых спутников и СССР и США принимаются за усовершенствование ракет-носителей. Основные проблемы и цели, которые были решены в первые десятилетия космических полетов:

• достижение второй космической скорости (для выхода за пределы орбиты Земли)
• повышение точности выведения аппаратов на целевую орбиту
• усовершенствование систем управления: максимальная автоматизация полета с учетом получаемых данных
• увеличение КПД двигателей
• обеспечение безопасности для пилотируемых космических полетов
• создание двигателей, способных многократно запускаться в вакууме и невесомости
• создание кислородно-водородных разгонных блоков (значительно увеличивает массу полезной нагрузки)

Еще одной проблемой является сложность обслуживания человеком «висящих» на орбите космических аппаратов: телескопов и спутников. В 2009 году была осуществлена последняя ремонтная миссия к телескопу «Хаббл», а после закрытия программы «Спейс-шаттл» подобную задачу можно выполнять только при помощи «Союза». Кроме того, подобные «Шаттлу» аппараты могут обеспечивать в космосе стыковку объектов, не имеющих собственных двигателей (например, не все модули МКС могли самостоятельно приблизиться к станции и состыковаться с ней). Проблема не является первоочередной, а стоимость запуска подобных аппаратов сравнима со стоимостью замены спутника на орбите на новый, однако в будущем человечеству придется задуматься над подобными кораблями-ремонтниками. Единственный проект-аналог «челнока», советский «Буран» был закрыт в 1993 году. Он успел совершить один автоматический полет, став первым аппаратом, совершившим посадку в полностью автоматическом режиме.

Сейчас ракетостроительные компании вовсю занимаются разработками сверхтяжелых ракет-носителей для пилотируемых полетов в далекий космос. 22 октября 2015 года NASA утвердило дизайн самой мощной (на момент планируемого запуска) современной ракеты-носителя, Space Launch System.

На данный момент в мире существует более 30 космодромов, действующими и готовыми к запуску из которых можно назвать примерно 20. Помимо стационарных, расположенных на суше космодромов, существует еще как минимум 5 мобильных. Такие космодромы разворачиваются в океане, на базе морских суден. Самым известным из таких проектов является Морской Старт который использовал украинскую РН Зенит 3SL. 42 запуска американских РН были осуществлены с самолетов, построенных компаниями Boeing и Lokheed.Строительство мобильных космодромов обусловлено проблемами расположения стационарных — чем ближе место пуска к экватору, тем больше ракета-носитель может использовать вращение Земли, тем больше вариантов наклонения (угла между орбитами спутника и Земли) выводимого спутника возможно. Старт с экватора позволит выводить почти на 30% больше полезной нагрузки, чем старт с космодрома Байконур. Самым выгодным в плане близости к экватору является расположенный во французской Гвиане космодром Куру. Оттуда можно запустить практически любую миссию, когда-либо отправленную с Земли. Американцам с их мысом Канаверал повезло чуть меньше, однако местный космодром все еще выгоднее Байконура.

В 2014 году с Куру было совершено 11 запусков (для сравнения, Байконур за тот же год отправил 21 РН), а по состоянию на октябрь 2015 — 9 запусков. Космодромы обычно строятся вдали от жилых городов, площадь вокруг них не застраивается из-за опасности падения обломков и ступеней ракет-носителей. Первые космодромы строились на месте (или около) военных баз, так как разработки и испытания ракет-носителей в то время тесно пересекались с военными исследованиями и контролировались военными ведомствами. Последние космодромы возводились уже с одной целью, так что их расположение и обеспечение более выгодны и продуманы.

Будущее покорения космоса можно разделить на три условных этапа, в зависимости от расстояний:

• изучение околоземного пространства
• изучение планет и объектов Солнечной системы
• изучение межзвездного пространства

Приоритетным на сегодня (как минимум, на бумаге) можно назвать второй этап. Многие страны отказываются от детального изучения луны в пользу Марса, спутников Юпитера, комет и астероидов. Новую эру космических исследований суждено будет открыть первым людям, ступившим на поверхность Марса. Межпланетной космонавтике (и ракетостроению) еще предстоит решить проблемы мобильности, доставки больших грузов, воздействия радиации и температур.

Изучением околоземного пространства сейчас заняты как исследователи на Земле (люди, которые обрабатывают получаемые с орбиты данные), так и астронавты Международной Космической Станции. Несмотря на планы как России, так и США отказаться от использования МКС, сотрудничество скорее всего продолжится как минимум до выведения на орбиту новой орбитальной станции, как максимум – до первой серьезной аварии (постучим кулаком по столу, чтоб не накаркать) на существующей. Кроме того, не следует забывать и об остальных игроках — Европейском КА, Японском КАИ. Возможными задачами ракетостроителей на ближайшее будущее является создание дешевого аналога «Шаттла» — аппарата, который сможет заняться обслуживанием существующих на орбите искусственных спутников, очисткой мусора и доставкой грузов.

Логическим этапом развития ракетостроения видится создание «перевалочной станции» в околоземном пространстве — на земной орбите, либо на поверхности Луны. Такая станция может использоваться для сборки, заправки и запуска космических аппаратов на дальние расстояния. Это позволит не использовать каждый раз мощные ракеты-носители, наладить постоянно действующие исследовательские базы, возродить проекты пилотируемых полетов.
В любом случае, вряд ли мы спокойно усидим на Земле в ближайшие 30 лет. Сейчас мы находимся на пороге великих открытий, а человечеству еще предстоит совершить свой следующий прыжок.