Ракетостроение сквозь века

Ракетостроение развивалось более 2000 лет. Современные ракеты – результат долгой традиции изобретения и экспериментов, они совмещают достижения широкого круга инженерных дисциплин. Мало какие изобретения человечества, если такие вообще есть, способны выдерживать такие же экстремальные условия, как ракеты. Ракеты испытывают сильнейшие перегрузки во время старта и выдерживают точки сильного нагревания — в местах, наиболее подверженных аэродинамическому трению, — и замерзания — из-за жидкого водорода/кислорода криогенной температуры. Управлять ракетой – дело тонкое: зачастую от успешного запуска до взрывной катастрофы один шаг. Ни одна другая инженерная конструкция не сравнится в сложности и взаимной зависимости систем, которые должны идеально взаимодействовать для слаженной работы. Не случайно говорят«rocket science», когда речь заходит о чём-то невероятно сложном.

К счастью для нас, мы живем во время, когда ракетостроение переживает золотую эру. Коммерческие компании вроде SpaceX и Blue Origin вдохнули новую жизнь в индустрию, в которой традиционно лидировали финансируемые государством космические программы. Но даже эти компании не почивают на лаврах, а разрабатывают новые мощные ракеты для исследования дальнего космоса и миссий на Марс.

Недавние блокбастеры вроде «Гравитации», «Интерстеллара» и «Марсианина» — признак того, что космические приключения вновь будоражат наше воображение.

Когда еще, как не сейчас, взглянуть на прошедшие 2000 лет ракетостроения, увидеть, куда нас привели инновации прошлого и что ждёт нас впереди? Конечно, невозможно рассмотреть каждую из 51 ракеты на схеме, приведенной ниже, но я попытаюсь как можно лучше охватить всё от самых ранних начал в Китае до космической гонки и далее.

RocketsOfTheWorld

Автор Tyler Skrabek

Историю ракетостроения можно условно разделить на две эпохи. Первая – донаучная возня, и вторая — научный подход после эры Просвещения. Принцип в основе ракетного двигателя, по сути, остался тот же, в то время как детали исполнения и подход к разрабатыванию ракет сильно изменился.

Иллюстрация эолипиля Герона

Фундаментальный принцип работы ракетного двигателя, выброс горячих газов через сопло для возникновения движения в противоположном направлении, замечательно иллюстрируют два примера из истории. Римский писатель Авл Геллий рассказывает об Архите, который около 400 г. до н.э. построил летающего деревянного голубя. Голубь держался на лету благодаря струе пара или сжатого воздуха, которая выбрасывалась через сопло.

Три века спустя, Герон  из Александрии изобрел эолипил, основанный на том же принципе выброса струи пара в качестве движущей силы. В эолипиле пустую сферу и резервуар с водой соединяли трубки, которые выступали в роли опоры, поддерживая сферу на весу. Огонь под резервуаром в итоге создавал пар, который попадал в сферу по трубкам. Единственным выходом для газа были два Г-образных отвода, направленных в разные стороны. Выбрасываемый пар создавал момент, разворачивая таким образом сферу вокруг оси на шарнирах.

Дальше в тексте идут формулы, которые вы можете пропустить и сразу продолжить чтение вот по этой ссылке. Но там ничего сложного нет — прим.ред.

В обоих примерах движением аппарата управляет сохранение импульса. Когда ракета и газы внутри неё движутся как единое целое, суммарный импульс, произведение массы и скорости, равняется P_1. Тогда общая масса ракеты и газа, m=m_r+m_g, движется со скоростью v.

mv = \left(m_r + m_g\right)v = P_1

Когда газы выбрасываются из хвоста ракеты, суммарный импульс ракеты и топлива остается постоянным, пока на систему не влияют внешние силы. Так, если очень небольшое количество газа \mathrm{d}mвыбрасывается со скоростью v_e относительно ракеты (в направлении v  или ему обратном), то суммарный импульс системы равен

\left(m - \mathrm{d}m\right) \left(v+\mathrm{d}v_r\right) + \mathrm{d}m \left(v + v_e\right) = P_2

Поскольку для сохранения импульса P_1 должно быть равно P_2 ,

mv = \left(m - \mathrm{d}m\right) \left(v+\mathrm{d}v_r\right) + \mathrm{d}m \left(v + v_e\right)

выделив изменение скорости ракеты \mathrm{d}v_r,

\left(m-\mathrm{d}m\right) \mathrm{d}v_r = -v_e\mathrm{d}m
\therefore dv_r = -\frac{\mathrm{d}m}{\left(m-\mathrm{d}m\right)} v_e

«Минус» в уравнении выше означает, что ракета всегда изменяет скорость в направлении, обратном выбрасываемому газу. Поэтому, если газ выбрасывается в направлении v, обратном движению, (т.е. v_e отрицательно), то изменение скорости ракеты будет положительным (т.е.  ракета будет ускоряться).

В любой момент времени t количество M = m-\mathrm{d}m  равняется общей массе ракеты (сухая масса плюс топливо), а \mathrm{d}m = \mathrm{d}M определяет её изменение. Если предположить, что скорость выбрасывания газа не изменяется на протяжении всего времени, то можно легко проинтегрировать выражение выше и найти постепенное изменение скорости, в то время как общая масса ракеты (сухая масса плюс топливо) меняется от начальной массы M_o до конечной массы M_f. Поэтому,

формула

Это уравнение известно как уравнение Циолковского (о нём поговорим дальше) и применимо к любому телу, которое ускоряется с помощью сбрасывания части своей массы с определённой скоростью.

Зачастую нас больше интересует тяга ракеты и её ускорение a_r. Так, разделив уравнение dv_r на небольшое изменение времени dt,

формула

и сопутствующую тягу F_r, которая действует на ракету,

формула

где \dot{M}— секундный расход массы, выбрасываемой ракетой. В этом простом уравнении — фундаментальная физика ракетного двигателя. Ракета производит тягу или выбрасывая больше массы с набором скорости ( , или увеличивая скорость, с которой масса выбрасывается. В идеальном случае – это всё! Под идеальным подразумевается, что ve постоянна и отсутствуют внешние силы, например аэродинамическое трение в атмосфере или сила тяжести. При реальных расчётах требуемой массы топлива нужно учитывать эти силы и другие факторы, которые влияют на эффективность ракеты.

На графике уравнения хорошо заметна самая большая загвоздка ракетостроения: чтобы ускорить ракету с определённым изменением скорости при известном значении второй космической скорости, нужное для этого количество топлива (т.е. отношение массы ) экспоненциально возрастает вместе с увеличивающимся . Поскольку стоимость ракеты тесно связана с её массой, то становится понятно, почему что-нибудь существенное так дорого отправить на орбиту  (скорость составляет 28,800 км/ч для низкой околоземной орбиты).

Экспоненциальное увеличение массы топлива, необходимой для ускорения ракеты с конкретным изменением скорости

Ранние начала

Рисунок китайской ракеты и пускового механизма

Деревянный голубь и эолипил даже отдалённо не похожи на ракету. На самом деле, и  точная дата первого появления ракет до сих пор не определена. Записи показывают, что китайцы изобрели порох —  смесь из селитры, серы и угольной пыли – около 100 г. н. э. На религиозных празднествах с помощью пороха и пустых бамбуковых палок, закрытых с одной стороны, получали разноцветные искры, дым и взрывы. Возможно, некоторые из этих бамбуковых трубок начинали отстреливать или проносились по земле, но китайцы начали возиться с пороховыми бамбуковыми палками и приладили их к стрелам. Сначала такие стрелы пускали обычным способом, из лука, получая своего рода предшественника зажигательной бомбы, но позже китайцы поняли, что бамбуковые палки могут сами запускать себя с помощью тяги, которую образовывали выпускаемые горячие газы.

Первое задокументированное использование такой «правильной» ракеты приходится на битву при Кай-Кен между китайцами и монголами в 1232 году. Во время это битвы китайцы смогли отбить монголов с помощью примитивной ракеты на твердом топливе.

Пустая трубка была закрыта с одного конца, заполненного порохом,  и прикреплена к длинной палке. Зажигание пороха приводило к увеличению давления внутри пустой трубки, и горячему газу и дыму приходилось выходить через открытый конец. По закону сохранения импульса, это создает тягу для движения  ракеты в направлении закрытого конца трубки, с длинным стержнем в качестве примитивной системы управления, что очень напоминает современные ракеты для фейерверков.

Ван Ху (человек на луне?) и его ракетный стул

По китайской легенде во времена династии Мин 16 века местный чиновник Ван Ху построил стул, к которому были прикреплены 47 пороховых бамбуковых ракет, а в некоторых версиях легенды – еще и крылья из воздушного змея. Все 47 бамбуковых ракет одновременно зажгли, и запустили стул, и после того как всё закончилось, Ван Ху пропал. Говорят, что он достиг космоса, и теперь он – «человек на Луне». Вероятнее всего Ван Ху пережил первую в истории аварию на пусковой платформе.

По одной теории, ракеты завезли в Европу в ходе монгольских завоеваний 13-го века. В Англии Роджер Бэкон изобрёл более мощный порох (75% селитра, 15% уголь и 10% сера), который увеличил дальность ракет, в то время как Жан Фруассар добавил стартовый стол, запуская ракеты через трубы для увеличения точности. К Возрождению использование ракет в качестве оружия вышло из моды, и на замену пришли эксперименты с фейерверками. В конце 16-го столетия немецкий испытатель Иоган Шмидлап экспериментировал со ступенчатыми ракетами, идеей, которая лежит в основе всех современных ракет. Шмидлап приладил меньшую ракету-вторую ступень сверху большей ракеты-первой ступени, и когда первая ступень закончила гореть,  вторая ступень продолжила поднимать ракету на большие высоты. Примерно в то же время польско-литовский командир польской армии Казимир Семёнович опубликовал рукопись, которая включала дизайн многоступенчатых ракет и стабилизаторов дельта-крыл. Последние должны были заменить длинные стержни, которые выступали в роли стабилизаторов.

 

Научный подход к ракетам

Научные основы ракетостроения были заложены во время Просвещения сэром Исааком Ньютоном. Его три закона движения,

  1. В некоторых системах отсчёта тело продолжает оставаться в состоянии постоянного покоя или равномерного прямолинейного движения, если на тело не действует приложенная сила
  2. Приложенная сила, действующая на тело, приводит к возникновению ускорения, пропорционального инерции тела (его массе), т.е. F = ma
  3. Силе, с которой одно тело взаимодействует с другим, сопоставлена равная противодействующая сила от второго тела к первому.

известны каждому, кто прошел основной курс физики. Скорее всего, первые конструкторы ракет понимали эти три закона интуитивно, но именно сформулированные принципы стали осознанно использовать при проектировании. Первый закон поясняет, почему ракеты вообще приводятся в движение. Без движущей тяги ракета останется на месте. Второй закон определяет количество тяги, производимой ракетой в определенный момент времени, например, для конкретной массы M. (Заметьте, второй закон Ньютона действителен только для систем с постоянной массой и потому не равносилен подходу сохранения импульса, описанному выше. Когда масса изменяется, необходимо использовать уравнение, которое учитывает изменяющуюся массу). Третий закон поясняет, что из-за выбрасываемой массы в качестве реакции на ракету действует сила тяги.

В 1720-х, примерно когда умер Ньютон, исследователи в Нидерландах, Германии и России стали учитывать его законы при разработке ракет. Датский профессор Вильгельм Гравезанд построил реактивные автомобили, в которых выбрасывался пар. В Германии и России ракетостроители стали экспериментировать с ракетами побольше. Эти ракеты были достаточно мощными, чтобы перед отрывом горячие струи пламени прожигали глубокие ямы в земле. Британские колониальные войны 1792 и 1799 гг. впервые явили использование индийского ракетного обстрела по британской армии. Хайдер Али и его сын Типу Султан, правители княжества Майсур в Индии, в 1792 году разработали первые ракеты в железном корпусе и использовали их против британцев в англо-майсурских войнах.

Использование железной оболочки для топлива увеличивало дальность и тягу, и было гораздо более продвинутой технологией по сравнению с тем, что до этого видели британцы. Вдохновлённый этой технологией, британский полковник Уильям Конгрив начал проектировать собственную ракету для британских сил. Конгрив разработал новую смесь топлива и добавил к железной трубе конусообразную носовую часть, чтобы улучшить аэродинамику. Ракеты Конгрива имели дальность полёта до 5 км. Они успешно использовались британцами в наполеоновских войнах и запускались с кораблей при атаке форта МакГенри в войне 1812-го года. Конгрив создал и заполненные дробью ракеты для использования против наземных целей, и зажигательные ракеты для использования против кораблей. Тем не менее, даже ракеты Конгрива не могли побороть главный недостаток ракет: точность.

Ракеты Конгрива

В то время эффективность ракет как оружия состояла не в их точности или взрывной силе, а скорее в том, что в противника можно было одновременно запустить большое их количество. Ракеты Конгрива имели некоторое базовое управление высотой благодаря прикрепленной к взрывчатке длинной палке, но у ракет была тенденция сильно отклоняться от курса. В 1844 году британский конструктор Уильям Хейл изобрёл стабилизацию при помощи вращения, сегодня распространённую в оружейных стволах, которая избавила от необходимости использовать направляющие палки. Уильям Хейл заставил выбрасываемые газы обтекать небольшие лопасти (рули), заставляя ракету вращаться и стабилизироваться (точно так же, как гироскоп не падает набок, если его закрутить на ровной поверхности). Вскоре военное применение ракет снова отошло на задний план, когда прусская армия разработала орудия со скользящим затвором, что оказалось гораздо эффективнее лучших ракет.

 

Эра современных ракет

Вскоре ракетам начали представлять новые применения. Жюль Верн, как всегда впереди всех, изложил мечту о космических полётах в своём научно-фантастическом романе «De la Terre á la Lune» (С Земли на Луну), в котором в Луну из огромной пушки выстрелили снарядом под названием Колумбиад с трёмя пассажирами внутри. Российский учитель Константин Циолковский (известный по формуле своего имени) предложил использовать ракеты в качестве средства передвижения для исследования космоса, но признал, что для этого потребуется серьёзный прорыв в дальности ракет. Циолковский понимал, что скорость и дальность ракет была ограничена скоростью выбрасывания топливных газов. В докладе 1903 года, «Исследование мировых пространств реактивными приборами», он предложил использование жидкого топлива и сформулировал уравнение, которое было введено выше, связав скорость истечения газов ракетного двигателя с изменением скорости самой ракеты. Теперь эта формула известна как формула Циолковского, хотя она и была известна до него.

Циолковский также пропагандировал идеи создания орбитальных космических станций, использования солнечной энергии и колонозиции солнечной системы.  Одна из его цитат звучит особенно актуально, учитывая современные планы Илона Маска колонизировать Марс:

Земля — колыбель человечества, но нельзя вечно оставаться в колыбели», — из письма Циолковского от 1911 года.

Американский учёный Роберт Г. Годдард, теперь известный как отец современного ракетостроения, тоже был заинтересован в увеличении дальности ракет, особенно в достижение высот больших, чем те, на которые в то время поднимались аэростаты. В 1919 году он опубликовал короткую рукопись под названием «Метод достижения экстремальных высот», которая представила его математический анализ и практические эксперименты по разработке высоковысотных ракет. Годдард предложил три способа улучшения технологии твёрдого топлива. Во-первых, взрыв должен быть сосредоточен в такой небольшой камере, что топливный бак будет находиться под меньшим давлением. Во-вторых, Годдард придерживался идеи использования многоступенчатых ракет для увеличения их дальности, и в-третьих, он предложил использовать сверхзвуковое сопло Лаваля, чтобы увеличить скорость выбрасывания горячих газов.

Годдард стал экспериментировать с твердотопливными ракетами, пробуя разные соединения и измеряя скорость выбрасываемых газов. По итогам своей работы, Годдард согласился с заключением Циолковского о том, что жидкое топливо подойдёт лучше. Проблема, с которой столкнулся Годдард, состояла в том, что жидкотопливные ракеты были совершенно новой областью исследования. Ни одной такой ракеты еще никто никогда не строил, и конструкция была гораздо сложнее, чем для твердотопливной ракеты. В такой ракете понадобятся отдельные баки и насосы для топлива и окислителя, чтобы их смешать и зажечь – камера сгорания, и турбина для работы насосов (примерно как в двигателе самолёта турбина приводит в движение компрессор). Годдард также добавил сопло Лаваля, которое охлаждало горячие выбрасываемые газы в сверхзвуковую, сильнонаправленную  струю. Это увеличило тягу больше чем в два раза, а эффективность двигателя возросла от 2% до 64%! Несмотря на технические сложности, Годдард разработал первую успешную жидкотопливную ракету, которая использовала бензин в качестве горючего и жидкий кислород в качестве окислителя, и опробовал её 16 марта 1026 года. Ракета горела 2.5 секунды и поднялась на высоту в 12.5 метров. Как и первый полёт братьев Райт на 36.5 метров в 1903 году, это не кажется таким впечатляющим по современным стандартам, но достижение Годдарда вывело ракетостроение на кривую  экспоненциального роста, что привело к радикальным улучшениям в следующие 40 лет. Сам Годдард не отошёл от инноваций; его ракеты летели всё выше и выше, он добавил гиростабилизирующую конструкцию для управления полётом и ввёл парашютную систему спасения.

На другом берегу Атлантики немецкие учёные начинали играть свою важную роль в развитии ракет. Под влиянием идей Германа Оберта о ракетных путешествиях, математикой космических полётов и реальными разработками ракет, опубликованными в его книге «Die Rakete zu den Planetenraumen» («Ракета для межпланетного пространства»), в Германии был основан ряд ракетных клубов и исследовательских институтов. Немецкий производитель велосипедов и машин Opel (теперь в составе General Motors) начал разработку реактивных машин, и в 1928 году Фритц фон Опель  вывел Opel-RAK.1 на гоночный трек. В 1929 году разработки расширили до самолёта Opel-Sander RAK1, который разбился во Франкфурте во время первого полёта. В Ленинграде газодинамическая лаборатория под руководством Глушко построила больше 100 разных вариантов двигателей, экспериментируя с разными техниками впрыскивания топлива.

v-2

Ракета Фау-2 в разрезе

Под руководством Вернера фон Брауна и Вальтера Дорнбергера Общество космических полетов сыграло ключевую роль в разработке Vergeltungswaffe 2, также известной как Фау-2, самой прогрессивной ракеты того времени. Ракета Фау-2 сжигала смесь спирта в качестве топлива и жидкого кислорода в качестве окислителя, и достигла больших значений тяги, улучшив секундный расход массы до 150 килограмм в секунду. В Фау-2 сошлось большинство технологий, которые можно увидеть в современных ракетах, например, турбонасосные агрегаты и системы управления, а благодаря дальности в 300 км Фау-2 можно было запускать с побережья Балтики для бомбардировок Лондона во время Второй мировой. Тысячекилограммовая боеголовка на носу Фау-2 могла разрушать целые кварталы города, но ей не хватало точности для гарантированного удара по конкретной цели. К концу Второй мировой немецкие учёные уже прикрепляли ракеты к самолётам, чтобы те могли взлетать вертикально или лететь на реактивной тяге. Также они разрабатывали ракеты побольше – известные как межконтинентальные баллистические ракеты (МБР), они могли быть использованы для атаки США.

С падением Третьего рейха в апреле 1945-го многие из этих технологий попали в руки Союзников. Ракетная программа Союзников была не такой продвинутой, и началась настоящая гонка, чтобы захватить как можно больше немецких разработок. Одни американцы захватили 300 вагонов с деталями ракет Фау-2 и отправили их в США. Более того, самые выдающиеся из немецких ракетчиков эмигрировали в Соединённые штаты, отчасти потому что там было лучше заниматься разработками, и отчасти чтобы избежать последствий за участие в военной машине нацистов. Фау-2 основательно выросла в американскую ракету Redstone, которая использовалась в программе Меркьюри.

 

 Космическая гонка – на Луну и дальше

После Второй мировой и США, и СССР начали серьёзно финансировать разработки межконтинентальных баллистических ракет (МБР), частично из-за их возможности переносить ядерные боеголовки на длительные расстояния, и частично из-за привлекательной перспективы первыми побывать в космосе. В 1948 году армия США совместила захваченную ракету Фау-2 вместе с ракетой WAC Corporal, чтобы построить ещё большую двухступенчатую ракету для запуска в Соединенных Штатах. Эта двухступенчатая ракета была известна как Bumper WAC, и за свои шесть полётов смогла достичь максимальную высоту в 400 километров, практически ту самую высоту, на которой сегодня находится орбита МКС.

Ракета «Восток», основанная на МБР Р-7

Несмотря на эти разработки, СССР стали первыми, кто запустил на орбиту созданный человеком объект, то есть искусственный спутник. Под руководством главного конструктора Сергея Королёва, Фау-2 была скопирована и после усовершенствована в ракеты Р-1, Р-2 и Р-5. На рубеже 1950-х немецкие разработки были отброшены и заменёны изобретениями Алексея Михайловича Исаева, которые стали основной для первой советской МБР, Р-7. На основе Р-7 была разработана ракета Восток, которая 4 октября 1957 года  вывела  на орбиту первый спутник, Спутник-1.  Всего-то 12 лет прошло с конца Второй мировой. Запуск Спутника-1 стал первой большой новостью в космической гонке. Всего спустя пару недель после этого, СССР успешно запустили на орбиту Спутник-2 с собакой Лайкой на борту.

Одной из проблем, которую в СССР не решили, было возвращение в атмосферу. Любое тело для выхода на орбиту другой планеты требует достаточно скорости, чтобы гравитационное притяжение планеты сглаживалось кривизной поверхности планеты. Однако во время возвращения с орбиты в атмосферу приводит к тому, что тело буквально врезается в неё, создавая огромное количество тепла. В 1951 году, Г. Дж. Аллен и А. Дж. Эггерс обнаружили, что, вопреки ожиданиям, не каплевидная форма с меньшим аэродинамическим сопротивлением, а тупая форма с большим сопротивлением снижает эффекты при входе в атмосферу, перенаправляя 99% энергии в окружающую среду. Находки Аллена и Эггерса  были опубликованы в 1958 году и использованы при создании пилотируемых капсул Mercury, Gemini, Apollo и Союза. Этот дизайн был позднее усовершенствован в Спейс шаттл который с помощью высокого угла вхождения формировал ударную волну на тепловой защите, чтобы отразить от неё большую часть тепла.

Первый спутник Соединённых Штатов, Explorer-1, не станет таковым до 31 января 1958 года. Explorer-1 весил примерно в 30 раз меньше, чем Спутник-2, но зато имел на борту счётчики Гейгера, которые были использованы для первого научного открытия в космосе – радиационных поясов Ван-Аллена. Explorer-1 изначально разрабатывался под руководством армии США, и в октябре 1958 года был официально сформирован Национальный консультативный комитет по воздухоплаванию (NACA, сегодня NASA) для руководства космической программой. В то же время, в СССР из МБР Р-7 разработали семейства ракет Восток и Союз для использования в программе пилотируемых космических полётов. Ракета Союз используется до сих пор, остаётся наиболее часто используемой и самой надежной в истории ракетой, и после прекращения программы Space Shuttle в 2011 году это единственный способ попасть на МКС. Схожим образом, ракета Протон, разработанная в 1960-х, до сих пор используется для выведения тяжелых грузов на низкую околоземную орбиту.

Транспортировка ракеты Союз к месту запуска

Вскоре после первых запусков спутников, NASA разработало экспериментальный аппарат с ракетным двигателем, запускаемый с самолёта,  –  Х-15, который за свои 199 полётов с 1959 по 1968 год поставил многочисленные рекорды, включая новые рекорды скорости (7,274 км/ч) и высоты (108 км). Также Х-15 обеспечил NASA данными по оптимальным углам входа в атмосферу при возвращении из космоса.

Следующее достижение в космосе тоже принадлежало СССР. 12 апреля 1961 года космонавт Юрий Гагарин стал первым человеком, побывавшим в космосе, и стал международной знаменитостью. На протяжении чуть менее двух часов Гагарин находился на орбите Земли в космической капсуле Восток-1 на высоте примерно 300 км и после возвращения в атмосферу катапультировался на высоте 6 км и спустился на землю на парашюте. Так, Гагарин стал самым известным советским человеком, путешествуя по всему миру как символ успеха СССР и их превосходства над Западом.

Вскоре после успешного полёта Гагарина, американский астронавт Джон Шепард достиг суборбитальной высоты в 187 км в капсуле Mercury Freedom 7. МБР Redstone, на которой Шепард отправился в полёт с мыса Канаверал, не обладала достаточной мощностью для выведения капсулы Mercury на орбиту, и до запуска претерпела ряд неприятных неудач, и давление на ракетчиков США увеличивалось. Тем не менее,  через несколько дней после полёта Шепарда президент Джон Ф. Кеннеди выступил перед конгрессом со знаменитыми теперь словами (перевод цитаты взят из книги по ссылке — прим. пер.):

Я убеждён, что наша нация должна приложить все усилия для того, чтобы до конца десятилетия высадить человека на Луну и благополучно вернуть его на Землю.

Несмотря на амбициозность такой задачи, проект NASA Mercury уже занимался разработкой технологий для высадки первого человека на Луне. В феврале 1962 года, более мощная ракета Atlas вывела на орбиту Джона Гленна, тем самым восстановив в некоторой мере паритет между США и СССР. Последний из полётов Mercury был запланирован на 1963 год, во время которого Гордон Купер провёл на орбите Земли почти полтора дня. Семейство ракет Atlas остается самым успешным и по сей день. Кроме выведения астронавтов в космос в рамках программы Mercury, Atlas использовалась и для выведения коммерческих, научных и военных спутников на орбиту.

Последовавший за миссиями Mercury проект Gemini сделал важные шаги, необходимые для успешного полёта на Луну. Капсулу Gemini выводила еще более мощная МБР  Titan, и в этой капсуле астронавты могли оставаться в космосе до двух недель, во время которых астронавты впервые совершали выходы в открытый космос, процедуры сближения и стыковки с аппаратом Gemini. За 1965-1966 гг. было совершено впечатляющие десять полётов в рамках миссии Gemini. Высокие показатели успеха отражали улучшающуюся надёжность ракет и космических аппаратов NASA, и позволяли учёным собирать бесценную информацию для будущих лунных миссий Аполлон. Сама же ракета Titan остаётся одной из самых успешных и долгоживущих ракет (1959-2005), доставив на Марс космический аппарат Viking, отправив зонд Voyager во внешнюю солнечную систему и выведя на орбиту многочисленные тяжёлые спутники. Примерно в то же время, в начале 1960-х, разрабатывалось целое семейство многоцелевых ракет Delta. Семейство Delta стало рабочей лошадкой для космической программы США, выполнив более 300 запусков с надежностью более 95%! Многозадачность Delta была основана на возможности изменять величину полезной нагрузки, используя взаимозаменяемые ступени и внешние ускорители, которые могли быть добавлены для большей полезной нагрузки.

К этому времени ход событий почти изменился.  Соединённые Штаты стартовали не так быстро, но все данные, полученные из ранних неудач, были использованы для усовершенствования конструкции и надёжности ракет. В СССР, несмотря на первоначальные успехи, не могли достигнуть такого же уровня успешных запусков, и это серьезно помешало их усилиям в предстоящей гонке на Луну.

Чтобы долететь до Луны, нужна была ракета гораздо мощнее, чем Titan или Delta. Знаменитая теперь ракета, 110.6-метровая Saturn V (зацените этот классный рисунок) состояла из трех отдельных основных ступеней; корабля Apollo с небольшой четвертой ступенью с двигателем для обратного пути; и двухступенчатый  посадочный лунный модуль, с одной ступенью для спуска на лунную поверхность и второй для взлёта обратно с Луны. Saturn V была по большей части детищем и главным достижением Вернера фон Брауна, главного конструктора ракеты Фау-2 в Германии во время Второй мировой. Saturn V обладала возможностью запуска 140,000 кг на низкую околеземную орбиту и 48,600 кг на Луну. На фоне таких возможностей предыдущие ракеты кажутся незначительными, и по сей день Saturn V остаётся самой высокой, тяжёлой и самой мощной ракетой, когда-либо построенная до рабочего состояния (последняя на картинке в начале статьи). Усилия NASA достигли своей высшей точки 20 июля 1969 года с миссией Аполлон 11, когда Нил Армстронг стал первым человеком, когда-либо ступившим на Луну, всего 11,5 лет после первого успешного запуска спутника Explorer-1. Миссия Аполлон 11 стала первой из шести успешных высадок на Луну, которые происходили в период 1969-1972 гг.  Также была разработана меньшая конфигурация лунной ракеты, Saturn IB, которая использовалась в ранних испытаниях миссий Аполлон, а позднее была задействована для доставки трёх экипажей на американскую космическую станцию Skylab.

Семейство ракет Delta 4 (Photo Credit: United Launch Alliance)

Семейство ракет Delta 4 (Photo Credit: United Launch Alliance)

Спейс шаттл

Спейс шаттл Discovery

Последней крупной инновацией NASA был Спейс шаттл. Идея Спейс шаттла состояла в создании многоразовой ракетной системы  для доставки груза и экипажей на низкую околоземную орбиту.  Обоснованием было то, что большую часть стоимости запуска составляло производство ракеты,   так что терять ступени ракеты после запуска было не особенно экономично. Представьте, что после каждого полёта из Нью-Йорка в Лондон приходится выбрасывать целый Boeing 747 или Airbus A380. При таком раскладе цены на билеты были бы совсем другими. Шаттл состоял из крылатого, похожего на самолёт космического корабля и твердотопливных ускорителей по бокам.  На орбиту корабль выводился жидкостными ракетными двигателями шаттла, топливо к которым подавалось из огромного внешнего топливного бака. После запуска внешний топливный бак и ускорители сбрасывались, и ускорители возвращали и использовали снова.

В конце миссии шаттл входил в земную атмосферу, после чего планировал по извилистой траектории, чтобы приземлиться на посадочную полосу как обычный самолёт. В идеале, NASA обещало, что шаттл снизит стоимость пусков на 90%. Однако падая в воду, ускорители часто оказывались слишком повреждены и не подлежали ремонту, а усилия, которых требовало обслуживание теплозащиты шаттла с осмотром каждой из 24,000 плиток, вскоре привело к тому, что цена за килограмм полезной нагрузки на орбиту стала больше, чем  до этого у Saturn V.  Пять кораблей, Endeavour, Discovery, Challenger, Columbia и Atlantis, совершили 135 миссий с 1981 по 2011 год, пережив за это время трагические потери Columbia в 1983 и Challenger в 2003. И хотя шаттл облегчил задачу строительства МКС и выведения космического телескопа Hubble, главная цель – экономичные космические полёты – не была достигнута.

Впрочем, теперь эту цель преследуют коммерческие космические компании вроде SpaceX, Reaction Engines, Blue Origin, Rocket Lab и Sierra Nevada Corporation.

 

Новые подходы

После завершения программы Спейс шаттл в 2011 году, возможности США по выводу людей в космос оказались серьезно ограничены. В данный момент NASA работают над Space Launch System (SLS), основной задачей которой является расширить границы пилотируемых полётов дальше низкой околоземной орбиты. Хотя проектированием и сборкой SLS занимается NASA, отдельные компоненты разрабатываются в партнерстве с компаниями Boeing, United Launch Alliance, Orbital ATK и Aerojet Rocketdyne. SLS станет самой мощной ракетой в истории, и потому разрабатывается в два этапа (как это было с Saturn IB и Saturn V). Первой станет  ракета, основанная на предыдущих ракетных проектах, с возможностью вывода полезной нагрузки в 70 тонн. Её целью будет проведение космическим аппаратом Orion двух пролётов Луны, одного без экипажа и второго с ним. Вторая, более продвинутая версия SLS с возможностью вывода на низкую околоземную орбиту полезной нагрузки в 130 тонн, отправит научное оборудование, груз и пилотируемый корабль Orion в дальний космос. Первый полёт корабля Orion к Луне без экипажа запланирован на 2018 год, в то время как пилотируемые миссии ожидаются в 2021-2023 годах. К 2026 году NASA планирует отправить Orion вместе с экипажем к астероиду, который будет заранее помещен на лунную орбиту в ходе другой миссии по захвату астероида.

sls

План NASA по усовершенствованию SLS

Тем не менее, с коммерциализацией космоса новые игроки работают над еще более впечатляющими планами. Ракета SpaceX Falcon 9 зарекомендовала себя как очень надежная (с текущим соотношением успеха 20 из 22 пусков). Более того, SpaceX – первая частная компания, успешно запустившая и возвратившая орбитальный корабль, капсулу Dragon, который регулярно снабжает МКС необходимым грузом и новым научным оборудованием. Сейчас для доставки астронавтов на МКС США полагается на российский корабль Союз, однако в ближайшем будущем для этого планируется использовать Dragon. Falcon 9 – двухступенчатая ракета, которая содержит в себе двигатели Merlin от SpaceX, работающие на жидком кислороде и керосине, и возможность отправить на низкую околоземную орбиту полезную нагрузку в 13 тонн.

На данный момент есть три  конфигурации Falcon 9: v1.0 и v1.2 (более не используются), и последняя частично многоразовая версия на полной тяге, которая 22 декабря 2015 года совершила успешную посадку на мысе Канаверал, используя корректирующие двигатели при возвращении на землю. Теперь же посадку пытаются отработать на платформе в океане (она уже была совершена в апреле 2016 года — прим. пер.). Далее ожидается, что Falcon Heavy с 27 двигателями Merlin (ракета Falcon 9 с двумя первыми ступенями по бокам) увеличит величину полезной нагрузки до 53 тонн на низкую околоземную орбиту, что сделает Falcon Heavy второй самой мощной ракетой после SLS. Первые полёты Falcon Heavy ожидаются позже в 2016 году. Конечно, главной целью для СEO SpaceX Илона Маска является превращение человечества в межпланетный вид, и для достижения это цели он планирует отправить на Mars Colonial Transporter колонию из миллиона людей на Марс, систему космических запусков из многоразовых ракетных двигателей и космические капсулы. Ракета SpaceX Falcon 9 уже имеет самую низкую стоимость в $60 миллионов за запуск, и надежное повторное использование должно снизить стоимость полёта настолько, что через десяток лет билет на Марс будет интересен по крайней мере миллиону самых богатых людей на Земле (или, например, можно будет продать места на марсианское реалити-шоу).

Когда это станет реальностью?

Blue Origin, аэрокосмическая компания, основателем которой является создатель Amazon Джефф Безос, выбрала схожий подход к вертикальному пуску и посадке ракеты для повторного использования и снижения стоимости.  Компания постепенно движется от суборбитальных полётов к орбитальным, следуя своему девизу «Gradatim Ferocity» (что переводится с латыни как шаг за шагом, решительно). Ракета New Shepard совершила свой первый испытательный полёт в апреле 2015 года. В ноябре того же года ракеты успешно приземлилась после суборбитального полёта на высоту в 100 км, и в январе 2016 была достигнута высота в 101 км. Blue Origins надеется расширить свои возможности до запуска людей уже в 2018 году.

Reaction Engines – британская аэрокосмическая компания, исследующая космические реактивные двигатели, сосредоточена на одноступенчатом космолёте Skylon многоразового использования. Основным на Skylon будет двигатель SABRE, в основе которого лежит ракетный комбинированный цикл, т.е. сочетание воздушно-реактивного и ракетного двигатели с общим потоком, который можно повторно использовать в 200 полётах. Skylon считают, что с такой системой вывод одного килограмма нагрузки на орбиту в стоимости может снизиться с $1500 (на начало 2016) до $900. Согласно проекту, с жидким водородом в качестве горючего, Skylon будет подниматься со специальной взлётной полосы и ускоряться до скорости 5 М на высоте 28.5 км, используя атмосферный кислород как окисляющий компонент топлива. Эта «дышащая» часть двигателя SABRE работает по тем же принципам, что и воздушно-реактивный двигатель. Турбокомпрессор увеличивает перепад давления входящего атмосферного воздуха, который сначала проходит через теплообменник, который охлаждает горячий воздух, сталкивающийся с двигателем на сверхзвуковых скоростях. Сжатый воздух подаётся в камеру сгорания, где он воспламеняется с жидким водородом. Как и в обычном реактивном двигателе, чтобы вместить как можно больше окисляющего компонента в камеру сгорания и увеличить тягу двигателя, важен очень высокий перепад давления. Поскольку на большой высоте атмосферный кислород иссякает, двигатели переключаются на запасы жидкого кислорода, превращая двигатель в ракетный двигатель замкнутого цикла и поднимая корабль Skylon на орбиту.

Теоретические преимущества двигателя SABRE состоят в его  высокоэффективном расходе топлива и низкой массе, что облегчает задачу одноступенчатого выхода на орбиту. После отделения полезной нагрузки до 15 тонн корабль Skylon войдёт в атмосферу подобно Спейс шаттлу, оставаясь в безопасности благодаря теплозащите, и приземлится на посадочную полосу. Первые наземные испытания двигателя SABRE намечены на 2019 год, а первые беспилотные испытательные полёты ожидаются в 2025 году.

Ракетный двигатель SABRE

Sierra Nevada Corporation совместно с NASA работает над созданием корабля Dream Chaser для доставки груза и экипажа до семи людей на низкую околоземную орбиту. Dream Chaser был спроектирован для запуска на носу ракеты Atlas V и для традиционного возвращения планированием на посадочную полосу. Dream Chaser выглядит как уменьшенная версия Space Shuttle, так что интуитивно хочется ожидать такой же неэффективности с экономической точки зрения. Однако инженеры Sierra Nevada говорят о двух изменениях, внесённых в Dream Chaser, которые могут уменьшить затраты на обслуживание корабля. Во-первых, рулевые двигатели, используемые для управления высотой полёта, предполагают использование топлива на основе этанола, так что они не токсичны и намного менее взрывоопасны по сравнению с рулевыми двигателями Shuttle, которые использовали гидразин. Это должно позволить проводить техобслуживание Dream Chaser сразу же после посадки и уменьшить время между полётами. Во-вторых, теплозащитная система основана на абляционных плитках, которые могут выдержать не один полёт и быть заменены целыми комплектами за раз, а не поштучно. Первые испытательные орбитальные полёты Dream Chaser запланированы на ноябрь 2016.

Dream Chaser

Наконец, компания Rocket Lab, которая находится в Новой Зеландии, разрабатывает углекомпозитную ракету Electron на жидком топливе, которая сможет выводить на низкую околоземную орбиту 110 кг полезной нагрузки. Поэтому в Rocket Lab сосредоточились на частых запусках для доставки на орбиту груза с малой массой, например наноспутников. Цель компании – сделать космос доступным так часто и недорого, что можно будет надёжно и быстро запускать маломасштабные спутники , которые будут обеспечивать нас научными экспериментами и скоростным интернетом. Предполагается, что стоимость запуска Rocket Lab составит $5 миллионов, и компания сможет осуществлять 100 запусков в год и требовать меньше топлива чем Boeing 737 при перелёте из Сан-Франциско в Лос-Анджелес. Главной сложностью является создание полностью углекомпозитных баков для жидкого топлива, что нужно для эффективного использования топлива. На сегодняшний день содержание криогенного (сильно охлаждённого) жидкого топлива, например, жидкого водорода и жидкого кислорода, остаётся работой для металлических сплавов. Остаётся беспокойство и о возможных утечках из-за микротрещин, которые появляются в смолистом веществе композита при криогенных температурах. В композитах существует несоответствие коэффициентов теплового расширения усиленного волокна и смолистого вещества, что способствует тепловой нагрузке на композит, когда тот остывает до криогенной температуры после высоких температуры и давления при затвердевании. Циклы температуры и давления во время процедур закачивания и откачивания жидкого кислород-водорода усиливают повторную нагрузку, что в итоге может привести к появлению трещин в корпусе, сквозь которые легко будут проходить молекулы водорода и кислорода. Такая утечка создаст реальную угрозу взрыва.

 

Куда лежит наш путь?

Как можно увидеть, за последние 2000 лет ракеты развились от простых игрушек и военного оружия до сложных машин, способных отправить человека в космос. Сегодня ракеты – единственная возможность попасть в места вне Земли. Более того, видно, что развитие ракет не всегда следовало одним путём к совершенствованию. Наши возможности по отправке всё более тяжелой полезной нагрузки в космос достигли пика вместе с разработкой ракеты Saturn V. Этот большой технологический прыжок был обязан, по большому счету, духу соперничества между США и СССР. Ракетчикам в 1950-1970-х были доступные невообразимые бюджеты. Более того, мечтатели и провидцы вроде Жюля Верна, Константина Циолковского и Джина Родденберри  взбудоражили воображение публики и подготовили поддержку космических программ. После катастрофы Columbia в 2003 году, интерес людей в трате денег налогоплательщиков на программы, превышающие свои бюджеты, естественно, спал. Тем не менее, успехи соответствующих компаний, их активная конкуренция и фантастические цели колонизировать Марс снова вдохновляют молодое поколение. Это, наконец, снова потрясающее время для ракетостроения.

Текст перевела Ирина Ларина.

Оригинальный материал доступен по ссылке.