Чем большим запасом энергии обладает каждый килограмм топлива и чем совершеннее двигатель, тем большую скорость истечения приобретают продукты сгорания.
Циолковский установил зависимость скорости, которую может достигнуть ракета, от количества заправленного в нее топлива и от скорости истечения продуктов его сгорания из сопла двигателя.
Чем больше топлива находится на борту ракеты, тем выше достигаемая ракетой скорость. При этом речь идет не об абсолютных запасах топлива, а об отношении массы топлива к массе полезного груза и конструкции ракеты. Чтобы ракета могла достигнуть возможно большей скорости полета или смогла вывести па орбиту наибольшую полезную нагрузку, инженеры стремятся сделать ее конструкцию наилегчайшей, с тем чтобы возможно большая доля начальной массы ракеты приходилась на топливо и возможно меньшая на конструкцию, то есть на топливные баки, корпус, двигатель, аппаратуру управления и другие агрегаты.
Путь космического аппарата - это орбита, когда он движется вокруг Земли, или трасса, когда он летит к планетам. В том и другом случаях направление движения задается ему в течение нескольких минут, когда работают двигатели ракеты-носителя. В эти буквально считанные минуты на активном участке траектории аппарат набирает высоту и нужную скорость. Дальнейший многосуточный полет происходит по законам небесной механики с выключенным двигателем. В этот период аппарат подвергается лишь воздействию сил притяжения Солнца и планет. Часто космический аппарат даже отделяется от последней ступени ракеты- носителя и совершает полет самостоятельно, располагая лишь небольшими двигателями для стабилизации и ориентации в пространстве, для коррекции траектории и торможения при посадке, если последняя предусматривается.
Чтобы вывести аппарат на орбиту искусственного спутника Земли, направить его к Луне или Марсу, необходимо точно рассчитать траекторию движения ракеты-носителя и обеспечить достижение ею строго расчетной скорости. Поэтому успех всего полета фактически решается на активном участке, а правильный расчет активного участка и выполнение полета в соответствии с исходными данными являются главными, определяющими.
Для того чтобы спутник стал спутником, а космический корабль достиг Луны или Марса, надо к моменту окончания работы двигателей ракет-носителей вывести их в строго определенные точки пространства над поверхностью Земли, сообщив точно рассчитанные по величине и направлению скорости.
Несоблюдение этих условий обрекает полет на неудачу. Например, при старте к Луне при отклонении скорости ракеты в конце активного участка всего на несколько метров в секунду или направления па десятую долю градуса от расчетных приведет к тому, что аппарат не достигнет Луны.
Для определения скорости ракеты, которой она может достичь, израсходовав все топливо, пользуются формулой Циолковского. Однако эта формула представляет собой уравнение движения ракеты за пределами атмосферы и вне поля тяготения, то есть в свободном пространстве, где на ракету, кроме силы тяги двигателя, не действуют никакие другие силы: ни сила сопротивления воздуха, ни сила притяжения Солнца, Земли, ни других планет. А ведь активный участок ракеты проходит вблизи Земли, причем большая его часть - в атмосфере. Поэтому, естественно, притяжение Земли, сопротивление атмосферы уменьшают ее скорость. Чтобы в этом случае вычислить скорость ракеты, необходимо знать ее массу, размеры, форму, а также время, в течение которого ракета будет набирать скорость.
Сложность этой задачи очевидна, так как при ее решении приходится иметь дело с непрерывно изменяющимися величинами: меняется масса ракеты по мере расходования топлива, происходит разделение отработавших ступеней, все время увеличивается скорость, а с высотой изменяется плотность атмосферы и т. д.
Русский ученый Иван Всеволодович Мещерский, разработавший основы механики тел переменной массы, составил уравнение, описывающее движение тела переменной массы. По этому уравнению и производится расчет активного участка полета ракеты. Суть расчета состоит в том, что для каждого момента времени вычисляются силы, действующие на ракету, по равнодействующей всех сил - ускорению, а по ускорению - увеличение скорости за определенный отрезок времени.
С какими силами при этом приходится иметь дело? Во-первых, с тягой двигателя, во-вторых, с силой сопротивления воздуха и, наконец, весом ракеты. Между этими силами, образно говоря, идет борьба: тяга двигателя влечет ракету вперед, сопротивление воздуха препятствует ее движению, а вес ракеты тянет вниз. В полете величины этих сил изменяются. Меняется и направление их действия.
Расчет свободного полета ракеты в космическом пространстве происходит по законам небесной механики, как движение любого небесного тела.
Расчет траектории ракеты - задача чрезвычайно сложная и трудоемкая. А так как обычно выбирают наиболее выгодный (с разных точек зрения: энергетики, времени запуска, научной и др.) вариант полета, то приходится производить расчеты многих траекторий. При обычном способе расчета это потребовало бы очень много времени. Но на помощь ученым пришли электронные вычислительные машины, которые быстро и точно выполняют эту работу.
...До старта остается несколько минут. Представитель группы телеметрии сообщает о прохождении первой стартовой команды - «Ключ на старт». Это значит, что включаются все цепи, обеспечивающие одновременный запуск двигательных установок с центрального пульта и управление запуском автоматикой, чтобы время старта соответствовало расчетному с точностью до сотых долей секунды.
Одна за другой проходят последующие стартовые команды: «Протяжка», «Продувка», «Ключ на дренаж». По команде «Протяжка» осуществляется контроль состояния всех систем ракеты-носителя. Для этого протягиваются лепты телеметрической записи. Многоканальная телеметрическая информация, регистрируемая на лентах, позволяет оценить параметры всех систем и агрегатов ракетно-космического комплекса непосредственно перед стартом. По команде «Продувка» азотом продуваются трубопроводы и камеры сгорания двигательных установок. Команда «Ключ па дренаж» означает, что закрываются все дренажные клапаны и прекращается подпитка топливных баков.
Непосредственно перед стартом отводятся фермы обслуживания. По команде «Земля - борт» отсоединяются штепсельные разъемы кабелей, соединяющие ракету-носитель с наземными коммуникациями (она переводится на автономное управление и бортовое питание), отводится заправочная кабель-мачта. Заканчивается продувка азотом топливных магистралей.
Открывается главный клапан горючего, а затем клапан окислителя на предварительную ступень.
...В шлемофонах, надетых на голову, мы слышим команду «Зажигание». Это значит, что горючее и окислитель уже поступили в камеры сгорания. Сейчас сработает пирозажигающее устройство; оно создаст в камерах сгорания факел пламени.
Из-под ракеты вырывается ослепительное пламя. Раздается оглушительный грохот. Но ракета еще неподвижна. К нам в кабину не проникает ни ослепительный отблеск пламени, ни грохот включившихся двигателей. Мы слышим лишь небольшой шум и ощущаем вибрацию.
Двигатели ракеты выходят сначала на промежуточный, а затем на расчетный режим тяги. Вот они набрали полную мощность, давление в камерах сгорания достигло рабочего, тяга двигателей превысила вес ракеты-носителя - и она медленно поднимается над стартовым столом, освобождаясь от захватов поддерживающих ферм. Ракета начинает стремительный разгон в космические дали.
Автоматические и пилотируемые аппараты запускаются на орбиты искусственных спутников Земли и к другим небесным телам с помощью космических ракет. Их называют ракетами-носителями. В Советском Союзе создано несколько типов таких ракет. Это ракета-носитель «Космос», которая выводит на околоземные орбиты спутники, ракета-носитель «Восток», благодаря которой стал возможен полет человека, ракета-носитель «Протон», обеспечивающая запуск тяжелых спутников. Создаются еще более мощные и совершенные космические ракеты.
Традиционным при встречах со школьниками стал вопрос, почему ракеты делают многоступенчатыми.
Одноступенчатая ракета, даже самая лучшая, с самым хорошим двигателем, заправленная лучшим топливом, не в состоянии вывести на орбиту даже маленький спутник Земли. В гравитационном полете без учета сопротивления воздуха она в лучшем случае сможет достичь скорости около 4570 метров в секунду. Как же быть? Увеличить скорость можно, соединяя последовательно две или несколько ракет, то есть образуя многоступенчатую ракету!
