Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Вперше ідея використання багатоступеневих ракет була висунута американським інженером Робертом Годдардом в 1914 році, і був отриманий патент на винахід. У 1929 р К.Е. Ціолковський випустив у світ свою нову книгу під назвою «Космічні ракетні поїзди». Цим терміном К. Ціолковський назвав складові ракети або, вірніше, агрегат ракет, які роблять розбіг по землі, потім в повітрі і, нарешті, в космічному просторі. Поїзд, складений, наприклад, з 5 ракет, ведеться спочатку першої - головний ракетою; по використанні її пального, вона відчіплюється і скидається на землю. Далі, таким же чином, починає працювати друга, потім третя, четверта і, нарешті, п'ята, швидкість якої буде на той час досить велика, щоб полинути в міжпланетний простір. Послідовність роботи з головним ракети викликана прагненням змусити матеріали ракет працювати не на стиск, а на розтягнення, що дозволить полегшити конструкцію. За Ціолковського, довжина кожної ракети - 30 метрів. Діаметри - 3 метри. Гази з сопел вириваються побічно до осі ракет, щоб не тиснути на наступні ракети. Довжина розбігу по землі - кілька сот кілометрів.
Незважаючи на те, що в технічних деталях ракетобудування пішло багато в чому іншим шляхом (сучасні ракети, наприклад, не «розбігаються» по землі, а злітають вертикально, і порядок роботи ступенів сучасної ракети - зворотний, по відношенню до того, про який говорив Ціолковкій ), сама ідея багатоступінчастої ракети і сьогодні залишається актуальною.
У 1935 році Ціолковський написав роботу «Найбільша швидкість ракети», в якій стверджував, що при рівні технології того часу досягти першої космічної швидкості (на Землі) можна тільки за допомогою багатоступінчастої ракети. Це твердження зберігає свою справедливість і сьогодні: всі сучасні носії космічних апаратів - багатоступінчасті.
Принцип дії багатоступінчастої ракети
Ракета є дуже «витратним» транспортним засобом. Ракети-носії космічних апаратів «транспортують», головним чином, паливо, необхідне для роботи їх двигунів і власну конструкцію, що складається в основному з паливних контейнерів і рухової установки. На частку корисного навантаження припадає лише мала частина (1,5-2,0%) стартової маси ракети.
Варіанти компоновки ракет. Зліва направо:
1. одноступенева ракета;
2. двоступенева ракета з поперечним поділом;
3. двоступенева ракета з поздовжнім поділом.
4. Ракета з зовнішніми паливними ємностями, виділеннями після вичерпання палива в них.
Конструктивно багатоступінчасті ракети виконуються c поперечним або поздовжнім поділом ступенів.
При поперечному поділі ступені розміщуються одна над іншою і працюють послідовно один за одним, включаючись тільки після відділення попереднього ступеня. Така схема дає можливість створювати системи, в принципі, з будь-якою кількістю ступенів. Недолік її полягає в тому, що ресурси наступних ступенів не можуть бути використані при роботі попередньої, будучи для неї пасивним вантажем.
При поздовжньому поділі перша фаза складається з декількох однакових ракет (на практиці, від 2-х до 8-и), що працюють одночасно і розташованих навколо корпусу другого ступеня симетрично, щоб рівнодіюча сил тяги двигунів першого ступеня була направлена по осі симетрії другий. Така схема дозволяє працювати двигуну другого ступеня одночасно з двигунами першої, збільшуючи, таким чином, сумарну тягу, що особливо потрібно під час роботи першого ступеня, коли маса ракети максимальна. Але ракета з поздовжнім поділом ступенів може бути тільки двоступеневої. [1]
Існує і комбінована схема поділу - поздовжньо-поперечна. що дозволяє поєднати переваги обох схем, при якій перша ступінь поділяється з другої поздовжньо, а поділ всіх наступних ступенів відбувається поперечно. Приклад такого підходу - вітчизняний носій Союз.
Компонування Спейс Шаттл.
Перший ступінь - бічні твердопаливні прискорювачі.
Другий ступінь - орбитер з виділенням зовнішнім паливним баком. При старті запускаються двигуни обох ступенів.
Унікальну схему двоступеневої ракети з поздовжнім поділом має космічний корабель Спейс Шаттл,
перший ступінь якого складається з двох бічних твердопаливних прискорювачів, а на другому ступені частина палива міститься в баках орбітери (власне багаторазового корабля), а більша частина - у виділеннях зовнішньому паливному баку. Спочатку рухова установка орбітери витрачає паливо з зовнішнього бака, а коли воно буде вичерпано, зовнішній бак скидається і двигуни продовжують роботу на тому паливі, яке міститься в баках орбітери. Така схема дозволяє максимально використовувати рухову установку орбітери, яка працює на всьому протязі виведення корабля на орбіту.
При поперечному поділі ступені з'єднуються між собою спеціальними секціями - переходниками - несучими конструкціями циліндричної або конічної форми (в залежності від співвідношення діаметрів ступенів), кожен з яких повинен витримувати сумарна вага всіх наступних ступенів, помножений на максимальне значення перевантаження, яку випробовують ракетою на всіх ділянках польоту , на яких даний перехідник входить до складу ракети.
При поздовжньому поділі на корпусі другого ступеня створюються силові бандажі (передній і задній), до яких кріпляться блоки першого ступеня.
Елементи, що з'єднують частини складовою ракети, повідомляють їй жорсткість цільного корпусу, а при поділі ступенів повинні практично миттєво звільняти верхню сходинку. Зазвичай з'єднання ступенів виконується за допомогою піроболтів. Піроболта - це кріпильний болт, в стрижні якого поряд з головкою створюється порожнину, що заповнюється бризантних вибуховою речовиною з електродетонатором. При подачі імпульсу струму на електродетонатор відбувається вибух, що руйнує стрижень болта, в результаті чого його головка відривається. Кількість вибухівки в піроболта ретельно дозується, щоб, з одного боку, гарантувати відрив головки, а, з іншого - не пошкодити ракету. При поділі ступенів на електродетонатори всіх піроболтів, що з'єднують розділяються частини, одночасно подається імпульс струму, і з'єднання звільняється.
Далі ступені повинні бути розведені на безпечну відстань один від одного. (Запуск двигуна вищого ступеня поблизу нижчої може викликати прогар її паливної ємності і вибух залишків палива, який зашкодить верхню сходинку, або дестабілізує її політ.) При поділі ступенів в атмосфері для їх розведення може бути використана аеродинамічна сила зустрічного потоку повітря, а при поділі в порожнечі іноді використовуються допоміжні невеликі твердопаливні ракетні двигуни.
На рідинних ракетах ці ж двигуни служать і для того, щоб «осадити» паливо в баках верхньому щаблі: при виключенні двигуна нижчому щаблі ракета летить по інерції, в стані вільного падіння, при цьому рідке паливо в баках знаходиться в підвішеному стані, що може привести до збою при запуску двигуна. Допоміжні двигуни повідомляють ступені невелике прискорення, під дією якого паливо «осідає» на днища баків.
На наведеному вище знімку ракети Сатурн-5, на корпусі третього ступеня (крайня зліва, в кадрі представлена частково) видно чорний корпус одного з допоміжних твердопаливних двигунів розведення 3-й і 2-й ступенів.
Збільшення числа ступенів дає позитивний ефект тільки до певної межі. Чим більше ступенів - тим більше сумарна маса перехідників, а також двигунів, що працюють лише на одній ділянці польоту, і, в якийсь момент, подальше збільшення числа ступенів стає контрпродуктивним. У сучасній практиці ракетобудування більше чотирьох ступенів, як правило, не робиться.
Триступенева ракета-носітельс поздовжньо-поперечним поділом Союз-2.
При виборі числа ступенів важливе значення мають також питання надійності. Піроболта і допоміжні РДТТ - елементи одноразової дії, перевірити функціонування яких до старту ракети неможливо. Тим часом, відмова тільки одного піроболта може привести до аварійного завершення польоту ракети. Збільшення числа одноразових елементів, які не підлягають перевірці функціонування, знижує надійність всієї ракети в цілому. Це також змушує конструкторів утримуватися від занадто великої кількості ступенів.