Как работают ракеты: системы пропульсии и технология запуска объяснены

Каждый орбитальный запуск, от выведения экипажа на Falcon 9 до испытательных полётов Starship, опирается на одни и те же основные законы физики, впервые описанные Исааком Ньютоном: на каждое действие есть равное и противоположное противодействие. Двигатель ракеты сжигает топливо и выбрасывает образующийся горячий газ из сопла на высокой скорости; газ толкает ракету в противоположном направлении. Согласно Центру исследований Гленна NASA, эта пара действия-противодействия существует между ракетой и её собственным выхлопом, поэтому ракеты работают в вакууме космоса и не нуждаются в воздухе или каком-либо другом среде для отталкивания.

Физика: тяга и удельный импульс

Инженеры описывают производительность двигателя двумя числами: тягой и удельным импульсом. Тяга — это сила, которая вырабатывается, главным образом определяется тем, сколько массы выходит из сопла и как быстро она выходит. Удельный импульс (Isp), измеряемый в секундах, описывает, насколько эффективно двигатель преобразует топливо в тягу — Центр исследований Гленна NASA определяет его как тягу, делённую на массовый расход топлива, поэтому двигатель с более высоким Isp производит больше тяги из того же количества топлива или требует меньше топлива для одинаковой тяги.

Этот один параметр позволяет инженерам подобрать двигатель и сравнивать совершенно различные системы пропульсии на равных условиях, поэтому Isp постоянно встречается в технических характеристиках ракет.

Химическая пропульсия: жидкая, твёрдая и гибридная

Почти все аппараты, покидающие земную поверхность, используют химическую пропульсию, где топливо и окислитель реагируют, образуя горячий, расширяющийся газ. Существуют три основные конфигурации. Жидкотопливные двигатели хранят топливо и окислитель отдельно и подают их в камеру сгорания, что позволяет двигателю регулировать тягу, отключаться и перезапускаться — гибкость, используемая как государственными, так и коммерческими поставщиками запусков. Твёрдотопливные двигатели смешивают топливо и окислитель в один твёрдый заряд, упакованный в корпус ракеты; они конструктивно просты и дёшевы, но, будучи один раз зажженными, горят до полного сгорания топлива. Гибридные системы объединяют твёрдое топливо с жидким или газообразным окислителем, занимая промежуточное положение между двумя подходами.

Двигатель Raptor компании SpaceX, используемый на аппаратах Starship и Super Heavy, иллюстрирует более новый подход в жидкостной пропульсии: конструкция с полным дросселированием сгорания, при которой все топливо и весь окислитель проходят через два отдельных предварительных сгорания перед попаданием в основную камеру сгорания, согласно авиакосмическому источнику Everyday Astronaut. Raptor сжигает жидкий метан с жидким кислородом — комбинацию, выбранную SpaceX отчасти потому, что метан горит, не оставляя сажистые отложения, которые усложняют повторное использование двигателей на керосине, и отчасти потому, что метан в принципе может быть произведён на Марсе из местных ресурсов. Источник сообщает, что Raptor производит примерно 2 меганьютона тяги с удельным импульсом в вакууме около 330 и 350 секунд.

Почему космические аппараты строятся в виде ступеней

Достижение орбиты с земной поверхности требует достижения высоты более примерно 150 километров при скорости более 7,9 километров в секунду, согласно руководству производителя ракет Европейского космического агентства. Одна конструкция двигателя редко делает это эффективно на протяжении всего полёта, поэтому большинство орбитальных ракет разделены на ступени, которые отбрасываются после истощения их топлива, избавляясь от неиспользуемого груза, чтобы оставшиеся ступени могли быстрее ускорять облегчённый аппарат.

Описание ESA типичного полёта класса Ariane показывает, как это работает на практике: ускорители и основная ступень работают совместно в течение первых примерно двух минут вертикального подъёма, основная ступень продолжает работать около двенадцати минут, в то время как ускорители уже отделились и упали в море примерно на высоте 60 километров, а верхняя ступень затем работает в течение последнего периода, достигая максимальной скорости миссии примерно 8 километров в секунду перед выпуском полезной нагрузки. После завершения её задачи израсходованная верхняя ступень обычно переводится на кладбищенскую орбиту, чтобы она не стала опасностью столкновения для активных спутников.

Кроме запуска: электрическая и ионная пропульсия

Когда космический аппарат уже находится на орбите или в глубоком космосе, химическая пропульсия не всегда является наиболее эффективным выбором для длительных путешествий. Многие исследовательские аппараты вместо этого используют электрическую пропульсию, которая ионизирует топливо — обычно газ ксенон — и ускоряет образующиеся заряженные частицы из двигателя с помощью электрических полей, питаемых солнечными панелями. Лаборатория реактивного движения NASA описывает тягу от этих систем как чрезвычайно мягкую: в случае миссии Psyche в поясе астероидов, давление, производимое её ионными двигателями, сравнимо с давлением нескольких монет в вашей руке, даже на полной мощности.

Эта крошечная тяга недостаточна для поднятия чего-либо с Земли, но в безтрения среде космоса она может быть применена непрерывно в течение месяцев, медленно нарастая скорость. JPL сообщает, что солнечно-электрические двигатели Psyche уже разогнали аппарат до примерно 84 000 миль в час и в конечном итоге доведут его до примерно 124 000 миль в час — демонстрируя, почему ионная пропульсия зарезервирована для крейсерского полёта в космосе, а не для запуска, где химические двигатели требуют гораздо большей тяги для преодоления гравитации и сопротивления атмосферы за считанные минуты.