Как работают ракеты: тяга, системы движения и механика орбиты объяснены

Каждый раз, когда ракета поднимается в воздух — будь то пилотируемый Falcon 9, европейская ракета-носитель Ariane или небольшой ускоритель для спутников наблюдения Земли — она применяет те же несколько принципов физики, которые инженеры использовали с начала XX века. Общественный интерес к этим запускам остается высоким круглый год, но лежащие в их основе механизмы тяги, движения и орбиты часто упускаются из виду. Агентства, включая NASA и Европейское космическое агентство (ESA), публикуют подробные объяснения того, как ракеты на самом деле работают; этот материал опирается на такие объяснения.

Создание тяги: третий закон Ньютона в действии

По словам NASA Glenn Research Center, ракетный двигатель сжигает хранящееся топливо вместе с хранящимся окислителем внутри камеры сгорания, производя горячий газ высокого давления. Затем этот газ проходит через сопло, которое ускоряет его еще больше перед тем, как он покидает транспортное средство. NASA четко указывает, что «тяга создается в соответствии с третьим законом движения Ньютона»: газ выталкивается одним способом из сопла, и ракета толкается в противоположном направлении с равной силой. ESA описывает тот же механизм для молодых читателей, используя аналогию с воздушным шаром — воздух, выходящий из шейки воздушного шара в одном направлении, толкает его в другую сторону.

Уравнение тяги NASA выражает это численно как F = ṁVe + Ae(pe − p0), где ṁ — это расход массы отработанного газа через двигатель, Ve — скорость выхода отработанного газа, Ae — площадь выхода сопла, pe — давление на выходе сопла, а p0 — окружающее (свободное) давление. На практике величина тяги, которую развивает ракета, зависит главным образом от того, какая масса отработанного газа выходит в секунду и с какой скоростью этот газ движется при выходе из сопла.

Почему ракеты работают в вакууме космоса

Реактивные двигатели и винты зависят от входящего окружающего воздуха, что означает, что они не могут работать после того, как транспортное средство покидает атмосферу. Ракеты избегают этого ограничения, потому что, как отмечает NASA, они несут собственный окислитель на борту, а не полагаются на кислород атмосферы. Поскольку в реакции вообще не участвует внешний воздух, уравнение тяги не имеет члена «поступления окружающего воздуха» — что также объясняет, почему, по словам NASA, ракета может развивать тягу в вакууме, где нет другого источника кислорода.

Удельный импульс: измерение эффективности двигателя

Инженеры сравнивают ракетные двигатели, используя показатель, называемый удельным импульсом, или Isp. NASA Glenn Research Center определяет это как тягу, разделенную на расход массы потребляемого топлива, выраженный через формулу Isp = F/(ṁ·g0), где g0 — это стандартное ускорение свободного падения (9,8 м/с², или 32,2 ft/s²). NASA объясняет, что двигатель с более высоким удельным импульсом является более эффективным, потому что он производит большую тягу при сжигании того же количества топлива — что делает Isp эквивалентом расхода топлива в области ракетной тяги.

Многоступенчатые ракеты: избавление от мертвого веса

Большинство ракет-носителей построены в два или три этапа. ESA объясняет, что после того, как ступень израсходует все свое топливо, она отделяется и отбрасывается, потому что транспортировка пустого бака и отработанного оборудования двигателя дальше была бы напрасной тратой топлива, необходимого для ускорения остальной части транспортного средства. Крупные ракеты-носители также присоединяют твердотопливные или жидкотопливные ускорители к первой ступени для дополнительной тяги при старте; эти ускорители также отбрасываются после использования. ESA отмечает, что космические аппараты должны достичь примерно 28 000 км/ч, чтобы выйти на орбиту, скорости, которую многоступенчатая схема помогает достичь, постоянно облегчая транспортное средство по мере его подъема.

Химический и электрический двигатели

Не каждая система движения предназначена для запуска транспортного средства с земли. Химические двигатели — сжигающие топливо и окислитель вместе, как описано выше — остаются единственным практическим способом поднять ракету из атмосферы Земли. Однако для маневрирования в космосе агентства все чаще используют электрическую тягу. NASA описывает системы, которые используют электричество, генерируемое солнечными панелями или ядерным реактором, для ионизации газа, такого как ксенон или криптон, и ускорения ионов, выбрасываемых из двигателя, с помощью электрических и магнитных полей.

Миссия Dawn от NASA иллюстрирует компромисс: она использовала электрическую тягу, чтобы в течение примерно пяти лет достичь пояса астероидов, прежде чем маневрировать между объектами Веста и Церера — медленное, устойчивое ускорение, которое невозможно достичь с короткими, мощными включениями химических двигателей, но эффективное в ходе долгих миссий. ESA делает то же самое в отношении своего лунного зонда SMART-1 и текущей миссии BepiColombo на Меркурий, обе из которых полагаются на ионные двигатели, которые, по словам ESA, «могут продолжать мягко толкать месяцами или даже годами» используя только небольшой запас топлива и несколько киловатт мощности от солнечных панелей.

Достижение и сохранение орбиты

Попадание в космос и пребывание там — это две разные проблемы. Национальное управление океанических и атмосферных исследований США (NOAA) объясняет, что спутник остается на орбите, когда его поступательный импульс находится в равновесии с гравитационным притяжением Земли: гравитация постоянно изгибает путь спутника в сторону Земли, в то время как его боковая скорость продолжает нести его дальше, поэтому два эффекта объединяются в круговую или эллиптическую траекторию вместо прямого падения. Если спутник движется слишком медленно для своей высоты, гравитация преобладает и он снижается; если он движется слишком быстро, он выходит из этого сбалансированного пути вместо поддержания орбиты.

Скорость, необходимая для этого баланса, меняется с высотой. NOAA приводит пример своего спутника NOAA-20, который находится на орбите на высоте нескольких сотен миль со скоростью около 17 000 миль в час, по сравнению с его спутником GOES-East, который находится на высоте примерно 22 000 миль со скоростью всего около 6700 миль в час — иллюстрируя, что чем дальше спутник находится от Земли, тем слабее гравитационное притяжение и тем меньше скорость, требуемая для сохранения орбиты. Каталог Earth Observatory от NASA дает конкретные цифры для распространенных классов орбит: его спутник Aqua требует примерно 99 минут, чтобы облететь Землю с высоты примерно 705 километров (низкая орбита Земли); спутники GPS летают в полусинхронной среднеземной орбите примерно в 20 200 километрах над поверхностью с периодом 12 часов; и геостационарные спутники находятся примерно в 36 000 километрах вверх, совершая один оборот каждые 23 часа, 56 минут и 4 секунды, так что они выглядят неподвижными над одной точкой Земли.