Что такое ракета — устройство и принцип работы 🔵

Ракета — это летательный аппарат, приводимый в движение реактивной силой. Реактивная тяга возникает при стремительном выходе газов из ракетного двигателя. Однако, по этому принципу могут летать также и самолеты, называемые не ракетными, а реактивными. Что такое ракета и за счет чего она летает, читайте далее в нашей статье.

Содержание

Полет ракеты

В отличие от самолета, у ракеты есть не только топливо, но также и кислород, предназначенный для сжигания топлива. И совсем не обязательно, чтобы О2 был в чистом виде. Кислород заправляется в виде перекиси водорода, азотной кислоты, либо в определенном соединении с другими элементами. Таким образом, продукт, насыщенный кислородом и предназначенный для сжигания топлива называют окислителем.

Именно наличие в ракете тандема горючего и окислителя дает ей возможность быть полностью независимой от полетного «потолка». Реактивные самолеты ограничены высотой полета, выше которой они не в состоянии создавать нужную тягу в связи с недостатком в атмосфере кислорода, столь необходимого для сжигания топлива.

В безвоздушном пространстве ракеты безусловно выигрывают. Их двигатели способны существенно увеличивать силу тяги не встречая сопротивления воздуха.

Как устроена ракета

Любая современная ракета, особенно предназначенная для полетов в космос является очень сложным сооружением. Она состоит из десятков тысяч разных узлов и деталей, каждая из которых служит для выполнения определенной функции.

Двигательную установку можно назвать сердцем ракеты. Она представляет собой силовой агрегат, разгоняющий ракету до необходимой скорости;
Система управления полетом. Благодаря ей, ракета ориентируется в пространстве и меняет траекторию полета. Органы управления получают выработанные системой сигналы, после чего меняют направление движения и положение в пространстве. Систему управления можно назвать мозгом ракеты;
То, ради чего ракета запускается называется полезным грузом. Его характеристики могут быть самыми разными: военное назначение, метеорологическое, научное и т.д.;
Топливо. Количество горючего, необходимого для выведения ракеты с полезной нагрузкой на заданную орбиту необходимо большое количество. Примерное соотношения количества топлива к полезному грузу варьируется 90 на 10 %. Где 90 процентов отдается запасу горючего.

Чем больше топлива истрачено, тем выше скорость ракеты. Логично то, чтобы полет ракеты был наиболее эффективным, ее корпус должен быть не только легким, но и очень прочным для сопротивления возникающим в полете нагрузкам.

Ступени ракеты

В связи с тем, что ракетные двигатели в принципе обладают огромной силой тяги, то запасы горючего должны быть значительными. Еще К.Э. Циолковский обнаружил простое и гениальное решение данному вопросу: во время полета ракеты освобождать ее от отработанных частей.

Это работает так:

При старте ракеты запускаются двигатели 1 ступени — мощнейшей. Она сообщает ракете большую скорость, унося ее на определенную высоту;
По окончанию выработки топлива первой ступени происходит ее сброс и начинают работать двигатели 2 ступени, далее ускоряя аппарат;
По выработке топлива второй ступени, она также подлежит сбросу и двигатели 3 ступени выводят полезный груз на расчетную высоту.

Если не вдаваться в сложные и научные подробности, то в целом вышеописанный принцип полета ракет является универсальным для запуска почти всех современных космических аппаратов. Военные ракеты также не являются исключением.

Энергетика старта и удельный импульс

ЖРД (жидкостные ракетные двигатели) остаются эталоном для вывода тяжелых нагрузок благодаря возможности многократного пуска и точного регулирования тяги. Почему инженеры до сих пор спорят о выборе компонентов горючего? Использование криогенных пар, вроде «кислород-водород», дает максимальный удельный импульс, но требует сложнейшей термоизоляции баков и трубопроводов.

Твердотопливные ускорители чаще применяются в качестве бустеров первой ступени. Их конструкция значительно проще, а колоссальная плотность тяги позволяет эффективно «прошивать» плотные слои атмосферы в первые секунды после старта.

Баллистика и достижение космических скоростей

Чтобы аппарат не упал обратно на поверхность, ему необходимо развить первую космическую скорость — около 7,9 км/с. Набор высоты происходит по строго рассчитанной траектории, называемой гравитационным поворотом, где ракета постепенно наклоняется параллельно горизонту. Какие параметры критичны для точного выхода в заданное «окно»?

Угол тангажа: определяет наклон вектора тяги и напрямую влияет на потребление топлива;
Апогей и перигей: высшая и низшая точки эллиптической орбиты, формируемые финальным импульсом;
Телеметрия: непрерывный поток данных, позволяющий бортовому компьютеру корректировать курс при малейших отклонениях.

Тепловые нагрузки и абляционная защита

При движении в атмосфере на гиперзвуковых скоростях корпус подвергается экстремальному нагреву. Температура на кромках головного обтекателя может превышать 2000 градусов Цельсия из-за сжатия набегающего потока воздуха. Как уберечь хрупкую электронику и полезную нагрузку от неминуемого испарения?

Для пассивной защиты традиционно используют абляционные материалы, которые постепенно выгорают и отслаиваются, унося излишки тепловой энергии вместе с продуктами разрушения.

В современных многоразовых системах применяют керамические плитки и углерод-углеродные композиты. Это позволяет конструкции выдерживать десятки циклов нагрева без критической деформации силового набора, что делает эксплуатацию аппаратов экономически оправданной.