Ракета

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Ракета-носитель Протон

Раке́та (от итал. rocchetta — маленькое веретено через нем. Rakete или нидерл. raket) — летательный аппарат, двигающийся в пространстве за счёт действия реактивной тяги, возникающей только вследствие отброса части собственной массы (рабочего тела) аппарата и без использования вещества из окружающей среды. Поскольку полёт ракеты не требует обязательного наличия окружающей воздушной или газовой среды, то он возможен не только в атмосфере, но и в вакууме. Словом ракета обозначают широкий спектр летающих устройств от праздничной петарды до космической ракеты-носителя.

В военной терминологии слово ракета обозначает класс, как правило, беспилотных летательных аппаратов, применяемых для поражения удалённых целей и использующих для полёта принцип реактивного движения. В связи с разнообразным применением ракет в вооружённых силах, различными родами войск, образовался широкий класс различных типов ракетного оружия.

История[править | править исходный текст]

Первые ракеты использовались для фейерверков

Существует предположение, что некое подобие ракеты было сконструировано ещё в Древней Греции Аликсом Сином. Речь идёт о летающем деревянном голубе Архита Тарентского (др.-греч. Ἀρχύτας ὁ Ταραντίνος). Его изобретение упоминается в произведении древнеримского писателя Авла Геллия (лат. Aulus Gellius) "Аттические ночи" (лат. «Noctes Atticae»). В книге говорится, что птица поднималась с помощью разновесов и приводилась в движение дуновением спрятанного и скрытого воздуха. До сих пор не установлено: голубь приводился в движение под действием воздуха, находящегося у него внутри, или воздуха, который дул на него снаружи? Остаётся неясным, как Архит мог получить сжатый воздух внутри голубя. В античной традиции пневматики нет аналогов такого использования сжатого воздуха. [1]

Истоки возникновения ракет большинство историков относят ко временам китайской династии Хань (206 год до н. э.220 н. э.), к открытию пороха и началу его использования для фейерверков и развлечений. Сила, возникающая при взрыве порохового заряда, была достаточной, чтобы двигать различные предметы. Позже этот принцип нашёл применение при создании первых пушек и мушкетов. Снаряды порохового оружия могли летать на далёкие расстояния, однако не были ракетами, поскольку не имели собственных запасов топлива. Тем не менее, именно изобретение пороха стало основной предпосылкой возникновения настоящих ракет. Описание летающих «огненных стрел», применявшихся китайцами, показывает, что эти стрелы были ракетами. К ним прикреплялась трубка из уплотненной бумаги, открытая только с заднего конца и заполненная горючим составом. Этот заряд поджигался, и затем стрела выпускалась с помощью лука. Такие стрелы применялись в ряде случаев при осаде укреплений, против судов, кавалерии.[2]

В XIII веке вместе с монгольскими завоевателями ракеты попали в Европу, и в 1248 г. английский философ и естествоиспытатель Роджер Бэкон опубликовал труд по их применению.[3]

Известно, что ракеты применялись запорожскими казаками, начиная с XVIXVII вв.[4] Многоступенчатые ракеты были описаны в XVI веке Конрадом Хаасом и в XVII веке литовским военным инженером Казимиром Семеновичем.

Двухступенчатая ракета ХVI в.

В Индии в конце XVIII века ракетное оружие применялось весьма широко, и, в частности, существовали особые отряды ракетчиков, общая численность которых достигала примерно 5000 человек. Ракетные стрелы-снаряды, представлявшие собой трубки с зарядом горючего вещества, применялись индийцами в сражениях с британскими войсками.

В начале XIX века армия также приняла на вооружение боевые ракеты, производство которых наладил Уильям Конгрив (Ракета Конгрива). В то же время российский офицер Александр Засядко разрабатывал теорию ракет. Он, в частности, пытался рассчитать, сколько пороха необходимо для запуска ракеты на Луну. Большого успеха в совершенствовании ракет достиг в середине позапрошлого века российский генерал артиллерии Константин Константинов.

Ракетная артиллерия широко применялась вплоть до конца XIX века. Ракеты были более лёгкими и подвижными, чем артиллерийские орудия. Точность и кучность ведения огня ракетами была небольшой, но сопоставимой с артиллерийскими орудиями того времени. Однако во второй половине XIX века появились нарезные артиллерийские орудия, обеспечивающие большую точность и кучность огня и ракетная артиллерия была всюду снята с вооружения. Сохранились лишь фейерверочные и сигнальные ракеты.[2]

В конце XIX века стали предприниматься попытки математически объяснить реактивное движение и создать более эффективное ракетное вооружение. В России одним из первых этим вопросом занялся Николай Тихомиров в 1894 году.

Теорией реактивного движения занимался Константин Циолковский. Он выдвигал идею об использовании ракет для космических полетов и утверждал, что наиболее эффективным топливом для них было бы сочетание жидких кислорода и водорода. Ракету для межпланетных сообщении он спроектировал в 1903 г.

Немецкий учёный Герман Оберт в 1920-е годы также изложил принципы межпланетного полёта. Кроме того, он проводил стендовые испытания ракетных двигателей.

Американский учёный Роберт Годдард в 1923 году начал разрабатывать жидкостный ракетный двигатель и работающий прототип был создан к концу 1925 г. 16 марта 1926 г. он осуществил запуск первой жидкостной ракеты, в качестве топлива для которой использовались бензин и жидкий кислород.

Работы Циолковского, Оберта и Годдарда были продолжены группами энтузиастов ракетной техники в США, СССР и Германии. В СССР исследовательские работы вели Группа изучения реактивного движения (Москва) и Газодинамическая лаборатория (Ленинград). В 1933 г. на их основе был создан Реактивный институт (РНИИ). В нём в том же году было завершено начатое ещё в 1929 году создание принципиально нового оружия — реактивных снарядов, установка для запуска которых позднее получила прозвище «Катюша».

17 августа 1933 года была запущена ракета «ГИРД 9», которую можно считать первой советской зенитной ракетой. Она достигла высоты 1.5 км. А следующая ракета «ГИРД 10», запущенная 25 ноября 1933 года, достигла уже высоты в 5 км.[5]

В Германии подобные работы вело Немецкое Общество межпланетных сообщений (VfR). 14 марта 1931 член VfR Йоханнес Винклер осуществил первый в Европе удачный запуск жидкостной ракеты.

В VfR работал Вернер фон Браун, который с декабря 1932 г. начал разработку ракетных двигателей на артиллерийском полигоне германской армии в Куммерсдорфе. Созданный им двигатель был использован на опытной ракете А-2, успешно запущенной с острова Боркум 19 декабря 1934 г. После прихода нацистов к власти в Германии были выделены средства на разработку ракетного оружия, и весной 1936 г. была одобрена программа строительства ракетного центра в Пенемюнде, руководителем которого был назначен Вальтер Дорнбергер, а техническим директором — фон Браун. В нём была разработана баллистическая ракета А-4 с дальностью полёта 320 км. Во время Второй мировой войны 3 октября 1942 г. состоялся первый успешный запуск этой ракеты, а в 1944 г. началось её боевое применение под названием V-2.

Военное применение V-2 показало огромные возможности ракетной техники, и наиболее мощные послевоенные державы — США и СССР — также начали разработку баллистических ракет.[3]

В 1957 г. в СССР под руководством Сергея Королёва как средство доставки ядерного оружия была создана первая в мире межконтинентальная баллистическая ракета Р-7, которая в том же году была использована для запуска первого в мире искусственного спутника Земли. Так началось применение ракет для космических полётов.

Ракетные двигатели[править | править исходный текст]

Большинство современных ракет оснащаются химическими ракетными двигателями. Подобный двигатель может использовать твёрдое, жидкое или гибридное ракетное топливо. Химическая реакция между топливом и окислителем начинается в камере сгорания, получающиеся в результате горячие газы образуют истекающую реактивную струю, ускоряются в реактивном сопле (или соплах) и выбрасываются из ракеты. Ускорение этих газов в двигателе создаёт тягу — толкающую силу, заставляющую ракету двигаться. Принцип реактивного движения описывается третьим законом Ньютона.

Однако не всегда для движения ракет используются химические реакции. В паровых ракетах перенагретая вода, вытекающая через сопло, превращается в высокоскоростную паровую струю, служащую движителем. Эффективность паровых ракет относительно низка, однако это окупается их простотой и безопасностью, а также дешевизной и доступностью воды. Работа небольшой паровой ракеты в 2004 году была проверена в космосе на борту спутника UK-DMC. Существуют проекты использования паровых ракет для межпланетной транспортировки грузов, с нагревом воды за счёт ядерной или солнечной энергии.

Ракеты наподобие паровой, в которых нагрев рабочего тела происходит вне рабочей зоны двигателя, иногда описывают как системы с двигателями внешнего сгорания. Другими примерами ракетных двигателей внешнего сгорания может служить большинство конструкций ядерных ракетных двигателей.

Силы, действующие на ракету в полёте[править | править исходный текст]

Наука, исследующая силы, действующие на ракеты или другие космические аппараты, называется астродинамикой.

Основные силы, действующие на ракету в полёте:

  1. Тяга двигателя
  2. Притяжение небесного тела
  3. При движении в атмосфере — лобовое сопротивление.
  4. Подъёмная сила. Обычно мала, но значительна для ракетопланов.

Применение[править | править исходный текст]

Военное дело[править | править исходный текст]

Взлёт ракеты «земля-воздух».

Ракеты используются как способ доставки средств поражения к цели[6]. Небольшие размеры и высокая скорость перемещения ракет обеспечивает им малую уязвимость. Так как для управления боевой ракетой не нужен пилот, она может нести заряды большой разрушительной силы, в том числе ядерные. Современные системы самонаведения и навигации дают ракетам большую точность и манёвренность.

Существует множество видов боевых ракет отличающихся дальностью полёта, а также местом старта и местом поражения цели («земля» — «воздух»). Для борьбы с боевыми ракетами используются системы противоракетной обороны.

Существуют также сигнальные и осветительные ракеты.

Научные исследования[править | править исходный текст]

Запуск Black Brant XII с космодрома Уоллопс

Геофизические и метеорологические ракеты применяются вместо самолётов и воздушных шаров на высоте более 30-40 километров. Ракеты не имеют ограничительного потолка и используются для зондирования верхних слоёв атмосферы, главным образом мезосферы и ионосферы.

Существует деление ракет на лёгкие метеорологические, способные поднять один комплекс приборов на высоту около 100 километров и тяжёлые геофизические, которые могут нести несколько комплексов приборов и чья высота полёта практически не ограничена.

Обычно научные ракеты оснащают приборами для измерения атмосферного давления, магнитного поля, космического излучения и состава воздуха, а также оборудованием для передачи результатов измерения по радио на землю. Существуют модели ракет, где приборы с полученными в ходе подъёма данными опускаются на землю с помощью парашютов.

Ракетные метеорологические исследования предшествовали спутниковым, поэтому на первых метеоспутниках стояли те же приборы, что и на метеорологических ракетах. В первый раз ракета была запущена с целью изучить параметры воздушной среды 11 апреля 1937, но регулярные ракетные запуски начались с 1950-х годов, когда были созданы серии специализированных научных ракет. В Советском Союзе это были метеорологические ракеты МР-1, М-100, МР-12, ММР-06 и геофизические типа «Вертикаль».[7] В современной России в сентябре 2007 года использовались ракеты М-100Б.[8] За пределами России применялись ракеты «Аэроби», «Black Brant», «Skylark».

Существуют также специальные противоградовые ракеты, предназначенные для защиты сельскохозяйственных угодий от градовых облаков. Они несут в головной части реагент (обычно йодистое серебро), который при взрыве распыляется и приводит к образованию дождевых облаков вместо градовых. Высота полета ограничивается 6-12 км.

Космонавтика[править | править исходный текст]

Союз ТМА-3 перевозят на пусковую площадку. Ракета-носитель Союз-ФГ

Создателем космонавтики как науки считается Герман Оберт, впервые доказавший физическую возможность человеческого организма выносить возникающие при запуске ракеты перегрузки, а также состояние невесомости.

10 мая 1897 г К. Э. Циолковский в рукописи «Ракета» исследует ряд задач реактивного движения, где определяет скорость, которую развивает летательный аппарат под воздействием тяги ракетного двигателя, неизменной по направлению, при отсутствии всех других сил; конечная зависимость получила название «формула Циолковского» (статья опубликована в журнале «Научное обозрение» в 1903 г.).

1903 г. К. Э. Циолковский опубликовал работу «Исследование мировых пространств реактивными приборами» — первую в мире, посвященную теоретическому обоснованию возможности осуществления межпланетных полетов с помощью реактивного летательного аппарата — «ракеты». В 1911—1912 опубликована вторая часть этой работы, в 1914 — дополнение. К. Э. Циолковский и независимо от него Ф. А. Цандер пришли к выводам, что космические полеты возможны и на известных уже тогда источниках энергии и указали практические схемы их реализаций (форму ракеты, принципы охлаждения двигателя, использование жидких газов в качестве топливной пары и др.).

Высокая скорость истечения продуктов сгорания топлива (часто большая, чем М10), позволяет использовать ракеты в областях, где требуются сверхбольшие скорости движения, например, для вывода космических аппаратов на орбиту Земли (см. Первая космическая скорость). Максимальная скорость, которая может быть достигнута при помощи ракеты, рассчитывается по |формуле Циолковского, описывающей приращение скорости, как произведение скорости истечения на натуральный логарифм отношения начальной и конечной массы аппарата.

Ракета пока является единственным транспортным средством, способным вывести космический аппарат в космос. Альтернативные способы поднимать космические аппараты на орбиту, такие как «космический лифт», электромагнитные и обычные пушки, пока что находятся на стадии проектирования.

В космосе наиболее ярко проявляется основная особенность ракеты — отсутствие потребности в окружающей среде или внешних силах для своего перемещения. Эта особенность, однако, требует того, чтобы все компоненты, необходимые для создания реактивной силы, находились на борту самой ракеты. Так для ракет, использующих в качестве топлива такие плотные компоненты, как жидкий кислород и керосин, отношение веса топлива к весу конструкции достигает 20/1. Для ракет, работающих на кислороде и водороде, это соотношение меньше — около 10/1. Массовые характеристики ракеты очень сильно зависят от типа используемого ракетного двигателя и закладываемых пределов надёжности конструкции.

Скорость, требуемая для выведения на орбиту космических аппаратов, часто недостижима даже при помощи ракеты. Паразитный вес топлива, конструкции, двигателей и системы управления настолько велик, что не даёт разогнать ракету до нужной скорости за приемлемое время. Задача решается за счёт использования составных многоступенчатых ракет, позволяющих отбросить излишний вес в процессе полёта.

За счёт уменьшения общего веса конструкции и выгорания топлива ускорение составной ракеты с течением времени увеличивается. Оно может немного снижаться лишь в момент сбрасывания отработавших ступеней и начала работы двигателей следующей ступени. Подобные многоступенчатые ракеты, предназначенные для запуска космических аппаратов, называют ракеты-носители[9].

Используемые для нужд космонавтики ракеты называются ракетами-носителями, так как они несут на себе полезную нагрузку. Чаще всего в качестве ракет-носителей используются многоступенчатые баллистические ракеты. Старт ракеты-носителя происходит с Земли, или, в случае долгого полёта, с орбиты искусственного спутника Земли.

В настоящее время космическими агентствами разных стран используются ракеты-носители Атлас V, Ариан 5, Протон, Дельта-4, Союз-2 и многие другие.

Хобби, спорт и развлечения[править | править исходный текст]

Запуск модели ракеты

Существуют люди увлекающиеся ракетомодельным спортом, чьё хобби состоит в постройке и запуске моделей ракет. Также ракеты используют в любительских и профессиональных фейерверках.

Ракеты на перекиси водорода применяются в реактивных ранцах[10], а также ракеты используются как двигатель в ракетных автомобилях. Ракетные автомобили сохраняют рекорд в гонках на максимальное ускорение.[11]

См. также[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

Литература[править | править исходный текст]

  • Ракета // Космонавтика : Маленькая энциклопедия ; Главный редактор В. П. Глушко. 2-е издание, дополнительное — Москва: «Советская энциклопедия», 1970 — C. 372
  • Boris Rauschenbach. Hermann Oberth 1894—1989. Über die Erde hinaus — eine Biographie: — Der. Böttiger Verlags — GmbH — ISBN 3-925725-27-7
  • Harald Tresp, Karlheinz Rohrwild. — Am Anfang war die Idee… Hermann Oberth — Vater der Raumfahrt: Herman E. Sieger GmbH, Lorh/Württemberg. 1994
  • Hermann Oberth. Mein Beitrag zur Weltraumfahrt: — Hermann — Oberth — Raumfahrt — Museum, Druck Center Meckencheim. Nürnberg/Feucht. 1994. ISBN 3-925103-71-6
  • Marsha Freeman. Hin zu neuen Welten. Die Geschichte der deutschen Raumfahrtpioniere: — Der. Böttiger Verlags — GmbH, Wiesbaden. 1995. ISBN 3-925725-22-9
  • Walter Dornberger, V2 — Der Schuß ins Weltall, Bechtle Verlag, Esslingen 1952.

Ссылки[править | править исходный текст]