Что находится в ракете
Ракета
Сегодня ракетой называют летательный аппарат, двигающийся в пространстве за счет действия реактивной тяги. Полет ракеты не требует обязательного наличия окружающей воздушной или газовой среды, и, следовательно, он возможен не только в атмосфере, но и в вакууме. Ракетная техника позволила человеку выйти за пределы земной атмосферы и заняться исследованием космического пространства.
Как работает ракета?
В наши дни практически все ракеты многоступенчатые. Конструктивно каждая ступень представляет собой отдельную ракету с собственными двигателями и запасом топлива. Первая ступень производит отрыв ракеты от Земли. Как только топливо в ее баках заканчивается, она отбрасывается, а поскольку вес ракеты после освобождения от первой ступени уменьшается, дальнейший полет продолжается с ускорением. После этого включаются двигатели второй ступени.
Этот процесс повторяется столько раз, сколько ступеней содержит ракета. А последняя ступень доставляет космический аппарат к месту назначения. Так как в космическом пространстве нет ни твердой, ни жидкой, ни газообразной опоры, ускорение ракете может сообщить только реактивная сила двигателя. В камере сгорания происходят смешивание и сгорание ракетного топлива. В результате образуются газы, которые с огромной скоростью выбрасываются через сопло. При этом ракета, согласно закону сохранения импульса, получает ускорение, направленное в обратную сторону.
Ракетное топливо: горючее (например, жидкий водород) и окислитель (жидкий кислород) — находится в топливных баках, изолированных друг от друга.
Грузоподъемность ракет-носителей
С каждым новым поколением ракет их грузоподъемность растет. Так, советская межконтинентальная баллистическая ракета Р7 в 1957 г. вывела на орбиту Земли первый в мире искусственный спутник массой 84 кг.
А советская ракета-носитель «Энергия» — одна из самых мощных в мире. Она использовалась для вывода в космос многоразового орбитального корабля «Буран» массой 105 т.
Ради полезного груза
В последней ступени ракеты-носителя находится отсек с так называемым полезным грузом (полезной нагрузкой). Это, собственно, то, ради чего запускается ракета-носитель. В зависимости от выполняемой космической программы, полезной нагрузкой может быть спутник, космический зонд, капсула с космонавтами, грузовой корабль и т. п.
Чем отличаются крылатые и баллистические ракеты и какие они ещё бывают?
Ввиду неспокойной политической обстановки в мире, новостные сводки все чаще пестрят такими словами, как ”ракета”, ”ракетный удар”, ”баллистическая ракета”, ”крылатая ракета” и многими другим словами, связанными с артиллерией и, собственно, самими ракетами. Проблема в том, что не все понимают, что кроется за столь знакомыми словами. Мы привыкли, что есть ракета, которая ”увозит” человека в космос и есть ракета для уничтожения целей. Давайте разберемся в этом многогранном мире и поймем, чем отличается крылатая от твердотопливной, а криогенная от гиперзвуковой.
Ракета в воздухе выглядит очень красиво. Вот только эта красота не сулит ничего хорошего.
В свою очередь определение самой ракеты в данном контексте звучит следующим образом:
РАКЕ́ТА (от итал. rocchetta – маленькое веретено), летательный аппарат, движущийся под действием реактивной силы (тяги), возникающей при отбрасывании массы сгорающего ракетного топлива (рабочего тела), являющегося частью собственной массы
В военной терминологии можно встретить следующее определение:
Так выглядела прабабушка современной ракеты.
По-настоящему широкое распространение ракетное вооружение получило после Второй мировой войны. Так, например, в 1948 году дальность полета советских ракет Р-1 составляла 270 км, а спустя всего 11 лет были созданы ракеты Р-7А с дальностью до 13 000 км. Как говорится, ”разница на лицо”.
Чем отличаются ракеты
Теперь можно поговорить о том, чем между собой отличаются ракеты. Как правило, обыватели слышат упоминания о крылатых и баллистических ракетах. Это действительно два основных типа, но есть и некоторые другие. Разберем главные из них, но сначала приведу классификацию типов ракет.
Ракеты делятся по типам в зависимости от:
Бесчисленное множество типов ракет.
Теперь остановимся более подробно на основных пунктах, которые могут показаться непонятными.
Отличие ракет по классу
Класс ракет говорит сам за себя. Ракета класса ”воздух-воздух” предназначена для поражения воздушных целей при запуске в воздухе. Такие ракеты запускаются с летательных аппаратов, таких, как самолеты, вертолеты и многочисленные типы беспилотников (БЛА).
Ракеты класса ”земля-воздух” предназначены для поражения воздушных целей с земли. Они могут базироваться как на стационарных пусковых установках, так и на переносных. Самыми известными переносными зенитными ракетными комплексами (ПЗРК) являются Советско-российские ”Игла” и ”Стрела”, а также Американский ”Stinger”. Примечательно, что почти все ПЗРК, применяемые в современных военных конфликтах, создавались еще в восьмидесятые годы прошлого века. Так, например, первая модификация ”Stinger” под номером FIM-92А была создана в 1981 году. Примерно в это же время появились и ”Стрела”, и ”Игла”, и французские ”Mistrale”.
Ракетный комплекс Stinger.
Как видим, класс ракет говорит сам за себя. Особняком стоит только класс ”воздух-поверхность”, который включает в себя ракеты, как для поражения наземных, так и водных целей.
Ракеты наземного базирования в зависимости от их предназначения, размера, дальности и других параметром могут размещаться в шахтных пусковых установках, на специальных наземных площадках и на специальном гусеничном или колесном транспорте. Так же они могут запускаться с кораблей и подводных лодок. Именно поражение наземных целей такими ракетами особенно оправдано, так как можно запускать их в непосредственной близости от территории противника.
Подводные лодки, способные нести мощные ракеты, являются настоящей головной болью военных всего мира. Стоит не заметить ее и в случае удара ракета полетит не с расстояния в несколько тысяч километров, а с нескольких сотен километров. В итоге, на реагирование почти не останется времени.
Не забывайте заходить в наш Telegram-чат. Там самое место для обсуждения высоких технологий. Каждый будет услышан.
Ракета с ядерной боеголовкой
Межконтинентальные ракеты
Несмотря на это, ядерным зарядом могут оснащаться даже ракеты малой дальности. Правда, на практике это не имеет большого смысла, так как применяются такие ракеты, как правило, в региональных конфликтах.
Полет межконтинентальной ракеты.
По дальности полета ракеты делятся на ”ракеты малой дальности”, предназначенные для поражения целей на расстоянии 500-1000 км, ”ракеты средней дальности”, способные нести свой смертоносный груз на расстояние 1000-5500 км и ”межконтинентальные ракеты”, которые могут и через океан перелететь.
Какое топливо используется в ракете
При выборе типа ракетного топлива больше всего всего внимания уделяется особенностям использования ракеты и тому, каким двигателем ее планируется оснастить. Грубо можно сказать, что все типы топлива делятся в основном по форме выпуска, удельной температуре сгорания и КПД. Среди основных типов двигателей выделяется твердотопливные, жидкостные, комбинированные и прямоточные воздушно-реактивные.
Для боевых ракет твердое топливо производится по иной технологии. Обычно им является алюминиевый порошок. Главным плюсом таких ракет является легкость их хранения и возможность работы с ними, когда они заправлены. Кроме этого, такое топливо стоит относительно недорого.
Минусом твердотопливных двигателей является слабый потенциал отклонения вектора тяги. Поэтому для управления в таких ракетах часто используются дополнительные небольшие двигатели на жидком углеводородном топливе. Такая гибридная связка позволяет более полно использовать потенциал каждого источника энергии.
Использование именно комбинированных систем хорошо тем, что позволяет уйти от сложной системы заправки ракеты непосредственно перед запуском и необходимости откачки большого количества топлива в случае его отмены.
Отдельно стоит отметить даже не криогенный двигатель (заправляется сжиженными газами при очень низкой температуре) и не атомный, про который много говорят в последнее время, а прямоточный воздушно-реактивный. Такая система работает за счет создания давления воздуха в двигателе при движении ракеты на большой скорости. В самом двигателе производится впрыск топлива в камеру сгорания и смесь поджигается, создавая давление больше, чем на входе. Такие ракеты способны летать со скоростью, которая в несколько раз превышает скорость звука, но для запуска двигателя нужно давление, которое создается на скорости чуть выше одной скорости звука. Именно поэтому для запуска должны быть использованы вспомогательные средства.
Системы наведения ракет
В наше время почти все ракеты имеют систему наведения. Думаю, не стоит объяснять, что попасть по цели, которая находится на расстоянии сотен или тысяч километров, без точной системы наведения просто невозможно.
Систем наведения и их комбинаций очень много. Только среди основных можно отметить систему командного наведения, электродистанционное наведение, наведение по наземным ориентирам, геофизическое наведение, наведение по лучу, спутниковое наведение, а также некоторые другие системы и их сочетание.
Ракета с системой наведения под крылом самолета.
Система электродистанционного наведения имеет много общего с системой на радиоуправлении, но она обладает более высокой устойчивостью к помехам, в том числе, намеренно создаваемым противником. В случае такого управления команды передаются по проводу, который направляет в ракету все данные, необходимые для поражения цели. Передача таким способом возможна только до момента запуска.
Система наведения по наземным ориентирам состоит из высокочувствительных высотомеров, позволяющих отслеживать положение ракеты на местности и ее рельеф. Такая система применяется исключительно в крылатых ракетах ввиду их особенностей, о которых мы поговорим чуть ниже.
Система геофизического наведения основана на постоянном сопоставлении угла положения ракеты относительно горизонта и звезд с эталонными значениями, заложенными в нее перед стартом. Внутренняя система управления при малейшем отклонении возвращает ракету на курс.
При наведении по лучу ракете нужен вспомогательный источник целеуказания. Как правило, им является корабль или самолет. Внешний радар определяет цель и производит ее отслеживание, если она движется. Ракета ориентируется на этот сигнал и сама наводится на него.
Название системы спутникового наведения говорит само за себя. Наведение на цель производится по координатам системы глобального позиционирования. В основном такая система широко используется в тяжелых межконтинентальных ракетах, которые наводятся на статичные наземные цели.
Что такое баллистическая ракета
Много вопросов возникает в отношении отличий баллистических и крылатых ракет. Отвечая на эти вопросы, можно сказать, что отличия сводятся к траектории полета.
Как это часто бывает, особенности кроются в названии. Так и название крылатой ракеты говорит само за себя. Большую часть пути крылатая ракета держится в воздухе за счет крыльев, представляя из себя по сути самолет. Наличие крыльев обеспечивает ей очень высокую маневренность, позволяющую не только менять траекторию движения, отклоняясь от средств ПВО, но даже лететь на высоте нескольких метров от земли, огибая рельеф. Так ракета и вовсе сможет остаться незамеченной для ПВО.
Это не самолет, а крылатая ракета.
Этот тип ракет имеет меньшую, в сравнении с баллистических, скорость, которая обусловлена, в том числе, более высоким лобовым сопротивлением. Тем не менее, они подразделяются на дозвуковые, сверхзвуковые и гиперзвуковые.
Первые развивают скорость, близкую к скорости звука, но не превышают ее. Примером таких ракет может быть знаменитая американская крылатая ракета ”Томагавк”. Сверхзвуковые ракеты могут развивать скорость до 2,5-3 скоростей звука, а гиперзвуковые, над которыми сейчас работает очень много стран, должны набирать 5-6 скоростей звука.
Еще один пример крылатой ракеты.
Баллистические ракеты летают немного иначе. Они имеют баллистическую траекторию и большую часть своего пути находятся в неуправляемом полете. Грубо говоря, это похоже на то, что ракету просто бросили в противника, как камень. Конечно, есть точный расчет и системы наведения, но именно такой относительно простой способ позволяет нести очень большой заряд, размер и вес которого существенно превышают то, что возьмет ”на борт” крылатая ракета.
Первые научные труды и теоретические работы, связанные с баллистическими ракетами, описаны еще в 1896 году К.Э. Циолковским. Он описал такой тип летательных аппаратов и вывел зависимость между многими компонентами ракеты и ее полета. Формула Циолковского до сих пор составляет важную часть математического аппарата, используемого при проектировании ракет.
Во многом именно этому человеку мы обязаны не только военными, но и мирными ракетами. К.Э. Циолковский.
С какой скоростью летают ракеты?
Прежде, чем ответить на этот вопрос, давайте поймем в чем ее измеряют. Ракеты летают чертовски быстро и говорить о привычных км/ч или м/сек не приходится. Скорость многих современных летательных аппаратов измеряют в Махах.
Непривычная величина измерения скорости появилась не просто так. Название “число Маха” и обозначение “М” предложил в 1929 году Якоб Аккерет. Оно выражается как отношение скорости движения потока или тела к скорости распространения звука в среде, в которой происходит движение. Если учесть, что скорость распространения звуковой волны у поверхности земли примерно равна 331 м/сек (около 1200 км/ч), не трудно догадаться, что единицу можно получить только если поделить 331 на 331. То есть, скорость один Мах (М) у поверхности земли составляет примерно 1200 км/ч. С набором высоты скорость распространения звуковой волны падает из-за уменьшения плотности воздуха.
Таким образом, один Мах у поверхности земли и на высоте 20 000 метров отличается примерно на 10 процентов. Стало быть и скорость тела, которую оно должно развить, чтобы получить число Маха, уменьшается. Упрощенно среди обывателей принято называть число Маха скоростью звука. Если такое упрощение не применяется в точных расчетах, его вполне можно допустить и считать примерно равным величине у поверхности земли.
Ракеты могут запускаться с самолета.
Такую скорость не так легко представить, но крылатые ракеты могут летать на скорости до 5 Махов (примерно 7 000 км/ч в зависимости от высоты). Баллистические ракеты и вовсе способны развивать скорость до 23 Махов. Именно такую скорость на испытаниях показал ракетный комплекс Авангард. Получается, что на высоте 20 000 метров, это будет около 25 000 км/ч.
Конечно, такая скорость достигается на заключительной стадии полета при спуске, но представить, что рукотворный объект может перемещаться с такой скоростью, все равно сложно.
Космические ракеты: на чем человечество покоряет Вселенную
Ракеты-носители «Союз» являются «рабочими лошадками» российской пилотируемой космонавтики. Сегодня только они могут доставлять людей на МКС
4 октября 1957 года на орбиту нашей планеты был выведен первый искусственный спутник ИСЗ-1. С тех пор прошло более шестидесяти лет, и сегодня полеты в космос – давно привычное дело. Освоение околоземного пространства стало возможным благодаря ракетам-носителям (РН) – особому классу летательных аппаратов, способных победить земное притяжение.
Современные ракеты-носители на химическом топливе трудно назвать идеальным средством покорения Вселенной. После каждого запуска эти сложнейшие многотонные изделия сгорают в атмосфере или превращаются в груду металлолома. Именно поэтому запуски космических аппаратов обходятся так дорого. Однако пока это единственный способ побороть притяжение нашей планеты, и вряд ли человечество в ближайшие годы придумает что-нибудь более эффективное.
Что такое космические ракеты
Ракета-носитель – это разновидность баллистической ракеты, которая способна вывести полезную нагрузку за пределы атмосферы планеты. Как правило, РН имеют несколько ступеней, для их запуска используют вертикальный или воздушный старт. Ракеты космического назначения могут выводить грузы на низкие опорные, геопереходные и геостационарные (ГСО) орбиты.
Полезная нагрузка, доставляемая на орбиту, является лишь малой долей (ничтожные 1,5-2,0 %) от общего веса ракеты. Ее основную массу составляют элементы конструкции, а также окислитель и топливо. Получается, что РН поднимает в первую очередь саму себя и лишь в небольшой степени полезный груз.
Ракета «Ангара» – надежда российской космонавтики. Она должна заменить заслуженные, но уже устаревшие «Протоны»
Для повышения эффективности ракеты составляют из нескольких ступеней, каждая из которых имеет топливный бак и двигатель и, по сути, является самостоятельной ракетой. Ступени включаются одна за другой, работают до полного исчерпания топлива, а затем сбрасываются, уменьшая общий вес РН. Достичь космического пространства способна и одноступенчатая ракета, что было доказано еще немецкой «Фау-2», но она не может выйти на стабильную орбиту спутника планеты или вывести на него полезный груз.
Используют и комбинированную схему. Например, она применяется на российских «Союзах» и «Протонах». В этом случае первая и вторая ступень разделяются поперечно, а после их отделения начинает работу третья ступень.
Важнейшим элементом ракеты-носителя является двигатель. Он выбрасывает раскаленное вещество и, в соответствии с третьим законом Ньютона, толкает аппарат в противоположную сторону. В зависимости от типа используемого топлива, РН бывают:
Твердотопливные двигатели отличаются простотой конструкции и невысокой стоимостью, но на космических ракетах, как правило, используются двигатели на жидком топливе. Они позволяют регулировать тягу в широких пределах, а также производить многократные включения и выключения. Последняя особенность особенно важна при маневрировании на орбите. Существует множество типов ЖРД: с открытым и закрытым циклом, с частичной и полной газификацией топлива.
Ракета-носитель Electron предназначен для вывода на орбиту легких и сверхлегких спутников. Созданием этих ракет занимается компания Rocket Lab
Важнейшая характеристика любой ракеты-носителя – вес полезной нагрузки, который она способна забросить на низкую околоземную орбиту (НОО). Исходя из нее, выделяют следующие классы РН:
Самой мощной и грузоподъемной из когда-либо построенных считается американская сверхтяжелая ракета-носитель «Сатурн-5». Она использовалась в программе «Аполлон» и могла вывести на НОО 140 тонн.
Немного истории
Впервые идею о применении ракет для исследования космического пространства высказал Константин Циолковский в начале XX столетия, он же предложил многоступенчатую схему ракет-носителей.
Реваншем США стала программа «Аполлон», в ходе которой на Луну были доставлены несколько миссий, и человек впервые ступил на поверхность другого небесного тела. Этот триумф был бы невозможен без уникальной ракеты «Сатурн-5», чьи характеристики остаются непревзойденными и сегодня.
Очень интересным американским проектом был «Спейс шаттл». Его идея заключалась в создании многоразовой системы для доставки на орбиту грузов и астронавтов. Она состояла из космического корабля, похожего на самолет, двух ускорителей и огромного топливного бака. «Шаттлы» взлетали вертикально, а садились на обычную взлетную полосу, по-самолетному. Применив такую конструкцию, разработчики надеялись существенно снизить цену одного пуска. Однако эти ожидания не оправдались – цена доставки килограмма на орбиту у «шаттла» оказалась даже выше, чем у огромного «Сатурна-5».
Ракета-носитель «Энергия» и многоразовый космический корабль «Буран». Самый технологичный проект Советского Союза
Советским ответом на «шаттл» стал многоразовый челнок «Буран». На орбиту его выводила ракета-носитель сверхтяжелого класса «Энергия», способная доставлять на НОО до 100 тонн груза. «Буран» совершил единственный полет в беспилотном режиме в 1988 году, в 1993 – программа была закрыта.
Какие ракеты-носители используются сегодня
Россия
Российская ракета-носитель «Протон»
Falcon Heavy и ее создатель Илон Маск
Это далеко не полный список американских космических ракет и компаний-производителей, работающих в данной отрасли. Каждый год появляются новые фирмы и стартапы, занимающиеся космической техникой. Большая часть из них разоряется, но оставшиеся на плаву генерируют новые идеи и двигают человечество в космос.
Китай
Китайская ракета «Чанчжэн-5»
«Великий поход». Китай покоряет околоземные пространства с помощью семейства ракет-носителей «Чанчжэн» («Великий поход»). Оно включает в себя легкие, средние и тяжелые аппараты. 27 декабря 2019 года был успешно запущен «Чанчжэн-5Y3», способный вывести на НОО 25 т. В будущем китайцы планируют с помощью этой ракеты доставлять грузы и космонавтов на Луну и Марс, а также строить собственную орбитальную станцию. Все РН этой группы используют исключительно экологически чистое топливо: жидкий кислород, керосин и жидкий водород.
Европа
«Ариан-5». Это тяжелая одноразовая ракета-носитель, предназначенная для вывода на НОО до 21 т полезного груза. Ее первый запуск состоялся еще в 1997 году, с тех пор ракета более ста раз выводила аппараты на орбиту планеты. Сегодня ведутся работы над созданием следующей модификации РН, старт которого намечен на 2023 год. «Ариан-5» – довольно дорогая ракета, каждый ее запуск обходится Европейскому космическому агентству в 160-220 млн долларов.
Проверенные временем: из каких металлов строят современные ракеты
Первый старт ракеты Р-7 состоялся 15 мая 1957 года. А ведь этот корабль до сих пор носит всех наших космонавтов и является безусловным триумфом конструкторской идеи над конструкционным материалом. Интересно, что ровно через 30 лет после ее запуска, 15 мая 1987 года, состоялся и первый старт ракеты «Энергия», которая, наоборот, использовала массу экзотических материалов, недоступных 30 лет назад.
Когда Сталин поставил перед Королевым задачу копирования Фау-2, многие ее материалы были новы для тогдашней советской промышленности, но к 1955 году уже исчезли проблемы, которые могли бы помешать конструкторам воплощать идеи. К тому же материалы, использованные при создании ракеты Р-7, даже в 1955 году не отличались новизной — ведь нужно было учитывать затраты времени и денег при серийном производстве ракеты. Поэтому основой ее конструкции стали давно освоенные алюминиевые сплавы.
Раньше модно было называть алюминий «крылатым металлом», подчеркивая, что если конструкция не ездит по земле или по рельсам, а летает, то она обязательно должна быть выполнена из алюминия. На самом деле крылатых металлов много, и это определение давно вышло из моды. Спору нет, алюминий хорош, достаточно дешев, сплавы его сравнительно прочны, он легко обрабатывается Но из одного алюминия самолет не построишь. А в поршневом самолете и дерево оказывалось вполне уместным (даже в ракете Р-7 в приборном отсеке есть фанерные перегородки!). Унаследовав алюминий от авиации, этим металлом стала пользоваться и ракетная техника. Но тут-то как раз и обнаружилась узость его возможностей.
Алюминий
«Крылатый металл», любимец авиаконструкторов. Чистый алюминий втрое легче стали, очень пластичен, но не очень прочен.
Чтобы он стал хорошим конструкционным материалом, из него приходится делать сплавы. Исторически первым был дуралюмин (дюралюминий, дюраль, как мы его чаще всего зовем) — такое имя дала сплаву немецкая фирма, впервые его предложившая в 1909 году (от названия города Дюрен). Этот сплав, кроме алюминия, содержит небольшие количества меди и марганца, резко повышающие его прочность и жесткость. Но есть у дюраля и недостатки: его нельзя сваривать и сложно штамповать (нужна термообработка). Полную прочность он набирает со временем, этот процесс назвали «старением», а после термообработки состаривать сплав нужно заново. Поэтому детали из него соединяют клепкой и болтами.
В ракете он годится только на «сухие» отсеки — клепаная конструкция не гарантирует герметичности под давлением. Сплавы, содержащие магний (обычно не больше 6%), можно деформировать и сваривать. Именно их больше всего на ракете Р-7 (в частности, из них изготовлены все баки).
Американские инженеры имели в своем распоряжении более прочные алюминиевые сплавы, содержащие до десятка разных компонентов. Но прежде всего наши сплавы проигрывали заокеанским по разбросу свойств. Понятно, что разные образцы могут немного отличаться по составу, а это приводит к разнице в механических свойствах. В конструкции часто приходится полагаться не на среднюю прочность, а на минимальную, или гарантированную, которая у наших сплавов могла быть заметно ниже средней.
В последней четверти XX века прогресс в металлургии привел к появлению алюминий-литиевых сплавов. Если до этого добавки в алюминий были направлены только на увеличение прочности, то литий позволял сделать сплав заметно более легким. Из алюминий-литиевого сплава был сделан бак для водорода ракеты «Энергия», из него же делают сейчас и баки «Шаттлов».
Наконец, самый экзотический материал на основе алюминия — боралюминиевый композит, где алюминию отведена та же роль, что и эпоксидной смоле в стеклопластике: он удерживает вместе высокопрочные волокна бора. Этот материал только-только начал внедряться в отечественную космонавтику — из него сделана ферма между баками последней модификации разгонного блока «ДМ-SL», задействованного в проекте «Морской старт». Выбор конструктора за прошедшие 50 лет стал намного богаче. Тем не менее как тогда, так и сейчас алюминий — металл №1 в ракете. Но, конечно же, есть и целый ряд других металлов, без которых ракета не сможет полететь.
Железо
Незаменимый элемент любых инженерных конструкций. Железо в виде разнообразных высокопрочных нержавеющих сталей — второй по применению металл в ракетах. Везде, где нагрузка не распределена по большой конструкции, а сосредоточена в точке или нескольких точках, сталь выигрывает у алюминия. Сталь жестче — конструкция из стали, размеры которой не должны «плыть» под нагрузкой, получается почти всегда компактнее и иногда даже легче алюминиевой. Сталь гораздо лучше переносит вибрацию, более терпима к нагреву, сталь дешевле, за исключением самых экзотических сортов, сталь, в конце концов, нужна для стартового сооружения, без которого ракета — ну, сами понимаете.
Но и баки ракеты могут быть стальными. Удивительно? Да. Однако первая американская межконтинентальная ракета Atlas использовала баки именно из тонкостенной нержавеющей стали. Для того чтобы стальная ракета выиграла у алюминиевой, многое пришлось радикально изменить. Толщина стенок баков у двигательного отсека достигала 1,27 миллиметра (1/20 дюйма), выше использовались более тонкие листы, и у самого верха керосинового бака толщина составляла всего 0,254 миллиметра (0,01 дюйма). А водородный разгонный блок Centaur, сделанный по такому же принципу, имеет стенку толщиной всего лишь с лезвие бритвы — 0,127 миллиметра!
Столь тонкая стенка сомнется даже под собственной тяжестью, поэтому форму она держит исключительно за счет внутреннего давления: с момента изготовления баки герметизируются, наддуваются и хранятся при повышенном внутреннем давлении. В процессе изготовления стенки подпираются специальными держателями изнутри. Самая сложная стадия этого процесса — приварка днища к цилиндрической части. Ее обязательно нужно было выполнить за один проход, в результате ее в течение шестнадцати часов делали несколько бригад сварщиков, по две пары каждая; бригады сменяли друг друга через четыре часа. При этом одна из двух пар работала внутри бака.
Нелегкая, что и говорить, работа. Но зато на этой ракете американец Джон Гленн впервые вышел на орбиту. Да и дальше у нее была славная и долгая история, а блок Centaur летает и по сей день. У «Фау-2», между прочим, корпус тоже был стальным — от стали полностью отказались только на ракете Р-5, там стальной корпус оказался ненужным благодаря отделяющейся головной части. Какой же металл можно поставить на третье место «по ракетности»? Ответ может показаться очевидным. Титан? Оказывается, вовсе нет.
Основной металл электро- и тепловой техники. Ну разве не странно? Довольно тяжелый, не слишком прочный, по сравнению со сталью — легкоплавкий, мягкий, по сравнению с алюминием — дорогой, но тем не менее незаменимый металл.
Все дело в чудовищной теплопроводности меди — она больше в десять раз по сравнению с дешевой сталью и в сорок раз по сравнению с дорогой нержавейкой. Алюминий тоже проигрывает меди по теплопроводности, а заодно и по температуре плавления. А нужна эта бешеная теплопроводность в самом сердце ракеты — в ее двигателе. Из меди делают внутреннюю стенку ракетного двигателя, ту, которая сдерживает трехтысячеградусный жар ракетного сердца. Чтобы стенка не расплавилась, ее делают составной — наружная, стальная, держит механические нагрузки, а внутренняя, медная, принимает на себя тепло.
В тоненьком зазоре между стенками идет поток горючего, направляющегося из бака в двигатель, и тут-то выясняется, что медь выигрывает у стали: дело в том, что температуры плавления отличаются на какую-то треть, а вот теплопроводность — в десятки раз. Так что стальная стенка прогорит раньше медной. Красивый «медный» цвет сопел двигателей Р-7 хорошо виден на всех фотографиях и в телерепортажах о вывозе ракет на старт.
В двигателях ракеты Р-7 внутренняя, «огневая», стенка сделана не из чистой меди, а из хромистой бронзы, содержащей всего 0,8% хрома. Это несколько снижает теплопроводность, но одновременно повышает максимальную рабочую температуру (жаростойкость) и облегчает жизнь технологам — чистая медь очень вязкая, ее тяжело обрабатывать резанием, а на внутренней рубашке нужно выфрезеровать ребра, которыми она прикрепляется к наружной. Толщина оставшейся бронзовой стенки — всего миллиметр, такой же толщины и ребра, а расстояние между ними — около 4 миллиметров.
Чем меньше тяга двигателя, тем хуже условия охлаждения — расход топлива меньше, а относительная поверхность соответственно больше. Поэтому на двигателях малой тяги, применяемых на космических аппаратах, приходится использовать для охлаждения не только горючее, но и окислитель — азотную кислоту или четырехокись азота. В таких случаях медную стенку для защиты нужно покрывать хромом с той стороны, где течет кислота. Но и с этим приходится смиряться, поскольку двигатель с медной огневой стенкой эффективнее.
Справедливости ради скажем, что двигатели со стальной внутренней стенкой тоже существуют, но их параметры, к сожалению, значительно хуже. И дело не только в мощности или тяге, нет, основной параметр совершенства двигателя — удельный импульс — в этом случае становится меньше на четверть, если не на треть. У «средних» двигателей он составляет 220 секунд, у хороших — 300 секунд, а у самых-пресамых «крутых и навороченных», тех, которых на «Шаттле» три штуки сзади, — 440 секунд. Правда, этим двигатели с медной стенкой обязаны не столько совершенству конструкции, сколько жидкому водороду. Керосиновый двигатель даже теоретически таким сделать невозможно. Однако медные сплавы позволили «выжать» из ракетного топлива до 98% его теоретической эффективности.
Серебро
Драгоценный металл, известный человечеству с древности. Металл, без которого не обойтись нигде. Как гвоздь, которого не оказалось в кузнице в известном стихотворении, он держит на себе все. Именно он связывает медь со сталью в жидкостном ракетном двигателе, и в этом, пожалуй, проявляется его мистическая сущность. Ни один из других конструкционных материалов не имеет никакого отношения к мистике — мистический шлейф веками тянется исключительно за этим металлом. И так было в течение всей истории его использования человеком, существенно более долгой, чем у меди или железа. Что уж говорить об алюминии, который был открыт только в девятнадцатом столетии, а стал относительно дешевым и того позже — в двадцатом.
За все годы человеческой цивилизации у этого необыкновенного металла было огромное количество применений и разнообразных профессий. Ему приписывали множество уникальных свойств, люди использовали его не только в своей технической и научной деятельности, но и в магии. К примеру, долгое время считалось, что «его боится всевозможная нечисть».
Главным недостатком этого металла была дороговизна, из-за чего его всегда приходилось расходовать экономно, точнее, разумно — так, как требовало очередное применение, которое ему придумывали неугомонные люди. Рано или поздно ему находили те или иные заменители, которые с течением времени с большим или меньшим успехом вытесняли его.
Сегодня, практически на наших глазах, он исчезает из такой прекрасной сферы деятельности человека, как фотография, которая в течение почти полутора столетий делала нашу жизнь более живописной, а летописи — более достоверными. А пятьдесят (или около того) лет назад он стал утрачивать позиции в одном из древнейших ремесел — чеканке монет. Конечно, монеты из этого металла выпускают и сегодня — но исключительно для нашего с вами развлечения: они давно перестали быть собственно деньгами и превратились в товар — подарочный и коллекционный.
Возможно, когда физики изобретут телепортацию и ракетные двигатели будут уже не нужны, наступит последний час и еще одной сферы его применения. Но пока что найти ему адекватную замену не удалось, и этот уникальный металл остается в ракетостроении вне конкуренции — так же, как и в охоте на вампиров.
Вы уже наверняка догадались, что все вышесказанное относится к серебру. Со времен ГИРДа и до сих пор единственным способом соединения частей камеры сгорания ракетных двигателей остается пайка серебряными припоями в вакуумной печи или в инертном газе. Попытки найти бессеребряные припои для этой цели ни к чему пока не привели. В отдельных узких областях эту задачку иногда удается решить — например, холодильники сейчас чинят с помощью медно-фосфорного припоя, — но в ЖРД замены серебру нет. В камере сгорания большого ЖРД его содержание достигает сотен граммов, а иногда доходит до килограмма.
Драгоценным металлом серебро называют скорее по многотысячелетней привычке, есть металлы, которые не считаются драгоценными, но стóят намного дороже серебра. Взять хотя бы бериллий. Этот металл втрое дороже серебра, но и он находит применение в космических аппаратах (правда, не в ракетах). Главным образом он получил известность благодаря способности замедлять и отражать нейтроны в ядерных реакторах. В качестве конструкционного материала его стали использовать позже.
Конечно, невозможно перечислить все металлы, которые можно назвать гордым именем «крылатые», да и нет в этом нужды. Монополия металлов, существовавшая в начале 1950-х годов, давно уже нарушена стекло- и углепластиками. Дороговизна этих материалов замедляет их распространение в одноразовых ракетах, а вот в самолетах они внедряются гораздо шире. Углепластиковые обтекатели, прикрывающие полезную нагрузку, и углепластиковые сопла двигателей верхних ступеней уже существуют и постепенно начинают составлять конкуренцию металлическим деталям. Но с металлами, как известно из истории, люди работают уже приблизительно десять тысяч лет, и не так-то просто найти равноценную замену этим материалам.