Чем кормить ракету. На каком топливе летают ракеты в космос.

Полезная нагрузка, выводимая на орбиту, составляет лишь небольшую часть (ничтожные 1,5-2,0 %) от общего веса ракеты. Его основная масса состоит из конструктивных элементов, а также окислителя и топлива. Получается, что РН в первую очередь поднимает себя и лишь в малой степени полезную нагрузку.

Чем кормить ракету?

Полеты по галактике, орбитальные станции….. Мечта о космических путешествиях не осуществилась бы, если бы человечество не изобрело ракетное топливо. Кстати, что именно является топливом для космических аппаратов? Можно ли заправить ракету автомобильным бензином и какой двигатель самый мощный? Вот как нужно заправлять ракету.

Действие равно противодействию

Большинство двигателей, которые выводят ракеты в космос, — это реактивные двигатели. Это означает, что, в отличие от автомобильных двигателей, они не вращаются, но получают энергию другим способом.

Топливо сжигается в камерах ракетных двигателей. Образовавшийся газ выбрасывается под высоким давлением в одном направлении, а ракета летит в другом направлении с определенным ускорением. Это соответствует третьему закону Ньютона — действие равно реакции. Сила ракетного двигателя, т.е. скорость, с которой выбрасываются газы, называется «тягой». В метрической системе он измеряется в ньютонах, но в США он измеряется в «фунтах тяги». Один фунт тяги эквивалентен 4,45 ньютонам.

Различают твердое и жидкое топливо. Их топливо всегда содержит окислитель для воспламенения и ракетное топливо, из которого получается рабочий газ, создающий тягу.

Твердая мощь для ракеты

Твердое топливо — это смесь веществ, которые могут гореть без доступа кислорода. Их можно разделить на два типа: бинарные (также называемые гомогенными) и смешанные. Первый тип — это твердый раствор. Обычно нитроцеллюлоза в нитроглицерине. В прошлом смешанные твердые ракетные топлива содержали порох, но сегодня они содержат перхлорат аммония, мелкозернистый сферический порошок алюминия или магния и органический полимер.

ЛИКБЕЗ

Твердотопливный ракетный двигатель или РДТ также называют твердотопливным ускорителем (SPE), а жидкостный двигатель — жидкостным ракетным двигателем (LRE).

Андрей Рюрикович, выдающийся испытатель космической техники:

— Твердотопливный ракетный двигатель проще в изготовлении и обслуживании. По сути, это просто бочка с отверстием. Жидкотопливный двигатель представляет собой солянку из трубопроводов и различных агрегатов, поэтому его надежность ниже. В то же время жидкотопливный двигатель имеет большую тягу и более управляем: его легче включать и выключать и регулировать тягу. Жидкостный двигатель, работающий на криогенном топливе, имеет одну особенность — более сложный процесс заправки перед запуском (ракета Falcon 9 Илона Маска взорвалась именно в процессе заправки). Вы включаете РДТ и все: вы не можете выключить его, пока он не перегорит.

Однажды с американским шаттлом произошла такая ситуация: во время запуска отказал один из трех жидкостных двигателей. Аварийный двигатель и два других двигателя на жидком топливе могли быть выключены до взлета TTU. Если бы авария продолжалась всего на несколько секунд дольше и ТТУ было бы активировано, разрушение и смерть экипажа были бы неминуемы.

Твердотопливные двигатели проще в обслуживании. Они просто есть. Все, что вам нужно делать, это регулярно проверять температуру и влажность в хранилище. Однако, если оставить заряд на слишком долгое время, он «высыхает» и появляются трещины, которые при воспламенении резко увеличивают площадь сгорания топлива и, соответственно, давление в камере сгорания. Тогда ТТУ становится непредсказуемой миной: Либо он работает правильно, либо взрывает себя и все вокруг.

Основные характеристики ракетных топлив

Помимо общего состояния компонентов, ракетное топливо характеризуется следующими параметрами:

• удельный импульс тяги;
• термическая стабильность;
• химическая стабильность;
• биологическая токсичность;
• плотность;
• дымность.

Удельный импульс ракетных топлив зависит от давления и температуры в камере сгорания двигателя, а также от молекулярного состава продуктов сгорания. Кроме того, удельный импульс зависит от расширения сопла двигателя, но это больше относится к внешней среде применения ракетной техники (воздушная или космическая атмосфера).

Увеличение тяги обеспечивается использованием высокопрочных конструкционных материалов (стальных сплавов для жидкого топлива и органопластиков для ракетного топлива). В этом отношении жидкостные ракетные двигатели превосходят ракетные двигатели, поскольку их силовая установка более компактна, чем у твердотопливного двигателя, который имеет большую камеру сгорания.

Высокая температура продуктов сгорания достигается путем добавления металлического алюминия или химического соединения гидрида алюминия к твердому топливу. Жидкое топливо может использовать подобные присадки только в том случае, если оно было загущено специальными добавками. Тепловая защита жидкого топлива обеспечивается за счет охлаждения топлива, а тепловая защита ракетного топлива — за счет прочного крепления топливного элемента к стенкам двигателя и размещения углерод-углеродных композитных вставок для сжигания в критической части сопла.

Молекулярный состав продуктов сгорания и разложения влияет на скорость истечения и их агрегатное состояние при сдвиге форсунки. Чем меньше масса молекул, тем выше скорость истечения: предпочтительными продуктами сгорания являются молекулы воды, затем молекулы азота, диоксид углерода, оксиды хлора и других галогенов; наименее предпочтительным является оксид алюминия, который конденсируется в сопле двигателя в твердом состоянии, уменьшая объем выбрасываемых газов. Кроме того, содержание оксида алюминия требует использования конических сопел, поскольку более эффективные сопла Лаваля с параболической поверхностью имеют слишком большое трение.

Для ракетных топлив военного назначения термическая стабильность особенно важна из-за широкого диапазона температур, в котором эксплуатируется ракетный материал. Поэтому криогенное жидкое топливо (кислород + парафин и кислород + водород) использовалось только на ранних этапах разработки межконтинентальных баллистических ракет (Р-7 и «Титан») и для пусковых установок космических кораблей многоразового использования (Space Shuttle и «Энергия»), предназначенных для доставки спутников и космического оружия на низкую околоземную орбиту.

В настоящее время в военном секторе используется только высококипящее жидкое ракетное топливо на основе закиси азота (AT, окислитель) и несимметричного диметилгидразина (NMH, ракетное топливо). Термическая стабильность этой топливной пары определяется температурой кипения АТ (+21°C), что ограничивает использование этого топлива в ракетах МБР и БРПЛ в условиях термостатированного бункера. Из-за агрессивного характера компонентов технология производства и эксплуатации ракетных танков принадлежала/принадлежит только одной стране в мире — СССР/Российской Федерации (МБР «Воевода» и «Сармат», БРПЛ «Синева» и «Лайнер»). В исключительных случаях АТ+НМГ используется в качестве топлива для крылатых ракет Х-22 «Буря», но из-за проблем с эксплуатацией Х-22 и следующего поколения Х-32 наземного базирования планируется заменить их крылатыми ракетами «Циркон» с реактивной тягой и парафином в качестве топлива.

Энергетика ракетных топлив

Для сравнения энергетических характеристик различных ракетных топлив необходимо определить сопоставимые условия сгорания с точки зрения давления в камере сгорания и степени расширения сопла ракетного двигателя — например, 150 атмосфер и 300-кратное расширение. Тогда удельный импульс для пар топливо/заряд будет одинаковым:

• кислород+водород – 4,4 км/с;
• кислород+керосин – 3,4 км/с;
• АТ+НДМГ – 3,3 км/с;
• динитрамид аммония + гидрид водорода + октоген – 3,2 км/с;
• перхлорат аммония + алюминий + октоген – 3,1 км/с;
• перхлорат аммония + октоген – 2,9 км/с;
• нитроцеллюлоза + нитроглицерин – 2,5 км/с.

Твердое топливо на основе динитрамина аммония является отечественной разработкой конца 1980-х годов и использовалось в качестве топлива для второй и третьей ступеней ракет РТ-23 УТХ и Р-39. По энергоэффективности его пока не превзошли более совершенные зарубежные ракеты на основе перхлората аммония, используемые в ракетах Minuteman-3 и Trident-2. Динитрамин аммония — взрывчатое вещество, которое воспламеняется даже от светового излучения, поэтому его производят в помещениях, освещенных маломощными лампами красного света. Более того, советская технология систематически использовалась только на Павлоградском химическом заводе в Днепропетровской области СССР и была утрачена в 1990-х годах после того, как завод был перепрофилирован на производство бытовой химии. Однако, судя по тактико-техническим характеристикам перспективных образцов оружия, таких как РС-26 «Рубеж», технология была заново открыта в России в 2010-х годах.

В качестве примера высокоэффективного синтеза можно привести синтез твердого ракетного топлива из патента РФ № 2241693, принадлежащего ФГУП «Пермский завод имени С.М. Кирова»:

• окислитель – динитрамид аммония, 58%;
• горючее – гидрид алюминия, 27%;
• пластификатор – нитроизобутилтринитратглицерин, 11,25%;
• связующее — полибутадиеннитрильный каучук, 2,25%;
• отвердитель – сера, 1,49%;
• стабилизатор горения — ультрадисперсный алюминий, 0,01%;
• добавки – сажа, лецитин и т.д.

Перспективы развития ракетных топлив

Основными направлениями развития жидкостного ракетного топлива являются (в порядке приоритетности реализации):

• использование переохлажденного кислорода с целью увеличения плотности окислителя;
• переход к топливной паре кислород+метан, горючий компонент которой обладает на 15% большей энергетикой и в 6 раз лучшей теплоемкостью, чем керосин с учетом того, что алюминиевые баки при температуре жидкого метана упрочняются;
• добавление озона в состав кислорода на уровне 24% с целью повышения температуры кипения и энергетики окислителя (большая доля озона является взрывоопасной);
• использование тиксотропного (загущенного) топлива, компоненты которого содержат взвеси из пентаборана, пентафторида, металлов или их гидридов.

Переохлажденный кислород уже используется в ракете-носителе Falcon 9, а жидкие ракетные топлива на основе топливной пары кислорода и метана разрабатываются в России и США.

Основной тенденцией в развитии твердых ракетных топлив является переход на активные связующие, содержащие в своих молекулах кислород, что в целом улучшает окислительный баланс твердых ракетных топлив. Современным российским образцом такого связующего является полимерная композиция «Ника-М», разработанная ГосНИИ «Кристалл» (г. Дзержинск), которая содержит циклические группы динитрильного диоксида и полиэфир-бутилендиолового эфира.

Другим перспективным направлением является расширение номенклатуры используемых нитраминовых взрывчатых веществ, которые имеют более высокий кислородный баланс (минус 22 %) по сравнению с октогенами. В первую очередь это гексангексаизоурецитан (Cl-20, кислородный баланс минус 10%) и октанитрокубан (нулевой кислородный баланс), перспективы которых зависят от снижения стоимости их производства — в настоящее время Cl-20 на порядок дороже октогенов, октанитрокубан на порядок дороже Cl-20.

Помимо усовершенствования известных типов компонентов, ведутся исследования по созданию полимерных соединений, молекулы которых состоят исключительно из атомов азота, соединенных одинарными связями. Когда полимерное соединение разлагается под воздействием тепла, азот образует простые молекулы, состоящие из двух атомов, соединенных тройной связью. Энергия, выделяемая при этом процессе, в два раза превышает энергию нитраминовых взрывчатых веществ. В 2009 году российские и немецкие ученые впервые получили соединения азота с алмазоподобной кристаллической решеткой в совместной экспериментальной установке при давлении 1 миллион атмосфер и температуре 1725 °C. В результате был получен метастаз азота. В настоящее время ведутся работы по достижению метастабильного состояния полимеров на основе азота при обычных давлениях и температурах.

Перспективными кислородсодержащими химическими соединениями являются самые высокие оксиды азота. Известная закись азота V (плоская молекула которой состоит из двух атомов азота и пяти атомов кислорода) не имеет практической ценности в качестве компонента твердого топлива из-за низкой температуры плавления (32°C). В этом направлении ведутся исследования метода синтеза монооксида азота VI (тетраазогексаоксида), молекула которого имеет форму тетраэдра с четырьмя атомами азота, связанными с шестью атомами кислорода на его вершинах, которые расположены в ребрах тетраэдра. Полное закрытие двухатомных связей в молекуле оксида азота VI позволяет предсказать повышенную термическую стабильность, аналогичную таковой у уротропина. Кислородный баланс азотной кислоты VI (плюс 63%) позволяет значительно повысить удельный вес энергетических компонентов, таких как металлы, гидриды металлов, нитрамины и углеводородные полимеры, при синтезе твердого ракетного топлива.

Вредит ли топливо

Некоторые ракеты приводятся в движение с помощью так называемых ракетных топлив, таких как очищенный парафин или метан и сжиженный кислород в качестве окислителя. В этих ракетах происходят те же реакции, что и в двигателе внутреннего сгорания автомобиля: выделяются углекислый газ и водяной пар. Оба выброса способствуют глобальному потеплению и повышают среднюю температуру планеты, но десятки запусков ракет в год ничего не меняют.

Твердотопливные двигатели часто содержат перхлорат аммония и алюминиевую пыль. При этом во время полета в воздух выделяется едкая соляная кислота: Один запуск европейской ракеты-носителя Ariane 5 производит до 270 тонн этого вещества. Опять же, это количество в атмосфере ничтожно мало, но, как говорится в отчете Европейской комиссии, это относится ко всем источникам загрязнения, поэтому аргумент слабый. С другой стороны, измерения, проведенные НАСА в 1995 году после запуска ракеты Delta II, показали, что концентрация кислоты не увеличилась даже по краям стартовой площадки и что почва вблизи не была повреждена.

Другая проблема заключается в том, что ракеты летят через атмосферу, поэтому частицы сажи и окисленного алюминия могут накапливаться в верхних слоях. Мартин Росс, старший инженер проекта в некоммерческой Аэрокосмической корпорации, считает, что выбросы могут достигнуть 11 000 тонн в год. Эти частицы окружают планету и задерживаются на ней на три-пять лет, но неясно, что они делают.

Предполагается, что сажа поглощает солнечное тепло и тем самым охлаждает планету, но повышение температуры над облаками может разрушить озоновый слой, который защищает нас от радиации. С другой стороны, оксид алюминия имеет белый цвет и отражает солнечный свет обратно в космос, что, вероятно, также снижает температуру в атмосфере. А может быть, все наоборот, и глинозем делает ее теплее, потому что не дает Земле отдавать тепло. Кроме того, говорит Росс, на поверхности алюминиевых частиц могут происходить химические реакции, вызывающие распад озона.

Однако расчеты Всемирной метеорологической организации показывают, что запуски ракет практически не влияют на озоновый слой. Однако ученые не могут предсказать, как космические запуски повлияют на атмосферу в будущем: слишком много переменных еще неизвестно, и выводы основываются в основном на результатах лабораторных экспериментов и компьютерных моделях. Как говорят в таких случаях, необходимы дальнейшие исследования.

Зачем полетит GPIM

Хотя все ракетные топлива потенциально вредны, эксперимент GPIM (Green Propellant Infusion Mission) тестирует замену одного конкретного типа топлива — широко используемого гидразина и его производных. Гидразин — это относительно простое соединение, состоящее из двух атомов азота и четырех атомов водорода. Он похож на обычную воду, имеет почти такие же температуры плавления и кипения, плотность и поверхностное натяжение, но гидразин дымит в воздухе. А когда из «воды» поднимается синеватый дым, это верный признак того, что нужно как можно скорее выбираться наружу!

Как новый солнечный зонд Parker может ускорить космические путешествия

Гидразин очень опасен. Вызывает сильное раздражение при контакте с кожей и слизистыми оболочками. Химические ожоги могут быть настолько серьезными, что человек может умереть. После попадания в организм вещество может повредить внутренние органы и нервную систему, иногда вызывая кому. Гидразин также подозревается в том, что он вызывает рак. Кроме того, он легко воспламеняется и коварно взрывается — без видимого пламени. Если этого недостаточно, соединение может быть запрещено ЕС в 2021 году. Аэрокосмическая промышленность может получить исключение, но даже в этом случае цена топлива резко возрастет, а доставка грузов на орбиту и так достаточно дорога.

Новое «зеленое» топливо — это смесь с поэтическим названием AF-M315E на основе гидроксиламмониевой селитры. Определить, наносит ли он вред атмосфере, не удастся: космический аппарат GPIM уже проходит испытания в космосе, куда его поднимет ракета Falcon Heavy с обычными двигателями. На бумаге AF-M315E имеет много преимуществ перед гидразином: он занимает меньше места, создает большую тягу и может использоваться при более низких температурах. Но, возможно, самое большое преимущество заключается в том, что эта смесь не так токсична, как гидразин, поэтому подготовка космических аппаратов к запуску должна быть проще, безопаснее и дешевле. Особенно выиграют небольшие компании: Они смогут запускать спутники и зонды, которые раньше были нерентабельными.

Помимо AF-M315E, ученые и инженеры испытывают более сотни химических соединений для космических аппаратов будущего. Когда они горят, они тоже загрязняют атмосферу, хотя и не так сильно, как угольная печь в котельной или сталелитейный завод в стране третьего мира. «Зеленый» — непонятное прилагательное, но это не значит, что аэрокосмическая промышленность пускает пыль в глаза. В ближайшие десятилетия альтернативы ракетам не будет, и газы продолжат заполнять небо. Но если миссия GPIM и другие запланированные испытания пройдут успешно, произойдет нечто важное — космос станет ближе.

Типы править | править код

Химические ракетные топлива править | править код

• Твёрдые.

• Нитроцеллюлоза
• Нитроглицерин, динитрогликоль и другие труднолетучие растворители
• Черный порох
• Карамельное ракетное топливо
• Смесевое ракетное топливо
• Металлы как горючее
• Карбиды, нитриды, азиды и амиды металлов
• Гидриды металлов
• Сложные гидриды
• Перхлораты металлов

Окислители для жидких видов топлива править | править код

• Фтор
• Кислород
• Озон
• Фториды кислорода
• Неорганические фториды азота
• Фториды галогенов
• Перхлорилфторид
• Оксиды азота
• Азотнокислотные окислители
• Перекись водорода
• Соединения инертных газов
• Пероксиды, надпероксиды и неорганические озониды
• Неорганические нитраты
• Органические нитросоединения и эфиры азотной кислоты (алкилнитраты)
• Хлорная кислота
• Перхлораты неметаллов
• Тетраоксид диазота ( АТ, Амил )

Свободные радикалы править | править код

• Рабочие тела для электрореактивных двигателей.

Ядерные топлива править | править код

Топливо космических ракет и аппаратов править | править код

Выведение космических аппаратов за пределы земной атмосферы и разгон их до орбитальных скоростей требует огромного количества энергии. Используемые в настоящее время ракетное топливо и конструкционные материалы при запуске на орбиту дают соотношение масс не более 30:1, поэтому масса космической ракеты при запуске исчисляется сотнями и даже тысячами тонн. Для сброса такой массы со стартовой площадки требуется большая тяга двигателей. Поэтому наиболее важным требованием к ракетному топливу для первой ступени является способность создавать значительную тягу при приемлемых размерах двигателя и запасах топлива. Тяга прямо пропорциональна удельной тяге и расходу топлива, т.е. если удельная тяга высокая, то для вывода на орбиту равного груза требуется меньше топлива. Удельный импульс обратно пропорционален молекулярному весу продуктов сгорания, что означает, что плотность высокоэффективного топлива низкая, и, следовательно, конструкция двигателя и топливной системы имеет значительный объем и вес. По этой причине при выборе топлива ищут компромисс между весом конструкции и весом топлива. На одном конце этого выбора находится топливная пара водород-кислород с самым высоким удельным импульсом и самой низкой плотностью. На другом конце находится твердое топливо на основе перхлората аммония с низким удельным импульсом, но высокой плотностью.

Помимо пропульсивной способности топлива, учитываются и другие факторы. Нестабильное сгорание некоторых видов топлива часто приводило к взрывам в двигателях. Высокие температуры сгорания некоторых видов топлива повысили требования к конструкции, материалам и технологиям двигателей. Криогенное топливо делало ракету тяжелее и усложняло выбор хладостойких материалов, а также проектирование и разработку. По этой причине в начале космической эры стало популярным такое простое в получении, хранении и использовании топливо, как несимметричный диметилгидразин (NDMH, «гептил»). В то же время он обладал вполне приемлемыми адгезионными свойствами, поэтому в настоящее время он используется довольно широко.

Помимо технических факторов, важны также экономические, исторические и социальные факторы. Криогенное топливо требует дорогостоящей, сложной и специализированной инфраструктуры космодрома для закупки и хранения криогенных материалов, таких как жидкий кислород и водород. Высокотоксичные виды топлива, такие как НДМГ, создают экологические риски для персонала и стартовых площадок, а также экономические риски от последствий загрязнения площадок в аварийных ситуациях.

В настоящее время в ракетах-носителях используются четыре основных типа топлива:

• Керосин + жидкий кислород. Популярное, дешевое топливо с великолепно развитой и отработанной линейкой двигателей и топливной инфраструктурой. Имеет неплохую экологичность. Лучшие двигатели обеспечивают удельный импульс (УИ) немногим выше 300 секунд при атмосферном давлении.
• Несимметричный диметилгидразин («гептил») + тетраоксид азота. Чрезвычайно токсичное топливо. Однако высокая устойчивость горения, самовоспламеняемость, относительная простота топливной арматуры, легкость хранения, хорошая плотность топлива, хорошие энергетические характеристики предопределили широкое распространение. Сегодня предпринимаются усилия по отказу от НДМГ. УИ примерно аналогичен кислород-керосиновой паре.
• Жидкий водород + жидкий кислород. Низкая плотность и чрезвычайно низкие температуры хранения водорода делает очень сложным использование топливной пары в первой ступени ракет-носителей. Однако высокая эффективность приводит к широкому использованию в верхних ступенях ракет-носителей, где приоритет тяги уменьшается, а цена массы растет. Топливо имеет великолепную экологичность. УИ лучших двигателей на уровне моря свыше 350 секунд, в вакууме — 450 секунд.
• Смесевое твёрдое ракетное топливо на основе перхлората аммония. Дешевое топливо, но требует высокой культуры производства. Широко используется в западном ракетостроении на первой ступени ракет благодаря лёгкости получения значительной тяги. Двигателями на твердом топливе сложно управлять по вектору тяги, поэтому их часто ставят в параллель с небольшими жидкостными двигателями, которые обеспечивают управляемость полета. Имеет низкую экологичность. Типовой УИ — 250 секунд.
• Создаются перспективные двигатели на топливной паре метан + жидкий кислород (BE-4, Raptor и др.).

Что такое космические ракеты

Ракета-носитель — это тип баллистической ракеты, способной вывести полезную нагрузку за пределы земной атмосферы. Ракеты-носители обычно имеют несколько ступеней и запускаются вертикально или сверху. Ракеты-носители могут выводить полезные нагрузки на низкие опорные, геопереходные и геостационарные (ГСО) орбиты.

Полезная нагрузка, выводимая на орбиту, составляет лишь небольшую часть (ничтожные 1,5-2,0 %) от общего веса ракеты. Его основная масса состоит из конструктивных элементов, а также окислителя и топлива. Получается, что РН в первую очередь поднимает себя и лишь в малой степени полезную нагрузку.

Для повышения эффективности ракета состоит 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 израсходования топлива, а затем взлетают, уменьшая общий вес ракеты. Одноступенчатая ракета также способна достичь космоса, что продемонстрировал немецкий «V-2», но она не может достичь стабильной орбиты планеты и доставить туда полезную нагрузку.

Существует два варианта композиции CR: с поперечным и продольным разделением ступеней. В первом случае они располагаются друг за другом и активируются последовательно. Такая система используется, например, в Falcon Маска. Во втором — несколько небольших ракет первой ступени располагаются симметрично вокруг второй ступени и работают одновременно.

Также используется комбинированная система. Он используется, например, в российских ракетах «Союз» и «Протон». В этом случае первая и вторая ступени разделяются в поперечном направлении, и после их разделения третья ступень начинает свою работу.

Самым важным компонентом ракеты-носителя является двигатель. Он выталкивает раскаленное вещество и толкает автомобиль в противоположном направлении в соответствии с третьим законом Ньютона. В зависимости от типа используемого топлива, бустеры:

• жидкостными (ЖРД);
• твердотопливными (РДТТ);
• комбинированными.

Твердотопливные ускорители просты по конструкции и недороги, в то время как жидкотопливные ускорители обычно используются для космических ракет. Они допускают широкий диапазон настроек тяги, а также многократную активацию и деактивацию. Последнее особенно важно для орбитальных маневров. Существует множество типов жидкотопливных ракетных двигателей: с открытым и закрытым контуром, с частичной или полной газификацией топлива.

Топливо, используемое в жидком ракетном топливе, включает парафин, гептан, сжиженный водород и метан, а также гидразин. Наиболее распространенным окислителем является жидкий кислород и соединения азота.

Наиболее важной характеристикой любой ракеты-носителя является вес полезной нагрузки, которую она может вывести на низкую околоземную орбиту (НОО). Исходя из этого, можно выделить следующие категории ракет-носителей:

• Сверхлегкий. Выводимая нагрузка не превышает нескольких десятков килограммов;
• Легкий. РН могут выводить на орбиту массу до 5 т;
• Средний. От 5 до 20 т;
• Тяжелый. К этому классу относятся ракеты, способные поднять на НОО от 20 до 100 т;
• Сверхтяжелый. Полезная нагрузка превышает 100 т.

Немного истории

Китайцы первыми создали ракеты во II веке до нашей эры. Эти «устройства» наполнялись порохом и использовались для фейерверков и других развлекательных целей. Ракеты неоднократно использовались в военных целях, но без особого успеха. Только в начале XIX века полковнику Конгриву удалось разработать более или менее эффективную военную ракету для британской армии. Позже они были приняты в Пруссии, России, Швеции и Саксонии.

Идея использования ракет для освоения космоса была впервые предложена Константином Циолковским в начале 20 века; он же предложил многоступенчатую систему запуска.

Американец Роберт Годдард, который в отличие от Циолковского больше интересовался практической стороной дела, считается отцом современного ракетостроения. Он был первым человеком в мире, который разработал и успешно испытал ракету на жидком топливе. Это произошло в 1926 году — ракета Годдарда достигла высоты 12,5 метров!

Ракетостроение активно развивалось в Германии. В 1930-х годах в этой стране были созданы многочисленные ракетные клубы и исследовательские институты. Результатом этого взрыва стала первая баллистическая ракета V-2, разработанная для Гитлера гениальным конструктором Вернером фон Брауном. Впоследствии он сыграл ключевую роль в развитии космической программы в США.

После окончания войны ракетные технологии Третьего рейха попали в руки союзников. Началась холодная война, и ракеты рассматривались в первую очередь как эффективное средство транспортировки ядерного оружия — космические путешествия отошли на второй план. В Советском Союзе Сергей Королев был руководителем ракетной программы. Ему удалось в короткие сроки создать первую межконтинентальную баллистическую ракету Р-7, а ее гражданская версия вывела на орбиту первый спутник. В 1961 году ракета-носитель «Восток» отправила в полет Юрия Гагарина. Он был способен доставить на НОО 4,72 тонны груза. Эти исторические запуски были произведены с космодрома Байконур в Казахстане.

Реваншем США стала программа «Аполлон», в рамках которой было осуществлено несколько полетов на Луну, и человек впервые ступил на поверхность другого небесного тела. Этот триумф был бы невозможен без уникальной ракеты «Сатурн-5», характеристики которой остаются непревзойденными и по сей день.

Очень интересным американским проектом был «Спейс Шаттл». Его идея заключалась в создании многоразовой системы для доставки грузов и астронавтов на орбиту. Он состоял из похожего на самолет космического корабля, двух двигателей и огромного топливного бака. «Шаттлы» взлетали вертикально, но приземлялись как самолеты на обычную взлетно-посадочную полосу. С помощью этой конструкции разработчики надеялись значительно снизить стоимость одного взлета. Однако эти ожидания не оправдались — цена за килограмм, который «шаттл» доставил на орбиту, оказалась даже выше, чем у гигантского «Сатурна-5».

Советским ответом на шаттл стал многоцелевой шаттл «Буран». Он был выведен на орбиту сверхтяжелой ракетой «Энергия», способной вывести на НОО до 100 тонн груза. «Единственный беспилотный полет «Бурана» состоялся в 1988 году, а в 1993 году программа была прекращена.

США и СССР недолго оставались единственными «космическими» державами. К 1971 году еще пять стран сумели разработать собственные ракеты-носители: Франция, Япония, Италия, Китай, Япония и Великобритания. С тех пор число этих стран продолжает расти. В последние годы частные компании стали активно участвовать в космических запусках, и частный сектор вдохнул новую жизнь в ракетную отрасль.

Какие ракеты-носители используются сегодня

В последние годы рынок космических перевозок стремительно растет. Основными игроками сегодня являются США, Китай, Россия и Европейский Союз: США, Китай, Китай, Россия, Европейский Союз.

Россия

В нашей стране за запуски космических аппаратов отвечает государственное предприятие Роскосмос. Надо сказать, что его бизнес не назовешь блестящим. В течение почти трех десятилетий Российская Федерация лидировала по количеству запусков ракет, опираясь на свое мощное советское наследие, но всему хорошему приходит конец. В 2016 году впереди были американцы, а в 2020 году лидировать будет Китай. Очевидно, что российский ракетный флот нуждается в модернизации, а управление отраслью — в новых подходах. Сегодня основными российскими пусковыми установками являются:

• «Союз». Эту трехступенчатую ракету можно назвать «рабочей лошадкой» сначала советской, а затем и российской пилотируемой космонавтики. Она является продолжением концепций и идей, заложенных в королевских Р-7 и «Восток». В разные годы было создано множество модификаций «Союза». Все представители этого семейства работают на топливной паре керосин и жидкий кислород. Сегодня в эксплуатации находятся «Союз-2» и «Союз-ФГ», причем последняя – единственная РН, используемая для пилотируемых полетов к МКС. «Союзы» считаются одними из самых надежных ракет в мире. На базе последних модификаций РН планируется создание универсальной ракеты-носителя. «Союз-2» способен забросить на НОО до 9200 кг полезного груза. В эксплуатации также находится РН легкого класса «Союз-2.1в». Она может доставлять на НОО 2800 кг груза;
• «Протон». Это тяжелая трехступенчатая ракета, способная выводить на геостационарную орбиту грузы массой более трех тонн. Ее разработали в середине 60-х годов на основе боевой баллистической ракеты УР-500. Позже были разработано несколько модификаций РН, самой совершенной из которых является «Протон-М». Все ракеты семейства работают на топливной паре гидразин (гептил) и тетраоксид азота. С начала эксплуатации состоялось 423 запуска, из которых 376 были признаны успешными. Несмотря на такую статистику, уже принято решение об остановке производства «Протонов». В будущем эту ракету-носитель должна заменить «Ангара». Стоимость запуска одного «Протона» составляет примерно 65-70 млн долларов;
• «Ангара». Это перспективное семейство ракет-носителей кислородно-керосиновыми двигателями, в состав которого войдут аппараты с грузоподъемностью от 1,5 до 35 т. Пока было осуществлено два запуска этой ракеты в 2014 году. Планируется, что стоимость запуска тяжелой «Ангары» будет несколько дешевле, чем «Delta IV Heavy», но в два раза дороже, чем «Протона».

Глобальной тенденцией в развитии ракетостроения сегодня является активное участие частного капитала в этой сфере. Россия, обладающая квалифицированными кадрами, инфраструктурой и богатейшим научным профессорско-преподавательским составом, могла бы создать свои «маски» и «базары». Однако это потребует радикального изменения подхода к промышленности и ее освобождения от власти невежественных и глупых бюрократов.

США

В США разработкой и производством ракет занимаются частные компании, число которых за последние годы значительно выросло. NASA, Пентагон и другие правительственные агентства просто заказывают у них новую ракету или покупают услуги по выводу аппаратов на орбиту. В настоящее время в США используются следующие типы ракет-носителей: