А Томилин - Хочу все знать!
Одним словом, чтобы удержаться в космосе, надо разогнаться. А чтобы разогнаться, надо сперва добраться до космоса и удержаться там.
Чтобы удержаться — разогнаться! Чтобы разогнаться — удержаться!
Выход из этого заколдованного круга подсказал людям в свое время наш замечательный русский ученый Константин Эдуардович Циолковский. Для выхода в космос и разгона в нем годится только ракета. О ней и пойдет дальше наш разговор.
Ракета не имеет ни крыльев, ни пропеллеров. Она может в полете ни на что не опираться. Для разгона ей не нужно ни от чего отталкиваться. Она может двигаться и в воздухе, и в космосе. В воздухе медленнее, в космосе быстрее. Она движется реактивным способом. Что это значит? Приведем старый, но очень хороший пример.
Берег тихого озера. В двух метрах от берега стоит лодка. Носом направлена в озеро. На корме лодки стоит паренек, хочет прыгнуть на берег. Присел, поднатужился, со всей силы прыгнул… и благополучно «приземлился» на берегу. А лодка… тронулась с места и тихо поплыла от берега.
Что получилось? Когда паренек прыгал, ноги его сработали как пружина, которая была сжата, а потом распрямилась. Эта «пружина» одним концом толкнула человека на берег. Другим — лодку в озеро. Лодка и человек оттолкнулись друг ох друга. Лодка поплыла, как говорят, благодаря отдаче, или реакции. Это и есть реактивный способ движения.
Схема многоступенчатой ракеты.
Отдача нам хорошо известна. Вспомните, например, как стреляет пушка. При выстреле снаряд вылетает из ствола вперед, а сама пушка при этом резко откатывается назад. Почему? Да все потому же. Порох внутри ствола пушки, сгорая, превращается в раскаленные газы. Стремясь вырваться, они давят изнутри на все стенки, готовы разорвать ствол пушки на куски. Они выталкивают артиллерийский снаряд и, расширяясь, работают тоже как пружина — «бросают в разные стороны» пушку и снаряд. Только снаряд полегче, и его удается отбросить на много километров. Пушка же потяжелее, и ее удается лишь немного откатить назад.
Возьмем теперь обычную маленькую пороховую ракету, которая уже сотни лет используется для фейерверков. Это картонная трубка, закрытая с одной стороны. Внутри — порох. Если его поджечь, он горит, превращаясь в раскаленные газы. Вырываясь через открытый конец трубки, они себя отбрасывают назад, а ракету вперед. И толкают ее так сильно, что она летит к небу.
Пороховые ракеты существуют давно. Но для больших, космических ракет порох, оказывается, не всегда удобен. Прежде всего — порох вовсе не самое сильное взрывчатое вещество. Спирт или керосин, например, если их мелко разбрызгать и смешать с капельками жидкого кислорода, взрываются посильнее пороха. Такие жидкости имеют общее название — горючее. А жидкий кислород или заменяющие его жидкости, содержащие много кислорода, называются окислителем. Горючее и окислитель вместе образуют ракетное топливо.
Современный жидкостный ракетный двигатель, или, сокращенно, ЖРД — это очень прочная, стальная, напоминающая бутылку камера сгорания. Ее горловина с раструбом — сопло. В камеру по трубкам в большом количестве непрерывно впрыскиваются горючее и окислитель. Происходит бурное горение. Бушует пламя. Раскаленные газы с невероятной силой и громким ревом вырываются через сопло наружу. Вырываясь, отталкивают камеру в обратную сторону. Камера закреплена на ракете, и получается, что газы толкают ракету. Струя газов направлена назад, и поэтому ракета летит вперед.
Современная большая ракета выглядит так. Внизу, в ее хвосте, стоят двигатели, один или несколько. Выше почти все свободное место занимают баки с топливом. Наверху, в головке ракеты, помещают то, ради чего она летит. То, что она должна «доставить по адресу». В космических ракетах это может быть какой-нибудь спутник, который надо вывести на орбиту, или космический корабль с космонавтами.
Саму ракету называют ракетой-носителем. А спутник или корабль — полезной нагрузкой.
Итак, мы как будто нашли выход из заколдованного круга. Имеем ракету с жидкостным ракетным двигателем. Двигаясь реактивным способом, она может «тихим ходом» пройти сквозь плотную атмосферу, выйти в космос и там разогнаться до нужной скорости.
Первая же трудность, с которой столкнулись ракетостроители, — это нехватка топлива. Ракетные двигатели нарочно делают очень «прожорливыми», чтобы они быстрее сжигали топливо, изготовляли и выбрасывали назад как можно больше газов. Но… ракета не успеет набрать и половины необходимой скорости, как топливо в баках кончится. И это несмотря на то, что мы заполнили топливом буквально всю внутренность ракеты. Сделать ракету крупнее, чтобы поместилось больше топлива? Не поможет. На разгон крупной, более тяжелой ракеты уйдет больше топлива, и никакой выгоды не получится.
Из этого неприятного положения выход тоже подсказал Циолковский. Он посоветовал делать ракеты многоступенчатыми.
Берем несколько ракет разного размера. Их называют ступенями — первая, вторая, третья. Ставим одну на другую. Внизу самую большую. На нее — поменьше. Сверху — самую маленькую, с полезной нагрузкой в головке. Это трехступенчатая ракета. Но может быть ступеней и больше.
При взлете разгон начинает первая, самая мощная ступень. Израсходовав свое топливо, она отделяется и падает обратно на Землю. Ракета избавляется от лишней тяжести. Начинает работать вторая ступень, продолжая разгон. На ней двигатели стоят поменьше, более легкие, и топливо они расходуют экономнее. Отработав, вторая ступень тоже отделяется, передавая эстафету третьей. Той уже совсем легко. Она и заканчивает разгон.
Все космические ракеты — многоступенчатые.
Следующий вопрос — как лучше всего ракете выходить в космос? Может быть, подобно самолету, разбежаться по бетонной дорожке, оторваться от Земли и, постепенно набирая высоту, подняться в безвоздушное пространство?
Это невыгодно. Слишком долго придется лететь в воздухе. Путь через плотные слои атмосферы надо по возможности сократить. Поэтому, как вы, наверное, заметили, все космические ракеты, куда бы они потом ни летели, взлетают всегда прямо вверх. И только в разреженном воздухе постепенно заворачивают в нужную сторону. Такой взлет в смысле расхода топлива самый экономный.
Многоступенчатые ракеты выводят полезный груз на орбиту. Но какой ценой? Посудите сами. Чтобы вывести на околоземную орбиту одну тонну, нужно сжечь несколько десятков тонн топлива! Для груза в 10 тонн — сотни тонн. Американская ракета «Сатурн-5», выводящая на околоземную орбиту 130 тонн, сама весит 3000 тонн!
И едва ли не самое огорчительное — мы еще не умеем возвращать на Землю ракеты-носители. Сделав свое дело, разогнав полезную нагрузку, они отделяются и… падают. Разбиваются о Землю или тонут в океане. Второй раз мы их не можем использовать.
Представьте себе, что пассажирский самолет строился бы только для одного рейса. Невероятно! А вот ракеты, которые стоят дороже самолетов, строят только для одного полета. Поэтому вывод на орбиту каждого спутника или космического корабля обходится очень дорого.
Но мы отвлеклись.
Далеко не всегда наша задача — только вывести полезную нагрузку на круговую околоземную орбиту. Гораздо чаще ставится более сложное задание. Например, доставить полезную нагрузку на Луну. А иногда и вернуть ее оттуда обратно. В этом случае после выхода на круговую орбиту ракета должна совершить еще много разных «маневров». И все они требуют расхода топлива.
Вот и поговорим теперь об этих маневрах.
Самолет летит носом вперед, потому что ему нужно острым носом разрезать воздух. А ракете, после того как она вышла в безвоздушное пространство, разрезать нечего. На ее пути ничего нет. И потому ракета в космосе после выключения двигателя может лететь в любом положении — и кормой вперед, и кувыркаясь. Если во время такого полета снова ненадолго включить двигатель, он толкнет ракету. И тут все зависит от того, куда нацелен нос ракеты. Если вперед — двигатель подтолкнет ракету, и она полетит быстрее. Если назад — двигатель попридержит, притормозит ее, и она полетит медленнее. Если ракета глядела носом вбок — двигатель толкнет ее в сторону, и она, не меняя скорости, изменит направление своего полета.
Один и тот же двигатель может делать с ракетой все что угодно. Разгонять, тормозить, поворачивать. Все зависит от того, как мы перед включением двигателя нацелим, или ориентируем ракету.
На ракете, где-нибудь в хвосте, стоят маленькие реактивные двигатели ориентации. Они направлены соплами в разные стороны. Включая и выключая их, можно подталкивать хвост ракеты вверх-вниз, вправо-влево и таким образом поворачивать ракету. Ориентировать ее носом в любую сторону.
Представим себе, что нам нужно слетать на Луну и вернуться. Какие для этого потребуются маневры?
