Страница 9 из 10
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?
Прежде всего мы выходим на круговую орбиту около Земли. Здесь можно передохнуть, выключив двигатель. Не расходуя ни грамма драгоценного топлива, ракета будет «молча» ходить вокруг Земли, пока мы не решим лететь дальше.
Чтобы добраться до Луны, надо с круговой орбиты перейти на сильно вытянутую эллиптическую.
Ориентируем ракету носом вперед и включаем двигатель. Он начинает нас разгонять. Как только скорость немного превысит 11 километров в секунду, выключаем двигатель. Ракета пошла по новой орбите.
Надо сказать, что «попасть в цель» в космосе очень трудно. Если бы Земля и Луна стояли неподвижно, а летать в космосе можно было бы по прямым линиям, дело было бы простое. Нацелился — и лети, держа цель все время «по курсу», как это делают капитаны морских кораблей и летчики. Там и скорость не имеет значения. Раньше или позже прибудешь на место, какая разница. Все равно цель, «порт назначения», никуда не денется.
В космосе все не так. Попасть с Земли в Луну — это примерно то же самое, что, быстро вращаясь на карусели, попасть мячиком в летящую птицу. Посудите сами. Земля, с которой мы взлетаем, вращается. Луна — наш «порт назначения» — тоже не стоит на месте, летит вокруг Земли, пролетая километр за каждую секунду. Кроме того, ракета наша летит не по прямой линии, а по эллиптической орбите, постепенно замедляя свое движение. Ее скорость лишь в начале была одиннадцать с лишним километров в секунду, а потом из-за притяжения Земли стала уменьшаться. И лететь надо долго, несколько суток. И при этом вокруг нет никаких ориентиров. Нет никакой дороги. Нет и не может быть никакой карты, потому что на карту нечего было бы наносить — ничего кругом нет. Одна чернота. Только далеко-далеко звезды. Они и над нами, и под нами, со всех сторон. И мы должны так рассчитать направление своего полета и его скорость, чтобы в конце пути прийти в намеченное место пространства одновременно с Луной. Ошибемся в скорости — опоздаем на «свидание», Луна ждать нас не будет.