Поехали! Как и на чем мы летали в космос Статьи редакции

Готовил небольшую заметку для следующей трансляции на YouTube, а получился лонгрид на 35000 символов с модными параллаксами, анимацией и экскурсом в историю ракетостроения.

Для полного погружения в тему, (как я задумал), советую посмотреть материал по ссылке из предыдущего абзаца. Под катом — текст, насколько его раскрасить мне позволил TJ.

Человечество летает в космос уже больше чем пол столетия. Большая часть успешных разработок была произведена двумя странами.История космических полетов начинается 4 октября 1957 года, когда советский «Спутник-1» был выведен на орбиту одноименной ракетой-носителем. Этот день ознаменовал начало космической эры для человечества. Однако космической гонке между сверхдержавами СССР и США предшествовала другая, гораздо более опасная. Гонка вооружений.

Фау-2, Вернер фон Браун

Шел 1932 год. Потерпевшая поражение в Первой мировой войне Германия вовсю работала над восстановлением своей военной мощи, однако условия Версальского договора не позволяли ей разрабатывать и использовать популярные в то время ракеты на твердом топливе.

Двадцатилетний физик-конструктор Вернер фон Браун демонстрирует военным свои разработки ракет на жидком топливе, в частности — на этиловом спирте и кислороде. Стоить заметить что в послевоенной (с другой стороны, уже предвоенной) Германии тех лет остро стоял вопрос использования нефтяных продуктов, ввиду дефицита нефти. Зато со спиртом проблем не было — огромное количество перерабатываемых картофеля и древесины в будущем обеспечит армию Вермахта на всю вторую мировую. В качестве окислителя в первой работающей ракете А-2 использовался жидкий кислород. Сгорание органики и выделение энергии в нем происходило очень быстро, что позволило резко нарастить мощность «ракетного двигателя», состоявшего на тот момент всего из трех отсеков.

До начала войны немецкие инженеры активно общались с американским конструктором-ракетчиком Робертом Годдардом, запустившим первую ракету на жидком топливе еще в 1926 году. Уже тогда физик мечтал об использовании ЖРД (жидкостных ракетных двигателей) для покорения космоса.

Но вернемся к фон Брауну. К 1942 году вместе с инженером Вальтером Тилем (последний считается основоположником теории работы ядерных реактивных двигателей, погибнет при бомбежке в 1943 году) он совершенствует двигатель на жидком топливе, разрабатывая ракеты А-3 и А-4. Тяга последней на старте составляла почти 25000кг, что на порядок превосходило все существовавшие на тот момент разработки.

Стоить заметить, что конструирование Фау-2 Гитлер контролировал лично. Отвергнув предложения советников о разработке противовоздушных ракет (которые могли бы защитить промышленные немецкие объекты от бомбардировок), ведомый желанием как можно быстрее «нанести сокрушительный удар по Великобритании», в июле 1943 года он подписывает приказ, дающий команде фон Брауна огромные бюджеты на разработку и испытания «оружия возмездия». В 1944 году при бомбардировке Лондона, поднявшись на высоту 188 километров, ракета Фау-2 совершает первый суборбитальный космический полет. Обещания ракетчиков увеличить дальность полета ракеты до межконтинентальной давали фюреру надежду на поражение мирного населения США, что, по плану немецкой верхушки, могло приостановить участие страны в войне за океаном.

К счастью, в 1945 году война заканчивается. Германия так и не успела воплотить в жизнь разработки двухступенчатых ракет, а постоянные удары союзников не позволили создать полноценные пусковые полигоны. Эффективность мобильных пусковых установок (да и самой ракеты) была довольно мала, но несмотря на это Фау-2 успела нанести потери гражданскому населению сразу нескольких стран. Хотя гораздо большее количество жертв принесла именно разработка ракеты. В одном только концентрационном лагере Дора-Миттельбау, работавшем на ракетостроительную отрасль Германии, погибло более 32 000 человек.

В 1945 году, когда поражение Германии становится очевидным, фон Браун переводит своих сотрудников и исследователей на завод Миттельверк в Нордхаузене. Вместе с приближенными инженерами ракетчик принимает решение сдаться в плен американцам, аргументируя это репрессиями советских войск против членов элиты нацистской Германии. В результате операции «Скрепка» по вывозу в США и «отмыванию от нацизма» ученых и инженеров фон Браун вместе с лучшими из своих сотрудников начинает работу на американскую ракетную промышленность.

Участники операции «Скрепка», 1945 год

Начало космической гонки

Вместе с фон Брауном американские войска вывезли из Миттельверка около 100 тонн груза: уже собранные ракеты, пусковые установки, детали, чертежи, обслуживающий персонал. Два месяца спустя территория завода была обменена на западный Берлин. СССР получил в свое распоряжение лишь призрак ракетной промышленности Германии. Ни чертежей, ни пояснений на заводах не осталось — только фрагменты ракет. Академик Королёв поприсутствовал при показательном запуске трофейного Фау-2 британцами, и то под ненастоящим именем.Отчаявшись найти ракету, СССР принимается за поиск людей — к 1946 году более 5000 бывших немецких инженеров согласились работать на советскую ракетостроительную отрасль, не покидая территории ГДР. Можно сказать, что разработка Фау-2 была повторена с нуля. В конце октября 1946 года под руководством Королёва на территории СССР проходит более 10 пусков восстановленной с небольшими изменениями ракеты (переименованной в А-1).Параллельно великий конструктор ведет работу над собственной разработкой — уже в 1948 году начинаются пуски полностью советской Р-1. По характеристикам Р-1 очень близка к немецкому аналогу, однако именно она становится «родителем» всей ракетной техники СССР.Следующим важным шагом в развитии ракет становится разработка Р-11. Отказавшись от этилового спирта и жидкого кислорода в пользу гораздо более энергоемких светлых нефтепродуктов и азотной кислоты (в качестве окислителя), использовав вытеснительный способ подачи топлива (под давлением сжатого газа), советским ракетчикам удалось создать аналогичное Фау-2 по характеристикам оружие, по массе облегченное почти в 2,5 раза. В 1957 году двухступенчатая ракета Р-7 во время испытаний впервые доставляет заряд на расстояние 8800 км. Стоит учитывать, что нумерация в советских разработках стала скорее условной, и во многом не совпадает с хронологией. Большая цифра в названии ракеты значит лишь более современную систему пуска. В том же году модифицированная Р-7 (а точнее — облегченная: без боевого заряда и основной электроники управления) выводит на орбиту первые искусственные спутники, Спутник-1 и Спутник-2.

В США серия межконтинентальных ракет получила название «Рэдстоун». Их проектированием занимался Вернер фон Браун вместе со своей командой, а непосредственной разработкой и воплощением в жизнь — корпорация Chrysler, более известная нам благодаря автомобилестроительной отрасли. На момент проведения операции «Скрепка» у США уже были свои разработки ракет дальнего действия на жидком топливе. От использования прямого наследия конструкции Фау-2 было решено отказаться (ввиду большей эффективности спроектированного в США аналога), однако другое наследие — знание и опыт фон Брауна использовались по полной.Стоит учесть, что интерес американских военных чиновников к баллистическим ракетам был изначально очень низок: разработки казались им слишком сложными и дорогими, а использование — маловероятным. Однако начало в 1950 году Корейской войны заставило их пересмотреть свои взгляды. Разрабатываемый с середины 1940х годов проект ракеты Hermes был отправлен на доработку команде фон Брауна. Параллельно лабораторией реактивного движения (JPL) велась работа над совершенствованием полностью американского MGM-5 Corporal.К 1953 году фон Браун заканчивает проектирование PGM-11, первого Рэдстоуна. Имея меньшую дальность чем советские аналоги (325 км), ракета была рекордно точной: круговое отклонение от цели составляло не более 300 метров.Развитием проекта Рэдстоун становятся ракеты серии Юпитер. Одноступенчатый Юпитер-А использует уже новый вид топлива, керосин, а разработкой системы управления занимается фирма Ford. В 1956 году завершена работа над Юпитером-C, трехступенчатой ракетой, где первая ступень использовала жидкое топливо, остальные две являлись связками неуправляемых ракет Baby Sergeant (11 шт. и 3 шт.) на твердом топливе.Стараясь нагнать СССР в начинающейся космической гонке, США добавляет Юпитеру еще одну ступень, состоящую из одной ракеты Baby Sergeant. Модификация получает название Юнона-1 и уже 1 февраля 1958 года выводит на орбиту первый искусственный спутник США, Explorer-1. В то же время американцы работают над полутораступенчатой ракетой Atlas, по своим характеристикам гораздо более похожей на советский Р-7.

Немного теории

Чтобы понять дальнейшие вопросы и проблемы, встававшие перед отраслью ракетостроения, следует разобраться с тем, как происходит старт ракет-носителей, что они могут на себе нести и куда способны нас доставить.

Схема РН Протон-М

Составные части

Так как одним из главных стоит вопрос массы, общую массу ракет-носителей принято разделять на три части: конструкция, полезная нагрузка, топливо. Именно масса полезной нагрузки, которую РН способна «поднять», является главной характеристикой: от нее зависит количество груза, которое мы можем доставить на МКС, масса научных приборов, которые можно «засунуть» в спутник, размеры телескопа, который предстоит «подвесить» на орбите планеты.

Скорость

Да, помимо массы принимается во внимание и она: из курса школьной физики вы должны помнить о том, что такое космическая скорость. Первая космическая скорость позволяет вывести аппарат на орбиту объекта. Вторая — достичь этой орбиты и выйти за ее пределы. Достижение третей космической скорости даст возможность покинуть звездную систему. Ну а разогнавшись до четвертой, мы покинем галактику. Стоит учитывать и тот факт, что форма Земли неидеальна, наклонения орбит спутников различается, и вывод аппаратов на орбиту усложняется своеобразным маневрированием и поочередным включением двигателя. С космодрома Байконур, например, можно вывести по этой причине на Луну или какую-либо планету больше груза, чем на МКС.

Орбиты Земли

Их (условных) имеется аж шесть штук, и выведение аппарата на каждую из них имеет свои цели и условия. Часть спутников вращается на геоцентрической орбите (проще говоря — просто вокруг Земли), часть — на геостационарной орбите, продолжительность обращения на которой совпадает с продолжительностью Земных суток. К примеру, на этой орбите находятся навигационные спутники.

При этом следует понимать, что вращение аппаратов вокруг Земли не является постоянным и в идеале должно корректироваться. Орбиту МКС обычно «поднимают» при помощи включения двигателей стыкуемых к станции грузовых корабей «Прогресс». В среднем такую операцию выполняют 2-3 раза в год.Важным элементом космических аппаратов являются разгонные блоки (РБ). Они используются в условиях невесомости, где жидкое топливо может скапливаться в шарики и забивать двигатели. Разгонные блоки могут размещаться как на ракетах-носителях, так и непосредственно на выводимых ими аппаратах. В последнем случае они используются для разгона, торможения и корректировки.

При запуске обычно используется несколько ступеней, состоящих из топливных баков и двигателей. После сгорания топлива в ступени, она отстреливается, чтобы уменьшить общую массу ракеты-носителя.

Дальнейшее развитие отрасли

После запуска первых спутников и СССР и США принимаются за усовершенствование ракет-носителей. Основные проблемы и цели, которые были решены в первые десятилетия космических полетов:достижение второй космической скорости (для выхода за пределы орбиты Земли)

*автоматизация запуска двигателей на высокой орбите (изначально приходилось запускать все имевшиеся двигатели сразу на поверхности)*возможность торможения (решена за счет использования твердотельных двигателей, в частности — на РН семейства Протон)*усовершенствование систем управления: максимальная автоматизация полета с учетом получаемых данных*усовершенствование разгонных блоков: уменьшение количества необходимых ступеней, увеличение эффективности двигателей*использование разгонных блоков для запуска двигателей в космосе, в условиях невесомости*обеспечение безопасности для пилотируемых космических полетов*создание кислородно-водородных разгонных блоков (значительно увеличивает массу полезной нагрузки)

Концом космической гонки условно считается высадка американских астронавтов на Луне: именно разработка четырехступенчатых ракет-носителей с разгонными блоками в то время стала логической точкой в покорении околоземного космоса. Стыковка «Союз-Аполлон» начала новую эру космического сотрудничества, продолжением которой стало развитие орбитальных станций и совместная работа международных экипажей.

Сегодня одной из основных задач околоземной ракетной промышленности является обеспечение возможности повторного использования ракеты-носителя. Разработки ведутся сразу несколькими странами, лидером можно назвать Blue Origins с ее РН New Shepard, тесты проводятся компанией SpaceX (проект Grasshopper), в России работа над проектом КОРОНА ведется с 1992 года, однако на данный момент он остался без финансирования.

Еще одной проблемой является невозможность обслуживания человеком «висящих» на орбите космических аппаратов: телескопов и спутников. В 2009 году была осуществлена последняя ремонтная миссия к телескопу «Хаббл», а после закрытия программы «Спейс-шаттл» на планете не осталось способных обеспечить подобные операции кораблей. Кроме того, подобные «Шаттлу» аппараты могут обеспечивать в космосе стыковку объектов, не имеющих собственных двигателей (например, не все модули МКС могли самостоятельно приблизиться к станции и состыковаться с ней). Проблема не является первоочередной, а стоимость запуска подобных аппаратов сравнима со стоимостью замены спутника на орбите на новый, однако в будущем человечеству придется задуматься над подобными кораблями-ремонтниками. Единственный проект-аналог шаттла, советский «Буран» был закрыт в 1993 году. Он успел совершить один автоматический полет, став первым аппаратом, совершившим посадку в полностью автоматическом режиме.Сейчас ракетостроительные компании вовсю занимаются разработками сверхтяжелых ракет-носителей для пилотируемых полетов в далекий космос. 22 октября 2015 года NASA утвердило дизайн самой мощной (на момент планируемого запуска) современной ракеты-носителя, Space Launch System.

Откуда запускаются ракеты

На данный момент в мире существует более 30 космодромов, действующими и готовыми к запуску из которых можно назвать примерно 20. Помимо стационарных, расположенных на суше космодромов, существует еще как минимум 5 мобильных. Такие космодромы разворачиваются в океане, на базе морских суден. Два запуска американских РН были осуществлены с самолетов, построенных компаниями Boeing и Lokheed.Строительство мобильных космодромов обусловлено проблемами расположения стационарных — чем ближе место пуска к экватору, тем больше ракета-носитель может использовать вращение Земли, тем больше вариантов наклонения (угла между орбитами спутника и Земли) выводимого спутника возможно. Старт с экватора позволит выводить почти на 30% больше полезной нагрузки, чем старт с космодрома Байконур. Самым выгодным в плане близости к экватору является расположенный во французской Гвиане космодром Куру. Оттуда можно запустить практически любую миссию, когда-либо отправленную с Земли. Американцам с их мысом Канаверал повезло чуть меньше, однако местный космодром все еще выгоднее Байконура.

В 2014 году с Куру было совершено 11 запусков (для сравнения, Байконур за тот же год отправил 21 РН), а по состоянию на октябрь 2015 — 9 запусков. Космодромы обычно строятся вдали от жилых городов, площадь вокруг них не застраивается из-за опасности падения обломков и ступеней ракет-носителей. Первые космодромы строились на месте (или около) военных баз, так как разработки и испытания ракет-носителей в то время тесно пересекались с военными исследованиями и контролировались военными ведомствами. Последние космодромы возводились уже с одной целью, так что их расположение и обеспечение более выгодны и продуманы.

Возле крупных стартовых комплексов обычно находятся заводы, производящие топливо (доставка огнеопасных и токсичных веществ на большие расстояния— весьма дорогое удовольствие, поэтому выгодно производить их на минимальном удалении от объектов). Часто подобные объекты имеют сложную внутреннюю инфраструктуру и являются во многом автономными — одна из площадок того же Байконура используется для доставки персонала и обеспечивающих грузов при помощи самолетов. Количество пусковых площадок и установок тоже варьируется: от этих чисел обычно зависит то, ракеты какого типа космодром способен запускать.

На сегодняшний момент стационарные космодромы являются наиболее выгодным способом выведения объектов на околоземную орбиту и за ее пределы. Несмотря на существующие (и используемые) площадки другого типа, мы вряд ли когда-либо откажемся от пусковых комплексов современного типа.

Будущее

Будущее покорения космоса можно разделить на три условных этапа, в зависимости от расстояний:*изучение околоземного пространства*изучение планет и объектов Солнечной системы*изучение межзвездного пространства

Приоритетным на сегодня (как минимум, на бумаге) можно назвать второй этап. Многие страны отказываются от детального изучения луны в пользу Марса, спутников Юпитера, комет и астероидов. Новую эру космических исследований суждено будет открыть первым людям, ступившим на поверхность Марса. Межпланетной космонавтике (и ракетостроению) еще предстоит решить проблемы мобильности, доставки больших грузов, воздействия радиации и температур.

Изучением околоземного пространства сейчас заняты как исследователи на Земле (люди, которые обрабатывают получаемые с орбиты данные), так и астронавты Международной Космической Станции. Несмотря на планы как России, так и США отказаться от использования МКС, сотрудничество скорее всего продолжится как минимум до выведения на орбиту новой орбитальной станции, как максимум — до первой серьезной аварии (постучим кулаком по столу, чтоб не накаркать) на существующей. Кроме того, не следует забывать и об остальных игроках — Европейском КА, Японском КАИ. Возможными задачами ракетостроителей на ближайшее будущее является создание дешевого аналога «Шаттла» — аппарата, который сможет заняться обслуживанием существующих на орбите искусственных спутников, очисткой мусора и доставкой грузов.

Космический мусор. Инфографика журнала «Вокруг света»

Логическим этапом развития ракетостроения видится создание «перевалочной станции» в околоземном пространстве — на земной орбите, либо на поверхности Луны. Такая станция может использоваться для сборки, заправки и запуска космических аппаратов на дальние расстояния. Это позволит не использовать каждый раз мощные ракеты-носители, наладить постоянно действующие исследовательские базы, возродить проекты пилотируемых полетов.

В любом случае, вряд ли мы спокойно усидим на Земле в ближайшие 30 лет. Сейчас мы находимся на пороге великих открытий, а человечеству еще предстоит совершить свой следующий прыжок.