Наверняка, все знакомые, друзья и родственники, побывавшие у меня дома, помнят эту картину пост-апокалипсиса во всех комнатах - мелкие, цветные, угловатые, иногда вполне опасные детальки лего-конструктора, хаотично, но обильно разбросанные по полу, и которые разве что пылесосом собирать, и то - останется обязательно пара-тройка хитроумных кирпичиков по сусекам. Да, покупая первую, безобидно маленькую коробочку лего за 700 с лишним тенге года 3,5 назад, я не думала, что мой сын так страстно увлечется конструированием и... станет буквально зависим.
Сейчас, Даниалу 7 лет, он с нетерпением ждет новой коллекции Lego Chima, в Марвине подходит только к тематическому уголку, смотрит все мультфильмы Лего и, о небеса, уже просит когда-нибудь свозить его в Леголэнд, который, как оказалось находится где-то в Калифорнии. И знаете что, я рада, что он увлечен именно этой игрой. В сети есть много статей и исследований на тему того, как игры, включающие в себя задачу строительства, созидания с помощью мелких частиц влияют на развитие не только мелкой моторики, но и очень благосклонно влияют на пространственное мышление, на способность к multi-tasking, problem-solving, креативность и математические способности. Прочитав несколько англоязычных статей на эту тему, я решила как-то скомпоновать все pros and cons игры для себя и для мамочек, которые еще сомневаются в сути Лего - огромные деньги на ветер или инвестиция в интеллект?
Итак, начнем с достоинств конструктора:
Способствует развитию пространственного мышления и аналитических способностей - ведь для того, чтобы собирать какие-нибудь объекты, ребенок должен представлять каждую фигурку в уме, оценивать ее размер, габариты, и представлять ее как часть нечто целого в 3-Д, а это очень ценная способность для будущих достижений
Дает ребенку пространство для экспериментирования с разными частицами, тем самым помогая ребенку раскрывать свои способности в инженерных решениях. К примеру, инженер в MIT Media Lab Тиффани Ценг говорит о том, что "собирая и разбирая частицы, меня заинтересовало то, как устроены все вещи, и уже до поступления в колледж, я был уверен, что хочу стать инженером".
Дает волю воображению - несмотря на то, что каждый конструктор снабжен моделью и инструкцией к тому, как эту модель собрать, Лего сделано так, что все ее фигурки взаимозаменяемы и любой кирпичик из любой коллекции подходят друг другу, поэтому, ребенок может делать не только заданные модели, но и фантазировать вволю и создавать что-то на свое усмотрение
По моему личному опыту, помогает разработать усидчивость и способность концентрироваться на одном деле.Интересно то, что Даниала, при всей его гиперактивности, может сдержать только задача собрать новую композицию. Иногда, он может провести весь день собирая и разбирая модели.
Еще один огромный плюс - это единственное занятие, которое помогает мне оттащить сына от компьютера,планшета, телевизора. Все мамы сейчас знают, что планшеты и сотки - это буквально чума 21-го века, дети тонут в них безвозвратно.
Ну и напоследок, качество - разработчики очень рьяно относятся к качеству их продукта - краска не сходит, фигурки сходятся идеально, все инструкции четкие, ну и разнообразие и обновляемость коллекций просто на высочайшем уровне
Из минусов:
Главный минус - это очень дорогостоящее удовольствие. Цены на конструктор варьируются от 500тг (малюююсенькая модель с несколькими детальками) до 30-40-50 тысяч тенге(трудоемкие большие корабли, мини-города, и т.д.) но если честно, качество стоит того. Разглядите каждую детальку и вы увидите, что не так-то просто изготавливать такие пластинки с цилиндрическими углублениями, чтобы детальки плотно садились друг на друга. Ну а если не по карману, есть много других аналогов этого конструктора на рынках, есть почти точные копии Лего, но раза в 3-4 дешевле. Когда душит жаба, мы покупаем большие модели на рынке и сыну они тоже по душе.
Очень много мелких частиц, которые умудряются оказаться в самых труднодоступных местах в доме. у меня во всех карманах одежды, в рюкзаках сына, на полках и в шкафчиках, в наволочках и пододеяльниках, в стиральной корзине, в мусорном ведре и даже в стиральной машине - они везде! вместе с ними, я поняла, что могу не хило так сквернословить, когда наступаю на одну из острых деталек в ночной тьме:))) в общем, их сложно убирать.
Опасно. однажды, когда Даниал играл, младший сын подошел ко мне и говорит, что у него в носу фонарик от Лего. посмотрела - действительно, засунул в нос. И так было не раз, однажды, пытаясь разъединить две детальки, одна застряла между передними двумя зубами, так мы еле вырвали ее, думали придется обращаться к врачам. а теперь, когда моя 7-месячная дочь начинает ползать, то эта игра становится ну очень опасной. уже пару раз был эпизод с попыткой проглотить деталь(((
*Редакция не изменяет орфографию и стиль авторов.
Двухступенчатая ракета космического назначения легкого класса "Космос-3М" (11К65М) предназначена для выведения космических аппаратов на эллиптические и околокруговые орбиты высотой до 1700 км с наклонениями плоскости орбиты 66 o , 74 o и 83 o . Используется для запусков низкоорбитальных навигационных и связных спутников, космических аппаратов международной системы поиска КОСПАС-SARSAT и военного назначения. Ранее она использовалась для запусков геодезических космических аппаратов первого поколения и искусственных спутников Земли по программе "Интеркосмос".
Создана под руководством М.К. Янгеля в начале шестидесятых годов в Особом конструкторском бюро №586 (ныне - ГКБ "Южное", г. Днепропетровск) на базе одноступенчатой баллистической ракеты средней дальности Р-14У. Была передана для изготовления и дальнейшего конструкторского сопровождения в производственное объединение "Полет" (г. Омск).
Ракета-носитель состоит из двух ступеней, соединенных по схеме "тандем". На внешней поверхности второй ступени установлены баки системы малой тяги. Двигательные установки обеих ступеней работают на самовоспламеняющейся топливной паре: окислитель - 27-процентный раствор четырехокиси азота в азотной кислоте ; горючее - несимметричный диметилгидразин . Запуск двигательной установки первой ступени происходит по "пушечной" схеме, когда компоненты топлива начинают поступать в камеры сгорания под рабочим давлением, и двигатель за доли секунды выходит на основной режим. Такая схема запуска сокращает непроизводительные достартовые расходы ракетного топлива и увеличивает эффективность его использования в ходе полета ракеты-носителя. Двигательная установка второй ступени может до двух раз выходить на основной режим, между ними полет второй ступени происходит при работе двигателя в режиме малой тяги. Возможность перевода двигателя на режим пониженной тяги позволяет осуществлять одновременное выведение группы космических аппаратов на разные по высоте орбиты, лежащие в одной плоскости. Групповое выведение восьми искусственных спутников Земли при одном пуске ракеты-носителя "Космос-3М" регулярно проводится на космодроме "Плесецк" с апреля 1970 года. Стартовая масса ракеты-носителя "Космос-3М" составляет около 109 тонн, длина - 32,4 метра. На низкую круговую приполярную орбиту высотой 250 км она может выводить до 1400 кг полезного груза, на круговые орбиты высотой 1000 км - до 950 кг. Первый пуск ракеты-носителя "Космос-3М" с космодрома "Плесецк" состоялся 15 мая 1967 года ("Космос-158"). По состоянию на 1 января 1999 года проведено 397 пусков, из них 373 полностью успешных. Частота успешных пусков составила 93,95%. Выведено на орбиты спутников Земли 707 космических аппаратов, из них 6 субспутников.
С 15 апреля 1992 года пуски РКН "Космос-3М" проводятся с учетом реализации мер по защите окружающей среды от проливов ракетного топлива, которое остается в отработавших первых ступенях. Количество топливо, остающееся в баках ступени уменьшено на 15%.
Основные характеристики:
| Тип носителя | жидкостная двухступенчатая ракета |
| Компоненты топлива: | |
| окислитель | 27% раствор четырехокиси азота в азотной кислоте (АК-27И) |
| горючее | несимметричный диметилгидразин (НДМГ) |
| Система управления | автономная, инерциальная |
| Условия пуска: | |
| температура воздуха | от -40 o С до +50 o С |
| скорость ветра у земли | не более 20 м/с |
| Длина, м | 32.4 |
| Диаметр, м | 2.4 |
| Максимальный диаметр, м | 2.8 |
| Стартовая масса, тонн | до 109 |
| Масса конструкции РКН, тонн | 7.2 |
| Максимальная масса КА, кг: | |
| H кр = 250 км | 1350 |
| H кр = 1000 км | 950 |
| Масса заправляемого топлива, тонн: | |
| окислитель | 71.0 |
| горючее | 29.5 |
| Тяга двигательной установки, тонн | |
| 1 ступень (у земли) | 151.1 |
| 2 ступень (в пустоте) | 16.0 |
Баллистические данные
Выведение спутников на заданные орбиты осуществляется по схеме с двукратным включением двигательной установки 2 ступени. После первого включения полет 2 ступени происходит по переходной траектории, в расчетной точке которой вторым включением двигательной установки обеспечивается дополнительное приращение скорости, необходимое для выведения КА на требуемую орбиту.
| Наименование команд | Время, час:мин:сек | Траектория полета | ||
| Высота, км | Скорость, м/с | Удаление от СК, км | ||
| Старт РКН | 0:00:00 | 0 | 0 | 0 |
| Предварительная команда на выключение ДУ 1 ступени (ПК) | 0:02:10 | 58 | 2536 | 77 |
| Механическое разделение 1 и 2 ступеней | 0:02:12 | 59 | 2584 | 80 |
| Сброс створок головного обтекателя (СГО) | 0:02:27 | 76 | 2568 | 114 |
| Предварительная команда на выключение ДУ 2 ступени (ПК1) | 0:07:57 | 150 | 7907 | 1488 |
| Главная команда на выключение ДУ 2 ступени (ГК1) | 0:08:03 | 150 | 7937 | 1535 |
| Команда на разгон гироинтеграторов (ПВ) | 0:52:19 | 930 | 7170 | 20461 |
| Команда на повторный запуск ДУ2 ступени (ВК) | 1:02:19 | 1003 | 7116 | 24055 |
| Предварительная команда на выключение ДУ 2 ступени (ПК2) | 1:02:24 | 1003 | 7252 | 24085 |
| Главная команда на выключение ДУ 2 ступени (ГК2) | 1:02:30 | 1003 | 7287 | 24122 |
| Отделение КА (ОК) | 1:02:50 | 1003 | 7292 | 24244 |
Примечание. Повторный запуск ДУ 2 ступени и отделение космического аппарата происходят над Антарктидой (берег Принцессы Марты).
Слово космос является синонимом слова Вселенная. Часто космос разделяют несколько условно на ближний, который возможно исследовать в настоящее время при помощи искусственных спутников Земли, космических аппаратов, межпланетных станций и других средств, и дальний - все остальное, несоизмеримо большее. По сути дела, под ближним космосом понимается Солнечная система, а под дальним - необъятные просторы звезд и галактик.
Буквальный смысл слова «космонавтика», представляющего собой сочетание двух греческих слов - «плавание во Вселенной». В обычном употреблении это слово означает совокупность различных отраслей науки и техники, обеспечивающих исследование и освоение космического пространства и небесных тел с помощью космических летательных аппаратов - искусственных спутников, автоматических станций различного назначения, пилотируемых космических кораблей.
Космонавтика, или, как ее иногда называют, астронавтика, объединяет в себе полеты в космическое пространство, совокупность отраслей науки и техники, служащих для исследования и использования космического пространства в интересах нужд человечества с использованием различных космических средств. Началом космической эры человечества считается 4 октября 1957 г. - дата, когда в Советском Союзе был запущен первый искусственный спутник Земли.
Теория космических полетов, представлявших давнюю мечту человечества, превратилась в науку в результате основополагающих трудов великого русского ученого Константина Эдуардовича Циолковского. Им были изучены основные принципы баллистики ракет, предложена схема жидкостного ракетного двигателя, установлены закономерности, определяющие реактивную силу двигателя. Так же были предложены схемы космических кораблей и даны широко вошедшие сейчас в практику принципы конструирования ракет. В течение продолжительного времени, до того момента, когда идеи, формулы и чертежи энтузиастов и ученых стали в конструкторских бюро и в цехах заводов превращаться в объекты, изготовленные «в металле», теоретический фундамент космонавтики покоился на трех китах: 1) теории движения космических аппаратов; 2) ракетной технике; 3) совокупности астрономических знаний о Вселенной. Впоследствии в недрах космонавтики зародился широкий цикл новых научно-технических дисциплин, таких, как теория систем управления космическими объектами, космическая навигация, теория космических систем связи и передачи информации, космическая биология и медицина и т. д. Сейчас, когда нам трудно представить себе космонавтику без этих дисциплин, полезно вспомнить о том, что теоретические основы космонавтики закладывались К. Э. Циолковским в то время, когда производились лишь первые опыты над использованием радиоволн и радио не могло считаться средством связи в космосе.
В течение многих лет в качестве средства связи всерьез рассматривалась сигнализация с помощью лучей солнечного света, отражаемых в сторону Земли зеркалами, находящимися на борту межпланетного корабля. Сейчас, когда мы привыкли не удивляться ни прямому телевизионному репортажу с поверхности Луны, ни полученным по радио фотографиям, сделанным вблизи Юпитера или на поверхности Венеры, в это трудно поверить. Поэтому можно утверждать, что теория космической связи, несмотря на всю свою важность, не является все же главным звеном в цепи космических дисциплин. Таким главным звеном служит теория движения космических объектов. Именно ее можно считать теорией космических полетов. Специалисты, занимающиеся этой наукой, сами называют ее по-разному: прикладная небесная механика, небесная баллистика, космическая баллистика, космодинамика, механика космического полета, теория движения искусственных небесных тел. Все эти названия имеют один и тот же смысл, точно выражаемый последним термином. Космодинамика, таким образом, является частью небесной механики - науки, изучающей движение любых небесных тел, как естественных (звезды, Солнце, планеты, их спутники, кометы, метеорные тела, космическая пыль), так и искусственных (автоматические космические аппараты и пилотируемые корабли). Но есть нечто, выделяющее космодинамику из небесной механики. Родившаяся в лоне небесной механики космодинамика пользуется ее методами, но не умещается в ее традиционных рамках.
Существенное отличие прикладной небесной механики от классической заключается в том, что вторая не занимается и не может заниматься выбором орбит небесных тел, в то время как первая занимается отбором из огромного числа возможных траекторий достижения того или иного небесного тела определенной траектории, которая учитывает многочисленные, зачастую противоречивые требования. Главное требование - минимальность скорости, до которой разгоняется космический аппарат на начальном активном участке полета и соответственно минимальность массы ракеты-носителя или орбитального разгонного блока (при старте с околоземной орбиты). Это обеспечивает максимальную полезную нагрузку и, следовательно, наибольшую научную эффективность полета. Учитываются также требования простоты управления, условий радиосвязи (например, в момент захода станции за планету при ее облете), условий научных исследований (посадка на дневной или ночной стороне планеты) и т. п. Космодинамика предоставляет в распоряжение проектировщиков космической операции методы оптимального перехода с одной орбиты на другую, способы исправления траектории. В поле ее зрения находится неведомое классической небесной механике орбитальное маневрирование. Космодинамика представляет собой фундамент общей теории космического полета (подобно тому как аэродинамика представляет собой фундамент теории полета в атмосфере самолетов, вертолетов, дирижаблей и других летательных аппаратов). Эту свою роль космодинамика делит с ракетодинамикой - наукой о движении ракет. Обе науки, тесно переплетаясь, лежат в основе космической техники. Обе они являются разделами теоретической механики, которая сама представляет собой обособившийся раздел физики. Будучи точной наукой, космодинамика использует математические методы исследования и требует логически стройной системы изложения. Недаром основы небесной механики были разработаны после великих открытий Коперника, Галилея и Кеплера именно теми учеными, которые внесли величайший вклад в развитие математики и механики. Это были Ньютон, Эйлер, Клеро, Даламбер, Лагранж, Лаплас. И в настоящее время математика помогает решению задач небесной баллистики и в свою очередь получает толчок в своем развитии благодаря тем задачам, которые космодинамика перед ней ставит.
Классическая небесная механика была чисто теоретической наукой. Ее выводы находили неизменное подтверждение в данных астрономических наблюдений. Космодинамика привнесла в небесную механику эксперимент, и небесная механика впервые превратилась в экспериментальную науку, подобную в этом отношении, скажем, такому разделу механики, как аэродинамика. На смену поневоле пассивному характеру классической небесной механики пришел активный, наступательный дух небесной баллистики. Каждое новое достижение космонавтики - это вместе с тем свидетельство эффективности и точности методов космодинамики. Космодинамика делится на две части: теорию движения центра масс космического аппарата (теорию космических траекторий) и теорию движения космического аппарата относительно центра масс (теорию «вращательного движения»).
Ракетные двигатели
Основным и почти единственным средством передвижения в мировом пространстве является ракета, которая для этой цели была впервые предложена в 1903 г. К. Э. Циолковским. Законы ракетного движения представляют собой один из краеугольных камней теории космического полета.
Космонавтика обладает большим арсеналом ракетных двигательных систем, основанных на использовании различных видов энергии. Но во всех случаях ракетный двигатель осуществляет одну и ту же задачу: он тем или иным способом выбрасывает из ракеты некоторую массу, запас которой (так называемое рабочее тело) находится внутри ракеты. На выбрасываемую массу со стороны ракеты действует некоторая сила, и согласно третьему закону механики Ньютона - закону равенства действия и противодействия - такая же сила, но противоположно направленная, действует со стороны выбрасываемой массы на ракету. Эта последняя сила, приводящая ракету в движение, называется силой тяги. Интуитивно ясно, что сила тяги должна быть тем больше, чем большая масса в единицу времени выбрасывается из ракеты и чем больше скорость, которую удается сообщить выбрасываемой массе.
Простейшая схема устройства ракеты:
На данном этапе развития науки и техники существуют ракетные двигатели, основанные на разных принципах действия.
Термохимические ракетные двигатели.
Принцип действия термохимических (или просто химических) двигателей не сложен: в результате химической реакции (как правило, реакции горения) выделяется большое количество тепла и нагретые до высокой температуры продукты реакции, стремительно расширяясь, с большой скоростью истечения выбрасываются из ракеты. Химические двигатели относятся к более широкому классу тепловых (теплообменных) двигателей, в которых истечение рабочего тела осуществляется в результате его расширения посредством нагревания. Для таких двигателей скорость истечения в основном зависит от температуры расширяющихся газов и от их среднего молекулярного веса: чем больше температура и чем меньше молекулярный вес, тем больше скорость истечения. По этому принципу работают жидкостные ракетные двигатели, ракетные двигатели твердого топлива, воздушно-реактивные двигатели.
Ядерные тепловые двигатели.
Принцип действия этих двигателей почти не отличается от принципа действия химических двигателей. Разница заключается в том, что рабочее тело нагревается не за счет своей собственной химической энергии, а за счет «постороннего» тепла, выделяющегося при внутриядерной реакции. По этому принципу проектировались пульсирующие ядерные тепловые двигатели, ядерные тепловые двигатели на термоядерном синтезе, на радиоактивном распаде изотопов. Однако опасность радиоактивного заражения атмосферы и заключение договора о прекращении ядерных испытаний в атмосфере, в космосе и под водой, привели к прекращению финансирования упомянутых проектов.
Тепловые двигатели с внешним источником энергии.
Принцип их действия основан на получении энергии извне. По этому принципу проектируют гелиотермический двигатель, источником энергии которому служит Солнце. Концентрируемые с помощью зеркал солнечные лучи используются для непосредственного нагрева рабочего тела.
Электрические ракетные двигатели.
Этот обширный класс двигателей объединяет различные типы двигателей, которые очень интенсивно разрабатываются в настоящее время. Разгон рабочего тела до определенной скорости истечения производится за счет электрической энергии. Энергия получается от атомной или солнечной электростанции, находящейся на борту космического корабля (в принципе даже от химической батареи). Схемы разрабатываемых электрических двигателей чрезвычайно разнообразны. Это и электротермические двигатели, электростатические (ионные) двигатели, электромагнитные (плазменные) двигатели, электрические двигатели с забором рабочего тела из верхних слоев атмосферы.
Космические ракеты
Современная космическая ракета представляет собой сложное сооружение, состоящее из сотен тысяч и миллионов деталей, каждая из которых играет предназначенную ей роль. Но с точки зрения механики разгона ракеты до необходимой скорости всю начальную массу ракеты можно разделить на две части: 1) масса рабочего тела и 2) конечная масса, остающаяся после выброса рабочего тела. Эту последнюю часто называют «сухой» массой, так как рабочее тело в большинстве случаев представляет собой жидкое топливо. «Сухая» масса (или, если угодно, масса «пустой», без рабочего тела, ракеты) состоит из массы конструкции и массы полезной нагрузки. Под конструкцией следует понимать не только несущую конструкцию ракеты, ее оболочку и т. п., но и двигательную систему со всеми ее агрегатами, систему управления, включающую органы управления, аппаратуру навигации и связи, и т. п.,- одним словом, все то, что обеспечивает нормальный полет ракеты. Полезная нагрузка состоит из научной аппаратуры, радиотелеметрической системы, корпуса выводимого на орбиту космического аппарата, экипажа и системы жизнеобеспечения космического корабля и т. п. Полезная нагрузка - это то, без чего ракета может совершить нормальный полет.
Набору скорости ракеты благоприятствует то, что по мере истечения рабочего тела масса ракеты уменьшается, благодаря чему при неизменной тяге непрерывно растет реактивное ускорение. Но, к сожалению, ракета состоит не из одного лишь рабочего тела. По мере истечения рабочего тела освободившиеся баки, лишние части оболочки и т. д. начинают обременять ракету мертвым грузом, затрудняя ее разгон. Целесообразно в некоторые моменты отделять эти части от ракеты. Построенная таким образом ракета называется составной. Часто составная ракета состоит из самостоятельных ракет- ступеней (благодаря этому из отдельных ступеней можно составлять различные ракетные комплексы), соединенных последовательно. Но возможно и параллельное соединение ступеней, бок о бок. Наконец, существуют проекты составных ракет, в которых последняя ступень входит внутрь предыдущей, та заключена внутри предшествующей и т. д.; при этом ступени имеют общий двигатель и уже не являются самостоятельными ракетами. Существенный недостаток последней схемы заключается в том, что после отделения отработавшей ступени резко возрастает реактивное ускорение, так как двигатель остался прежним, тяга поэтому не изменилась, а разгоняемая масса ракеты резко уменьшилась. Это затрудняет точность наведения ракеты и предъявляет повышенные требования к прочности конструкции. При последовательном же соединении ступеней вновь включаемая ступень обладает меньшей тягой и ускорение не изменяется резким скачком. Пока работает первая ступень, мы можем рассматривать остальные ступени вместе с истинной полезной нагрузкой в качестве полезной нагрузки первой ступени. После отделения первой ступени начинает работать вторая ступень, которая вместе с последующими ступенями и истинной полезной нагрузкой образует самостоятельную ракету («первую субракету»). Для второй ступени все последующие ступени вместе с истинным полезным грузом играют роль собственной полезной нагрузки и т. д. Каждая субракета добавляет к уже имеющейся скорости собственную идеальную скорость, и в результате конечная идеальная скорость многоступенчатой ракеты складывается из суммы идеальных скоростей отдельных субракет.
Ракета является весьма «затратным» транспортным средством. Ракеты-носители космических аппаратов «транспортируют», главным образом, топливо, необходимое для работы их двигателей и собственную конструкцию, состоящую в основном из топливных контейнеров и двигательной установки. На долю полезной нагрузки приходится лишь малая часть (1,5-2,0%) стартовой массы ракеты.
Составная ракета позволяет более рационально использовать ресурсы за счет того, что в полете ступень, выработавшая свое топливо, отделяется, и остальное топливо ракеты не тратится на ускорение конструкции отработавшей ступени, ставшей ненужной для продолжения полета.
Варианты компоновки ракет. Слева направо:
- Одноступенчатая ракета.
- Двухступенчатая ракета с поперечным разделением.
- Двухступенчатая ракета с продольным разделением.
- Ракета с внешними топливными емкостями, отделяемыми после исчерпания топлива в них.
Конструктивно многоступенчатые ракеты выполняются c поперечным или продольным разделением ступеней.
При поперечном разделении ступени размещаются одна над другой и работают последовательно друг за другом, включаясь только после отделения предыдущей ступени. Такая схема дает возможность создавать системы, в принципе, с любым количеством ступеней. Недостаток ее заключается в том, что ресурсы последующих ступеней не могут быть использованы при работе предыдущей, являясь для нее пассивным грузом.
При продольном разделении первая ступень состоит из нескольких одинаковых ракет (на практике, от двух до восьми), располагающихся вокруг корпуса второй ступени симметрично, чтобы равнодействующая сил тяги двигателей первой ступени была направлена по оси симметрии второй, и работающих одновременно. Такая схема позволяет работать двигателю второй ступени одновременно с двигателями первой, увеличивая таким образом суммарную тягу, что особенно нужно во время работы первой ступени, когда масса ракеты максимальна. Но ракета с продольным разделением ступеней может быть только двухступенчатой.
Существует и комбинированная схема разделения - продольно-поперечная, позволяющая совместить преимущества обеих схем, при которой первая ступень разделяется со второй продольно, а разделение всех последующих ступеней происходит поперечно. Пример такого подхода - отечественный носитель "Союз".
Уникальную схему двухступенчатой ракеты с продольным разделением имеет космический корабль Спейс Шаттл, первая ступень которого состоит из двух боковых твердотопливных ускорителей, на второй ступени часть топлива содержится в баках орбитера (собственно многоразового корабля), а большая часть - в отделяемом внешнем топливном баке. Сначала двигательная установка орбитера расходует топливо из внешнего бака, а когда оно будет исчерпано, внешний бак сбрасывается и двигатели продолжают работу на том топливе, которое содержится в баках орбитера. Такая схема позволяет максимально использовать двигательную установку орбитера, которая работает на всем протяжении вывода корабля на орбиту.
При поперечном разделении ступени соединяются между собой специальными секциями - переходниками - несущими конструкциями цилиндрической или конической формы (в зависимости от соотношения диаметров ступеней), каждый из которых должен выдерживать суммарный вес всех последующих ступеней, помноженный на максимальное значение перегрузки, испытываемой ракетой на всех участках, на которых данный переходник входит в состав ракеты. При продольном разделении на корпусе второй ступени создаются силовые бандажи (передний и задний), к которым крепятся блоки первой ступени.
Элементы, соединяющие части составной ракеты, сообщают ей жесткость цельного корпуса, а при разделении ступеней должны практически мгновенно освобождать верхнюю ступень. Обычно соединение ступеней выполняется с помощью пироболтов. Пироболт - это крепежный болт, в стержне которого рядом с головкой создается полость, заполняемая бризантным взрывчатым веществом с электродетонатором. При подаче импульса тока на электродетонатор происходит взрыв, разрушающий стержень болта, в результате чего его головка отрывается. Количество взрывчатки в пироболте тщательно дозируется, чтобы, с одной стороны, гарантированно оторвать головку, а, с другой - не повредить ракету. При разделении ступеней на электродетонаторы всех пироболтов, соединяющих разделяемые части, одновременно подается импульс тока, и соединение освобождается.
Далее ступени должны быть разведены на безопасное расстояние друг от друга. (Запуск двигателя высшей ступени вблизи низшей может вызвать прогар ее топливной емкости и взрыв остатков топлива, который повредит верхнюю ступень, или дестабилизирует ее полет.) При разделении ступеней в атмосфере для их разведения может быть использована аэродинамическая сила встречного потока воздуха, а при разделении в пустоте иногда используются вспомогательные небольшие твердотопливные ракетные двигатели.
На жидкостных ракетах эти же двигатели служат и для того, чтобы «осадить» топливо в баках верхней ступени: при выключении двигателя низшей ступени ракета летит по инерции, в состоянии свободного падения, при этом жидкое топливо в баках находится во взвешенном состоянии, что может привести к сбою при запуске двигателя. Вспомогательные двигатели сообщают ступени небольшое ускорение, под действием которого топливо «оседает» на днища баков.
Увеличение числа ступеней дает положительный эффект только до определенного предела. Чем больше ступеней, тем больше суммарная масса переходников, а также двигателей, работающих лишь на одном участке полета, и, в какой-то момент, дальнейшее увеличение числа ступеней становится контрпродуктивным. В современной практике ракетостроения более четырех ступеней, как правило, не делается.
При выборе числа ступеней важное значение имеют также вопросы надежности. Пироболты и вспомогательные твердотопливные ракетные двигатели - элементы одноразового действия, проверить функционирование которых до старта ракеты невозможно. Между тем, отказ только одного пироболта может привести к аварийному завершению полета ракеты. Увеличение числа одноразовых элементов, не подлежащих проверке функционирования, снижает надежность всей ракеты в целом. Это также заставляет конструкторов воздерживаться от слишком большого количества ступеней.
Космические скорости
Чрезвычайно важно отметить, что скорость, развиваемая ракетой (а вместе с ней и всем космическим летательным аппаратом) на активном участке пути, т. е. на том сравнительно коротком участке, пока работает ракетный двигатель, должна быть достигнута очень и очень высокая.
Поместим мысленно нашу ракету в свободное пространство и включим ее двигатель. Двигатель создал тягу, ракета получила какое-то ускорение и начала набирать скорость, двигаясь по прямой линии (если сила тяги не меняет своего направления). Какую скорость приобретет ракета к моменту, когда ее масса уменьшится от начальной m 0 до конечной величины m k ? Если допустить, что скорость истечения w вещества из ракеты неизменна (это довольно точно соблюдается в современных ракетах), то ракета разовьет скорость v, выражающуюся формулой Циолковского , определяющая скорость, которую развивает летательный аппарат под воздействием тяги ракетного двигателя, неизменной по направлению, при отсутствии всех других сил:
где ln обозначает натуральный, а log - десятичный логарифмы
Скорость, вычисляемая по формуле Циолковского, характеризует энергетические ресурсы ракеты. Она называется идеальной. Мы видим, что идеальная скорость не зависит от секундного расхода массы рабочего тела, а зависит только от скорости истечения w и от числа z = m 0 /m k , называемого отношением масс или числом Циолковского.
Существует понятие так называемых космических скоростей: первой, второй и третьей. Первой космической скоростью называется такая скорость, при достижении которой тело (космический аппарат), запущенное с Земли, может стать ее спутником. Если не учитывать влияния атмосферы, то непосредственно над уровнем моря первая космическая скорость составляет 7,9 км/с и с увеличением расстояния от Земли уменьшается. На высоте 200 км от Земли она равна 7,78 км/с. Практически первая космическая скорость принимается равной 8 км/с.
Для того чтобы преодолеть притяжение Земли и превратиться, например, в спутник Солнца или достигнуть какой-нибудь другой планеты Солнечной системы, запускаемое с Земли тело (космический аппарат) должно достигнуть второй космической скорости, принимаемой равной 11,2 км/с.
Третьей космической скоростью у поверхности Земли телу (космическому аппарату) необходимо обладать в том случае, когда требуется, чтобы оно могло преодолеть притяжение Земли и Солнца и покинуть Солнечную систему. Третья космическая скорость принимается равной 16,7 км/с.
Космические скорости по своему значению огромны. Они в несколько десятков раз превышают скорость звука в воздухе. Только из этого ясно видно, какие сложные задачи стоят в области космонавтики.
Почему же космические скорости такие огромные и почему космические аппараты не падают на Землю? Действительно, странно: Солнце огромными силами тяготения удерживает около себя Землю и все другие планеты Солнечной системы, не дает им улететь в космическое пространство. Странно, казалось бы, то, что Земля около себя удерживает Луну. Между всеми телами действуют силы тяготения, но не падают планеты на Солнце потому, что находятся в движении, в этом-то и секрет.
Все падает вниз, на Землю: и капли дождя, и снежинки, и сорвавшийся с горы камень, и опрокинутая со стола чашка. А Луна? Она вращается вокруг Земли. Если бы не силы тяготения, она улетела бы по касательной к орбите, а если бы она вдруг остановилась, то упала бы на Землю. Луна, вследствие притяжения Земли, отклоняется от прямолинейного пути, все время как бы "падая" на Землю.
Движение Луны происходит по некоторой дуге, и пока действует гравитация, Луна на Землю не упадет. Так же и с Землей - если бы она остановилась, то упала бы на Солнце, но этого не произойдет по той же причине. Два вида движения - одно под действием силы тяготения, другое по инерции - складываются и в результате дают криволинейное движение.
Закон всемирного тяготения, удерживающий в равновесии Вселенную, открыл английский ученый Исаак Ньютон. Когда он опубликовал свое открытие, люди говорили, что он сошел с ума. Закон тяготения определяет не только движение Луны, Земли, но и всех небесных тел в Солнечной системе, а также искусственных спутников, орбитальных станций, межпланетных космических кораблей.
Законы Кеплера
Прежде чем рассматривать орбиты космических аппаратов, рассмотрим законы Кеплера, которые их описывают.
Иоганн Кеплер обладал чувством прекрасного. Всю свою сознательную жизнь он пытался доказать, что Солнечная система представляет собой некое мистическое произведение искусства. Сначала он пытался связать ее устройство с пятью правильными многогранниками классической древнегреческой геометрии. (Правильный многогранник - объемная фигура, все грани которой представляют собой равные между собой правильные многоугольники.) Во времена Кеплера было известно шесть планет, которые, как полагалось, помещались на вращающихся «хрустальных сферах». Кеплер утверждал, что эти сферы расположены таким образом, что между соседними сферами точно вписываются правильные многогранники. Между двумя внешними сферами - Сатурна и Юпитера - он поместил куб, вписанный во внешнюю сферу, в который, в свою очередь, вписана внутренняя сфера; между сферами Юпитера и Марса - тетраэдр (правильный четырехгранник) и т. д. Шесть сфер планет, пять вписанных между ними правильных многогранников - казалось бы, само совершенство?
Увы, сравнив свою модель с наблюдаемыми орбитами планет, Кеплер вынужден был признать, что реальное поведение небесных тел не вписывается в очерченные им стройные рамки. Единственным пережившим века результатом того юношеского порыва Кеплера стала модель Солнечной системы, собственноручно изготовленная ученым и преподнесенная в дар его патрону герцогу Фредерику фон Вюртембургу. В этом прекрасно исполненном металлическом артефакте все орбитальные сферы планет и вписанные в них правильные многогранники представляют собой не сообщающиеся между собой полые емкости, которые по праздникам предполагалось заполнять различными напитками для угощения гостей герцога.
Лишь переехав в Прагу и став ассистентом знаменитого датского астронома Тихо Браге, Кеплер натолкнулся на идеи, по-настоящему обессмертившие его имя в анналах науки. Тихо Браге всю жизнь собирал данные астрономических наблюдений и накопил огромные объемы сведений о движении планет. После его смерти они перешли в распоряжение Кеплера. Эти записи, между прочим, имели большую коммерческую ценность по тем временам, поскольку их можно было использовать для составления уточненных астрологических гороскопов (сегодня об этом разделе ранней астрономии ученые предпочитают умалчивать).
Обрабатывая результаты наблюдений Тихо Браге, Кеплер столкнулся с проблемой, которая и при наличии современных компьютеров могла бы показаться кому-то трудноразрешимой, а у Кеплера не было иного выбора, кроме как проводить все расчеты вручную. Конечно же, как и большинство астрономов его времени, Кеплер уже был знаком с гелиоцентрической системой Коперника и знал, что Земля вращается вокруг Солнца, о чем свидетельствует и вышеописанная модель Солнечной системы. Но как именно вращается Земля и другие планеты? Представим проблему следующим образом: вы находитесь на планете, которая, во-первых, вращается вокруг своей оси, а во-вторых, вращается вокруг Солнца по неизвестной вам орбите. Глядя в небо, мы видим другие планеты, которые также движутся по неизвестным нам орбитам. И задача — определить по данным наблюдений, сделанных на нашем вращающемся вокруг своей оси вокруг Солнца земном шаре, геометрию орбит и скорости движения других планет. Именно это, в конечном итоге, удалось сделать Кеплеру, после чего, на основе полученных результатов, он и вывел три своих закона!
Первый закон описывает геометрию траекторий планетарных орбит: каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Из школьного курса геометрии - эллипс представляет собой множество точек плоскости, сумма расстояний от которых до двух фиксированных точек - фокусов - равна константе. Или иначе - представьте себе сечение боковой поверхности конуса плоскостью под углом к его основанию, не проходящей через основание, - это тоже эллипс. Первый закон Кеплера как раз и утверждает, что орбиты планет представляют собой эллипсы, в одном из фокусов которых расположено Солнце. Эксцентриситеты (степень вытянутости) орбит и их удаления от Солнца в перигелии (ближайшей к Солнцу точке) и апогелии (самой удаленной точке) у всех планет разные, но все эллиптические орбиты роднит одно - Солнце расположено в одном из двух фокусов эллипса. Проанализировав данные наблюдений Тихо Браге, Кеплер сделал вывод, что планетарные орбиты представляют собой набор вложенных эллипсов. До него это просто не приходило в голову никому из астрономов.
Историческое значение первого закона Кеплера трудно переоценить. До него астрономы считали, что планеты движутся исключительно по круговым орбитам, а если это не укладывалось в рамки наблюдений — главное круговое движение дополнялось малыми кругами, которые планеты описывали вокруг точек основной круговой орбиты. Это было прежде всего философской позицией, своего рода непреложным фактом, не подлежащим сомнению и проверке. Философы утверждали, что небесное устройство, в отличие от земного, совершенно по своей гармонии, а поскольку совершеннейшими из геометрических фигур являются окружность и сфера, значит планеты движутся по окружности. Главное, что, получив доступ к обширным данным наблюдений Тихо Браге, Иоганн Кеплер сумел перешагнуть через этот философский предрассудок, увидев, что он не соответствует фактам — подобно тому как Коперник осмелился убрать Землю из центра мироздания, столкнувшись с противоречащими стойким геоцентрическим представлениям аргументами, которые также состояли в «неправильном поведении» планет на орбитах.
Второй закон описывает изменение скорости движения планет вокруг Солнца: каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем за равные промежутки времени радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, описывает равные площади. Чем дальше от Солнца уводит планету эллиптическая орбита, тем медленнее движение, чем ближе к Солнцу - тем быстрее движется планета. Теперь представьте пару отрезков, соединяющих два положения планеты на орбите с фокусом эллипса, в котором расположено Солнце. Вместе с сегментом эллипса, лежащим между ними, они образуют сектор, площадь которого как раз и является той самой «площадью, которую отсекает отрезок прямой». Именно о ней говорится во втором законе. Чем ближе планета к Солнцу, тем короче отрезки. Но в этом случае, чтобы за равное время сектор покрыл равную площадь, планета должна пройти большее расстояние по орбите, а значит скорость ее движения возрастает.
В первых двух законах речь идет о специфике орбитальных траекторий отдельно взятой планеты. Третий закон Кеплера позволяет сравнить орбиты планет между собой: квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей орбит планет. В нем говорится, что чем дальше от Солнца находится планета, тем больше времени занимает ее полный оборот при движении по орбите и тем дольше, соответственно, длится «год» на этой планете. Сегодня мы знаем, что это обусловлено двумя факторами. Во-первых, чем дальше планета находится от Солнца, тем длиннее периметр ее орбиты. Во-вторых, с ростом расстояния от Солнца снижается и линейная скорость движения планеты.
В своих законах Кеплер просто констатировал факты, изучив и обобщив результаты наблюдений. Если бы вы спросили его, чем обусловлена эллиптичность орбит или равенство площадей секторов, он бы вам не ответил. Это просто следовало из проведенного им анализа. Если бы вы спросили его об орбитальном движении планет в других звездных системах, он также не нашел бы, что вам ответить. Ему бы пришлось начинать все сначала - накапливать данные наблюдений, затем анализировать их и стараться выявить закономерности. То есть у него просто не было бы оснований полагать, что другая планетная система подчиняется тем же законам, что и Солнечная система.
Один из величайших триумфов классической механики Ньютона как раз и заключается в том, что она дает фундаментальное обоснование законам Кеплера и утверждает их универсальность. Оказывается, законы Кеплера можно вывести из законов механики Ньютона, закона всемирного тяготения Ньютона и закона сохранения момента импульса путем строгих математических выкладок. А раз так, мы можем быть уверены, что законы Кеплера в равной мере применимы к любой планетной системе в любой точке Вселенной. Астрономы, ищущие в мировом пространстве новые планетные системы (а открыто их уже довольно много), раз за разом, как само собой разумеющееся, применяют уравнения Кеплера для расчета параметров орбит далеких планет, хотя и не могут наблюдать их непосредственно.
Третий закон Кеплера играл и играет важную роль в современной космологии. Наблюдая за далекими галактиками, астрофизики регистрируют слабые сигналы, испускаемые атомами водорода, обращающимися по очень удаленным от галактического центра орбитам - гораздо дальше, чем обычно находятся звезды. По эффекту Доплера в спектре этого излучения ученые определяют скорости вращения водородной периферии галактического диска, а по ним - и угловые скорости галактик в целом. Труды ученого, твердо поставившего нас на путь правильного понимания устройства нашей Солнечной системы, и сегодня, спустя века после его смерти, играют столь важную роль в изучении строения необъятной Вселенной.
Орбиты
Большое значение имеет расчет траекторий полета космических аппаратов, в котором должна преследоваться основная цель - максимальная экономия энергии. При расчете траектории полета космического аппарата необходимо определять наиболее выгодное время и по возможности место старта, учитывать аэродинамические эффекты, возникающие в результате взаимодействия аппарата с атмосферой Земли при старте и финише, и многое другое.
Многие современные космические аппараты, особенно с экипажем, имеют относительно малые бортовые ракетные двигатели, главное назначение которых - необходимая коррекция орбиты и осуществление торможения при посадке. При расчете траектории полета должны учитываться ее изменения, связанные с корректировкой. Большая часть траектории (собственно, вся траектория, кроме активной ее части и периодов корректировки) осуществляется с выключенными двигателями, но, конечно, под воздействием гравитационных полей небесных тел.
Траектория движения космического аппарата называется орбитой. Во время свободного полета космического аппарата, когда его бортовые реактивные двигатели выключены, движение происходит под воздействием гравитационных сил и по инерции, причем главной силой является притяжение Земли.
Если считать Землю строго сферической, а действие гравитационного поля Земли - единственной силой, то движение космического аппарата подчиняется известным законам Кеплера: оно происходит в неподвижной (в абсолютном пространстве) плоскости, проходящей через центр Земли, - плоскости орбиты; орбита имеет форму эллипса или окружности (частный случай эллипса).
Орбиты характеризуются рядом параметров - система величин, определяющих ориентацию орбиты небесного тела в пространстве, ее размеры и форму, а также положение на орбите небесного тела в некоторый фиксированный момент. Невозмущенную орбиту, по которой движение тела происходит в соответствии с законами Кеплера, определяют:
- Наклонение орбиты (i) к плоскости отсчета; может иметь значения от 0° до 180°. Наклонение меньше 90°, если для наблюдателя, находящегося в северном полюсе эклиптики или в северном полюсе мира, тело представляется движущимся против часовой стрелки, и больше 90°, если тело движется в противоположном направлении. В применении к Солнечной системе, за плоскость отсчета обычно выбирают плоскость орбиты Земли (плоскость эклиптики), для искусственных спутников Земли за плоскость отсчета обычно выбирают плоскость экватора Земли, для спутников других планет Солнечной системы за плоскость отсчета обычно выбирают плоскость экватора соответствующей планеты.
- Долгота восходящего узла (Ω) - один из основных элементов орбиты, используемых для математического описания формы орбиты и ее ориентации в пространстве. Определяет точку, в которой орбита пересекает основную плоскость в направлении с юга на север. Для тел, обращающихся вокруг Солнца, основная плоскость - эклиптика, а нулевая точка - Первая точка Овна (точка весеннего равноденствия).
- Большая полуось (а) - это половина главной оси эллипса. В астрономии характеризует среднее расстояние небесного тела от фокуса.
- Эксцентриситет - числовая характеристика конического сечения. Эксцентриситет инвариантен относительно движений плоскости и преобразований подобия и характеризует «сжатость» орбиты.
- Аргумент перицентра - определяется как угол между направлениями из притягивающего центра на восходящий узел орбиты и на перицентр (ближайшую к притягивающему центру точку орбиты спутника), или угол между линией узлов и линией апсид. Отсчитывается из притягивающего центра в направлении движения спутника, обычно выбирается в пределах 0°-360°. Для определения восходящего и нисходящего узла выбирают некоторую (так называемую базовую) плоскость, содержащую притягивающий центр. В качестве базовой обычно используют плоскость эклиптики (движение планет, комет, астероидов вокруг Солнца), плоскость экватора планеты (движение спутников вокруг планеты) и т. д.
- Средняя аномалия для тела, движущегося по невозмущенной орбите - произведение его среднего движения и интервала времени после прохождения перицентра. Таким образом, средняя аномалия есть угловое расстояние от перицентра гипотетического тела, движущегося с постоянной угловой скоростью, равной среднему движению.
|
|
|
Существуют различные типы орбит - экваториальные (наклонение "i" = 0°), полярные (наклонение "i" = 90°), солнечно-синхронные орбиты (параметры орбиты таковы, что спутник проходит над любой точкой земной поверхности приблизительно в одно и то же местное солнечное время), низкоорбитальные (высоты от 160 км до 2000 км), среднеорбитальные (высоты от 2000 км до 35786 км), геостационарные (высота 35786 км), высокоорбитальные (высоты более 35786 км).
Эта статья представит читателю такую интереснейшую тему, как космическая ракета, ракета-носитель и весь тот полезный опыт, который это изобретение принесло человечеству. Также будет рассказано и о полезных грузах, доставляемых в космическое пространство. Освоение космоса началось не так давно. В СССР это была середина третьей пятилетки, когда окончилась Вторая мировая война. Космическая ракета разрабатывалась во многих странах, однако даже США обогнать нас на том этапе не удалось.
Первые
Первой в удачном запуске ушла из СССР космическая ракета-носитель с искусственным спутником на борту 4 октября 1957 года. Спутник ПС-1 удалось вывести на околоземную орбиту. Нужно отметить, что для этого понадобилось создать шесть поколений, и только седьмого поколения космические ракеты России смогли развить нужную для выхода в околоземное пространство скорость - восемь километров в секунду. Иначе невозможно преодолеть притяжение Земли.
Это стало возможным в процессе разработок баллистического оружия дальнего радиуса, где применялось форсирование двигателя. Не следует путать: космическая ракета и космический корабль - это разные вещи. Ракета - средство доставки, а корабль крепится на неё. Вместо него там может быть что угодно - космическая ракета может нести на себе и спутник, и оборудование, и ядерную боеголовку, что всегда служило и до сих пор служит сдерживанием для ядерных держав и стимулом к сохранению мира.
История
Первыми теоретически обосновали запуск космической ракеты русские учёные Мещерский и Циолковский, которые уже в 1897 году описали теорию её полёта. Значительно позже эту идею подхватили Оберт и фон Браун из Германии и Годдард из США. Именно в этих трёх странах началась работа над задачами реактивного движения, создания твёрдотопливных и жидкостных реактивных двигателей. Лучше всех эти вопросы решались в России, по крайней мере твёрдотопливные двигатели уже широко использовались во Второй мировой войне ("Катюши"). Жидкостные реактивные двигатели лучше получились в Германии, создавшей первую баллистическую ракету - "Фау-2".
После войны команда Вернера фон Брауна, прихватив чертежи и разработки, нашла приют в США, а СССР вынужден был довольствоваться небольшим количеством отдельных узлов ракеты без какой бы то ни было сопроводительной документации. Остальное придумали сами. Ракетная техника развивалась стремительно, всё более увеличивая дальность и массу несомого груза. В 1954 году началась работа над проектом, благодаря которому СССР смог первым осуществить полет космической ракеты. Это была межконтинентальная двухступенчатая баллистическая ракета Р-7, которую вскоре модернизировали для космоса. Она получилась на славу - исключительно надёжная, обеспечившая множество рекордов в освоении космического пространства. В модернизированном виде её используют до сих пор.
"Спутник" и "Луна"
В 1957 году первая космическая ракета - та самая Р-7 - вывела на орбиту искусственный "Спутник-1". США чуть позже решили повторить такой запуск. Однако в первую попытку их космическая ракета в космосе не побывала, она взорвалась на старте - даже в прямом эфире. "Авангард" был сконструирован чисто американской командой, и он не оправдал надежд. Тогда проектом занялся Вернер фон Браун, и в феврале 1958 года старт космической ракеты удался. А в СССР тем временем модернизировали Р-7 - к ней была добавлена третья ступень. В результате скорость космической ракеты стала совсем другой - была достигнута вторая космическая, благодаря которой появилась возможность покидать орбиту Земли. Ещё несколько лет серия Р-7 модернизировалась и совершенствовалась. Менялись двигатели космических ракет, много экспериментировали с третьей ступенью. Следующие попытки были удачными. Скорость космической ракеты позволяла не просто покинуть орбиту Земли, но и задуматься об изучении других планет Солнечной системы.
Но сначала внимание человечества было практически полностью приковано к естественному спутнику Земли - Луне. В 1959 году к ней вылетела советская космическая станция "Луна-1", которая должна была совершить жёсткую посадку на лунной поверхности. Однако аппарат из-за недостаточно точных расчётов прошёл несколько мимо (в шести тысячах километров) и устремился к Солнцу, где и пристроился на орбиту. Так у нашего светила появился первый собственный искусственный спутник - случайный подарок. Но наш естественный спутник недолго находился в одиночестве, и в этом же 1959-м к нему прилетела "Луна-2", выполнив свою задачу абсолютно правильно. Через месяц "Луна-3" доставила нам фотографии обратной стороны нашего ночного светила. А в 1966-м прямо в Океане Бурь мягко приземлилась "Луна-9", и мы получили панорамные виды лунной поверхности. Лунная программа продолжалась ещё долго, до той поры, когда американские космонавты на ней высадились.
Юрий Гагарин
День 12 апреля стал одним из самых знаменательных дней в нашей стране. Невозможно передать мощь народного ликования, гордости, поистине счастья, когда объявили о первом в мире полёте человека в космос. Юрий Гагарин стал не только национальным героем, ему рукоплескал весь мир. И потому 12 апреля 1961 года - день, триумфально вошедший в историю, стал Днём космонавтики. Американцы срочно попытались ответить на этот беспрецедентный шаг, чтобы разделить с нами космическую славу. Через месяц состоялся вылет Алана Шепарда, но на орбиту корабль не выходил, это был суборбитальный полёт по дуге, а орбитальный у США получился только в 1962-м.
Гагарин полетел в космос на космическом корабле "Восток". Это особая машина, в которой Королёв создал исключительно удачную, решающую множество всевозможных практических задач космическую платформу. Тогда же, в самом начале шестидесятых, разрабатывался не только пилотируемый вариант космического полёта, но был выполнен и проект фото-разведчика. "Восток" вообще имел множество модификаций - более сорока. И сегодня эксплуатируются спутники из серии "Бион" - это прямые потомки корабля, на котором совершён первый полёт человека в космос. В этом же 1961 году гораздо более сложная экспедиция была у Германа Титова, который целые сутки провёл в космосе. Соединённые Штаты смогли это достижение повторить только в 1963 году.
"Восток"
Для космонавтов на всех кораблях "Восток" было предусмотрено катапультное кресло. Это было мудрым решением, поскольку одно-единственное устройство выполняло задачи и на старте (аварийное спасение экипажа), и мягкую посадку спускаемого аппарата. Конструкторы сосредоточили усилия на разработке одного устройства, а не двух. Это уменьшало технический риск, в авиации система катапульт в то время уже была отлично отработана. С другой стороны, огромный выигрыш во времени, чем если проектировать принципиально новое устройство. Ведь космическая гонка продолжалась, и её выигрывал с довольно большим отрывом СССР.
Таким же образом приземлился и Титов. Ему повезло опуститься на парашюте около железной дороги, по которой ехал поезд, и его немедленно сфотографировали журналисты. Система посадки, которая стала самой надёжной и мягкой, разработана в 1965 году, в ней используется гамма-высотомер. Она служит и до сих пор. В США этой технологии не было, именно поэтому все их спускаемые аппараты, даже новые Dragon SpaceX не приземляются, а приводняются. Только шаттлы являются исключением. А в 1962 году СССР уже начал групповые полёты на космических кораблях "Восток-3" и "Восток-4". В 1963 году отряд советских космонавтов пополнился первой женщиной - Валентина Терешкова побывала в космосе, став первой в мире. Тогда же Валерий Быковский поставил не побитый до сих пор рекорд длительности одиночного полёта - он пробыл в космосе пять суток. В 1964 году появился многоместный корабль "Восход", США и тут отстали на целый год. А в 1965-м Алексей Леонов вышел в открытый космос!
"Венера"
В 1966 году СССР начал межпланетные перелёты. Космический корабль "Венера-3" совершил жёсткую посадку на соседнюю планету и доставил туда глобус Земли и вымпел СССР. В 1975-м "Венере-9" удалось совершить мягкую посадку и передать изображение поверхности планеты. А "Венера-13" сделала цветные панорамные снимки и звукозапись. Серия АМС (автоматические межпланетные станции) для изучения Венеры, а также окружающего космического пространства продолжает совершенствоваться и сейчас. На Венере условия жёсткие, а достоверной информации о них практически не было, разработчики ничего не знали ни о давлении, ни о температуре на поверхности планеты, всё это, естественно, осложняло исследование.
Первые серии спускаемых аппаратов даже плавать умели - на всякий случай. Тем не менее поначалу полёты удачными не были, зато впоследствии СССР настолько преуспел в венерианских странствиях, что эту планету стали называть русской. "Венера-1" - первый из космических аппаратов в истории человечества, предназначенный для полёта на другие планеты и их исследования. Был запущен в 1961 году, через неделю потерялась связь от перегрева датчика. Станция стала неуправляемой и смогла сделать только первый в мире пролёт вблизи Венеры (на расстоянии около ста тысяч километров).
По стопам
"Венера-4" помогла нам узнать, что на этой планете двести семьдесят один градус в тени (ночная сторона Венеры), давление до двадцати атмосфер, а сама атмосфера - девяносто процентов углекислого газа. А ещё этот космический аппарат обнаружил водородную корону. "Венера-5" и "Венера-6" многое поведали нам о солнечном ветре (потоки плазмы) и его структуре вблизи планеты. "Венера-7" уточнила данные о температуре и давлении в атмосфере. Всё оказалось ещё сложнее: температура ближе к поверхности была 475 ± 20°C, а давление выше на порядок. На следующем космическом аппарате было переделано буквально всё, и через сто семнадцать суток "Венера-8" мягко привенерилась на дневной стороне планеты. На этой станции был фотометр и множество дополнительных приборов. Главное - была связь.
Оказалось, что освещение на ближайшей соседке почти не отличается от земного - как у нас в пасмурный день. Да там не просто пасмурно, погодка разгулялась по-настоящему. Картины увиденного аппаратурой просто ошеломили землян. Помимо этого, был исследован грунт и количество аммиака в атмосфере, измерена скорость ветра. А "Венера-9" и "Венера-10" смогли показать нам "соседку" по телевизору. Это первые в мире записи, переданные с другой планеты. А сами эти станции и теперь искусственные спутники Венеры. На эту планету последними летали "Венера-15" и "Венера-16", которые тоже стали спутниками, предварительно снабдив человечество абсолютно новыми и нужными знаниями. В 1985 году продолжением программы стали "Вега-1" и "Вега-2", которые изучали не только Венеру, но и комету Галлея. Следующий полёт планируется в 2024 году.
Кое-что о космической ракете
Поскольку параметры и технические характеристики у всех ракет отличаются друг от друга, рассмотрим ракету-носитель нового поколения, например "Союз-2.1А". Она является трёхступенчатой ракетой среднего класса, модифицированным вариантом "Союза-У", который весьма успешно эксплуатируется с 1973 года.
Данная ракета-носитель предназначена для того, чтобы обеспечить запуск космических аппаратов. Последние могут иметь военное, народнохозяйственное и социальное назначение. Эта ракета может выводить их на разные типы орбит - геостационарные, геопереходные, солнечно-синхронные, высокоэллиптические, средние, низкие.
Модернизация
Ракета предельно модернизирована, здесь создана принципиально иная цифровая система управления, разработанная на новой отечественной элементной базе, с быстродействующей бортовой цифровой вычислительной машиной с гораздо большим объёмом оперативной памяти. Цифровая система управления обеспечивает ракету высокоточным выведением полезных нагрузок.
Кроме того, установлены двигатели, на которых усовершенствованы форсуночные головки первой и второй ступеней. Действует другая система телеизмерений. Таким образом повысилась точность выведения ракеты, её устойчивость и, разумеется, управляемость. Масса космической ракеты не увеличилась, а полезный выводимый груз стал больше на триста килограммов.
Технические характеристики
Первая и вторая ступени ракеты-носителя оснащены жидкостными ракетными двигателями РД-107А и РД-108А от НПО "Энергомаш" имени академика Глушко, а на третьей ступени установлен четырёхкамерный РД-0110 от КБ "Химавтоматики". Ракетным топливом служат жидкий кислород, являющийся экологически чистым окислителем, а также слаботоксичное горючее - керосин. Длина ракеты - 46,3 метра, масса на старте - 311,7 тонн, а без головной части - 303,2 тонны. Масса конструкции ракеты-носителя - 24,4 тонны. Компоненты топлива весят 278,8 тонн. Лётные испытания "Союза-2.1А" начались в 2004 году на космодроме Плесецк, и прошли они успешно. В 2006-м ракета-носитель произвела первый коммерческий полёт - вывела на орбиту европейский метеорологический космический аппарат "Метоп".
Нужно сказать, что у ракет разные возможности вывода полезной нагрузки. Носители есть лёгкие, средние и тяжёлые. Ракета-носитель "Рокот", например, выводит космические аппараты на околоземные низкие орбиты - до двухсот километров, а потому ей по силам нагрузка в 1,95 тонн. А вот "Протон" - тяжёлого класса, на низкую орбиту он может вывести 22,4 тонн, на геопереходную - 6,15, а на геостационарную - 3,3 тонны. Рассматриваемая нами ракета-носитель предназначена для всех площадок, которыми пользуется "Роскосмос": Куру, Байконур, Плесецк, Восточный, и работает в рамках совместных российско-европейских проектов.
24 февраля текущего года космический грузовик «Прогресс-МС-05», запущенный с Байконура с помощью ракеты-носителя «Союз-У», пристыковался к Международной космической станции. Днем ранее на МКС произошла стыковка американского грузового корабля Dragon, запущенного с ракетой Falcon 9. Россия, США и Китай - главные мировые соперники в производстве и испытании ракет-носителей. Кто из них продвинулся в этом плане дальше всего?
УПУЩЕННОЕ ЛИДЕРСТВО
СССР был первым государством в мире, осуществившим в 1957 году запуск ракеты-носителя (Р-7, «Спутник»). За последние годы в России произошло несколько аварий космических грузовиков по причине тех или иных неисправностей в ракетах-носителях. Эксперты Роскосмоса считают, что у системных проблем в отечественном ракетостроении ряд причин: трудно управляемая кооперация предприятий, работающих «на космос», а также недостаток высококвалифицированных кадров. В прошлом году российскую ракетно-космическую отрасль обошли США и Китай - впервые за последние десятилетия наша страна осуществила рекордно малое количество космических запусков - 18 (у Америки был 21 запуск, у Китая - 20). Россия всегда была лидером - и в предыдущие годы по количеству космических запусков мы опережали США, КНР и страны ЕС. Во времена СССР в 1982 году их было выполнено и вовсе свыше 100! Затем эти показатели стали падать, но все равно до последнего времени отечественная ракетно-космическая отрасль «держала марку» на мировом уровне.
В прошлом году сравнительно небольшое количество запусков специалисты связывают с неудачами, касающимися работы двигателя ракеты-носителя «Протон-М» - обычно этот аппарат запускается до десятка и более раз в год, а в 2016 году было совершено всего 3 запуска.
КОГДА ПОЛЕТИТ «АНГАРА»?
По мнению академика РАК имени К. Э. Циолковского Александра Железнякова, российская космическая отрасль уже не вернется к прежнему количеству запусков, но в этом и нет необходимости: основные спутниковые группировки систем навигации и связи уже развернуты, и практической надобности в столь частых запусках ракет-носителей больше не существует. В связи с рядом аварий с участием «Протона», произошедших за последние годы, снизилось количество коммерческих пусков ракеты-носителя - часть прежних заказчиков она перестала интересовать.
Как считает Железняков, статус космической державы определяет не количество запущенных ракет, а число и назначение выведенных в космос космических аппаратов, с чем, уверен академик Российской академии космонавтики, у России дела обстоят неважно. Нашей стране принадлежит ничтожно малое количество научных спутников, и в космосе на данный момент не работает ни одна межпланетная станция, тогда как те же американцы за последние годы успешно осуществили несколько подобных миссий. Взять хотя бы Dawn, запущенный НАСА. С помощью этого космического аппарата научный мир получил массу уникальной информации о карликовой планете Церера и астероиде Веста - объектах главного астероидного пояса.
Тем не менее в планах Роскосмоса на 2016-2025 годы - испытание «Ангары» - ракетыносителя модульного типа, имеющей кислородно-керосиновые двигатели. Отдельные виды «Ангары» имеют грузоподъемность до 35 тонн. А также - создание нового типа ракеты-носителя, способной «потянуть» груз общей массой свыше 100 тонн, и другие не менее масштабные проекты, на которые планируется потратить свыше полутора миллиардов рублей.
Необходимо отметить, что и у Роскосмоса, и у американской частной компании Space X, посылавших космические грузовики к МКС, не все проходило гладко. В декабре прошлого года российский «Прогресс МС-04» потерпел аварию из-за проблем с двигателем третьей ступени ракеты-носителя. Американский грузовик должен был пристыковаться к МКС 22 февраля, но из-за неполадок в бортовом компьютере произошел временной сбой.
ОТ «ДЕЛЬТЫ» ДО «ФАЛЬКОНА»
В США разработаны два основных семейства ракет-носителей - Delta и Falcon. Первые запуски «Дельты» американцы начали осуществлять с 60-х годов прошлого века. На сегодня реализовано свыше 300 таких проектов, 95% которых проведены успешно. Разработкой серий Delta занимается совместное предприятие United Launch Alliance, которым напополам владеют крупнейшие корпорации «Боинг» и «Локхид Мартин». Компанией разработано порядка 20 серий «Дельты», две из которых, вторая и четвертая, используются и поныне. Так, последний запуск «Дельты-4» был осуществлен в конце прошлого года.
С 2002 года на американском рынке производства и запуска ракет-носителей действует частная компания Space X, основанная Илоном Маском, в прошлом основателем платежной системы PayPal. За это время Space X было произведено и испытано два типа ракет - Falcon 1 и Falcon 9, создан и также опробован на практике космический корабль Dragon.
Илон Маск изначально хотел производить именно многоразовые ракеты-носители, которые в перспективе помогли бы открыть пути к колонизации Марса. Этот энтузиаст рассчитывает, что первого человека на Марс их компания Space X доставит до 2026 года.
У Falcon 9 две ступени, компоненты топлива - керосин и жидкий кислород, используемый в качестве окислителя. Цифрой «9» обозначается число ЖРД - жидкостных ракетных двигателей Merlin, которые установлены на первой ступени «Фалькона».
Первые запуски Falcon 1 закончились авариями, не все удачно проходило с запусками и Falcon 9. Тем не менее в декабре 2015 года Space X была осуществлена первая в истории посадка первой ступени ракеты-носителя на Землю после вывода полезного груза на околоземную орбиту, а в апреле прошлого года ступень Falcon 9 успешно опустилась на морскую платформу. В начале текущего года компания Илона Маска намерена осуществить еще один запуск Falcon 9 «с возвратом».
В планах Space X помимо миссии на Марс - первая частная миссия на Луну, которую предполагается осуществить уже к концу текущего года; первая пилотируемая миссия на МКС, в которой также будет участвовать Falcon 9. В 2020 году компания собирается запустить первый беспилотник на Красную планету.
«ВЕЛИКИЙ ПОХОД» КИТАЯ
В Поднебесной на сегодня основная ракета-носитель - «Чанчжэн», что в переводе с китайского означает «Великий поход». Первое запуски ракет пилотных серий КНР начала осуществлять с 1970 года, на сегодня насчитывается несколько десятков таких успешно реализованных проектов. Разработано уже 11 серий «Чанчжэн».
Самой мощной китайской ракетой-носителем признана «Чанчжэн-5», успешно запущенная в конце прошлого года с космодрома Вэньчан, расположенного на острове Хайнань. В высоту ракета достигает почти 57 метров, основная ступень имеет диаметр 5 метров, «Чанчжэн-5» в состоянии выводить на орбиту Земли 25-тонный груз. Ободренные успехом, китайцы заявили всему миру, что в 2020 году намерены вывести на переходную орбиту нашей планеты и Марса специальный зонд, который будет исследовать Красную планету.
В рамках своей космической программы китайские ученые серьезно продвинулись в решении технических вопросов по функционированию ракет-носителей, в частности их двигателей.