Использование дронов в мирных целях

Гражданские беспилотники начали лавинообразно набирать популярность в начале 2010-х годов. В 2010 году Федеральное управление гражданской авиации США предполагало, что к 2020 году в мирных целях будут использоваться порядка 15 000 дронов. В их аналогичном прогнозе в 2016 году эта оценка была повышена до 550 000. В прогнозе компании «Business Insider», выпущенном в 2014 году, рынок гражданских беспилотников в 2020 году оценивался в 1 миллиард долларов США, но уже два года спустя эта оценка была повышена до 12 миллиардов долларов. По оценке PwC, большая часть (61 %) будет использоваться в обслуживании инфраструктурных проектов и в сельском хозяйстве.

В США пограничники, до этого вынужденные патрулировать всю мексиканскую границу сами, теперь запускают туда технику. Не исключение и Карибский бассейн с внушительным потоком нелегальных мигрантов и контрабанды. Изучая определённые алгоритмы передвижения людей, машин и любых других движущихся объектов, запрограммированные дроны могут дать свою оценку подозрительности поведения. Подобная функция интересует не только пограничные службы – всемирный фонд дикой природы в 2012 году получил грант от Google на 5 миллионов долларов в рамках премии Global Impact Award. Фонд надеется разработать систему, по которой будет отслеживать действия браконьеров.

Главной мирной квалификацией дронов стала аэрофотосъемка. Там, где раньше приходилось поднимать в небо вертолёт или самолёт, теперь можно использовать беспилотники.

Беспилотный летательный аппарат доставляет почтовый пакет в город

 

В Дунгуане, китайском городе, компания SF Express получила от местной полиции зелёный свет на курьерские доставки, чем активно пользуется. Каждый дрон с восемью пропеллерами может переносить посылки весом до 3 кг. Для городов с дорожными осложнениями и кучей небоскребов дроны-курьеры – весьма своевременная находка.

В Пенсильвании, например, организация защиты животных SHARK с помощью дронов выслеживала тех, кто отстреливает голубей. А в Техасе любительский дрон разоблачил мясокомбинат, сливающий свиную кровь в местный пруд.

В Дубаи на международном саммите «World Government Summit» была представленная первая модель беспилотного летающего такси. В нем может разместиться один пассажир, машина способна находиться в воздухе около получаса за один полёт. Она оборудован четырьмя «ногами», на каждой из них установлено по два пропеллера. При посадке пассажир указывает пункт назначения на сенсорном экране. Полёт такого такси проходит под наблюдением наземного диспетчерского центра.

В китайской провинции Хэйлунцзян дроны используются для тренировок амурских тигров – охотясь за летательными аппаратами, тигры поддерживают свою физическую форму.

С середины 2010-х годов активно развивается спортивное направление – гонки на дистанционно пилотируемых аппаратах, или дрон-рейсинг. Как правило, в соревнованиях участвуют небольшие (до 25 см в поперечнике) квадрокоптеры, развивающие скорость до 150 км/ч. Управляя таким дроном, с помощью вида от первого лица пилоты должны пройти трёхмерную трассу, образованную ландшафтом и искусственными препятствиями на время или на скорость.

Ракета

Я не уверен, что человеческая раса проживет ещё хотя бы тысячу лет, если не найдёт возможности вырваться в космос. Существует множество сценариев того, как может погибнуть всё живое на маленькой планете. Но я оптимист. Мы точно достигнем звёзд.

Стивен Хокинг

 

Ракета (от итал. rocchetta – маленькое веретено, через нем. Rakete или нидерл. raket) – летательный аппарат, двигающийся в пространстве за счёт действия реактивной тяги, возникающей только вследствие отброса части собственной массы (рабочего тела) аппарата и без использования вещества из окружающей среды. Поскольку полёт ракеты не требует обязательного наличия окружающей воздушной или газовой среды, то он возможен не только в атмосфере, но и в вакууме. Словом «ракета» обозначают широкий спектр летающих устройств от праздничной петарды до космической ракеты-носителя.

В военной терминологии слово «ракета» обозначает класс, как правило, беспилотных летательных аппаратов, применяемых для поражения удалённых целей и использующих для полёта принцип реактивного движения. В связи с разнообразным применением ракет в вооружённых силах различными родами войск образовался широкий класс различных типов ракетного оружия.

Существует предположение, что некое подобие ракеты было сконструировано ещё в Древней Греции. Речь идёт о летающем деревянном голубе Архита Тарентского. Его изобретение упоминается в произведении древнеримского писателя Авла Геллия «Аттические ночи». В книге говорится, что птица поднималась с помощью разновесов и приводилась в движение дуновением спрятанного и скрытого воздуха. До сих пор не установлено, приводился ли голубь в движение действием воздуха, находящегося у него внутри, или воздуха, который дул на него снаружи. Остаётся неясным, как Архит мог получить сжатый воздух внутри голубя.

Первая ракета, которая двигалась за счёт реактивной тяги, действовала по прототипу паровых турбин. Древний греческий механик Герон (10-75 годы н. э.) придумал устройство эолипил, которое использовало пар для тяги.

Устройство представляло сферу, которая имеет две L-образных трубки, через которые выходит пар, в результате чего шар вращался.

Фактически эолипил Герона Александрийского можно считать одним из первых реактивных двигателей.

Согласно старой китайской легенде первая ракета использовалась китайским правителем по имени Ван-Ху. Открытие пороха дало основу для дальнейших испытаний в области ракетостроения. Согласно легенде, после открытия пороха Ван-Ху привязал 47 пороховых устройств на плетеном кресле. Был первый полёт человека или нет – неизвестно. Но при этом первом запуске, как гласит легенда, первый воздухоплаватель погиб.

 

Эолипил Герона – первая паровая турбина

 

Истоки возникновения ракет большинство историков относят ко временам китайской династии Хань (206 год до н. э. – 220 год н. э.), к открытию пороха и началу его использования для фейерверков и развлечений. Сила, возникающая при взрыве порохового заряда, была достаточной, чтобы двигать различные предметы. Позже этот принцип нашёл применение при создании первых пушек и мушкетов. Снаряды порохового оружия могли летать на далёкие расстояния, однако не были ракетами, поскольку не имели собственных запасов топлива. Тем не менее именно изобретение пороха стало основной предпосылкой возникновения настоящих ракет. Описание летающих «огненных стрел», применявшихся китайцами, показывает, что эти стрелы были ракетами. К ним прикреплялась трубка из уплотнённой бумаги, открытая только с заднего конца и заполненная горючим составом. Этот заряд поджигался, и затем стрела выпускалась с помощью лука. Такие стрелы применялись в ряде случаев при осаде укреплений, против судов, кавалерии.

В 1232 году китайские реактивные летательные аппараты использовали стрелки против монгольского войска.

В XIII веке вместе с монгольскими завоевателями ракеты попали в Европу, и в 1248 году английский философ и естествоиспытатель Роджер Бэкон опубликовал труд по их применению.

Известно, что ракеты применялись запорожскими казаками начиная с XVI–XVII веков. Многоступенчатые ракеты были описаны в XVI веке Конрадом Хаасом и в XVII веке белорусско-литовским военным инженером Казимиром Семеновичем.

Научные основы современного ракетостроения были заложены Исааком Ньютоном (1642–1727). Он оформил понимание движения через научные законы, которые объяснили, как ракеты могут работать в безвоздушном пространстве.

В Индии в конце XVIII века ракетное оружие применялось весьма широко, и, в частности, существовали особые отряды ракетчиков, общая численность которых достигала примерно 5000 человек. Ракетные стрелы-снаряды, представлявшие собой трубки с зарядом горючего вещества, применялись индийцами в сражениях с британскими войсками. Так, в 1780 году англичане потерпели поражение в бою при Гунтуре (ныне индийский штат Андхра-Прадеш) от индийцев, применивших сотни первых летательных аппаратов, или огненных снарядов, как тогда их называли.

В начале XIX века британская армия также приняла на вооружение боевые ракеты, производство которых наладил Уильям Конгрив (Ракета Конгрива). Они могли лететь на расстояние до 3 км. В то же время российский офицер Александр Засядко разрабатывал теорию ракет. Он, в частности, пытался рассчитать, сколько пороха необходимо для запуска ракеты на Луну. Большого успеха в совершенствовании ракет достиг в середине XIX века российский генерал артиллерии Константин Константинов. Русский революционер-изобретатель Николай Иванович Кибальчич в 1881 году также выдвигал идею элементарного ракетного двигателя.

Ракетная артиллерия широко применялась вплоть до конца XIX века. Ракеты были более лёгкими и подвижными, чем артиллерийские орудия. Точность и кучность ведения огня ракетами была небольшой, но сопоставимой с артиллерийскими орудиями того времени. Однако во второй половине XIX века появились нарезные артиллерийские орудия, обеспечивающие большую точность и кучность огня, и ракетная артиллерия была всюду снята с вооружения. Сохранились лишь фейерверочные и сигнальные ракеты.

В конце XIX века стали предприниматься попытки математически объяснить реактивное движение и создать более эффективное ракетное вооружение. В России одним из первых этим вопросом занялся Николай Тихомиров в 1894 году. Параллельно в США Никола Тесла проектирует первые устройства на реактивной тяге, принципы которых разработал ещё в период обучения в колледже (то есть в 70-е годы XIX века).

Теорией реактивного движения занимался Константин Циолковский. Он выдвигал идею об использовании ракет для космических полётов и утверждал, что наиболее эффективным топливом для них было бы сочетание жидких кислорода и водорода. Ракету для межпланетных сообщений он спроектировал в 1903 году.

Немецкий учёный Герман Оберт в 1920-е годы также изложил принципы межпланетного полёта. Кроме того, он проводил стендовые испытания ракетных двигателей.

Американский учёный Роберт Годдард в 1923 году начал разрабатывать жидкостный ракетный двигатель, и работающий прототип был создан к концу 1925 года. 16 марта 1926 года он осуществил запуск первой жидкостной ракеты, в качестве топлива для которой использовались бензин и жидкий кислород.

Работы Циолковского, Оберта и Годдарда были продолжены группами энтузиастов ракетной техники в США, СССР и Германии. В СССР исследовательские работы вели Группа изучения реактивного движения (Москва) и Газодинамическая лаборатория (Ленинград). В 1933 году на их основе был создан Реактивный институт (РНИИ). В нём в том же году было завершено начатое ещё в 1929 году создание принципиально нового оружия – реактивных снарядов, установка для запуска которых позднее получила прозвище «Катюша».

 

«Фау-2» на транспортно-установочном прицепе Meilerwagen

 

17 августа 1933 года была запущена ракета «ГИРД 9», которую можно считать первой советской зенитной ракетой. Она достигла высоты 1,5 км. А следующая ракета «ГИРД 10», запущенная 25 ноября 1933 года, достигла уже высоты в 5 км.

В Германии подобные работы вело Немецкое Общество межпланетных сообщений (VfR). 14 марта 1931 член VfR Йоханнес Винклер осуществил первый в Европе удачный запуск жидкостной ракеты.

В VfR работал Вернер фон Браун, который с декабря 1932 года начал разработку ракетных двигателей на артиллерийском полигоне германской армии в Куммерсдорфе. Созданный им двигатель был использован на опытной ракете А-2, успешно запущенной с острова Боркум 19 декабря 1934 года. После прихода нацистов к власти в Германии были выделены средства на разработку ракетного оружия, и весной 1936 года была одобрена программа строительства ракетного центра в Пенемюнде, руководителем которого был назначен Вальтер Дорнбергер, а техническим директором – фон Браун. В нём была разработана баллистическая ракета А-4 с дальностью полёта 320 км. Во время Второй мировой войны 3 октября 1942 года состоялся первый успешный запуск этой ракеты, а в 1944 году началось её боевое применение под названием «Фау-2» (V-2).

Военное применение V-2 показало огромные возможности ракетной техники, и наиболее мощные послевоенные державы – США и СССР – также начали разработку баллистических ракет.

В 1957 году в СССР под руководством Сергея Павловича Королёва как средство доставки ядерного оружия была создана первая в мире межконтинентальная баллистическая ракета Р-7, которая в том же году была использована для запуска первого в мире искусственного спутника Земли. Так началось применение ракет для космических полётов.

Большинство современных ракет оснащаются химическими ракетными двигателями. Подобный двигатель может использовать твёрдое, жидкое или гибридное ракетное топливо. Химическая реакция между топливом и окислителем начинается в камере сгорания, получающиеся в результате горячие газы образуют истекающую реактивную струю, ускоряются в реактивном сопле (соплах) и выбрасываются из ракеты. Ускорение этих газов в двигателе создаёт тягу – толкающую силу, заставляющую ракету двигаться. Принцип реактивного движения описывается третьим законом Ньютона.

Однако не всегда для движения ракет используются химические реакции. В паровых ракетах перегретая вода, вытекающая через сопло, превращается в высокоскоростную паровую струю, служащую движителем. Эффективность паровых ракет относительно низка, однако это окупается их простотой и безопасностью, а также дешевизной и доступностью воды. Работа небольшой паровой ракеты в 2004 году была проверена в космосе на борту спутника UK-DMC. Существуют проекты использования паровых ракет для межпланетной транспортировки грузов, с нагревом воды за счёт ядерной или солнечной энергии.

Ракеты наподобие паровой, в которых нагрев рабочего тела происходит вне рабочей зоны двигателя, иногда описывают как системы с двигателями внешнего сгорания. Другими примерами ракетных двигателей внешнего сгорания могут служить большинство конструкций ядерных ракетных двигателей.

Ракеты используются как способ доставки средств поражения к цели. Небольшие размеры и высокая скорость перемещения ракет обеспечивают им малую уязвимость. Так как для управления боевой ракетой не нужен пилот, она может нести заряды большой разрушительной силы, в том числе ядерные. Современные системы самонаведения и навигации дают ракетам большую точность и манёвренность.

Существует множество видов боевых ракет, отличающихся дальностью полёта, а также местом старта и местом поражения цели («земля-воздух»). Для борьбы с боевыми ракетами используются системы противоракетной обороны.

Существуют также сигнальные и осветительные ракеты.

Геофизические и метеорологические ракеты применяются вместо самолётов и воздушных шаров на высоте более 30–40 километров. Ракеты не имеют ограничительного потолка и используются для зондирования верхних слоёв атмосферы, главным образом мезосферы и ионосферы.

Существует деление ракет на лёгкие метеорологические, способные поднять один комплекс приборов на высоту около 100 километров, и тяжёлые геофизические, которые могут нести несколько комплексов приборов и чья высота полёта практически не ограничена.

Обычно научные ракеты оснащают приборами для измерения атмосферного давления, магнитного поля, космического излучения и состава воздуха, а также оборудованием для передачи результатов измерения по радио на землю. Существуют модели ракет, где приборы с полученными в ходе подъёма данными опускаются на землю с помощью парашютов.

Ракетные метеорологические исследования пред шествовали спутниковым, поэтому на первых метеоспутниках стояли те же приборы, что и на метеорологических ракетах. В первый раз ракета была запущена с целью изучить параметры воздушной среды 11 апреля 1937 года, но регулярные ракетные запуски начались с 1950-х годов, когда были созданы серии специализированных научных ракет. В Советском Союзе это были метеорологические ракеты МР-1, М-100, МР-12, ММР-06 и геофизические типа «Вертикаль». В современной России в сентябре 2007 года использовались ракеты М-100Б. За пределами России применялись ракеты «Аэроби», «Black Brant», «Skylark».

Существуют также специальные противоградовые ракеты, предназначенные для защиты сельскохозяйственных угодий от градовых облаков. Они несут в головной части реагент (обычно йодистое серебро), который при взрыве распыляется и приводит к образованию дождевых облаков вместо градовых. Высота полёта ограничивается 6–12 км.

 

Первые создатели ракет

Эскизы и чертёжи первых многоступенчатых ракет появились в трудах военного техника Конрада Хааса (1556 г.) и учёного Казимира Семеновича (1650 г.). Именно он, по мнению многих специалистов, является первым изобретателем многоступенчатой ракеты. Но это были военно-инженерные проекты. Ни Хаас, ни Семенович не предполагали их использование в космических целях. Первым идею использования многоступенчатой ракеты для полёта в космос предложил в 17 веке… Сирано де Бержерак в своей фантастической повести «Путешествие на Луну» (1648 г.). Но дело в том, что обычная многоступенчатая ракета на твёрдом топливе (в основном предлагался порох) не годилась для космических полётов. Нужен был принципиально иной вид топлива.

Константин Циолковский впервые предложил идею освоения космоса с помощью реактивных летательных аппаратов. В 1903 году он опубликовал статью, где писал, как научить ракету летать в космосе. Он придумал жидкое двухкомпонентное топливо. Впервые предложил конструкцию космической ракеты с жидкостным реактивным двигателем. В этом его великая заслуга. И именно поэтому Циолковский считается одним из основоположников космонавтики (хотя ему и не удалось предложить работоспособную конструкцию ракеты). «Одним из» – потому что всего их трое. Кроме нашего Циол ковского это ещё американец Роберт Годдард и немец Герман Оберт.

Годдард в 1914 году первым предложил прототип настоящей космической ракеты – многоступенчатую ракету на жидком топливе. То есть Годдард свёл воедино две основополагающих идеи – идею многоступенчатости и идею жидкого топлива. Многоступенчатость + Жидкое топливо = Космическая ракета. Причём в конструкции ракеты Годдарда предусмотрено последовательное отделение ступеней. Именно Годдард в 1914 году получил патент на изобретение многоступенчатых ракет. Более того, Годдард занимался не только теоретическими выкладками. Он был ещё и практик! В 1926 году именно он построил первую в мире ракету с жидкостным реактивным двигателем. Построил и запустил. Так что если к кому в большей степени и относится фраза «придумал космическую ракету» – так это именно к Годдарду.

Стать свидетелем запусков многоступенчатых космических ракет суждено было только одному из трёх «отцов» – Герману Оберту. В 1923 году выходит его книжка, в которой он предложил двухступенчатую ракету для полёта в космос. Выход этой работы имел огромный резонанс в обществе. Даже советская газета «Правда» неоднократно писала об идее «немецкого профессора Оберта, который придумал способ полёта в космос». Оберт тоже был практиком. Он тоже построил свою ракету.

Кроме традиционно называемых трёх «отцов», пожалуй, можно назвать ещё и четвёртого основоположника космонавтики – Юрия Кондратюка, который в своём труде «Тем, кто будет читать, чтобы строить» дал принципиальную схему и описание 4-ступенчатой ракеты, работающей на кислородно-водородном топливе. Работа над рукописью была начата в 1916, а закончена в 1919 году. Кондратюк знаменит прежде всего тем, что именно он рассчитал оптимальную траекторию полёта к Луне. Эти расчёты были использованы NASA в лунной программе «Аполлон». Предложенная им в 1916 году траектория была впоследствии названа «трассой Кондратюка».

Космические ракеты

Создателем космонавтики как науки считается Герман Оберт, впервые доказавший физическую возможность человеческого организма выносить возникающие при запуске ракеты перегрузки, а также состояние невесомости.

10 мая 1897 года К. Э. Циолковский в рукописи «Ракета» исследовал ряд задач реактивного движения, где определил скорость, которую развивает летательный аппарат под воздействием тяги ракетного двигателя, неизменной по направлению, при отсутствии всех других сил; конечная зависимость получила название «формула Циолковского» (статья опубликована в журнале «Научное обозрение» в 1903 году).

В 1903 году К. Э. Циолковский также опубликовал работу «Исследование мировых пространств реактивными приборами» – первую в мире, посвящённую теоретическому обоснованию возможности осуществления межпланетных полётов с помощью реактивного летательного аппарата – «ракеты». В 1911–1912 годах опубликована вторая часть этой работы, в 1914 году – дополнение. К. Э. Циолковский и независимо от него Ф. А. Цандер пришли к выводам, что космические полёты возможны и на известных уже тогда источниках энергии, и указали практические схемы их реализации (форму ракеты, принципы охлаждения двигателя, использование жидких газов в качестве топливной пары и др.).

Высокая скорость истечения продуктов сгорания топлива позволяет использовать ракеты в областях, где требуются сверхбольшие скорости движения, например для вывода космических аппаратов на орбиту. Максимальная скорость, которая может быть достигнута при помощи ракеты, рассчитывается по формуле Циолковского.

Ракета пока является единственным транспортным средством, способным вывести космический аппарат в космос. Альтернативные способы поднимать космические аппараты на орбиту, такие как «космический лифт», электромагнитные и обычные пушки, пока что находятся на стадии проектирования.

В космосе наиболее ярко проявляется основная особенность ракеты – отсутствие потребности в окружающей среде или внешних силах для своего перемещения. Эта особенность, однако, требует, чтобы все компоненты, необходимые для создания реактивной силы, находились на борту самой ракеты. Так, для ракет, использующих в качестве топлива такие плотные компоненты, как жидкий кислород и керосин, отношение массы топлива к массе конструкции достигает 20:1. Для ракет, работающих на кислороде и водороде, это соотношение меньше – около 10:1. Массовые характеристики ракеты очень сильно зависят от типа используемого ракетного двигателя и закладываемых пределов надёжности конструкции.

Скорость, требуемая для выведения на орбиту космических аппаратов, часто недостижима даже при помощи ракеты. Паразитный вес топлива, конструкции, двигателей и системы управления настолько велик, что не даёт разогнать ракету до нужной скорости за приемлемое время. Задача решается за счёт использования составных многоступенчатых ракет, позволяющих отбросить излишний вес в процессе полёта.

За счёт уменьшения общего веса конструкции и выгорания топлива ускорение составной ракеты с течением времени увеличивается. Оно может немного снижаться лишь в момент сбрасывания отработавших ступеней и начала работы двигателей следующей ступени. Подобные многоступенчатые ракеты, предназначенные для запуска космических аппаратов, называют ракетами-носителями.

Чаще всего в качестве ракет-носителей используются многоступенчатые баллистические ракеты. Старт ракеты-носителя может происходить с Земли, или, в случае долгого полёта, с орбиты искусственного спутника Земли.

В настоящее время космическими агентствами разных стран используются ракеты-носители «Атлас V», «Ариан 5», «Протон», «Дельта-4», «Союз-2» и многие другие.

В настоящее время самым мощными являются ракеты-носители «Протон-М» отечественного производства, европейские «Ариан-5», американские «Дельта-IV Heavy». Запуск ракеты подобных типов позволяет вывести на орбиту (200 км в высоту) полезный груз массой до 25 тонн. Такие аппараты могут донести до геопромежуточной орбиты приблизительно 6–10 тонн и до геостационарной 3–6 тонн.

Отдельного внимания заслуживают ракетыносители «Протон», так как они сыграли немалую роль в освоении космоса. Их использовали для реализации разных пилотируемых программ, в том числе для отправки модулей орбитальной станции «Мир». С его помощью в космос были доставлены «Звезда» и «Заря», важнейшие блоки Международной космической станции. Невзирая на то что не все запуски подобных ракет были успешны, «Протон» и сейчас остается самым востребованным ракетой-носителем: каждый год осуществляется примерно 10–12 стартов.

В целом с начала XXI века активность на космодромах мира существенно упала. Если сравнивать двух лидеров в этой отрасли – Россию и США, то последние каждый год производят намного меньше запусков. В период с 2004 по 2010 год с космодрома Америки было 102 успешных запуска, 5 закончились неудачей. В России успешно завершилось 166 стартов, а 8 закончились аварией.

 

Ракета-носитель

Ракета-носитель, или ракета космического назначения – ракета, предназначенная для выведения полезной нагрузки в космическое пространство.

Иногда термин «ракета-носитель» применяется в расширенном значении: ракета, предназначенная для доставки в заданную точку (в космос либо в отдалённый район Земли) полезной нагрузки – например искусственных спутников Земли, космических кораблей, ядерных и неядерных боевых блоков. В такой трактовке термин «ракета-носитель» объединяет термины «ракета космического назначения» и «межконтинентальная баллистическая ракета». Среди баллистических ракет, способных достичь космического пространства, ни одна не может выйти на орбиту искусственного спутника Земли.

В отличие от некоторых горизонтально-стартующих авиационно-космических систем ракетыносители используют вертикальный тип старта и (много реже) воздушный старт.

Количество ступеней

Одноступенчатых ракет-носителей, выводящих полезную нагрузку в космос, до настоящего времени не создано, хотя имеются проекты различной степени проработки (КОРОНА, HEAT-1X и другие). В некоторых случаях как одноступенчатая может классифицироваться ракета, имеющая в качестве первой ступени воздушный носитель либо использующая в качестве таковой ускорители. Среди баллистических ракет, способных достичь космического пространства, немало одноступенчатых, в том числе и первая баллистическая ракета «Фау-2»; однако ни одна из них не способна выйти на орбиту искусственного спутника Земли.

В качестве маршевых двигателей могут использоваться:

– жидкостные ракетные двигатели;

– твёрдотопливные ракетные двигатели;

– различные комбинации на разных ступенях.

Классификация ракет по массе полезной нагрузки, выводимой на низкую опорную орбиту, меняется с развитием техники и является достаточно условной.

Наибольшее распространение получили одноразовые многоступенчатые ракеты. Одноразовые ракеты отличаются высокой надёжностью благодаря максимальному упрощению всех элементов. Одноступенчатой ракете для достижения орбитальной скорости теоретически необходимо иметь конечную массу не более 7–10 % от стартовой, что при даже существующих технологиях делает их труднореализуемыми и экономически неэффективными из-за низкой массы полезного груза. В истории мировой космонавтики одноступенчатые ракетыносители практически не создавались – существовали только так называемые полутораступенчатые модификации (например, американская ракета-носитель «Атлас» со сбрасываемыми дополнительными стартовыми двигателями). Наличие нескольких ступеней позволяет существенно увеличить отношение массы выводимой полезной нагрузки к начальной массе ракеты. В то же время многоступенчатые ракеты требуют специальных территорий для падения промежуточных ступеней.

Ввиду необходимости применения высокоэффективных сложных технологий (прежде всего в области двигательных установок и теплозащиты), полностью многоразовых ракет-носителей пока не существует, несмотря на постоянный интерес к этой технологии и периодически открывающиеся проекты разработки многоразовых носителей (за период 1990–2000-х годов это такие, как ROTON, Kistler K-1, АКС VentureStar и др.).

Частично многоразовой являлась широко использовавшаяся американская многоразовая транспортная космическая система «Спейс Шаттл» («Космический челнок») и закрытая советская программа «Энергия – Буран», разработанная, но так и не использованная в прикладной практике, а также ряд нереализованных бывших (например, «Спираль», МАКС и др.) и вновь разрабатываемых (например, «Байкал-Ангара») проектов. Вопреки ожиданиям, «Спейс Шаттл» не смог обеспечить снижение стоимости доставки грузов на орбиту; кроме того, пилотируемые многоразовые комплексы характеризуются сложным и длительным этапом предстартовой подготовки (из-за повышенных требований по надёжности и безопасности при наличии экипажа).

Ракеты для пилотируемых полётов должны обладать большей надёжностью (также на них устанавливается система аварийного спасения); допустимые перегрузки для них ограничены (обычно не более 3–4,5 g). При этом сама ракета-носитель является полностью автоматической системой, выводящей в космическое пространство аппарат (космический корабль) с людьми на борту; это могут быть пилоты, способные осуществлять непосредственное управление кораблём, специалисты (инженеры, исследователи, медики), космические туристы.

Первым теоретическим проектом ракеты-носителя был «Lunar Rocket», спроектированный Британским межпланетным обществом в 1939 году. Проект представлял собой попытку разработки ракеты-носителя, способной доставить полезный груз на Луну, основанную исключительно на существующих в 1930-х годах технологиях, то есть был первым проектом космической ракеты, не имевшим фантастических допущений. Ввиду начала Второй мировой войны работы по проекту были прерваны и существенного влияния на историю космонавтики он не оказал.

Первой в мире настоящей ракетой-носителем, доставившей в 1957 году груз (искусственный спутник Земли) на орбиту, была советская Р-7 («Спутник»). Далее США и ещё несколько стран начали использовать собственные ракеты-носители, а три страны (а значительно позже также и четвёртая – Китай) создали ракету-носитель для пилотируемых полётов.

Самые мощные используемые на данный момент государственные ракеты-носители – это российская «Протон-М», американская «Дельта-IV Heavy» и европейская «Ариан-5» тяжёлого класса, позволяющие выводить на низкую околоземную орбиту (200 км) 21–25 тонн полезного груза. Но самая мощная ракета-носитель из используемых на данный момент – Falcon Heavy от частной компании SpaceX – ракета сверхтяжёлого класса (по американской классификации), способная вывести на низкую околоземную орбиту до 64 тонн.

В прошлом были созданы (в рамках проектов высадки человека на Луну) и более мощные ракеты-носители сверхтяжёлого класса – такие, как американская «Сатурн-5» и советская «Н-1», а также, позднее, советская «Энергия», которые в настоящее время не используются.

Третьей ракетой-носителем сверхтяжёлого класса в России может стать ракета класса «Енисей», детальный план-график создания которой был подписан в начале января 2019 года. Строительство инфраструктуры под ракету начнётся в 2026 году, первый полёт запланирован на 2028 год с космодрома Восточный. Новая российская сверхтяжёлая ракета-носитель будет выводить на низкую околоземную орбиту более 70 тонн груза и обеспечивать полёты в дальний космос.

Ракета-носитель должна вывести полезный груз на высоту больше 100 км. Это так называемая линия Кармана, где аэронавтика становится полностью невозможной. Принято полагать, что полёт считается космическим, если линия Кармана была преодолена.

Линия Кармана – высота над уровнем моря, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом и является верхней границей государств.

Название высота получила по имени американского учёного Теодора фон Кармана. Он первый определил, что примерно на этой высоте атмосфера становится настолько разрежённой, что аэродинамическая авиация становится невозможной, так как скорость летательного аппарата, необходимая для создания достаточной подъёмной силы, становится больше первой космической скорости, и поэтому для достижения больших высот необходимо пользоваться средствами космонавтики.

Эта высота с большим запасом даёт простор для развития и авиации, и космонавтики. Сегодня самые быстрые самолёты имеют практический потолок в пределах 25 км, самые лёгкие и большие аэростаты (метеозонды) редко пересекают границу в 50 км. С другой стороны, космические спутники на высоте 100 км уже начинают вход в атмосферу и разрушаются. Обычно высота начала последнего витка не ниже 120–150 км.

Атмосфера Земли продолжается и за линией Кармана. Внешняя часть земной атмосферы, экзосфера, простирается до высоты 10 тысяч км и более, но на такой высоте атмосфера состоит в основном из атомов водорода, способных покидать атмосферу.