Грандиозные и особенным образом устроенные

сли уж настроились конструкторы на решительную борьбу за вес, то начать им следовало бы с ракет-носителей. Можно ли мириться с тем, что конструкция ракеты уподобляется тончайшей скорлупе, до отказа заполненной жидким топливом? А несомый ею полезный груз и того меньше — какие-то несколько процентов от общего веса ракеты с топливом. Если бы не спасительная идея составных многоступенчатых ракет, картина была бы совсем удручающая.

Судите сами: чтобы вывести на земную орбиту вокруг Солнца автоматическую станцию, вес топлива одноступенчатой ракеты должен в 58 раз превосходить вес ее конструкции. Все равно что вместить стакан воды в наперсток. Ни сейчас, ни в ближайшем будущем не создать конструкции с такой невероятной емкостью. Поэтому многообещающая идея — перемещаться в безвоздушном пространстве с помощью ракетных аппаратов — поначалу казалась совершенно неосуществимой.

Так столкнулись космические конструкторы с первой большой проблемой — противоречием между энергетическими потребностями ракет и возможностями конструкций. Чтобы примирить их ограниченную вместимость с принципом реактивного движения, потребовалась еще одна, на этот раз сугубо конструктивная идея.

По мере сгорания топлива масса ракеты уменьшается, и та же самая реактивная тяга ускоряет ее все сильнее. Но ведь ракета состоит не из одного лишь топлива. Освобождающаяся от его запасов часть конструкции становится ненужным грузом, затрудняя разгон. Значит, надо избавляться от нее. Такую возможность предусмотрел и научно обосновал К— Э. Циолковский. Еще в 1903 году великий основоположник космонавтики предложил для перемещения в мировом пространстве «род ракеты, но ракеты грандиозной и особенным образом устроенной». Он подсказал будущим конструкторам оригинальную структуру ракеты-носителя, которая стала ключом к недоступному прежде миру внеземных полетов.

Здесь изображены различные емкости в порядке возрастания их вместимости. У некоторых содержимое может весить во много раз больше, чем сама емкость. Вместимость одноступенчатой космической ракеты должна была бы в несколько раз превосходить вместимость обыкновенного ведра, что абсолютно невозможно, если учесть особые требования прочности и жесткости, предъявляемые к ракетной конструкции. Таким требованиям вполне отвечает конструкция двухступенчатой ракеты, которая обходится значительно меньшим количеством топлива.

 

Многоступенчатая ракета Циолковского состоит из нескольких отдельных, самостоятельных ракет, установленных друг на друга. Сначала первая, самая нижняя ракета-ступень разгоняет все остальные до некоторой скорости. Когда выгорит ее топливо, конструкция этой ступени отбрасывается за ненадобностью. Облегченная ракета разгоняется уже второй ступенью до еще большей скорости и опять избавляется от высвободившейся конструкции, после чего включается третья ступень. За счет того, что не приходится разгонять лишнюю массу, получается весьма значительный выигрыш в топливе. И чем больше число ступеней, тем меньше его требуется.

Если в одноступенчатой ракете, выводящей на земную орбиту автоматическую станцию, топливо, как мы уже знаем, должно быть тяжелее конструкции в 58 раз, то в двухступенчатой ракете — лишь в 9 раз. Допустим, вес всей ракеты с топливом составляет в этом случае 848 тонн. Тогда трехступенчатая ракета будет весить уже 185 тонн, четырехступенчатая — 140 тонн, пятиступенчатая — 124 тонны и шестиступенчатая — всего лишь 116 тонн. Причем на топливо в шестиступенчатой ракете приходится не более 100 тонн. По сравнению с двухступенчатой ракетой запасы его уменьшились в 7,5 раза! Только умелым членением ракетной конструкции на части невозможное было переведено в разряд выполнимого. Трудно найти пример другой столь же простой и эффективной технической идеи.

Этапы развития советских ракет-носителей: 1 — двухступенчатая ракета-носитель, как выводившая на орбиты первый, второй и третий искусственные спутники; 2 — ракета-носитель, с помощью которой были запущены первые автоматические станции «Луна». Установленный на двухступенчатой ракете дополнительный блок с ЖРД позволил ей достичь второй космической скорости; 3 — ракетно-космическая система «Восток» тоже имела дополнительный блок с ЖРД, что позволило увеличить выводимый на орбиту полезный груз и осуществить первый полет человека в космос; 4 — в четырехступенчатой ракетно-космической системе «Молния», предназначенной для исследования ближайших к Земле планет, вместо дополнительного блока с ЖРД установлены третья и четвертая ступени. С помощью этой ракеты-носителя был осуществлен первый запуск межпланетной станции «Венера»; 5 — трехступенчатая ракетно-космическая система, в которой дополнительный блок с ЖРД заменен мощной третьей ступенью. Это позволило запустить на орбиту трехместный космический корабль, более тяжелый, чем космический корабль «Восток»; 6 — ракетно-космическая система «Союз», предназначенная для создания долговременных орбитальных станций и обеспечения сменности и экипажей на них.

 

Размеры американских ракет-носителей.

Проблема вместимости, емкости конструкции продолжает волновать ракетостроителей и сейчас. Только решать ее приходится не для всей ракеты в целом, а для отдельных ступеней. Их совершенство оценивается тем количеством горючего и окислителя, которое удается втиснуть в ступень. Еще совсем недавно конструкторы были очень довольны, если вес заполненной топливом ступени в 10 раз превышал вес пустой. Теперь их умение намного возросло, и они не удивляются даже тогда, когда ступень с топливом оказывается в 15 раз тяжелее, чем одна конструкция. А что дает такая сверхвместимость, можно понять на следующем конкретном примере.

Пусть 80 процентов веса каждой ступени приходится на топливо, а 20 процентов — на конструкцию. Тогда стотонная четырехступенчатая ракета сможет вывести на орбиту высотой 200 километров искусственный спутник весом 50 килограммов. Если же в результате стараний конструкторов запасы топлива в ступенях повысятся до 95 процентов, то ракета вынесет на ту же орбиту спутник в 13 раз тяжелее!

Многоступенчатые ракеты открыли эру практической космонавтики. Но время безоговорочного восхищения могучими ракетными гигантами прошло. Все чаще поглядывают на них разработчики критическим оком. В самом деле, экие вымахали громадины! Высота ракет, выводивших на орбиту первые искусственные спутники и космические корабли, достигала почти 40 метров. Весили они сотни тонн. Чтобы обеспечить высадку космонавта на Луну, была сооружена ракета свыше 100 метров высотой и массой в тысячи тонн. Такие же огромные ракеты доставляли в космос орбитальные станции, сначала в нашей стране, а затем в США. Для полета человека на Марс с возвращением на Землю потребуется ракета вдвое выше и в 5—10 раз тяжелее. Подобные ракеты смогли бы выводить на околоземные орбиты космические станции весом 500—1000 тонн. А что в перспективе — ракеты-носители высотой с Останкинскую телевизионную башню?

«Не пора ли остановиться? — слышится вполне резонный вопрос. — Надо искать другие, более эффективные средства космического запуска».

И такие поиски ведутся уже не один год.