Ракетобудування через віки

Переклад оригінальної статті  Aerospace Engineering Blog 

дякую Ірині Ларіній за російський шаблон

Ракетобудування розвивалося понад 2000 років. Сучасні ракети - результат довгої традиції винаходів та експериментів. Вони поєднують досягнення широкого кола інженерних дисциплін. Мало які винаходи людства, якщо такі взагалі є, здатні витримувати такі ж екстремальні умови, як ракети. Ракети витримують сильні перевантаження під час старту, сильне нагрівання в місцях найбільш схильних до аеродинамічного тертя й переохолодження - через рідкий водень та кисень наднизької температури. Керування ракетою - справа тонка: часто від успішного запуску до катастрофічного вибуху один крок. Жодна інша інженерна конструкція не зрівняється в складності та злагодженості систем, які повинні ідеально взаємодіяти для спільної роботи. Не випадково говорять "rocket science", коли мова заходить про щось неймовірно складне.

На щастя для нас, ми живемо в час, коли ракетобудування переживає золоту добу. Комерційні компанії на кшталт SpaceX і Blue Origin вдихнули нове життя в індустрію, в якій традиційно лідирували космічні програми з державним фінансуванням. Але навіть ці компанії не спочивають на лаврах, а розробляють нові потужні ракети для дослідження далекого космосу і місій на Марс.

Недавні блокбастери на кшталт "Гравітації", "Інтерстеллару" й "Марсіянина" - ознака того, що космічні пригоди знову розбурхують нашу уяву. Коли ще, як не зараз, поглянути на минулі 2000 років ракетобудування й подивитися, куди нас привели інновації минулого і що чекає нас попереду? Звичайно, неможливо розглянути кожну з 51 ракет на схемі, наведеній нижче, але я спробую якомога краще охопити все від самих ранніх починань у Китаї до космічної гонки й далі.

Автор Tyler Skrabek

Історію ракетобудування можна умовно поділити на дві епохи. Перша - донаукова метушня, і друга - науковий підхід після епохи Просвітництва. Принцип в основі ракетного двигуна, по суті, залишився той же, в той час як деталі виконання і підхід до розробки ракет сильно змінився.

Ілюстрація еоліпіля Герона

Фундаментальний принцип роботи ракетного двигуна - викид гарячих газів через сопло для виникнення руху в протилежному напрямку - чудово ілюструють два приклади з історії. Римський письменник Авл Геллі розповідає про Архита, який близько 400 р. до н.е. побудував літаючого дерев'яного голуба. Голуб тримався на льоту завдяки струменю пари або стисненого повітря, яка викидалася через сопло.

Три століття тому, Герон з Александрії винайшов еоліпіл, заснований на тому ж принципі викиду струмені пари в якості рушійної сили. В еоліпілі порожню сферу і резервуар з водою з'єднували трубки, які виступали в ролі опори, підтримуючи сферу на вазі. Вогонь під резервуаром в результаті створював пар, який потрапляв в сферу по трубках. Єдиним виходом для газу були два Г-подібних відводи, спрямованих в різні боки. Викиди пару створювали момент руху, крутячи таким чином сферу навколо осі на шарнірах.

Далі в тексті йдуть формули, які ви можете пропустити цей розділ. Але там нічого складного немає - прим. ред.

В обох прикладах рухом апарату керує закон збереження імпульсу. Коли ракета й гази всередині неї рухаються як єдине ціле, сумарний імпульс - добуток маси та швидкості, дорівнює P₁. Тоді загальна маса ракети й газу, m = m_r + m_g, рухається зі швидкістю v.

mv = (m_r + m_g); v = P₁

Коли гази викидаються з хвоста ракети, сумарний імпульс ракети і палива залишається постійним, поки на систему не впливають зовнішні сили. Так, якщо дуже невелика кількість газу dm викидається зі швидкістю v_e щодо ракети (в напрямку v або йому зворотному), то сумарний імпульс системи дорівнює

(m - dm)(v + dv_r) + dm(v + v_e) = P₂

Оскільки для збереження імпульсу P₁ має дорівнювати P₂,

mv = (m - dm) (v + dv_r) + dm(v + v_e)

виділивши зміну швидкості ракети dv_r,

(m - dm) dv_r = -v_e dm
звідси: dv_r = - dm * v_e / (m - dm)

"Мінус" у рівнянні вище означає, що ракета завжди змінює швидкість у напрямку, протилежному викиду газу. Тому, якщо газ викидається в напрямку v, зворотному руху, (тобто v_e негативне), то зміна швидкості ракети буде позитивною (тобто ракета буде прискорюватися). У будь-який момент часу t кількість M = m - dm дорівнює загальній масі ракети (суха маса плюс паливо), а dm = dM визначає її зміну. Якщо припустити, що швидкість викидання газу не змінюється протягом усього часу, то можна легко проінтегрувати вираз вище і знайти поступова зміна швидкості, в той час як загальна маса ракети (суха маса плюс паливо) змінюється від початкової маси M_o до кінцевої маси M_f. Тому,

Це рівняння відоме як рівняння Ціолковського (про нього поговоримо далі) і може бути застосовано до будь-якого тіла, яке прискорюється за допомогою скидання частини своєї маси з певною швидкістю.

Найчастіше нас більше цікавить тяга ракети і її прискорення a_r. Так, розділивши рівняння dv_r на невелику зміну часу dt,

отримуємо тягу ракети:

F_r = Ma_r = M͘͘͘͘v_e

де M͘͘͘͘ - секундна витрата маси, що викидається ракетою. У цьому простому рівнянні - фундаментальна фізика ракетного двигуна. Ракета виробляє тягу або викидаючи більше маси для набору швидкості (M͘͘͘͘), або збільшуючи швидкість, з якою маса викидається. В ідеальному випадку - це все! Під ідеальним мається на увазі, що v_e стала і відсутні зовнішні сили, наприклад аеродинамічне тертя в атмосфері або сила тяжіння. При реальних розрахунках необхідної маси палива потрібно враховувати ці сили та інші фактори, які впливають на ефективність ракети.

Експоненційне збільшення маси палива, необхідного для прискорення ракети з заданою зміною швидкості

На графіку рівняння добре помітна найбільша заковика ракетобудування: щоб прискорити ракету до певної швидкості з фіксованою швидкістю виходу газу (v_e), треба екпоненційно збільшувати кількість палива. Оскільки вартість ракети тісно пов'язана з її масою, то стає зрозуміло, чому що-небудь істотне так дорого відправити на орбіту (швидкість становить 28,800 км / год для низької навколоземної орбіти).

Ранні починання

Малюнок китайської ракети та

пускового механізму

Дерев'яний голуб і еоліпіл навіть віддалено не схожі на ракету. Насправді, навіть, точна дата першої появи ракет до цих пір не визначена. Записи показують, що китайці винайшли порох - суміш з селітри, сірки й вугільного пилу - близько 100 р.н.е. На релігійних святах за допомогою пороху й порожніх бамбукових палиць, закритих з одного боку, отримували різнокольорові іскри, дим і вибухи. Можливо, деякі з цих бамбукових трубок починали відстрілювати або проносилися по землі, але китайці почали використовувати порохові бамбукові палиці й приладнали їх до стріл. Спочатку такі стріли пускали звичайним способом, з лука, отримуючи свого роду попередника запалювальної бомби, але пізніше китайці зрозуміли, що бамбукові палиці можуть самі запускати себе з допомогою тяги, яку утворювали гарячі гази, що випускалися з них.

Перше задокументоване використання такої "правильної" ракети доводиться на битву при Кай-Кен між китайцями та монголами в 1232 році. Під час цієї битви китайці змогли відбитися від монголів за допомогою примітивної ракети на твердому паливі.

Порожня трубка була закрита з одного кінця, заповненого порохом, і прикріплена до довгої палиці. Запалювання пороху призводило до збільшення тиску всередині порожньої трубки, і гарячому газу й диму доводилося виходити через відкритий кінець. Згідно з законом збереження імпульсу, це створює тягу для руху ракети в напрямку закритого кінця трубки, з довгим стрижнем як примітивної системи керування, що дуже нагадує сучасні ракети для феєрверків.

Ван Ху (людина на Місяці?)
І його ракетний стілець

За китайською легендою за часів династії Мін 16 століття місцевий чиновник Ван Ху побудував стілець, до якого були прикріплені 47 порохових бамбукових ракет, а в деяких версіях легенди - ще й крила з повітряного змія. Всі 47 бамбукових ракет одночасно запалили, і запустили стілець, і після того як все закінчилося, Ван Ху пропав. Кажуть, що він досяг космосу, й тепер він - "людина на Місяці". Найімовірніше Ван Ху спіткала перша в історії аварія на пусковій платформі.

За однією з теорій, ракети завезли в Європу в ході монгольських завоювань 13-го століття. В Англії Роджер Бекон винайшов потужніший порох (75% селітра, 15% вугілля і 10% сірка), який збільшив дальність ракет, в той час як Жан Фруассар додав стартовий стіл, запускаючи ракети через труби для збільшення точності. До епохи Відродження використання ракет як зброї вийшло з моди, і на заміну прийшли експерименти з феєрверками. В кінці 16-го століття німецький випробувач Йоган Шмідлап експериментував зі ступінчастими ракетами - ідеєю, яка лежить в основі всіх сучасних ракет. Шмідлап приладнав меншу ракету - другу ступінь - зверху більшої ракети - першої ступені, і коли перша ступінь закінчила горіти, друга ступінь продовжила піднімати ракету ще вище. Приблизно в той же час польсько-литовський командир польської армії Казимир Семенович опублікував рукопис, який включав дизайн багатоступінчастих ракет та стабілізаторів дельта-крил (на кшталт оперення стріл. прим. ред.). Останні повинні були замінити довгі стрижні, які виступали в ролі стабілізаторів.

Науковий підхід до ракет 

Наукові основи ракетобудування були закладені в часи Просвітництва сером Ісааком Ньютоном. Його три закони руху,

• В деяких системах відліку тіло продовжує залишатися в стані постійного спокою або рівномірного прямолінійного руху, якщо на тіло не діє прикладена сила 
• Прикладена сила, що діє на тіло, призводить до виникнення прискорення, пропорційного інерції тіла (його масі), тобто F = ma 
• Сила, з якою одне тіло діє на інше, рівна протидіючій силі від другого тіла до першого. 

відомі всім, хто пройшов основний курс фізики. Скоріш за все, перші конструктори ракет розуміли ці три закони інтуїтивно, але саме сформульовані принципи стали усвідомлено використовувати при проектуванні. Перший закон пояснює, чому ракети взагалі починають рухатись. Без рушійної тяги ракета залишиться на місці. Другий закон визначає кількість тяги, виробленої ракетою в певний момент часу, наприклад, для конкретної маси M. (Зауважте, другий закон Ньютона дійсний тільки для систем з постійною масою і тому не рівносильний підходу збереження імпульсу, описаного вище. Коли маса змінюється, необхідно використовувати рівняння, яке враховує змінну масу). Третій закон пояснює, що через викидається маси в якості реакції на ракету діє сила тяги.

У 1720-х, приблизно коли помер Ньютон, дослідники в Нідерландах, Німеччині та Росії стали враховувати його закони при розробці ракет. Дадський професор Вільгельм Гравезанд побудував реактивні автомобілі, в яких викидався пар. В Німеччині та Росії ракетобудівники стали експериментувати з більшими ракетами. Ці ракети були досить потужними, щоб перед відривом гарячі струмені полум'я пропалювали глибокі ями в землі. Британські колоніальні війни 1792 і 1799 рр. вперше явили використання індійського ракетного обстрілу по британській армії. Хайдер Алі і його син Тіпу Султан, правителі князівства Майсур в Індії, в 1792 році розробили перші ракети в залізному корпусі й використовували їх проти британців в англо-майсурських війнах.

Використання залізної оболонки для палива збільшувало дальність і тягу й було набагато більш "просунутою" технологією в порівнянні з тим, що до цього бачили британці. Натхненний цією технологією, британський полковник Вільям Конґрів почав проектувати власну ракету для британських сил. Конґрів розробив нову суміш палива й додав до залізної труби конусоподібну носову частину, щоб поліпшити аеродинаміку. Ракети Конґріва мали дальність польоту до 5 км. Вони успішно використовувалися британцями в наполеонівських війнах і запускалися з кораблів при атаці форту МакГенрі у війні 1812-го року. Конґрів створив і заповнені дробом ракети для використання проти наземних цілей, і запальні ракети для використання проти кораблів. Проте, навіть ракети Конґріва не могли побороти головний недолік ракет: точність.

Ракети Конґріва

У той час ефективність ракет як зброї полягала не в їх точності чи вибуховій силі, а скоріше в тому, що в супротивника можна було одночасно запустити велику їх кількість. Ракети Конґріва мали деяке базове керування висотою завдяки прикріпленій до вибухівки довгій палиці, але у ракет була тенденція сильно відхилятися від курсу. 1844 року британський конструктор Вільям Хейл винайшов стабілізацію за допомогою обертання, сьогодні поширену в збройових стволах, яка позбавила від необхідності використовувати напрямні палиці. Вільям Хейл змусив гази, що викидаються, обтікати невеликі лопаті (рулі), змушуючи ракету обертатися й стабілізуватися (точно так само, як гіроскоп не падає набік, якщо його закрутити на рівній поверхні). Незабаром військове застосування ракет знову відійшло на задній план, коли пруська армія почала використовувати нарізну артилерію, що було значно точніше та ефективніше ракет.

Ера сучасних ракет 

Незабаром ракетам почали шукати нові застосування. Жюль Верн, як завжди попереду всіх, виклав мрію про космічні польоти у своєму науково-фантастичному романі «De la Terre á la Lune» (Із Землі на Місяць), в якому в Місяць з величезної гармати вистрілили снарядом під назвою "Колумбіада" (насправді, це такий тип гармат, а постріл був здійснений пустотілою бомбою з екіпажем і припасами. прим. ред.) з трьома пасажирами всередині. Російський вчитель Костянтин Ціолковський (відомий за формулою свого імені) запропонував використовувати ракети як засіб пересування для дослідження космосу, але визнав, що для цього буде потрібен серйозний прорив в дальності ракет. Ціолковський розумів, що швидкість і дальність ракет була обмежена швидкістю викидання паливних газів. У доповіді 1903, "Дослідження світових просторів реактивними приладами", він запропонував використання рідкого палива і сформулював рівняння, яке було введено вище, зв'язавши швидкість вильоту газів ракетного двигуна зі зміною швидкості самої ракети. Тепер ця формула відома як формула Ціолковського, хоча вона і була відома до нього.

Ціолковський також пропагував ідеї створення орбітальних космічних станцій, використання сонячної енергії та колонозіціі сонячної системи. Одна з його цитат звучить особливо актуально, враховуючи сучасні плани Ілона Маска колонізувати Марс:

Земля - ​​колиска людства, але не можна вічно залишатися в колисці, - з листа Ціолковського від 1911 року.

Американський учений Роберт Г. Годдард, тепер відомий як батько сучасного ракетобудування, теж був зацікавлений у збільшенні дальності ракет, особливо в досягненні висот більших, ніж ті, на які в той час піднімалися аеростати. 1919 року він опублікував короткий рукопис під назвою "Метод досягнення екстремальних висот", який представив його математичний аналіз і практичні експерименти з розробки висотних ракет. Годдард запропонував три способи поліпшення технології твердого палива. По-перше, вибух повинен бути зосереджений в невеликій камері, щоб паливний бак перебував під меншим тиском. По-друге, Годдард дотримувався ідеї використання багатоступінчастих ракет для збільшення їх дальності, і по-третє, він запропонував використовувати надзвукове сопло Лаваля, щоб збільшити швидкість викидання гарячих газів.

 Годдард став експериментувати з твердопаливними ракетами, пробуючи різні сполуки і вимірюючи швидкість викидаються газів. За підсумками своєї роботи, Годдард погодився з висновком Ціолковського про те, що рідке паливо підійде краще. Проблема, з якою зіткнувся Годдард, полягала в тому, що рідкопаливні ракети були абсолютно новою сферою досліджень. Жодної такої ракети ще ніхто ніколи не будував, і конструкція таких ракет є значно складнішою, ніж твердопаливних. У такій ракеті знадобляться окремі баки й насоси для палива та окислювача, щоб їх змішати й запалити; камера згоряння, й турбіна для роботи насосів (приблизно як у двигуні літака де турбіна приводить в рух компресор). Годдард також додав сопло Лаваля, яке охолоджувало гарячі гази, що викидаються в надзвуковий, вузьконаправлений струмінь. Це збільшило тягу більше ніж удвічі, а ефективність двигуна зросла з 2% до 64%! Незважаючи на технічні складності, Годдард розробив першу успішну рідкопаливну ракету, яка використовувала бензин як пальне й рідкий кисень як окислювач, і випробував її 16 березня 1026 року. Ракета горіла 2.5 секунди і піднялася на висоту в 12.5 метрів. Як і перший політ братів Райт на 36.5 метрів в 1903 році, це не видається таким вражаючим за сучасними стандартами, але досягнення Годдарда вивело ракетобудування на криву експоненціального зростання, що призвело до радикальних поліпшень в наступні 40 років. Сам Годдард не відійшов від інновацій; його ракети летіли все вище й вище, він додав гіростабілізуючу конструкцію для керування польотом і ввів парашутну систему порятунку.

На іншому березі Атлантики німецькі вчені починали грати свою важливу роль у розвитку ракет. Під впливом ідей Германа Оберта про ракетні подорожі, математики космічних польотів і реальнх розробок ракет, опублікованих у його книзі "Die Rakete zu den Planetenraumen" ("Ракета для міжпланетного простору"), в Німеччині був заснований ряд ракетних клубів і дослідницьких інститутів. Німецький виробник велосипедів і машин Opel (тепер у складі General Motors) почав розробку реактивних машин, і в 1928 році Фрітц фон Опель вивів Opel-RAK.1 на гоночний трек. У 1929 році розробки розширили до літака Opel-Sander RAK1, який розбився у Франкфурті під час першого польоту. У Ленінграді газодинамічна лабораторія під керівництвом Глушка побудувала більше 100 різних варіантів двигунів, експериментуючи з різними техніками впорскування палива.

Ракета Фау-2 в розрізі

Ракета Фау-2 в розрізі Під керівництвом Вернера фон Брауна і Вальтера Дорнбергера Товариство Космічних Польотів зіграло ключову роль у розробці Vergeltungswaffe 2, також відомої як Фау-2, найпрогресивнішої ракети того часу. Ракета Фау-2 спалювала суміш спирту в якості палива та рідкого кисню в якості окислювача, й досягла великих значень тяги, поліпшивши секундну витрату маси до 150 кілограм на секунду. У Фау-2 зійшлося більшість технологій, які можна побачити в сучасних ракетах, наприклад, турбонасосний агрегат і системи управління, а завдяки дальності в 300 км. Фау-2 можна було запускати з узбережжя Балтики для бомбардувань Лондона під час Другої Світової. Тисячокілограмова боєголовка на носі Фау-2 могла руйнувати цілі квартали міста, але їй не вистачало точності для гарантованого удару по конкретній меті. До кінця Другої Світової німецькі вчені вже прикріплювали ракети до літаків, щоб ті могли злітати вертикально або летіти на реактивній тязі. Також вони розробляли ще більше ракети, відомі як міжконтинентальні балістичні ракети (МБР). Ці ракети могли бути використані для атаки США.

З падінням Третього рейху у квітні 1945-го багато з цих технологій потрапили в руки Союзників. Ракетна програма Союзників була не такою просунутою, і почалася справжня гонка, щоб захопити якомога більше німецьких розробок. Самі американці захопили 300 вагонів з деталями ракет Фау-2 й відправили їх до США. Більш того, найвидатніші з німецьких ракетників емігрували до Сполучених Штатів, як правило тому що там було краще займатися розробками, і щоб уникнути наслідків за участь у військовій машині нацистів. Фау-2 ґрунтовно виросла в американську ракету Redstone, яка використовувалася в програмі Mercury.

Космічна гонка - на Місяць і далі

Після Другої світової і США, й СРСР почали серйозно фінансувати розробки міжконтинентальних балістичних ракет (МБР), частково через їх можливості переносити ядерні боєголовки на далекі відстані, частково через привабливі перспективи першими побувати в космосі. 1948 року армія США поєднала захоплену ракету Фау-2 разом з ракетою WAC Corporal, щоб побудувати ще більшу двоступеневу ракету для запусків у Сполучених Штатах. Ця двоступенева ракета була відома як Bumper WAC, і за свої шість польотів змогла досягти максимальну висоту в 400 кілометрів, практично ту саму висоту, на якій сьогодні знаходиться орбіта МКС.

Ракета "Восток", збудована на базі МБР Р-7

Незважаючи на ці розробки, СРСР стали першими, хто запустив на орбіту створений людиною об'єкт, тобто штучний супутник. Під керівництвом головного конструктора Сергія Корольова, Фау-2 була скопійована, а потім вдосконалена до ракет Р-1, Р-2 і Р-5. На межі 1950-х німецькі розробки були відкинуті і замінені винаходами Олексія Михайловича Ісаєва (насправді, ні. Двигун Р-7 був виконаний за схемою відкритого типу, в той час як Ісаєв винайшов і працював з двигунами за закритою схемою. В ракеті використовувалися двигуни виробниства КБ Глушка. прим. ред.), які стали основою для першої радянської МБР, Р-7. На основі Р-7 була розроблена ракета "Восток", яку 4 жовтня 1957 року виведе на орбіту перший супутник, Спутнік-1. Лише 12 років минуло з кінця Другої Світової. Запуск Спутніка-1 став першою великою новиною в космічній гонці. Всього через пару тижнів після цього, СРСР успішно запустили на орбіту Спутнік-2 з собакою Лайкою на борту.

Однією з проблем, яку в СРСР не вирішили, було повернення в атмосферу (Лайка померла від перегріву прим. ред.). Будь-яке тіло для виходу на орбіту іншої планети вимагає швидкості, достатньої щоб гравітаційне тяжіння планети згладжувалося кривизною поверхні планети. Однак повернення з орбіти в атмосферу призводить до того, що тіло буквально врізається в неї, створюючи величезну кількість тепла (відповідно, тіло сильно розігрівається. прим. ред.). 1951 року, Г. Дж. Ален і А. Дж. Еґерс виявили, що, всупереч очікуванням, не краплевидна форма з меншим аеродинамічним опором, а тупа форма з великим опором знижує ефекти при вході в атмосферу, перенаправляючи 99% енергії в навколишнє середовище. Знахідки Алена і Еґерса були опубліковані в 1958 році і використані при створенні пілотованих капсул Mercury, Gemini, Apollo і Союзу. Цей дизайн був пізніше вдосконалений у Space Shuttle який за допомогою високого кута входження формував ударну хвилю на тепловому захисті, щоб відбити від неї більшу частину тепла.

Перший супутник Сполучених Штатів, Explorer-1, не стане таким до 31 січня 1958 року. Explorer-1 важив приблизно в 30 разів менше, ніж Спутнік-2, зате мав на борту лічильники Гейгера, які були використані для першого наукового відкриття в космосі - радіаційних поясів Ван-Аллена. Explorer-1 спочатку розроблявся під керівництвом армії США, і в жовтні 1958 року було офіційно сформовано Національний консультативний комітет з повітроплавання (NACA, сьогодні NASA) для керівництва космічною програмою. У той же час, в СРСР з МБР Р-7 розробили сімейства ракет Восток і Союз для використання в програмі пілотованих космічних польотів. Ракета Союз використовується й до сьогодні та лишається найбільш часто використовуваних і найнадійнішою в історії ракетою. Після припинення програми Space Shuttle 2011 року це єдиний спосіб потрапити на МКС. Схожим чином, ракета Протон, розроблена в 1960-х, до цих пір використовується для виведення важких вантажів на низьку навколоземну орбіту.

транспортування ракети Союз до місця запуску

Незабаром після перших запусків супутників, NASA розробило експериментальний апарат з ракетним двигуном, що запускається з літака, - Х-15, який за свої 199 польотів з 1959 по 1968 рік поставив численні рекорди, включаючи нові рекорди швидкості (7,274 км/год) й висоти (108 км). Також Х-15 забезпечив NASA даними по оптимальних кутах входу в атмосферу при поверненні з космосу.

Наступне досягнення в космосі теж належало СРСР. 12 квітня 1961 року космонавт Юрій Гагарін став першою людиною, що побувала в космосі, і став міжнародною знаменитістю. Протягом трохи менше двох годин (109 хв. прим. ред.) Гагарін перебував на орбіті Землі в космічній капсулі Восток-1 на висоті приблизно 300 км й після повернення в атмосферу катапультувався на висоті 6 км та спустився на землю на парашуті. Так, Гагарін став найвідомішою радянською людиною, подорожуючи по всьому світі як символ успіху СРСР та їх переваги над Заходом.

Незабаром після успішного польоту Гагаріна, американський астронавт Алан Шепард досяг суборбітальній висоти в 187 км в капсулі Mercury Freedom 7. МБР Redstone, на якій Шепард відправився в політ з мису Канаверал, не мала достатньої потужності для виведення капсули Mercury на орбіту, й до запуску зазнала ряд неприємних невдач. Тиск на ракетників США збільшувалася. Проте, через декілька днів після польоту Шепарда президент Джон Ф. Кеннеді виступив перед конгресом із знаменитими тепер словами (переклад цитати взято з книги по посиланню - прим. Пер.):

Я переконаний, що наша нація повинна докласти всіх зусиль для того, щоб до кінця десятиліття висадити людину на Місяць і благополучно повернути його на Землю

Незважаючи на амбітність такого завдання, проект NASA Mercury вже займався розробкою технологій для висадки першої людини на Місяці. У лютому 1962, більш потужна ракета Atlas вивела на орбіту Джона Глена, тим самим відновивши в деякій мірі паритет між США та СРСР. Останній з польотів Mercury був запланований на 1963 рік, під час якого Гордон Купер провів на орбіті Землі майже півтора дні. Сімейство ракет Atlas залишається найуспішнішим і посьогодні. Крім виведення астронавтів у космос в рамках програми Mercury, Atlas використовувалася і для виведення комерційних, наукових і військових супутників на орбіту.

Наступний за місіями Mercury проект Gemini зробив важливі кроки, необхідні для успішного польоту на Місяць. Капсулу Gemini виводила ще більш потужна МБР Titan, і в цій капсулі астронавти могли залишатися в космосі до двох тижнів, під час яких астронавти вперше здійснювали виходи у відкритий космос, процедури зближення й стикування з апаратом Gemini. За 1965-1966 рр. було скоєно вражаючі десять польотів у рамках місії Gemini. Високі показники успіху відображали зростаючу надійність ракет і космічних апаратів NASA, та дозволяли вченим збирати безцінну інформацію для майбутніх місячних місій Apollo. Сама ж ракета Titan залишається однією з найуспішніших і довгоживучих ракет (1959-2005), доставивши на Марс космічний апарат Viking, відправивши зонд Voyager у зовнішню Сонячну Систему й вивівши на орбіту численні важкі супутники. Приблизно в той же час, на початку 1960-х, розроблялося ціле сімейство багатоцільових ракет Delta. Сімейство Delta стало робочою конячкою для космічної програми США, виконавши понад 300 запусків з надійністю більше 95%! Багатозадачність Delta була заснована на можливості змінювати величину корисного навантаження, використовуючи взаємозамінні ступені й зовнішні прискорювачі, які могли бути додані для збільшення корисного навантаження.

В цій точці хід подій радикально змінився. Сполучені Штати стартували не так швидко, але всі дані, отримані з ранніх невдач, були використані для удосконалення конструкції і надійності ракет. В СРСР, незважаючи на початкові успіхи, не могли досягти такого ж рівня успішних запусків, і це серйозно завадило їхнім зусиллям у майбутній гонці за Місяць (причина була в методології й розмірах бюджетів. прим. ред.).

Щоб долетіти до Місяця, потрібна була ракета значно потужніша за Titan або Delta. Знаменита тепер ракета, 110.6-метрова Saturn V складалася з трьох окремих ракетних ступенів, корабля Apollo з невеликим четвертим ступенем, двигуна для зворотного шляху, й двоступеневого посадкового місячного модуля, з одного ступеня для спуску на місячну поверхню і другого для зльоту назад з Місяця. Saturn V була здебільшого дітищем і головним досягненням Вернера фон Брауна - головного конструктора ракети Фау-2 в Німеччині під час Другої Світової. Saturn V мала можливість запуску 140,000 кг на низьку навколоземну орбіту й 48,600 кг на Місяць. На тлі таких можливостей попередні ракети здаються незначними, і до цього дня Saturn V залишається найвищою, найважчою й найпотужнішою ракетою з коли-небудь добудованих до робочого стану (остання на зображенні на початку статті) (радянський аналог H1 так і не злетіла. прим. ред.). Зусилля NASA досягли своєї найвищої точки 20 липня 1969 року з місією Apollo 11, коли Ніл Армстронг став першою людиною, що ступила на Місяць. Всього 11,5 років після першого успішного запуску супутника Explorer-1. Місія Apollo 11 стала першою з шести успішних висадок на Місяць, які відбувалися в період 1969-1972 рр. Також була розроблена менша конфігурація місячної ракети, Saturn IB, яка використовувалася в ранніх випробуваннях місій Apollo, а пізніше була задіяна для доставки трьох екіпажів на американську космічну станцію Skylab.

 Space Shuttle

Space Shuttle Discovery

Останньою великою інновацією NASA був Space Shuttle. Ідея Space Shuttle складалася у створенні багаторазової ракетної системи для доставки вантажу й екіпажів на низьку навколоземну орбіту. Обґрунтуванням було те, що більшу частину вартості запуску становило виробництво ракети, так що втрачати ступені ракети після запуску було не дуже економічно. Уявіть, що після кожного польоту з Нью-Йорка до Лондона доводиться викидати цілий Boeing 747 або Airbus A380. При такому розкладі ціни на квитки були б зовсім іншими. Шатл складався з крилатого, схожого на літак космічного корабля і твердопаливних прискорювачів з боків. На орбіту корабель виводився рідинними ракетними двигунами Shuttle, паливо до яких подавалося з величезного зовнішнього паливного бака. Після запуску зовнішній паливний бак і прискорювачі скидалися, прискорювачі повертали й використовували знову.

Наприкінці місії шатл входив у земну атмосферу, після чого планував по звивистій траєкторії, щоб приземлитися на посадкову смугу як звичайний літак. В ідеалі, NASA обіцяло, що шатл знизить вартість пусків на 90%. Однак падаючи в воду, прискорювачі часто виявлялися занадто пошкоджені й не підлягали ремонту, а зусилля, яких вимагало обслуговування теплозахисту шатлу з оглядом кожної з 24,000 плиток, незабаром привело до того, що ціна за кілограм корисного навантаження на орбіту стала більше, ніж до цього в Saturn V. П'ять кораблів, Endeavour, Discovery, Challenger, Columbia і Atlantis, зробили 135 місій з 1981 по 2011 рік, переживши за цей час трагічні втрати Challenger 1983 року й Columbia 2003. І хоча шатл полегшив завдання будівництва МКС й виведення космічного телескопа Hubble, головна мета - економічні космічні польоти - не була досягнута.

Втім, тепер цю мету переслідують комерційні космічні компанії на кшталт SpaceX, Reaction Engines, Blue Origin, Rocket Lab і Sierra Nevada Corporation.

Нові Підходи

Після завершення програми Space Shuttle 2011 року, можливості США щодо виведення людей у космос виявилися серйозно обмежені. В даний момент NASA працюють над Space Launch System (SLS), основним завданням якої є розширити межі пілотованих польотів далі низької навколоземної орбіти. Хоча проектуванням і складанням SLS займається NASA, окремі компоненти розробляються в партнерстві з компаніями Boeing, United Launch Alliance, Orbital ATK і Aerojet Rocketdyne. SLS стане найпотужнішою ракетою в історії, й тому розробляється у два етапи (як це було з Saturn IB і Saturn V). Першою стане ракета, заснована на попередніх ракетних проектах, з можливістю виведення корисного вантажу в 70 тон. Її метою буде проведення космічним апаратом Orion двох прольотів Місяця, одного без екіпажу і другого з ним. Друга, більш просунута версія SLS з можливістю виведення на низьку навколоземну орбіту корисного навантаження в 130 тонн, відправить наукове обладнання, вантаж і пілотований корабель Orion в далекий космос. Перший політ корабля Orion до Місяця без екіпажу запланований на 2018 рік, в той час як пілотовані місії очікуються в 2021-2023 роках. До 2026 року NASA планує відправити Orion разом з екіпажем до астероїда, який буде заздалегідь поміщений на місячну орбіту в ході іншої місії по захопленню астероїда.

План NASA по вдосконаленню SLS

Проте, з комерціалізацією космосу нові гравці працюють над ще більш вражаючими планами. Ракета SpaceX Falcon 9 зарекомендувала себе як дуже надійна (з поточним співвідношенням успіху 20 з 22 пусків). Більш того, SpaceX - перша приватна компанія, яка успішно запустила й повернула орбітальний корабель, капсулу Dragon, який регулярно постачає МКС необхідним вантажем і новим науковим обладнанням. Зараз для доставки астронавтів на МКС США покладається на російський корабель Союз, проте в найближчому майбутньому для цього планується використовувати Dragon. Falcon 9 - двоступенева орбітальна ракета, яка містить в собі двигуни Merlin від SpaceX, що працюють на рідкому кисні і гасі з можливістю відправлення на низьку навколоземну орбіту корисного навантаження в 13 тонн. На даний момент є три конфігурації Falcon 9: v1.0 і v1.2 (більше не використовуються), й остання частково багаторазова версія на повній тязі, яка 22 грудня 2015 року зробила успішну посадку на мисі Канаверал, використовуючи коригувальні двигуни при поверненні на Землю. Тепер же посадку намагаються відпрацювати на платформі в океані (вона вже була здійснена в квітні 2016 року - прим. Пер.). Далі очікується, що Falcon Heavy з 27 двигунами Merlin (ракета Falcon 9 з двома першими ступенями з боків) збільшить величину корисного навантаження до 53 тонн на низьку навколоземну орбіту, що зробить Falcon Heavy другою найпотужнішою ракетою після SLS. Перші польоти Falcon Heavy очікуються пізніше в 2016 році. Звичайно, головною метою для СEO SpaceX Ілона Маска є перетворення людства в міжпланетний вид, і для досягнення це цілі він планує відправити на Mars Colonial Transporter колонію з мільйона людей на Марс, систему космічних запусків з багаторазових ракетних двигунів і космічні капсули. Ракета SpaceX Falcon 9 вже має найнижчу вартість в $ 60 мільйонів за запуск, і надійне повторне використання повинно знизити вартість польоту настільки, що через десяток років квиток на Марс буде цікавий принаймні мільйону найбагатших людей на Землі (або, наприклад, можна буде продати місця на марсіанське реаліті-шоу).

Коли це стане реальністю?

Blue Origin, аерокосмічна компанія, засновником якої є творець Amazon Джефф Безос, вибрала схожий підхід до вертикального пуску і посадки ракети для повторного використання та зниження вартості. Компанія поступово рухається від суборбітальних польотів до орбітальних, слідуючи своєму девізу "Gradatim Ferocity" (що перекладається з латині як крок за кроком, рішуче). Ракета New Shepard зробила свій перший випробувальний політ у квітні 2015 року. В листопаді того ж року ракета успішно приземлилася після суборбітального польоту на висоту в 100 км, а в січні 2016 була досягнута висота в 101 км. Blue Origins сподівається розширити свої можливості до запуску людей вже 2018 року. Reaction Engines - британська аерокосмічна компанія, що досліджує космічні реактивні двигуни, зосереджена на одноступінчастому космольоті Skylon багаторазового використання. Основним на Skylon буде двигун SABRE, в основі якого лежить ракетний комбінований цикл, тобто поєднання повітряно-реактивного та ракетного двигуна з загальним потоком, який можна повторно використовувати у 200 польотах. Skylon вважають, що з такою системою вивід одного кілограма навантаження на орбіту в вартості може знизитися з $ 1500 (на початок 2016) до $ 900. Згідно з проектом, з рідким воднем в якості пального, Skylon буде підніматися зі спеціальною злітної смуги та прискорюватися до швидкості 5 Махів на висоті 28.5 км, використовуючи атмосферний кисень як окислювач. Ця "дихаюча" частина двигуна SABRE працює за тими ж принципами, що й повітряно-реактивний двигун (скажімо, в рекативних літаках. прим. ред.). Турбокомпресор збільшує перепад тиску вхідного атмосферного повітря, який спочатку проходить через теплообмінник, який охолоджує гаряче повітря, що стикається двигуном на надзвукових швидкостях. Стиснене повітря подається в камеру згоряння, де він запалюється з рідким воднем. Як і у звичайному реактивному двигуні, щоб вмістити якомога більше окисника в камері згоряння та збільшити тягу двигуна. Тут важливий якомога вищий перепад тиску. Оскільки на великій висоті природний кисень вичерпується, двигуни перемикаються на запаси рідкого кисню, перетворюючи двигун на ракетний двигун замкнутого циклу й піднімаючи корабель Skylon на орбіту. Теоретичні переваги двигуна SABRE складаються в його високоефективній витраті палива й низькій масі, що полегшує завдання одноступінчастого виходу на орбіту. Після відділення корисного навантаження до 15 тонн корабель Skylon увійде в атмосферу подібно Спейс шаттлу, залишаючись у безпеці завдяки теплозахисту, та приземлиться на посадкову смугу. Перші наземні випробування двигуна SABRE намічені на 2019 рік, а перші безпілотні випробувальні польоти очікуються 2025 року.

Ракетний двигун SABRE

Sierra Nevada Corporation спільно з NASA працює над створенням корабля Dream Chaser для доставки вантажу й екіпажу до семи людей на низьку навколоземну орбіту. Dream Chaser був спроектований для запуску на носі ракети Atlas V та традиційного повернення плануванням на посадкову смугу. Dream Chaser виглядає як зменшена версія Space Shuttle, так що інтуїтивно хочеться очікувати такої ж неефективності з економічної точки зору. Однак інженери Sierra Nevada говорять про дві зміни, внесениі в Dream Chaser, які можуть зменшити витрати на обслуговування корабля. По-перше, кермові двигуни, що використовуються для керування висотою польоту, допускають використання палива на основі етанолу, так що вони не токсичні і набагато менш вибухонебезпечні в порівнянні з керманичами двигунами Shuttle, які використовували гідразин. Це повинно дозволити проводити техобслуговування Dream Chaser відразу ж після посадки та зменшити час між польотами. По-друге, теплозахистна система заснована на облицьовних плитках, які можуть витримати не один політ і бути замінені цілими комплектами за раз, а не поштучно. Перші випробувальні орбітальні польоти Dream Chaser заплановані на листопад 2016.

Dream Chaser

Насамкінець, компанія Rocket Lab, що знаходиться в Новій Зеландії, розробляє вуглекомпозитну ракету Electron на рідкому паливі, яка зможе виводити на низьку навколоземну орбіту 110 кг корисного навантаження. Тому в Rocket Lab зосередилися на частих запусках для доставки на орбіту вантажу з малою масою. Наприклад наносупутників. Мета компанії - зробити космос доступним так часто і дешево, що можна буде надійно та швидко запускати маломасштабні супутники, які будуть забезпечувати нас науковими експериментами та швидкісним інтернетом. Передбачається, що вартість запуску Rocket Lab складе $5 мільйонів, компанія зможе здійснювати 100 запусків на рік та потребувати менше палива ніж Boeing 737 при перельоті з Сан-Франциско в Лос-Анджелес. Головною складністю є створення повністю вуглекомпозитних баків для рідкого палива, що потрібно для ефективного використання палива. На сьогоднішній день зберігання криогенного (сильно охолодженого) рідкого палива, наприклад, рідкого водню чи рідкого кисню, залишається роботою для металевих сплавів. Залишається занепокоєння про можливі витоки через мікротріщини, які з'являються в смолистих речовинах композиту при кріогенних температурах. У композитах існує невідповідність коефіцієнтів теплового розширення посиленого волокна і смолистої речовини, що сприяє тепловому навантаженню на композит, коли той застигає до кріогенної температури після високих температури і тиску при затвердінні. Цикли температури й тиску під час процедур закачування і відкачування рідкого кисню-водню підсилюють повторні навантаження, що в підсумку може призвести до появи тріщин у корпусі, крізь які легко будуть проходити молекули водню й кисню. Такий витік створить реальну загрозу вибуху.

Куди лежить наш шлях? 

Як можна побачити, за останні 2000 років ракети розвинулися від простих іграшок та військової зброї до складних машин, здатних відправити людину в космос. Сьогодні ракети - єдина можливість потрапити в місця поза межами Землі. Більш того, видно, що розвиток ракет не завжди йшов єдиним шляхом до вдосконалення. Наші можливості по відправці все більш важкою корисного вантажу в космос досягли піку разом з розробкою ракети Saturn V. Цей великий технологічний стрибок був зобов'язаний, за великим рахунком, духу суперництва між США та СРСР. Ракетникам у 1950-1970-х були доступні неймовірні бюджети. Більш того, мрійники та провидці типу Жюля Верна, Костянтина Ціолковського та Джина Родденберрі розбурхали уяву публіки й підготували підтримку космічних програм. Після катастрофи Columbia в 2003 році, інтерес людей у ​​витрачанні грошей платників податків на програми, що перевищують свої бюджети, природно, спав. Проте, успіхи відповідних компаній, їх активна конкуренція і фантастичні цілі колонізувати Марс знову надихають молоде покоління. Це, з рештою, повертає приголомшливий час для ракетобудування.