V_b0 = (gI_sp ln [W/w]) – (V_Lg + V_Ld + V_Lt),

где V_Lg, V_Ld и V_Lt – потери скорости (определяемые из дополнительных уравнений), связанные с силой тяжести, сопротивлением атмосферы и меньшей силы тяги в атмосфере.

(29.83 Кб)

Как видно из этой формулы, для повышения конечной скорости ракеты необходимо: 1) увеличивать относительную начальную массу (W/w) за счет облегчения конструкции; 2) увеличивать удельный импульс за счет применения более высокоэнергетического топлива; 3) снижать лобовое сопротивление за счет улучшения обтекания и уменьшения размеров ракеты. Однако из-за того, что полетное задание ракеты (особенно космической) изменяется от полета к полету, а в процессе полета внешние условия непрерывно изменяются, при проектировании ракеты приходится идти на компромиссы.

(13.63 Кб)

Если большую ракету сделать одноступенчатой, то по мере расходования топлива все бльшую ненужную массу – освободившуюся часть топливных баков – придется перемещать вместе с ракетой. Это приводит к уменьшению эффективной полезной нагрузки, которую может нести ракета. Идеальной была бы ракета, в которой ненужная часть баков использовалась бы в качестве топлива. Однако при используемых в настоящее время материалах и двигателях этот идеал неосуществим на практике, и поэтому конструкторы пошли по пути создания большой ракеты в виде объединения нескольких отдельных ступеней, каждая со своей двигательной установкой, системой управления и другими обеспечивающими системами. Каждая ступень оптимизирована для соответствующего участка траектории полета ракеты и сбрасывается после полного выгорания топлива. (Например, мощная и тяжелая первая ступень может быть использована в качестве ускорителя для подъема ракеты в плотных слоях атмосферы.) Разработка таких конструкций требует сложных математических расчетов и высокого технического уровня исполнения замысла. Часто на выбор конструкции влияет наличие уже готовых ступеней, применение которых может оказаться дешевле, чем разработка новых более совершенных ступеней.

Компоновка ступеней может быть последовательной, параллельной или комбинированной. При последовательной компоновке каждая ступень запускается, работает и отделяется прежде, чем начнет работать другая. Большинство космических и военных ракет-носителей представляют собой двух- или трехступенчатые ракеты последовательной компоновки. Космическая ракета «Сатурн-5» (использовалась с 1967 по 1973) и баллистическая ракета «Титан II» представляют собой примеры такой компоновки. При параллельной компоновке две или более ступеней запускаются и работают одновременно. Параллельная компоновка часто применяется для ускорителей, которые создают дополнительную тягу при движении ракеты в плотных слоях атмосферы. Носители американского «Шаттла» и российского «Союза» представляют собой пример параллельной компоновки, в которой ускорители и двигатели основной ступени работают одновременно в течение первых нескольких минут полета, после чего ускорители сбрасываются, а основная ступень выходит на орбиту. Уникальная полутораступенчатая компоновка использовалась в американской ракете «Атлас» (она создавалась как баллистическая ракета, а теперь применяется для космических запусков), которая имеет два ускорителя (сбрасываемые через несколько минут после старта) и один маршевый двигатель, которые питаются из общих топливных баков.

(32.55 Кб)

Конструкторы космической техники долгое время пытались разработать одноступенчатый космический носитель (SSTO), который имел бы достаточный суммарный импульс тяги для вывода на орбиту полезной нагрузки. Однако из-за того, что такая ракета должна иметь очень эффективный двигатель и малую массу конструкции, одноступенчатый носитель не удавалось разработать до начала 1990-х годов, когда эксперименты с ракетой DC-X («Дельта Клипер», экспериментальная), в конструкции которой использованы легкие сплавы, композиционные материалы и высокосовершенная электроника, показали, что такая конструкция в принципе возможна.

назад   дальше