Używanie rakiety. Odkrycia naukowe, które zabrały nas w kosmos: Rakiety

Zasada napędu odrzutowego jest szeroko stosowana praktyczne użycie w lotnictwie i astronautyce. W przestrzeni kosmicznej nie ma ośrodka, z którym ciało mogłoby oddziaływać i w ten sposób zmieniać kierunek i wielkość swojej prędkości. Dlatego też do lotów kosmicznych można używać wyłącznie samolotów odrzutowych, czyli tzw. rakiety.

Kto wynalazł rakietę?

Rakieta znana jest od dawna. Oczywiście pojawił się wiele wieków temu na Wschodzie, być może w Starożytne Chiny- miejsce narodzin prochu. Rakiety (patrz poniżej) były używane podczas festiwali ludowych, pokazywano sztuczne ognie, ogniste deszcze, fontanny i zapalano koła na niebie.

Starożytna chińska rakieta:

1 - prowadnica lufy;

2 - ładunek prochowy;

3 - zwitek;

4 - rakieta;

5 - ładunek prochu rakietowego.

Rakiety były używane w sprawach wojskowych. Przez długi czas rakieta była zarówno bronią, jak i zabawką. Za Piotra I stworzono i wykorzystano jednofuntową flarę sygnalizacyjną modelu z 1717 r. (patrz poniżej), która służyła do koniec XIX wiek. Wzniósł się na wysokość do \(1\) kilometra.

Niektórzy wynalazcy proponowali wykorzystanie rakiety w lotnictwie. Nauczywszy się wspinać balony, ludzie byli bezradni w powietrzu. Pierwszą osobą, która zaproponowała wykorzystanie rakiety jako środka transportu, był rosyjski wynalazca, rewolucjonista Nikołaj Iwanowicz Kibalczicz, skazany na egzekucję za zamach na cara.

Dziesięć dni przed śmiercią w Twierdzy Piotra i Pawła zakończył prace nad swoim wynalazkiem i przekazał prawnikowi nie prośbę o ułaskawienie czy skargę, ale „Projekt przyrządu lotniczego” (rysunki i obliczenia matematyczne rakiety). Wierzył, że to rakieta otworzy człowiekowi drogę do nieba.

O swoim aparacie (patrz wyżej) napisał: „Jeśli butlę ustawimy zamkniętą dolną częścią do góry, to przy znanym ciśnieniu gazu... butla powinna unieść się do góry”.

Jaka siła ma zastosowanie w lotnictwie? - N.I. zadaje pytanie. Kibalchich odpowiada. - Taką siłą moim zdaniem są materiały wybuchowe wolno palące się... Energię gazów powstających podczas zapłonu materiałów wybuchowych można zastosować do jakiejkolwiek długotrwałej pracy tylko pod warunkiem, że ogromna energia powstająca podczas zapalenie materiałów wybuchowych nie nastąpi natychmiast, ale w mniej lub bardziej długim okresie czasu. Jeśli weźmiemy funt granulowanego prochu, który wybucha natychmiast po zapaleniu, i sprasujemy go pod wysokim ciśnieniem w kształt cylindra, zobaczymy, że spalanie nie obejmie cylindra natychmiast, ale będzie rozprzestrzeniać się raczej powoli z jednego końca w drugą i z określoną prędkością... Na tym Konstrukcja rakiet bojowych opiera się na właściwościach prasowanego prochu.

Wynalazca ma tutaj na myśli starożytny (po pierwsze połowa XIX wieku wiek) rakiety, które rzucały 50-kilogramowe bomby na odległość \(2-3\) kilometrów z ładunkiem \(20\) kg. NI Kibalchich dość jasno i całkowicie poprawnie wyobrażał sobie mechanizm działania rakiety.

Projekt rakiety kosmicznej z silnikiem odrzutowym na ciecz został po raz pierwszy zaproponowany w (1903 r.) przez rosyjskiego naukowca Konstantina Eduardowicza Ciołkowskiego.

Opracował teorię ruchu rakiet kosmicznych i wyprowadził wzór na obliczenie ich prędkości.

Rozważmy kwestię projektowania i uruchamiania tzw. pojazdów nośnych, czyli tzw. rakiety przeznaczone do wystrzeliwania w przestrzeń kosmiczną sztucznych satelitów Ziemi, statków kosmicznych, automatycznych stacji międzyplanetarnych i innych ładunków.

Każda rakieta, niezależnie od jej konstrukcji, zawsze ma powłokę i paliwo z utleniaczem. Powłoka rakiety obejmuje ładunek (w tym przypadku statek kosmiczny), przedział przyrządów i silnik (komorę spalania, pompy itp.).

Główną masą rakiety jest paliwo z utleniaczem (utleniacz jest potrzebny do podtrzymania spalania paliwa, ponieważ w kosmosie nie ma tlenu).

Paliwo i utleniacz dostarczane są do komory spalania za pomocą pomp. Paliwo podczas spalania zamienia się w gaz o wysokiej temperaturze i wysokie ciśnienie, który wypływa na zewnątrz potężnym strumieniem przez specjalnie ukształtowane gniazdo zwane dyszą. Zadaniem dyszy jest zwiększenie prędkości strumienia.

Jaki jest cel zwiększania prędkości wyjściowej strumienia gazu? Faktem jest, że prędkość rakiety zależy od tej prędkości. Można to wykazać korzystając z prawa zachowania pędu.

Ponieważ przed wystrzeleniem pęd rakiety był równy zeru, to zgodnie z prawem zachowania całkowity impuls poruszającej się powłoki i wyrzucanego z niej gazu również powinien być równy zeru. Wynika z tego, że impuls powłoki i impuls strumienia gazu skierowanego przeciwnie do niego muszą być równe pod względem wielkości:

p powłoka = p gaz

m powłoka v powłoka = m gaz v gaz.

v powłoka = m gaz v gaz m powłoka.

Oznacza to, że im szybciej gaz ulatnia się z dyszy lub im mniejsza jest masa pocisku rakietowego, tym większa będzie prędkość pocisku rakietowego.

W praktyce lotów kosmicznych zwykle stosuje się rakiety wielostopniowe, które znacznie się rozwijają duże prędkości i przeznaczone do lotów dłuższych niż loty jednostopniowe.

Trudno sobie wyobrazić, jak zmieni się nasz świat, jeśli przyjdą do niego tanie starty kosmiczne. Bazy na innych planetach i satelitach, turystyka kosmiczna, fabryki orbitalne i wiele więcej staną się nie tylko rzeczywistością, ale codziennością. Obniżenie kosztów transportu ładunku poza naszą kolebkę jest obecnie głównym celem całej astronautyki. Zwracam uwagę na przegląd najpopularniejszych projektów wystrzeliwania ładunków metodami innymi niż rakietowe.

Kosmiczna winda

Musi to być najpopularniejsza i najczęściej powielana w mediach metoda. Winda kosmiczna to lina rozciągnięta z powierzchni Ziemi i rozciągająca się od niej na odległość 144 000 km w przestrzeń kosmiczną.
Baza to miejsce na powierzchni planety, w którym mocuje się kabel i rozpoczyna się podnoszenie ładunku. Może być ruchomy (na przykład umieszczony na statek oceaniczny) i nie jest mobilny. Zaleta ruchomej podstawy jest dość oczywista - można uniknąć huraganów i burz, które mogą uszkodzić kabel.

Kabel Jest to bardzo cienka nić (oczywiście w stosunku do swojej długości) wykonana z ultrawytrzymałego materiału, przeprowadzona poza orbitę geostacjonarną i utrzymywana w tej pozycji dzięki sile odśrodkowej. Obecnie nie jest możliwe stworzenie takiego materiału, ale według teorii takim materiałem mogłyby stać się nanorurki węglowe. Niestety, do ich produkcji na skalę przemysłową jeszcze bardzo daleko. Wytrzymałość liny kosmicznej powinna być rzędu 65-120 gigapaskali, w zależności od wzrostu (dla porównania wytrzymałość stali nie przekracza 1 GPa).

Przeciwwaga służy do zapewnienia, że ​​kabel będzie zawsze w stanie naprężenia. Mogą służyć jako dowolny masywny obiekt, czy to asteroida, czy baza kosmiczna (co jest bardziej atrakcyjne). Przeciwwaga znajduje się znacznie powyżej orbity geostacjonarnej, dlatego jeśli kabel się zepsuje, może równie dobrze polecieć na orbitę bliską Słońca. Jeżeli więc mają pełnić funkcję stacji kosmicznej, to musi być wyposażona we własny układ napędowy.

Ładunki na orbitę wywożone są specjalną windą (a może nawet kilkoma), a według obliczeń naukowców podróż od końca do końca powinna zająć około 7 dni. Oczywiście nie szybko, ale bardzo tanio. Przecież to znacznie szybciej niż wystrzelenie rakietami, których przygotowanie zajmuje wiele miesięcy. Oczywiście projekt tej skali musi mieć charakter międzynarodowy, bo żadne państwo nie poradzi sobie z nim samotnie. A to z kolei rodzi szereg problemów i pytań. Po pierwsze, na jakim terytorium powinna zostać umieszczona taka konstrukcja? Rzeczywiście, ze względu na jego gigantyczne rozmiary, nie da się uniknąć naruszenia przestrzeni powietrznej kilku państw. Po drugie, winda kosmiczna musi być chroniona przed atakami terrorystycznymi i konfliktami zbrojnymi.

Plusy:

• Względna taniość dostarczenia ładunku na orbitę geostacjonarną
• Znaczące oszczędności przy wystrzeliwaniu międzyplanetarnego statku kosmicznego
• Możliwość realizacji niedrogich wycieczek kosmicznych
• W przeciwieństwie do rakiet, do atmosfery nie są uwalniane żadne toksyczne substancje

Wady:

• Złożoność wdrożenia
• Wysokie koszty budowy
• Konieczność rozwiązania wielu kwestii prawnych i regulacyjnych

A kabel musi być wykonany z super mocnego materiału, którego niestety obecnie nie ma.

Najodpowiedniejszym i najbliższym do stworzenia materiałem są nanorurki węglowe, jednak postęp w ich produkcji pozostawia wiele do życzenia. Co więcej, nie jest to najwięcej szybki sposób dostać się na orbitę.

Nadmuchiwana winda do wysłania w kosmos

Kanadyjska firma Thoth Technology zdecydowała się pójść mniej ambitną drogą. Wysokość wieży, na którą patent został wydany w Stanach Zjednoczonych 21 lipca 2015 roku, wyniesie 20 kilometrów, a średnica wyniesie około 230 metrów.

Wieża będzie wyposażona w jeden lub więcej pokładów, z których będzie można wystrzelić satelity z ładunkiem. 20 kilometrów może nie brzmieć tak imponująco jak 36 tysięcy kilometrów, ale Wieża Thotha i tak byłaby 20 razy wyższa niż jakakolwiek inna konstrukcja wzniesiona przez człowieka obecnie stojąca na Ziemi. Ponadto będzie na tyle wysoki, że pozwoli obniżyć koszty startów kosmicznych o około jedną trzecią.

Kanadyjscy inżynierowie proponują wykonanie wieży ze wzmocnionych sekcji nadmuchiwanych z wewnętrzną windą.

Gigantyczna nadmuchiwana wieża nie powinna kołysać się na wietrze, ale sama konstrukcja będzie zbyt wysoka, aby można było używać odciągów. Z tego powodu eksperci sugerują zastosowanie układu kół zamachowych, które zapewnią stabilność dynamiczną i będą działać jak kompresory konstrukcji. Koła zamachowe będą w stanie regulować ciśnienie i obrót, kompensować wszelkie wygięcia wieży i utrzymywać ją w stałym stanie przez cały czas.

Patent zakłada także, że winda nie będzie poruszać się po linach (dwukilometrowa lina nie byłaby w stanie utrzymać własnego ciężaru bez odkształcenia). Ładunek będzie dostarczany do góry albo za pomocą rurki pneumatycznej, dzięki wprowadzonemu ciśnieniu, albo z zewnątrz za pomocą urządzeń przypominających pająki mechaniczne.

Głównym celem wieży Thota będzie wystrzelenie statku kosmicznego ze szczytu wieży. Będzie pełnić funkcję platformy startowej i zastąpi pierwszy stopień rakiety nośnej. Może być również używany do lądowania i tankowania.

Skyhook to obracający się satelita znajdujący się na niskiej orbicie okołoziemskiej, od którego odchodzą dwa dość długie kable przeciwne strony. Satelita musi obracać się w płaszczyźnie swojej orbity, aby przy każdym obrocie kable stykały się z górnymi granicami atmosfery.

Prędkość obrotowa konstrukcji będzie częściowo lub całkowicie kompensować prędkość orbitalną. Ogólnie rzecz biorąc, Skyhook przypomina gigantyczny diabelski młyn z dwoma szprychami po bokach, który toczy się po powierzchni ziemi z prędkością orbitalną. Kabel Skyhook można wykorzystać do podwieszenia ładunków z samolotów hipersonicznych lub balonów stratosferycznych. Jednocześnie cała konstrukcja Skyhook działa jak gigantyczne koło zamachowe – akumulator momentu obrotowego i energii kinetycznej.

Uruchom pętlę

Pętla startowa lub pętla Lofstroma to projekt systemu transportu kablowego przeznaczonego do wystrzeliwania ładunku na niską orbitę okołoziemską. Projekt opiera się na kablu poruszającym się w sposób ciągły z ogromną prędkością (12-14 km/s) wewnątrz lampy próżniowej. Aby przewód nie stykał się ze ściankami rury, są one oddzielone od siebie zawieszeniem magnetycznym.

Sekcja akceleratora pętli kosmicznej (kabel powrotny nie jest pokazany).

Ogólnie rzecz biorąc, urządzenie to jest ogromną konstrukcją o długości około 2000 km, a sama pętla musi wznieść się na wysokość nawet 80 km i tam utrzymać ze względu na moment bezwładności obracającego się kabla. Obracanie liny zasadniczo przenosi ciężar całej konstrukcji na parę łożysk magnetycznych, które ją podtrzymują, po jednym na każdym końcu. Zaletą tego systemu jest to, że może on wspierać kosmiczne starty turystyczne, zapewniając jednocześnie stosunkowo niewielki poziom siły przeciążenia wynoszący 3 g.

Zalety

Oczekuje się, że pętla startowa zapewni dużą liczbę startów (kilka startów na godzinę, niezależnie od pogody), a system ten praktycznie nie powoduje zanieczyszczeń środowisko. Podczas startów rakiet powstają zanieczyszczenia w postaci azotanów ze względu na wysoką temperaturę gazów spalinowych, a w zależności od rodzaju paliwa mogą wydzielać się gazy cieplarniane. Pętla rozruchowa, jako rodzaj elektrowni, jest przyjazna dla środowiska, może pracować z dowolnego źródła energii: geotermalnej, jądrowej, słonecznej, wiatrowej lub dowolnego innego, nawet przerywanego typu, ponieważ system ma wbudowany ogromny magazyn energii urządzenie.

w odróżnieniu kosmiczna winda, który musi przejść przez pas promieniowania przez kilka dni, pasażerowie pętli startowej mogą zostać wystrzeleni na niską orbitę okołoziemską, znajdującą się poniżej pasa promieniowania, lub przez niego w ciągu kilku godzin. Sytuacja ta przypomina tę, z którą borykali się astronauci programu Apollo, dla których dawki promieniowania były 200 razy niższe, niż mogła zapewnić winda kosmiczna.

W przeciwieństwie do windy kosmicznej, której na całej długości grozi ryzyko zderzenia ze śmieciami kosmicznymi i meteorytami, pętla startowa znajduje się na wysokościach, na których orbity są niestabilne ze względu na opór powietrza. Kosmiczne śmieci nie pozostają tam długo, a ryzyko, że zderzą się z instalacją jest niewielkie. Chociaż żywotność windy kosmicznej jest rzędu kilku lat, uszkodzenie lub zniszczenie pętli startowej jest stosunkowo rzadkie. Dodatkowo sama pętla wyzwalacza nie jest znaczącym źródłem śmieci kosmiczne nawet w razie wypadku. Wszystkie jego możliwe fragmenty będą miały perygeum, przecinające się z atmosferą, lub ich prędkości będą mniejsze od pierwszej prędkości kosmicznej.

Pętla startowa jest przeznaczona do transportu ludzi, ponieważ ma maksymalne przyspieszenie 3 g, które jest bezpieczne i które obsługuje zdecydowana większość ludzi. Ponadto zapewnia znacznie szybszy sposób dotarcia w przestrzeń kosmiczną niż kosmiczna winda.

Pętla startowa będzie działać cicho i, w przeciwieństwie do rakiet, nie będzie powodować żadnego hałasu.

Wreszcie niski koszt wyniesienia ładunku na orbitę sprawia, że ​​nadaje się on nawet do kolonizacji kosmosu.

Trudności

Nieskręcona pętla zgromadzi ogromną ilość energii w postaci pędu. Ponieważ system maglev będzie miał dużą redundancję, awaria na małym obszarze nie będzie miała wpływu na funkcjonalność systemu. Jeżeli jednak nastąpi znaczne zniszczenie konstrukcji, uwolniona zostanie cała zgromadzona energia (1,5 petadżuli), co jest równoznaczne z eksplozją bomby atomowej o mocy 350 kiloton (choć bez emisji promieniowania). Chociaż jest to ogromna ilość energii, jest mało prawdopodobne, że cała konstrukcja ulegnie zniszczeniu ze względu na jej bardzo duże rozmiary, a także dlatego, że w przypadku wykrycia usterki większość energia będzie kierowana w specjalnie do tego wyznaczone miejsce. Konieczne może być podjęcie działań w celu opuszczenia liny z wysokości 80 km przy minimalnych uszkodzeniach, na przykład zapewnienie spadochronów. Dlatego ze względów bezpieczeństwa i astrodynamicznych pętla startowa będzie musiała zostać zainstalowana nad oceanem w pobliżu równika, z dala od obszarów zaludnionych.

Opublikowany projekt pętli startowej wymaga elektronicznej kontroli lewitacji magnetycznej, aby zminimalizować rozpraszanie mocy i ustabilizować tłumienie kabla spowodowane innymi przyczynami. Niestabilność będzie występować przede wszystkim w sekcjach obrotowych, a także w kablu.

Sekcje obrotowe są potencjalnie niestabilne, ponieważ odsunięcie wirnika od magnesów powoduje zmniejszenie przyciągania magnetycznego, podczas gdy przesuwanie się w kierunku magnesów powoduje wzrost przyciągania. W każdym razie pojawia się niestabilność. Problem ten rozwiązano za pomocą serwomechanizmów sterujących, które kontrolują siłę magnesów. Chociaż niezawodność serwomechanizmów jest słaba wysoka prędkość obrót wirnika jest przedmiotem badań, aby unieruchomić wirnik w przypadku awarii systemu, wiele seryjnych sekcji serwomechanizmów zostanie utraconych.

Odcinki kabla również podzielą ten potencjalny los, chociaż siła jest znacznie mniejsza. Istnieje jednak jeszcze inna potencjalna niestabilność, polegająca na tym, że kabel/osłona/wirnik może ulegać meandrowaniu (jak obwód lariatowy), a amplituda tego procesu może wzrastać bez ograniczeń (rezonans). Lofstrom uważa, że ​​tę niestabilność można również kontrolować w czasie rzeczywistym za pomocą serwomechanizmów, choć nikt jeszcze tego nie zrobił.

Aby utrzymać podciśnienie w systemie na akceptowalnym poziomie, będziesz potrzebować wielu pomp próżniowych rozmieszczonych równomiernie na całej długości (tj. również na wysokości 80 kilometrów), stale pracujących w celu pompowania w celu kompensacji wycieków.

Trudność polega na uzyskaniu niezbędnej energii elektrycznej na środku oceanu.

Problemy

• Suborbitalne loty kosmiczne rozpoczynają się na wysokości około 100 km, natomiast już na wysokości 30 km spadek gęstości powietrza neguje zalety aerodynamiczne skrzydła, a do dalszego zwiększenia wysokości potrzebna jest technologia rakietowa.
• Skalowalność jest trudna - rakiety wystrzeliwujące na orbitę co najmniej 2 tony ważą 100-200 ton, czyli blisko limitu udźwigu istniejących samolotów: An-124 unosi 120 ton, An-225 - 247 ton.
• Problemy z wytrzymałością konstrukcyjną ładunku i rakiety nośnej - satelity są często projektowane tak, aby wytrzymywały jedynie przeciążenia osiowe, a nawet montaż poziomy (gdy satelita leży „na boku”) jest dla nich nie do przyjęcia.
• Konieczność opracowania potężnych silników hipersonicznych. Ponieważ skuteczny nośnik jest szybkim nośnikiem, konwencjonalne silniki turboodrzutowe nie nadają się do tego celu.

Przy obecnym poziomie rozwoju technologii systemy lotnicze i kosmiczne mogą stać się skutecznym sposobem dostarczania ładunków na orbitę, ale tylko pod warunkiem, że ładunki te będą małe (około pięciu ton), a nośnik będzie hiperdźwiękowy.

StarTram, działo orbitalne (działo Gaussa), katapulta elektromagnetyczna i sanie rakietowe.

Wszystkie te pomysły przypominają ideę wystrzeliwania obiektów poprzez strzelanie z ogromnej armaty, którą rozważali pisarze science fiction już w XIX wieku. Z biegiem czasu koncepcja została udoskonalona i do dziś jest uważana przez teoretyków za możliwą metodę dostarczenia na orbitę. Istotą tej metody nierakietowego startu jest „wystrzelenie” urządzenia poprzez przyspieszenie elektromagnetyczne, nadając mu odpowiednią prędkość, a po dotarciu na orbitę zużywa minimalną ilość przewożonego paliwa, będąc w stanie unieść maksimum ładunku.

StarTram proponuje rozpędzić statek bezzałogowy z przeciążeniem 30 g przez tunel o długości 130 km, na końcu którego znajduje się okno plazmowe zapobiegające przedostawaniu się powietrza do tunelu. Idealnie byłoby, gdyby okno znajdowało się na szczyt górski wysokość 6000 km, gdzie start odbędzie się pod kątem 10 stopni z prędkością 8,78 km/s. Możesz także uzyskać premię z obrotu Ziemi w postaci dodatkowej prędkości, jeśli „strzelisz” na wschód, co rekompensuje straty spowodowane przejściem atmosfery.

Sam projekt będzie przypominał ogromną broń artyleryjską, której długość lufy może sięgać kilku kilometrów lub być umieszczona głęboko pod powierzchnią na zasadzie silosu rakietowego.

Teoretycznie taka konstrukcja pozwoli na rozpędzenie pocisku do pierwszej prędkości kosmicznej (ok. 8 km/s) potrzebnej do wprowadzenia na orbitę stacjonarną, jednak przeciążenia osiągane przy takim przyspieszeniu będą ogromne, rzędu 100g, i opór powietrza w dolnych warstwach atmosfery będą wymagały wytrzymałych, żaroodpornych materiałów na pocisk „pocisk”, dlatego rozsądne byłoby stosowanie tej metody wystrzeliwania wyłącznie w przypadku ładunku.

Samo działo kosmiczne nie nadaje się do wystrzeliwania ładunku na stabilną orbitę wokół Ziemi. Prawa fizyki nie pozwalają na osiągnięcie stabilnej orbity bez korekty lotu po starcie. Trajektoria startu może być paraboliczna, hiperboliczna lub eliptyczna (po osiągnięciu pierwszej prędkości ucieczki).

Ten ostatni kończy się na powierzchni Ziemi w punkcie startu (plus lub minus obrót planety i opór atmosferyczny). Oznacza to, że bez regulacji trajektoria balistyczna zawsze zakończy się spadkiem na planetę w obrębie pierwszej orbity, pod warunkiem, że wystrzelenie nastąpi z pierwszą prędkością ucieczki. Po wystrzeleniu z drugą prędkością ucieczki pocisk wchodzi na orbitę wokół Słońca, która przecina się z orbitą Ziemi, jednakże orbita ta na skutek zakłóceń z innych planet może się zmienić i nie przecinać się już z orbitą Ziemi. Dlatego wystrzeliwanie z broni kosmicznej jest możliwe tylko w przypadku urządzeń wyposażonych w własne silniki do korekty, a one również potrzebują poważnej ochrony termicznej, aby przejść przez atmosferę.

Ale na przykład na Księżycu, gdzie nie ma atmosfery, konstrukcja armaty może być optymalna.

Laserowe systemy napędowe

Laser układy napędowe może przekazać impuls statku kosmicznego za pomocą dwóch różne sposoby. Pierwszy sposób polega na wykorzystaniu ciśnienia fotonów, przekazującego pęd podobnie jak żagle słoneczne i laserowe. Druga metoda wykorzystuje laser do podgrzewania płynu roboczego statku kosmicznego, podobnie jak w konwencjonalnej rakiecie.

Przykładowo do wystrzelenia satelity o masie 100 kg potrzebny jest laser o mocy co najmniej 1 MW. Obecnie ustalono, że do powyższych celów najskuteczniej można zastosować laser gazowo-dynamiczny. W tym przypadku technologia laserowa krzyżuje się znacząco z technologią tworzenia nowoczesnych rakiet, która na przestrzeni ostatnich 50 lat została już dość dobrze rozwinięta, co pozwala stawiać podobne zadania. Dodatkowo laser musi pracować w trybie impulsowo-okresowym z dużą częstotliwością powtarzania krótkich impulsów, aby wyeliminować proces ekranowania przychodzącego promieniowania laserowego przez plazmę powstającą podczas pracy silnika, a także zwiększyć jego wydajność pracy. Zdaniem ekspertów krajowych i zagranicznych takie laserowe silniki odrzutowe mogą znaleźć zastosowanie w tanich jednostopniowych pojazdach nośnych dla nanomikro- i minisatelitów.

Kosmiczna fontanna

Koncepcja ta została po raz pierwszy wprowadzona dzięki wspólnym wysiłkom Roberta L. Forwarda, Marvina Minsky'ego, Johna McCarthy'ego, Hansa Moraveca, Rodericka Hyde'a i Lowella Wooda. Wiele informacji na jej temat można znaleźć w książce Roberta L. Forwarda Indistinguishable From Magic.

W przeciwieństwie do oryginalnego projektu kosmicznej windy, fontanna jest niezwykle wysoką wieżą, ponieważ wysoka wieża nie jest w stanie utrzymać swojego ciężaru przy użyciu tradycyjnych materiałów, planuje się, że ciężar ten zostanie utrzymany w następujący sposób: wnętrze wieży będzie puste, wewnątrz tej wnęki znajduje się specjalna ziarnista substancja. Substancja ta po przekazaniu jej energii kinetycznej szybko przesuwa się w górę od dołu wieży i przekazuje tę energię do jej górnej części, po czym pod wpływem grawitacji opada z powrotem, co zapobiegnie upadkowi wieży.

Kosmiczna fontanna wykorzystuje ciągły strumień przyspieszanych elektromagnetycznie granulek metalu do dostarczania ładunku na ekstremalne wysokości, korzystając z tej samej podstawowej fizyki, co zwykła fontanna utrzymująca plastikową kulkę na pionowym strumieniu wody.

Miliony małych granulek metalu zostaną wypuszczone do stacji „deflektora” znajdującej się wysoko nad ziemią, która użyje pola magnetycznego do wychwytywania granulek, wysyłania ich po krzywiźnie za pomocą akceleratora elektromagnetycznego i powrotu na ziemię. Stacja naziemna z kolei będzie używać magnetycznej „łyżki” do łapania kulek i wyrzucania ich po łuku z powrotem do stacji za pomocą potężnego akceleratora elektromagnetycznego, a wszystko to w jednym ciągłym cyklu. Nacisk wywierany na pola magnetyczne czerpaka i zakrzywionego przyspieszacza przez ciągły przepływ granulek utrzyma całą konstrukcję w powietrzu.

Kluczem do zrozumienia kosmicznej fontanny jest to, że wykorzystuje ona ciągły strumień granulek do ciągłego dociskania stacji i podnoszenia jej. Przypomnijmy analogię z fontanną, tak może ona utrzymać kulę zawieszoną w strumieniu wody poprzez ciągłą recyrkulację wody: woda opadająca z powrotem do fontanny jest zasysana do ujęć wody i ponownie wprowadzana do strumienia wody i tak w nieskończoność. To samo z metalowym „strumieniem” kosmicznej fontanny.

Dodatkowo ważne jest, aby zrozumieć, że pellet i stacja nigdy nie będą miały kontaktu fizycznego. Pola magnetyczne czerpaka i zakrzywionego akceleratora działają jak swego rodzaju bufor, zapobiegając uszkodzeniom spowodowanym przez pellet pędzący w kierunku stacji z prędkością 4 km/s. Jednakże granulki wywierają nacisk na pola magnetyczne, gdy przez nie przechodzą, a siła ta jest z kolei przenoszona na stację, utrzymując ją w powietrzu.

Dzięki tej technologii fontanna mogłaby podnieść w pełni wyposażoną stację kosmiczną o wadze 40 ton lub więcej na dowolną wysokość, nawet wysokość windy kosmicznej (40 000 km). Jednak im większa wysokość, tym więcej energii potrzeba (więcej na ten temat poniżej). Utrzymanie kosmicznej fontanny o wysokości około 2000 km wymaga stałej energii porównywalnej ze zużyciem współczesnego miasta.

Jednak jedną z zalet fontanny jest to, że po uruchomieniu systemu energia potrzebna do jej utrzymania będzie znacznie mniejsza niż energia potrzebna do jej uruchomienia. Utrata pędu spowodowana grawitacją podczas startu strumienia granulek zostanie dokładnie zrównoważona przez przyrost pędu wynikający z grawitacji, gdy strumień opada do stacji naziemnej, a ogólny pęd układu nigdy się nie zmienia. Entropia oznacza, że ​​z czasem część energii zostanie ostatecznie utracona, ale można to łatwo zrekompensować elektrowniami pomocniczymi, które dostarczają niewielką część energii potrzebnej do początkowego uruchomienia systemu. Dzięki temu nawet w przypadku przerwy w dostawie prądu fontanna będzie przez jakiś czas działać normalnie. W przypadku stacji napowietrznych znajdujących się na wysokości ponad 1000 km może to zająć nawet kilka godzin.

Kolejną zaletą fontanny kosmicznej jest to, że system można zbudować od podstaw. Stację naziemną i deflektor stacji wraz ze wzmacniaczami można w całości zbudować na ziemi, a stacja będzie osadzona na stacji naziemnej z wyrównanymi wzmacniaczami. Wtedy siła przepływu granulek powoli, ale ostatecznie podniesie stację, najpierw o kilka centymetrów, potem o kilkaset metrów i tak dalej kilometr za kilometrem. Proces można zawiesić na dowolnej wysokości od kilku centymetrów do kilku tysięcy metrów na czas nieokreślony, co pozwala na wykonanie kalibracji Konserwacja, nowe budownictwo itp.

Źródło zasilania fontanny można również wykorzystać do podparcia na całej długości konstrukcji bocznych, takich jak windy lub ściany. Akceleratory/zwalniacze elektromagnetyczne można budować pionowo wzdłuż „strumienia” granulek, dzięki czemu fontanna może powoli budować się w oparciu o siłę granulek. Ponieważ sekcje ścian (i jakakolwiek konstrukcja wewnętrzna) mogą utrzymać się w powietrzu dzięki przepływającemu przez nie wewnętrznemu przepływowi, nie będą one narażone na przeciążenia, jak w przypadku normalnych budynków o wysokości setek lub tysięcy kilometrów.

Tym samym z fontann kosmicznych można tworzyć naprawdę gigantyczne budynki i wieże. I w przeciwieństwie do windy kosmicznej, fontanna kosmiczna nie wymaga do budowy żadnych niezwykle drogich lub obecnie nieistniejących materiałów. Do jego budowy nadają się nowoczesne stopy i materiały kompozytowe.

Najbardziej oczywistym zastosowaniem takiej superwysokiej konstrukcji byłby oczywiście bezrakietowy start w przestrzeń kosmiczną. Na ścianach zewnętrznych można zainstalować akceleratory elektromagnetyczne, aby „wystrzeliwać” ładunki na orbitę. Fontanna wysoka na około 40 km wystarczyłaby, aby wynieść pasażerów na orbitę z przyspieszeniem mniejszym niż 3 g, a fontanna wysoka na 100 km lub większa mogłaby po prostu wyrzucić ładunek bezpośrednio na orbitę, nie przekraczając nawet 1 g.

Wieżę fontannową można również wykorzystać jako ogromną arkologię, ośrodek badawczy, ośrodek przemysłowy itp. Fontanna o wysokości 100 km i szerokości 100 m będzie miała objętość około 7,85 km sześciennych. Projektanci i architekci mogą wykorzystać tę przestrzeń do dowolnego celu. Możliwe są jednak również szersze i bardziej przestronne wieże.

Zalety w porównaniu z windą kosmiczną

• Fontannę kosmiczną można zbudować wykorzystując obecnie dostępne technologie. Nie wymaga egzotycznych materiałów (takich jak nanorurki), w przeciwieństwie do windy kosmicznej.
• Kosmiczną fontannę można zbudować z Ziemi, a nie z GEO, jak ma to miejsce w przypadku kosmicznej windy.
• Fontannę kosmiczną można zbudować w dowolnym miejscu na Ziemi, nie tylko na równiku.
• Fontannę kosmiczną można zbudować na ciałach niebieskich o bardzo małej prędkości obrotowej, np.: Księżycu, Wenus.
• Prawdopodobieństwo uderzenia kosmicznych śmieci w Fontannę Kosmiczną jest mniejsze ze względu na jej mniejszy rozmiar niż Winda Kosmiczna.

Wady w porównaniu do windy kosmicznej

Jego główną wadą jest to, że jest to struktura aktywna i dlatego wymaga stałej energii.

Widzimy więc, że dziś żadna z przedstawionych metod jest nieosiągalna, co wynika z niewypłacalności gospodarki oraz braku niezbędnych technologii i materiałów. Jednak konieczność wydobycia nowych zasobów, rozwoju planet i satelitów prędzej czy później zmusi nas do uznania przedstawionych powyżej metod nie za wynalazki pisarzy i teoretyków science fiction, ale jako realną i konieczną alternatywę dla istniejącego wystrzelenia rakiety Dzisiaj.

Niech loty w kosmos od dawna są powszechną rzeczą. Ale czy wiesz wszystko o kosmicznych pojazdach nośnych? Rozbierzmy to kawałek po kawałku i zobaczmy z czego się składają i jak działają.

Silniki rakietowe

Silniki są najważniejsze część pojazd startowy. Tworzą siłę trakcyjną, która wyrzuca rakietę w przestrzeń kosmiczną. Ale jeśli chodzi o silniki rakietowe, nie należy pamiętać o tych, które znajdują się pod maską samochodu lub np. obracają łopaty wirnika helikoptera. Silniki rakietowe są zupełnie inne.

Działanie silników rakietowych opiera się na trzecim prawie Newtona. Historyczne sformułowanie tego prawa mówi, że na każde działanie zawsze przypada równa i przeciwna reakcja, innymi słowy reakcja. Dlatego te silniki nazywane są silnikami odrzutowymi.

Podczas pracy silnik rakietowy odrzutowy wyrzuca substancję (tzw. płyn roboczy) w jednym kierunku, podczas gdy sam porusza się w kierunku przeciwnym. Aby zrozumieć, jak to się dzieje, nie musisz sam latać rakietą. Najbliższym, „ziemskim” przykładem jest odrzut powstający podczas strzelania z broni palnej. Płynem roboczym jest tu wydobywający się z lufy gaz pociskowy i prochowy. Innym przykładem jest nadmuchany i wypuszczony balon. Jeśli go nie przywiążesz, będzie latał, aż wypuści powietrze. Powietrze jest tutaj płynem roboczym. Mówiąc najprościej, płynem roboczym w silniku rakietowym są produkty spalania paliwa rakietowego.

Model silnika rakietowego RD-180

Paliwo

Paliwo do silników rakietowych jest zwykle dwuskładnikowe i obejmuje paliwo oraz utleniacz. Pojazd nośny Proton wykorzystuje heptyl (niesymetryczną dimetylohydrazynę) jako paliwo i czterotlenek azotu jako utleniacz. Obydwa składniki są niezwykle toksyczne, ale stanowi to „pamięć” pierwotnego przeznaczenia bojowego pocisku. Międzykontynentalny pocisk balistyczny UR-500, protoplasta Protonu, mający przeznaczenie wojskowe, przed wystrzeleniem musiał przez długi czas znajdować się w stanie gotowości bojowej. Natomiast inne rodzaje paliw nie pozwalały na długotrwałe magazynowanie. Rakiety Sojuz-FG i Sojuz-2 jako paliwo wykorzystują naftę i ciekły tlen. Te same komponenty paliwowe są wykorzystywane w rodzinie pojazdów nośnych Angara, Falcon 9 i obiecującym Falcon Heavy Elona Muska. Para paliwowa japońskiej rakiety nośnej H-IIB (H-to-bee) to ciekły wodór (paliwo) i ciekły tlen (utleniacz). Podobnie jak w rakiecie prywatnej firmy lotniczej Blue Origin, użytej do wyniesienia statku suborbitalnego New Shepard. Ale to wszystko są silniki rakietowe na paliwo ciekłe.

Stosowane są również silniki rakietowe na paliwo stałe, ale z reguły w stopniach rakiet wielostopniowych na paliwo stałe, takich jak akcelerator startowy rakiety nośnej Ariane 5, drugi stopień rakiety nośnej Antares oraz boczne dopalacze rakiety nośnej Prom kosmiczny.

kroki

Ładunek wystrzelony w przestrzeń kosmiczną stanowi jedynie niewielki ułamek masy rakiety. Pojazdy startowe przede wszystkim „transportują” same siebie, czyli swoją własną konstrukcję: zbiorniki paliwa i silniki, a także paliwo potrzebne do ich eksploatacji. Zbiorniki paliwa i silniki rakietowe znajdują się na różnych etapach rakiety i gdy tylko skończy im się paliwo, stają się niepotrzebne. Aby nie przenosić dodatkowego obciążenia, są one oddzielane. Oprócz pełnoprawnych etapów wykorzystywane są także zewnętrzne zbiorniki paliwa, które nie są wyposażone we własne silniki. W trakcie lotu są one również resetowane.

Pierwszy stopień rakiety nośnej Proton-M

Istnieją dwa klasyczne schematy budowy rakiet wielostopniowych: z poprzecznym i wzdłużnym oddzieleniem stopni. W pierwszym przypadku stopnie są umieszczone jeden nad drugim i włączane są dopiero po oddzieleniu poprzedniego, niższego stopnia. W drugim przypadku wokół korpusu drugiego stopnia znajduje się kilka identycznych stopni rakietowych, które są jednocześnie włączane i zrzucane. W takim przypadku silnik drugiego stopnia może również pracować podczas rozruchu. Ale szeroko stosowany jest również łączony schemat wzdłużno-poprzeczny.

Opcje układu rakiety

Rakieta nośna klasy lekkiej Rokot, wystrzelona w lutym tego roku z kosmodromu w Plesetsku, to rakieta trójstopniowa z poprzecznym separacją stopni. Ale rakieta nośna Sojuz-2, wystrzelona z nowego kosmodromu Wostocznyj w kwietniu tego roku, jest trzystopniowa z podziałem wzdłużno-poprzecznym.

Ciekawym projektem dwustopniowej rakiety oddzielonej wzdłużnie jest system Space Shuttle. Na tym polega różnica między amerykańskimi promami a Buranem. Pierwszym etapem systemu promu kosmicznego są boczne dopalacze na paliwo stałe, drugim jest sam wahadłowiec (orbiter) z odłączanym zewnętrznym zbiornikiem paliwa, który ma kształt rakiety. Podczas startu uruchamiają się zarówno wahadłowiec, jak i silniki wspomagające. W systemie Energia-Buran dwustopniowa superciężka rakieta nośna Energia stanowiła samodzielny element i oprócz wyniesienia w przestrzeń kosmiczną Buran MTSC mogła służyć do innych celów, np. do wspomagania automatycznych i załogowych wypraw na Księżyc i Mars.

Blok przyspieszenia

Może się wydawać, że gdy tylko rakieta poleci w kosmos, cel zostanie osiągnięty. Ale nie zawsze tak jest. Docelowa orbita statku kosmicznego lub ładunku może być znacznie wyższa niż linia, od której zaczyna się przestrzeń. Na przykład orbita geostacjonarna, na której znajdują się satelity telekomunikacyjne, znajduje się na wysokości 35 786 km nad poziomem morza. Dlatego potrzebujemy górnego stopnia, który w rzeczywistości jest kolejnym stopniem rakiety. Kosmos zaczyna się już na wysokości 100 km, gdzie zaczyna się stan nieważkości, co stanowi poważny problem dla konwencjonalnych silników rakietowych.

Jeden z głównych „koników roboczych” rosyjskiej kosmonautyki, rakieta nośna Proton w połączeniu z górnym stopniem Breeze-M, zapewnia wypuszczenie na orbitę geostacjonarną ładunków o masie do 3,3 tony. Jednak początkowo wystrzelenie odbywa się na niską orbitę referencyjną ( 200 km). Chociaż górny stopień nazywany jest jednym ze stopni statku, różni się od zwykłego stopnia w jego silnikach.

Pojazd nośny Proton-M z górnym stopniem Breeze-M w montażu

Aby przenieść statek kosmiczny lub pojazd na orbitę docelową lub skierować go na trajektorię odlotową lub międzyplanetarną, górny stopień musi być w stanie wykonać jeden lub więcej manewrów zmieniających prędkość lotu. W tym celu za każdym razem należy włączać silnik. Ponadto w okresach pomiędzy manewrami silnik jest wyłączony. Dzięki temu silnik górnego stopnia można wielokrotnie włączać i wyłączać, w przeciwieństwie do silników innych stopni rakietowych. Wyjątkiem są wielokrotnego użytku Falcon 9 i New Shepard, których silniki pierwszego stopnia służą do hamowania podczas lądowania na Ziemi.

Ładunek

Rakiety istnieją po to, aby wystrzelić coś w przestrzeń kosmiczną. W szczególności statki kosmiczne i statki kosmiczne. W kosmonautyce krajowej są to transportowe statki towarowe Progress i załogowy statek kosmiczny Sojuz wysłany na ISS. Ze statku kosmicznego w tym roku amerykański statek kosmiczny Intelsat DLA2 i francuski statek kosmiczny Eutelsat 9B, krajowy statek kosmiczny nawigacyjny Glonass-M nr 53 i oczywiście statek kosmiczny ExoMars-2016, przeznaczony do poszukiwania metanu w atmosferze Marsa.

Rakiety mają różne możliwości wystrzeliwania ładunków. Masa ładunku rakiety nośnej klasy lekkiej Rokot, przeznaczonej do wynoszenia statków kosmicznych na niskie orbity okołoziemskie (200 km), wynosi 1,95 t. Rakieta nośna Proton-M należy do klasy ciężkiej. Wystrzeliwuje na niską orbitę 22,4 t, na orbitę geostacjonarną 6,15 t, a na orbitę geostacjonarną 3,3 t. Sojuz-2, w zależności od modyfikacji i kosmodromu, jest w stanie dostarczyć od 7,5 do 8,7 t na geostacjonarną orbitę transferową - od 2,8 do 3 t i do geostacjonarnej - od 1,3 do 1,5 t. Rakieta przeznaczona jest do startów ze wszystkich lokalizacji Roskosmosu: Wostocznyj, Plesetsk, Bajkonur i Kuru, wykorzystywanych w ramach wspólnego rosyjsko-europejskiego projektu. Wykorzystywany do wystrzeliwania statków transportowych i załogowych na ISS, Sojuz-FG LV ma masę ładunku od 7,2 tony (ze statkiem załogowym Sojuz) do 7,4 tony (ze statkiem towarowym Progress). Obecnie jest to jedyna rakieta używana do transportu kosmonautów i astronautów na ISS.

Ładunek zwykle znajduje się na samym szczycie rakiety. Aby pokonać opór aerodynamiczny, statek kosmiczny lub statek umieszcza się w owiewce głowicy rakiety, która po przejściu przez gęste warstwy atmosfery jest odrzucana.

Słowa Jurija Gagarina, które przeszły do ​​historii: „Widzę Ziemię… Jakie piękno!” powiedziano im dokładnie po wydaniu owiewki głowicy rakiety nośnej Wostok.

Montaż owiewki głowicy rakiety nośnej Proton-M, ładunku statku kosmicznego Express-AT1 i Express-AT2

System ratownictwa awaryjnego

Prawie zawsze można wyróżnić rakietę, która wystrzeliwuje statek kosmiczny z załogą na orbitę wygląd od tego, który wystrzeliwuje statek towarowy lub statek kosmiczny. Aby w przypadku sytuacji awaryjnej na rakiecie nośnej załoga załogowego statku kosmicznego przeżyła, stosowany jest system ratownictwa awaryjnego (ESS). Zasadniczo jest to kolejna (choć niewielka) rakieta na czele rakiety nośnej. Z zewnątrz SAS wygląda jak wieża niezwykły kształt na szczycie rakiety. Jego zadaniem jest w sytuacji awaryjnej wyciągnąć załogowy statek kosmiczny i zabrać go z miejsca wypadku.

W przypadku eksplozji rakiety podczas startu lub na początku lotu, główne silniki systemu odzyskiwania odrywają część rakiety, w której znajduje się załogowy statek kosmiczny, i odsuwają ją od miejsca wypadku. Po czym następuje zejście ze spadochronem. Jeśli lot będzie przebiegał normalnie, po osiągnięciu bezpiecznej wysokości system ratownictwa zostanie oddzielony od rakiety nośnej. Na dużych wysokościach rola SAS nie jest już tak istotna. Tutaj załoga może już uciec dzięki wydzieleniu modułu zniżania statek kosmiczny z rakiety.

Sojuz LV z SAS na szczycie rakiety

Krótka historia rakiet

Ogólna zasada lotu odrzutowcem, która stanowiła podstawę wszystkich rakiet, jest prosta - pewna część jest oddzielona od korpusu, wprawiając wszystko inne w ruch.

Nie wiadomo, kto jako pierwszy wdrożył tę zasadę, ale różne domysły i przypuszczenia kierują genealogię nauki o rakietach z powrotem do Archimedesa. O pierwszych tego typu wynalazkach wiadomo na pewno, że były one aktywnie wykorzystywane przez Chińczyków, którzy w wyniku eksplozji załadowali je prochem i wystrzelili w niebo. W ten sposób stworzyli pierwszego paliwo stałe rakiety. Duże zainteresowanie rakietowych pojawiła się już na początku wśród rządów europejskich

Drugi wybuch rakiety

Rakiety czekały na skrzydłach i czekały: w latach dwudziestych XX wieku rozpoczął się drugi boom rakietowy, który kojarzy się przede wszystkim z dwoma nazwami.

Konstantin Eduardowicz Ciołkowski, samouk z prowincji Riazań, pomimo trudności i przeszkód, sam dokonał wielu odkryć, bez których nie byłoby nawet mowy o kosmosie. Pomysł wykorzystania paliwa płynnego, wzór Ciołkowskiego, który oblicza prędkość niezbędną do lotu na podstawie stosunku mas końcowej i początkowej, rakieta wielostopniowa – to wszystko jego zasługa. W dużej mierze pod wpływem jego prac powstała i sformalizowała się krajowa nauka o rakietach. W Związku Radzieckim zaczęły spontanicznie powstawać towarzystwa i koła zajmujące się badaniami napędów odrzutowych, w tym GIRD – grupa zajmująca się badaniami napędów odrzutowych, a w 1933 roku pod patronatem władz powstał Instytut Jet.

Konstanty Eduardowicz Ciołkowski.
Źródło: Wikimedia.org

Drugim bohaterem wyścigu rakietowego jest niemiecki fizyk Wernher von Braun. Brown miał doskonałe wykształcenie i żywy umysł, a po spotkaniu z innym luminarzem światowej nauki o rakietach, Heinrichem Oberthem, postanowił włożyć cały swój wysiłek w tworzenie i ulepszanie rakiet. Podczas II wojny światowej von Braun stał się właściwie ojcem „broni odwetu” Rzeszy – rakiety V-2, której Niemcy zaczęli używać na polu bitwy w 1944 roku. „Skrzydlaty horror”, jak go nazywano w prasie, przyniósł wielu zniszczenie Miasta angielskie, ale na szczęście w tamtym czasie upadek nazizmu był już kwestią czasu. Wernher von Braun wraz z bratem postanowili poddać się Amerykanom i, jak pokazała historia, był to szczęśliwy los nie tylko i nie tyle dla naukowców, ale i dla samych Amerykanów. Od 1955 roku Brown pracuje dla rządu amerykańskiego, a jego wynalazki stanowią podstawę amerykańskiego programu kosmicznego.

Wróćmy jednak do lat 30. XX wieku. rząd sowiecki docenił zapał entuzjastów podróży w kosmos i postanowił wykorzystać go na swoją korzyść. W latach wojny Katiusza, system rakiet wielokrotnego startu wystrzeliwujący rakiety, pokazał swoją wartość. Była to pod wieloma względami broń innowacyjna: Katiusza, oparta na lekkiej ciężarówce Studebaker, przyjechała, zawróciła, strzeliła w sektor i odjechała, nie pozwalając Niemcom opamiętać się.

Koniec wojny postawił przed naszymi przywódcami nowe zadanie: Amerykanie pokazali światu całą swoją siłę Bomba jądrowa i stało się całkiem oczywiste, że tylko ci, którzy mają coś podobnego, mogą ubiegać się o status superpotęgi. Ale był problem. Faktem jest, że oprócz samej bomby potrzebowaliśmy pojazdów dostawczych, które mogłyby ominąć amerykańską obronę powietrzną. Samoloty się do tego nie nadawały. A ZSRR zdecydował się polegać na rakietach.

Konstantin Eduardowicz Ciołkowski zmarł w 1935 roku, ale jego miejsce zajęło całe pokolenie młodych naukowców, którzy wysłali człowieka w kosmos. Wśród tych naukowców był Siergiej Pawłowicz Korolew, któremu przeznaczone było stać się „atutem” Sowietów w wyścigu kosmicznym.

ZSRR z całą gorliwością zabrał się do budowy rakiety międzykontynentalnej: zorganizowano instytuty, zgromadzono najlepszych naukowców, w Podlipkach pod Moskwą tworzono instytut badań nad rakietami i prace szły pełną parą.

Tylko kolosalny wysiłek, zasoby i umysły pozwoliły Związkowi Radzieckiemu zbudować w możliwie najkrótszym czasie własną rakietę, którą nazwano R-7. To właśnie jego modyfikacje wystrzeliły w kosmos Sputnika i Jurija Gagarina, a Siergiej Korolew i jego współpracownicy zapoczątkowali kosmiczną erę ludzkości. Ale z czego składa się rakieta kosmiczna?

Biorąc pod uwagę doświadczenie zastosowanie bojowe rakiet manewrujących na przestrzeni sześciu i pół dekady, można je uznać za technologię dojrzałą i dobrze sprawdzoną. W czasie ich istnienia nastąpił znaczny rozwój technologii stosowanych do tworzenia rakiet manewrujących, obejmujących płatowiec, silniki, środki pokonywania obrony powietrznej i systemy nawigacyjne.

Dzięki technologiom tworzenia szybowców rakiety stawały się coraz bardziej kompaktowe. Teraz można je umieszczać w wewnętrznych przedziałach i zewnętrznych zawiesiach samolotów, statkowych wyrzutniach wyrzutni czy wyrzutniach torpedowych łodzi podwodnych. Silniki zmieniły się z prostych silników odrzutowych impulsowych na silniki turboodrzutowe i rakietowe na paliwo ciekłe lub silniki strumieniowe (silniki strumieniowe) na obecną kombinację silników turboodrzutowych do poddźwiękowych taktycznych rakiet manewrujących, turbowentylatorów do poddźwiękowych strategicznych rakiet manewrujących i silników odrzutowych lub mieszanych silników turboodrzutowych /konstrukcje rakietowe dla naddźwiękowych taktycznych rakiet manewrujących.

Sposoby pokonywania obrony powietrznej pojawiły się w latach 60. XX wieku, kiedy systemy obrony powietrznej stały się skuteczniejsze. Należą do nich loty na małej wysokości, śledzenie terenu lub loty rakietowe na bardzo małej wysokości nad powierzchnią morza w celu ominięcia radaru, a także, w coraz większym stopniu, formy zwiększające niewidzialność i materiały pochłaniające radary, zaprojektowane w celu zmniejszenia sygnatury radaru. Niektóre radzieckie rakiety manewrujące były również wyposażone w zakłócacze obronne, mające na celu udaremnienie przechwycenia przeciwlotniczych systemów rakietowych.

Wreszcie w tym okresie system nawigacji rakiet manewrujących znacznie się rozwinął i zróżnicował.

Problemy z nawigacją rakiet manewrujących
Podstawową ideą wszystkich rakiet manewrujących jest to, że można je wystrzelić w cel znajdujący się poza zasięgiem systemów obrony powietrznej wroga, bez narażania platformy startowej na atak odwetowy. Stwarza to poważne wyzwania projektowe, z których pierwszym jest zapewnienie, aby rakieta manewrująca niezawodnie przemieszczała się na odległość do tysiąca kilometrów w pobliżu zamierzonego celu, a gdy znajdzie się już blisko celu, zapewnienie, że głowica bojowa zostanie dokładnie wycelowany w cel, aby uzyskać zamierzony cel, efekt militarny.

Pierwszy bojowy pocisk manewrujący FZG-76/V-1

Pierwszym operacyjnym pociskiem manewrującym był niemiecki FZG-76/V-1, którego użyto ponad 8 000, głównie przeciwko celom w Wielkiej Brytanii. Sądząc po współczesnych standardach, jego system nawigacji był dość prymitywny: autopilot oparty na żyroskopie utrzymywał kurs, a anemometr utrzymywał odległość do celu. Pocisk przed wystrzeleniem ustawiono na zamierzony kurs i wyznaczono na nim szacowaną odległość do celu, a gdy tylko licznik kilometrów wskazał, że rakieta znalazła się nad celem, autopilot wprowadził go w strome nurkowanie. Pocisk miał celność około mili i wystarczał do zbombardowania dużych celów miejskich, takich jak Londyn. Główny cel bombardowania miały na celu terroryzowanie ludności cywilnej i odwrócenie uwagi brytyjskich sił zbrojnych operacji ofensywnych i kierowanie nimi do realizacji zadań obrony powietrznej.

Pierwszy amerykański pocisk manewrujący JB-2 jest kopią niemieckiego V-1

Bezpośrednio po wojnie Stany Zjednoczone i ZSRR odtworzyły V-1 i rozpoczęły opracowywanie własnych programów rakiet manewrujących. Teatralne i taktyczne pierwszej generacji bronie nuklearne doprowadziło do powstania rakiet manewrujących serii Regulus dla Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych, serii Mace/Matador dla Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych oraz radzieckich serii Kometa KS-1 i Kometa-20 oraz dalszy rozwój technologie nawigacyjne. Wszystkie te rakiety początkowo wykorzystują autopiloty oparte na precyzyjnych żyroskopach, ale także możliwość dostosowania trajektorii pocisku za pomocą łącza radiowego, tak aby głowica nuklearna mogła zostać wystrzelona z możliwie najdokładniejszą precyzją. Do zmniejszenia może wystarczyć brak setek metrów nadciśnienie wytworzony przez głowicę nuklearną był poniżej progu śmiercionośnego dla celów zahartowanych. W latach pięćdziesiątych do służby weszły pierwsze konwencjonalne, powojenne taktyczne rakiety manewrujące, głównie jako broń przeciwokrętowa. Podczas gdy na przelotowym odcinku trajektorii naprowadzanie odbywało się w oparciu o żyroskop, a czasami było korygowane drogą radiową, o dokładność naprowadzania na końcowym odcinku trajektorii dbał poszukiwacz za pomocą radaru krótki zasięg akcji, w najwcześniejszych wersjach półaktywnych, ale wkrótce zastąpionych przez aktywne radary. Pociski tej generacji zwykle latają na średnich i dużych wysokościach, nurkując podczas ataku na cel.

Międzykontynentalny pocisk manewrujący Northrop SM-62 Snark

Kolejnym kamieniem milowym w technologii nawigacji rakiet manewrujących było wprowadzenie wystrzeliwanego z lądu międzykontynentalnego pocisku manewrującego Northrop SM-62 Snark, zaprojektowanego do autonomicznego latania nad regionami polarnymi w celu atakowania celów na tym obszarze za pomocą dużych głowic nuklearnych. związek Radziecki. Odległości międzykontynentalne postawiły projektantów przed nowym wyzwaniem – stworzyć rakietę zdolną razić cele na odległość dziesięć razy większą niż wcześniejsze wersje rakiet manewrujących. Snark został wyposażony w odpowiedni system nawigacji inercyjnej wykorzystujący platformę stabilizowaną żyroskopowo i precyzyjne akcelerometry do pomiaru ruchu rakiety w przestrzeni, a także komputer analogowy służący do gromadzenia pomiarów i określania położenia rakiety w przestrzeni. Wkrótce jednak pojawił się problem: dryft w układzie inercyjnym był zbyt duży, aby rakieta mogła zostać wykorzystana operacyjnie, a błędy w inercyjnym układzie pozycjonowania okazały się kumulatywne – w związku z czym błąd pozycjonowania kumulował się z każdą godziną lotu.

Rozwiązaniem tego problemu było kolejne urządzenie przeznaczone do wykonywania precyzyjnych pomiarów położenie geograficzne rakiet na swoim torze lotu i zdolny do korygowania lub „wiązania” błędów generowanych w układzie inercyjnym. Jest to podstawowa idea, która pozostaje kluczowa dla dzisiejszego projektowania nowoczesnej broni kierowanej. W ten sposób nagromadzone błędy układu inercyjnego są okresowo redukowane do błędu urządzenia do pomiaru położenia.

Pocisk manewrujący Martin Matador

Aby rozwiązać ten problem, wykorzystano niebiański system nawigacji, czyli orientację gwiazd, zautomatyzowane urządzenie optyczne, które dokonuje pomiarów kątowych znanych położeń gwiazd i wykorzystuje je do obliczenia położenia rakiety w przestrzeni. Niebiański system nawigacji okazał się bardzo dokładny, ale jednocześnie dość drogi w produkcji i trudny w utrzymaniu. Wymagane było również, aby rakiety wyposażone w ten system latały na wysoki pułap aby uniknąć wpływu chmur na linię wzroku gwiazd.

Mniej znane jest to, że sukces kosmicznych systemów nawigacji na całym świecie dał impuls obecnemu rozwojowi systemów nawigacji satelitarnej, takich jak GPS i GLONASS. Nawigacja satelitarna opiera się na koncepcji podobnej do nawigacji na niebie, ale wykorzystuje sztuczne satelity Ziemi na orbitach polarnych zamiast gwiazd, sztuczne sygnały mikrofalowe zamiast naturalnego światła i wykorzystuje pomiary pseudoodległości zamiast pomiarów kątowych. W rezultacie system ten znacznie obniżył koszty i umożliwił określenie lokalizacji na wszystkich wysokościach i w każdych warunkach pogodowych. Chociaż technologie nawigacji satelitarnej zostały wynalezione na początku lat sześćdziesiątych XX wieku, weszły do ​​użytku operacyjnego dopiero w latach osiemdziesiątych XX wieku.

Lata sześćdziesiąte XX wieku przyniosły znaczną poprawę dokładności układów inercyjnych, a także wzrost kosztów takiego sprzętu. Doprowadziło to do sprzecznych wymagań dotyczących dokładności i kosztów. W efekcie powstało Nowa technologia w zakresie nawigacji rakietowej manewrującej w oparciu o system określania położenia rakiety poprzez porównanie obrazu radarowego terenu z referencyjnym programem mapującym. Technologia ta została wprowadzona do użytku w amerykańskich rakietach manewrujących w latach 70. XX wieku i w rakietach radzieckich w latach 80. XX wieku. Technologia TERCOM (system cyfrowej korelacji z terenem jednostki naprowadzania rakiet manewrujących) została wykorzystana, podobnie jak niebiański system nawigacji, do resetowania skumulowanych błędów systemu inercyjnego.

Kometa rakietowa manewrująca

Technologia TERCOM jest stosunkowo prosta w koncepcji, choć skomplikowana w szczegółach. Pocisk manewrujący w sposób ciągły mierzy wysokość terenu poniżej toru lotu za pomocą wysokościomierza radarowego i porównuje wyniki tych pomiarów z wysokościomierzem barometrycznym. System nawigacji TERCOM przechowuje także cyfrowe mapy wysokości terenu, nad którym będzie przelatywał. Następnie za pomocą program komputerowy profil terenu, nad którym leci rakieta, jest porównywany z cyfrową mapą wysokości przechowywaną w pamięci w celu ustalenia najlepszego dopasowania. Po dopasowaniu profilu do bazy danych można z dużą dokładnością określić pozycję rakiety na mapie cyfrowej, co służy do korygowania skumulowanych błędów układu inercyjnego.

TERCOM miał ogromną przewagę nad kosmicznymi systemami nawigacji: pozwalał rakietom manewrującym latać na niezwykle małych wysokościach niezbędnych do pokonania obrony powietrznej wroga, okazał się stosunkowo tani w produkcji i bardzo celny (do dziesięciu metrów). To więcej niż wystarczająco dla 220-kilogramowej głowicy nuklearnej i wystarczające dla 500-kilogramowej konwencjonalnej głowicy bojowej używanej przeciwko wielu typom celów. Jednak TERCOM nie był pozbawiony wad. Pocisk, który w porównaniu z profilem wysokości na mapach cyfrowych musiał z łatwością przelatywać nad wyjątkowym pagórkowatym terenem, charakteryzował się doskonałą celnością. Jednakże TERCOM okazał się nieskuteczny na powierzchniach wody, na terenach zmiennych sezonowo, takich jak wydmy, oraz na terenach o zmiennym sezonowym współczynniku odbicia radaru, takich jak syberyjska tundra i tajga, gdzie opady śniegu mogą zmieniać wzniesienie terenu lub przesłaniać jego cechy. Ograniczona pojemność pamięci rakiet często utrudniała przechowywanie wystarczających danych map.

Pocisk manewrujący Boeing AGM-86 CALCM

Choć wystarczający dla uzbrojonej w broń nuklearną Marynarki Wojennej Tomahawk RGM-109A i Sił Powietrznych AGM-86 ALCM, TERCOM wyraźnie nie był wystarczający do niszczenia pojedynczych budynków lub konstrukcji za pomocą konwencjonalnej głowicy bojowej. W tym celu Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych wyposażyła TERCOM w rakiety manewrujące RGM-109C/D Tomahawk dodatkowy układ w oparciu o tzw. technologię korelacji wyświetlania obiektu z jego cyfrowym obrazem referencyjnym. Technologię tę zastosowano w latach 80-tych w rakietach balistycznych Pershing II, radzieckich bombach precyzyjnych KAB-500/1500Kr i amerykańskich DAMASK/JDAM, a także najnowszych chińskich kierowanych rakietach przeciwokrętowych. systemy rakietowe, przeznaczony do zwalczania lotniskowców.

Korelacja wyświetlania obiektów wykorzystuje kamerę do rejestracji obszaru przed rakietą, a następnie informacje z kamery porównywane są z cyfrowym obrazem uzyskanym za pomocą satelitów lub rozpoznania powietrznego i przechowywanym w pamięci rakiety. Mierząc kąt obrotu i przemieszczenie wymagane do dokładnego dopasowania dwóch obrazów, urządzenie jest w stanie bardzo dokładnie określić błąd położenia rakiety i wykorzystać go do skorygowania błędów w systemach nawigacji inercyjnej i TERCOM. Cyfrowa jednostka korelacji systemu naprowadzania rakiet manewrujących DSMAC, stosowana w kilku jednostkach rakiet manewrujących Tomahawk, była rzeczywiście dokładna, ale miała operacyjne skutki uboczne podobne do TERCOM, który musiał być zaprogramowany tak, aby rakieta latała nad łatwo rozpoznawalnym terenem, zwłaszcza w bliskiej odległości od cel. W 1991 r., podczas operacji Pustynna Burza, doprowadziło to do wykorzystania szeregu węzłów autostradowych w Bagdadzie jako takich punktów kotwiczenia, co z kolei umożliwiło siłom obrony powietrznej Saddama rozmieszczenie tam baterii przeciwlotniczych i zestrzelenie kilku Tomahawków. Podobnie jak TERCOM, jednostka korelacji cyfrowej systemu naprowadzania rakiet manewrujących jest wrażliwa na sezonowe zmiany kontrastu terenu. Tomahawki wyposażone w DSMAC były również wyposażone w lampy błyskowe, które oświetlały teren w nocy.

W latach 80. pierwsze odbiorniki GPS zostały zintegrowane z amerykańskimi rakietami manewrującymi. Technologia GPS była atrakcyjna, ponieważ umożliwiała rakiecie ciągłe korygowanie błędów bezwładności niezależnie od terenu i terenu warunki pogodowe i zachowywał się tak samo zarówno nad wodą, jak i nad lądem.

Korzyści te zostały zniweczone przez problem słabej odporności na zakłócenia GPS, ponieważ sygnał GPS jest z natury bardzo słaby, podatny na efekty „duchy” (kiedy sygnał GPS odbija się od terenu lub budynków) i różnice w dokładności w zależności od liczby odebranych satelitów itd., w jaki sposób są one rozmieszczone na niebie. Wszystkie amerykańskie rakiety manewrujące są obecnie wyposażone w odbiorniki GPS i pakiet inercyjnego systemu naprowadzania, przy czym pod koniec lat 80. i na początku lat 90. technologia mechanicznego układu inercyjnego została zastąpiona tańszym i dokładniejszym systemem nawigacji bezwładnościowej z żyroskopowym laserem pierścieniowym.

Pocisk manewrujący AGM-158 JASSM

Problemy związane z podstawową dokładnością GPS są stopniowo rozwiązywane poprzez wprowadzenie metod szerokopasmowego GPS (Wide Area Differential GPS), w których sygnały korekcyjne ważne dla danego położenia geograficznego nadawane są do odbiornika GPS drogą radiową (w przypadku amerykańskich rakiety, używana jest WAGE -Wide Area GPS Enhancement). Głównymi źródłami sygnałów z tego systemu są radiolatarnie nawigacyjne i satelity na orbicie geostacjonarnej. Najdokładniejsza technologia tego rodzaju, opracowana w Stanach Zjednoczonych w latach 90. XX wieku, może korygować błędy GPS o wielkości do kilku cali w trzech wymiarach i jest na tyle dokładna, aby trafić pociskiem przez otwarty właz pojazdu opancerzonego.

Najtrudniejsze do rozwiązania okazały się problemy z odpornością na szumy i „powtarzaniem obrazu”. Doprowadziło to do wprowadzenia tak zwanej technologii „inteligentnych” anten, zwykle opartej na oprogramowaniu „cyfrowego kształtowania wiązki”. Idea stojąca za tą technologią jest prosta, ale jak zwykle skomplikowana w szczegółach. Konwencjonalna antena GPS odbiera sygnały z całej górnej półkuli nad rakietą, włączając w to satelity GPS oraz zakłócenia ze strony wroga. Tak zwana antena o kontrolowanym wzorcu odbioru (CRPA) wykorzystuje oprogramowanie do syntezy wąskich wiązek skierowanych w stronę zamierzonej lokalizacji satelitów GPS, co powoduje, że antena jest „ślepa” we wszystkich pozostałych kierunkach. Najbardziej zaawansowane konstrukcje anten tego typu wytwarzają tzw. „zera” w charakterystyce promieniowania anteny, skierowane na źródła zakłóceń, aby jeszcze bardziej stłumić ich wpływ.

Rakieta manewrująca Tomahawk

Większość szeroko nagłośnionych problemów na początku produkcji rakiety manewrującej AGM-158 JASSM wynikała z problemów z oprogramowaniem odbiornika GPS, które powodowały, że rakieta traciła satelity GPS i zbaczała ze swojej trajektorii.

Zaawansowane odbiorniki GPS zapewniają wysoki poziom dokładności i solidną odporność na naziemne źródła zakłóceń GPS. Są mniej skuteczne w walce z wyrafinowanymi zakłócaczami GPS rozmieszczonymi na satelitach i bezzałogowych statkach powietrznych samolot lub balony.

Najnowsza generacja amerykańskich rakiet manewrujących wykorzystuje inercyjny system naprowadzania GPS, uzupełniony cyfrową kamerą termowizyjną zamontowaną w dziobie pocisku, w celu zapewnienia możliwości podobnych do DSMAC przeciwko celom nieruchomym z odpowiednim oprogramowaniem i możliwościami automatycznego rozpoznawania wzorców przeciwko ruchomym celom, takim jak rakiety przeciwlotnicze, systemy rakietowe lub wyrzutnie rakiet. Łącza danych zazwyczaj wywodzą się z technologii JTIDS/Link-16, wdrożonej w celu zapewnienia możliwości ponownego nacelowania broni w przypadku, gdy ruchomy cel zmieni swoją lokalizację, gdy pocisk jest w ruchu. Korzystanie z tej funkcji zależy przede wszystkim od posiadania przez użytkowników inteligencji i umiejętności wykrywania takich ruchów celów.

Długoterminowe trendy w nawigacji rakiet manewrujących doprowadzą do większej inteligencji, większej autonomii, większej różnorodności czujników, większej niezawodności i niższych kosztów.