Как ракетам удается работать без воздуха?

Двигатели, которые запускают ракеты, отличаются от тех, что находятся в самолетах. Как и наземные, космические работают с использованием внутреннего сгорания. Поскольку все формы горения нуждаются в окислителе, ракеты несут с собой в космос жидкий кислород. Это означает, что им не нужно полагаться на окружающий воздух, как это делает автомобиль. У ракеты есть топливо, будь то керосин, метан или жидкий водород, чтобы произвести реакцию. Но химия — далеко не единственная вещь, позволяющая железным массивам лавировать за пределами Земли.

Конструкция ракеты включает камеру сгорания, где вступают в реакцию окислитель и горючее, а также сопло. Взрыв, вызванный реакцией, создает очень горячие газы, которые выбрасываются из нижней части ракеты. Таким образом она взмывает ввысь.

Это отсылает нас к третьему закону движения Исаака Ньютона. «Математические принципы натуральной философии (том 1)» 1766 года описывают этот закон так: «Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе, взаимодействия двух тел друг на друга между собою равны и направлены в противоположные стороны».

Другими словами, ракеты работают во вселенной сил. Иногда они не уравновешены. Именно это мы видим, когда ускорение ракеты толкает ее инертное тело вверх в космос. Иногда силы уравновешены, например, книга лежит на столе (или ракета ожидает старта на площадке). Согласно третьему закону, стол прикладывает к книге равную и противоположную силу. Она возникает потому, что вес книги заставляет стол слегка деформироваться, так что он давит на бумагу, как свернутая пружина.

Правила движения должны учитывать орбитальную механику. Проще говоря, вокруг таких больших планет, как Земля, каждая высота имеет определенную скорость, связанную с ней.

Высшая точка орбиты — перицентр, низшая — апоцентр. Ракеты могут увеличить свой перицентр, включив двигатели, будучи в апоцентре. Или, если нужно снизить высоту, им следует включить двигатели в перицентре. Это позволяет им перемещаться из одной орбиты в другую.

Земная атмосфера действует как постоянное сопротивление космическим кораблям и МКС, заставляя их периодически запускать ракетные двигатели, чтобы предотвратить падение на Землю. Таким образом, миссии на всех околоземных орбитах должны нести достаточно топлива, чтобы предотвратить это «откатывание».

Инженеры, в свою очередь, обязаны учитывать точные измерения того, сколько топлива нужно заправить в ракету в зависимости от ее размера. Они также должны не забывать про второй закон Ньютона: силы, приложенные к объекту, придают ему ускорение, при этом величина ускорения зависит от массы объекта. Именно этот закон помогает выбрать нужное количество топлива, необходимого для изменения скорости ракеты.

Добавление большего количества топлива не всегда решает орбитальные проблемы. Чем больше топлива, тем больше масса. Это увеличивает стоимость миссии, поскольку требуется дополнительная энергия, чтобы оттолкнуть ракету от стартовой площадки.

NASA часто использует жидкий водород и жидкий кислород, потому что эта комбинация обеспечивает самый высокий удельный импульс среди всех ракетных топлив. Однако водород имеет настолько низкую плотность, что использовать топливо в чистом виде нецелесообразно: бак будет слишком большим и слишком тяжелым. Вот почему для запусков ракет требуются ускорители.

Для более дальних направлений космические агентства проявляют творческий подход. Чтобы сэкономить деньги при съемке таких объектов, как Юпитер, некоторые корабли вращаются вокруг планеты (скажем, Венеры) и используют ее гравитацию для увеличения скорости. Это сокращает время, необходимое для того, чтобы добраться до других пунктов назначения. При этом ракета несет меньше топлива, чем требуется для дальнего полета.

━━━━━

Анастасия Дегтярева