Космическая ракета при старте, «Инженерное чудо»: как система «катапультирования» спасла российско-американский экипаж «Союза»
Но есть у наземной аномалии космический «близнец», который также не дает покоя научному сообществу. Из-за часто многолетней продолжительности полёта техническое оборудование на автоматической межпланетной станции должно отвечать высоким требованиям. Космическая энциклопедия « Astronote ».
Но с точки зрения механики разгона ракеты до необходимой скорости всю начальную массу ракеты можно разделить на две части: 1 масса рабочего тела и 2 конечная масса, остающаяся после выброса рабочего тела. Эту последнюю часто называют «сухой» массой, так как рабочее тело в большинстве случаев представляет собой жидкое топливо. Под конструкцией следует понимать не только несущую конструкцию ракеты, ее оболочку и т.
Полезная нагрузка состоит из научной аппаратуры, радиотелеметрической системы, корпуса выводимого на орбиту космического аппарата, экипажа и системы жизнеобеспечения космического корабля и т.
Полезная нагрузка - это то, без чего ракета может совершить нормальный полет. Набору скорости ракеты благоприятствует то, что по мере истечения рабочего тела масса ракеты уменьшается, благодаря чему при неизменной тяге непрерывно растет реактивное ускорение.
Но, к сожалению, ракета состоит не из одного лишь рабочего тела.
По мере истечения рабочего тела освободившиеся баки, лишние части оболочки и т. Целесообразно в некоторые моменты отделять эти части от ракеты. Построенная таким образом ракета называется составной. Часто составная ракета состоит из самостоятельных ракет- ступеней благодаря этому из отдельных ступеней можно составлять различные ракетные комплексы , соединенных последовательно. Но возможно и параллельное соединение ступеней, бок о бок. Наконец, существуют проекты составных ракет, в которых последняя ступень входит внутрь предыдущей, та заключена внутри предшествующей и т.
Существенный недостаток последней схемы заключается в том, что после отделения отработавшей ступени резко возрастает реактивное ускорение, так как двигатель остался прежним, тяга поэтому не изменилась, а разгоняемая масса ракеты резко уменьшилась. Это затрудняет точность наведения ракеты и предъявляет повышенные требования к прочности конструкции.
При последовательном же соединении ступеней вновь включаемая ступень обладает меньшей тягой и ускорение не изменяется резким скачком. Пока работает первая ступень, мы можем рассматривать остальные ступени вместе с истинной полезной нагрузкой в качестве полезной нагрузки первой ступени. После отделения первой ступени начинает работать вторая ступень, которая вместе с последующими ступенями и истинной полезной нагрузкой образует самостоятельную ракету «первую субракету».
Для второй ступени все последующие ступени вместе с истинным полезным грузом играют роль собственной полезной нагрузки и т. Каждая субракета добавляет к уже имеющейся скорости собственную идеальную скорость, и в результате конечная идеальная скорость многоступенчатой ракеты складывается из суммы идеальных скоростей отдельных субракет. Ракета является весьма «затратным» транспортным средством. Ракеты-носители космических аппаратов «транспортируют», главным образом, топливо, необходимое для работы их двигателей и собственную конструкцию, состоящую в основном из топливных контейнеров и двигательной установки.
Составная ракета позволяет более рационально использовать ресурсы за счет того, что в полете ступень, выработавшая свое топливо, отделяется, и остальное топливо ракеты не тратится на ускорение конструкции отработавшей ступени, ставшей ненужной для продолжения полета. Конструктивно многоступенчатые ракеты выполняются c поперечным или продольным разделением ступеней. При поперечном разделении ступени размещаются одна над другой и работают последовательно друг за другом, включаясь только после отделения предыдущей ступени.
Такая схема дает возможность создавать системы, в принципе, с любым количеством ступеней. Недостаток ее заключается в том, что ресурсы последующих ступеней не могут быть использованы при работе предыдущей, являясь для нее пассивным грузом.
При продольном разделении первая ступень состоит из нескольких одинаковых ракет на практике, от двух до восьми , располагающихся вокруг корпуса второй ступени симметрично, чтобы равнодействующая сил тяги двигателей первой ступени была направлена по оси симметрии второй, и работающих одновременно.
Такая схема позволяет работать двигателю второй ступени одновременно с двигателями первой, увеличивая таким образом суммарную тягу, что особенно нужно во время работы первой ступени, когда масса ракеты максимальна. Но ракета с продольным разделением ступеней может быть только двухступенчатой.
Существует и комбинированная схема разделения - продольно-поперечная, позволяющая совместить преимущества обеих схем, при которой первая ступень разделяется со второй продольно, а разделение всех последующих ступеней происходит поперечно.
Пример такого подхода - отечественный носитель "Союз". Уникальную схему двухступенчатой ракеты с продольным разделением имеет космический корабль Спейс Шаттл, первая ступень которого состоит из двух боковых твердотопливных ускорителей, на второй ступени часть топлива содержится в баках орбитера собственно многоразового корабля , а большая часть - в отделяемом внешнем топливном баке.
Сначала двигательная установка орбитера расходует топливо из внешнего бака, а когда оно будет исчерпано, внешний бак сбрасывается и двигатели продолжают работу на том топливе, которое содержится в баках орбитера.
Такая схема позволяет максимально использовать двигательную установку орбитера, которая работает на всем протяжении вывода корабля на орбиту. При поперечном разделении ступени соединяются между собой специальными секциями - переходниками - несущими конструкциями цилиндрической или конической формы в зависимости от соотношения диаметров ступеней , каждый из которых должен выдерживать суммарный вес всех последующих ступеней, помноженный на максимальное значение перегрузки, испытываемой ракетой на всех участках, на которых данный переходник входит в состав ракеты.
При продольном разделении на корпусе второй ступени создаются силовые бандажи передний и задний , к которым крепятся блоки первой ступени. Элементы, соединяющие части составной ракеты, сообщают ей жесткость цельного корпуса, а при разделении ступеней должны практически мгновенно освобождать верхнюю ступень. Обычно соединение ступеней выполняется с помощью пироболтов. Пироболт - это крепежный болт, в стержне которого рядом с головкой создается полость, заполняемая бризантным взрывчатым веществом с электродетонатором.
При подаче импульса тока на электродетонатор происходит взрыв, разрушающий стержень болта, в результате чего его головка отрывается.
Количество взрывчатки в пироболте тщательно дозируется, чтобы, с одной стороны, гарантированно оторвать головку, а, с другой - не повредить ракету. При разделении ступеней на электродетонаторы всех пироболтов, соединяющих разделяемые части, одновременно подается импульс тока, и соединение освобождается. Далее ступени должны быть разведены на безопасное расстояние друг от друга. Запуск двигателя высшей ступени вблизи низшей может вызвать прогар ее топливной емкости и взрыв остатков топлива, который повредит верхнюю ступень, или дестабилизирует ее полет.
При разделении ступеней в атмосфере для их разведения может быть использована аэродинамическая сила встречного потока воздуха, а при разделении в пустоте иногда используются вспомогательные небольшие твердотопливные ракетные двигатели. На жидкостных ракетах эти же двигатели служат и для того, чтобы «осадить» топливо в баках верхней ступени: при выключении двигателя низшей ступени ракета летит по инерции, в состоянии свободного падения, при этом жидкое топливо в баках находится во взвешенном состоянии, что может привести к сбою при запуске двигателя.
Вспомогательные двигатели сообщают ступени небольшое ускорение, под действием которого топливо «оседает» на днища баков. Увеличение числа ступеней дает положительный эффект только до определенного предела. Чем больше ступеней, тем больше суммарная масса переходников, а также двигателей, работающих лишь на одном участке полета, и, в какой-то момент, дальнейшее увеличение числа ступеней становится контрпродуктивным.
В современной практике ракетостроения более четырех ступеней, как правило, не делается. При выборе числа ступеней важное значение имеют также вопросы надежности. Пироболты и вспомогательные твердотопливные ракетные двигатели - элементы одноразового действия, проверить функционирование которых до старта ракеты невозможно.
Между тем, отказ только одного пироболта может привести к аварийному завершению полета ракеты. Увеличение числа одноразовых элементов, не подлежащих проверке функционирования, снижает надежность всей ракеты в целом. Это также заставляет конструкторов воздерживаться от слишком большого количества ступеней.
Чрезвычайно важно отметить, что скорость, развиваемая ракетой а вместе с ней и всем космическим летательным аппаратом на активном участке пути, т. Поместим мысленно нашу ракету в свободное пространство и включим ее двигатель. Двигатель создал тягу, ракета получила какое-то ускорение и начала набирать скорость, двигаясь по прямой линии если сила тяги не меняет своего направления.
Какую скорость приобретет ракета к моменту, когда ее масса уменьшится от начальной m 0 до конечной величины m k? Если допустить, что скорость истечения w вещества из ракеты неизменна это довольно точно соблюдается в современных ракетах , то ракета разовьет скорость v, выражающуюся формулой Циолковского , определяющая скорость, которую развивает летательный аппарат под воздействием тяги ракетного двигателя, неизменной по направлению, при отсутствии всех других сил:.
Скорость, вычисляемая по формуле Циолковского, характеризует энергетические ресурсы ракеты. Она называется идеальной. Существует понятие так называемых космических скоростей: первой, второй и третьей. Первой космической скоростью называется такая скорость, при достижении которой тело космический аппарат , запущенное с Земли, может стать ее спутником. Третьей космической скоростью у поверхности Земли телу космическому аппарату необходимо обладать в том случае, когда требуется, чтобы оно могло преодолеть притяжение Земли и Солнца и покинуть Солнечную систему.
Космические скорости по своему значению огромны. Они в несколько десятков раз превышают скорость звука в воздухе.
Только из этого ясно видно, какие сложные задачи стоят в области космонавтики. Почему же космические скорости такие огромные и почему космические аппараты не падают на Землю? Действительно, странно: Солнце огромными силами тяготения удерживает около себя Землю и все другие планеты Солнечной системы, не дает им улететь в космическое пространство.
Странно, казалось бы, то, что Земля около себя удерживает Луну. Между всеми телами действуют силы тяготения, но не падают планеты на Солнце потому, что находятся в движении, в этом-то и секрет. Все падает вниз, на Землю: и капли дождя, и снежинки, и сорвавшийся с горы камень, и опрокинутая со стола чашка. А Луна?
Она вращается вокруг Земли. Если бы не силы тяготения, она улетела бы по касательной к орбите, а если бы она вдруг остановилась, то упала бы на Землю. Луна, вследствие притяжения Земли, отклоняется от прямолинейного пути, все время как бы "падая" на Землю.
Движение Луны происходит по некоторой дуге, и пока действует гравитация, Луна на Землю не упадет. Так же и с Землей - если бы она остановилась, то упала бы на Солнце, но этого не произойдет по той же причине. Два вида движения - одно под действием силы тяготения, другое по инерции - складываются и в результате дают криволинейное движение. Закон всемирного тяготения, удерживающий в равновесии Вселенную, открыл английский ученый Исаак Ньютон.
Когда он опубликовал свое открытие, люди говорили, что он сошел с ума. Закон тяготения определяет не только движение Луны, Земли, но и всех небесных тел в Солнечной системе, а также искусственных спутников, орбитальных станций, межпланетных космических кораблей.
Прежде чем рассматривать орбиты космических аппаратов, рассмотрим законы Кеплера, которые их описывают. Иоганн Кеплер обладал чувством прекрасного. Всю свою сознательную жизнь он пытался доказать, что Солнечная система представляет собой некое мистическое произведение искусства.
Сначала он пытался связать ее устройство с пятью правильными многогранниками классической древнегреческой геометрии. Правильный многогранник - объемная фигура, все грани которой представляют собой равные между собой правильные многоугольники. Во времена Кеплера было известно шесть планет, которые, как полагалось, помещались на вращающихся «хрустальных сферах».
Кеплер утверждал, что эти сферы расположены таким образом, что между соседними сферами точно вписываются правильные многогранники. Между двумя внешними сферами - Сатурна и Юпитера - он поместил куб, вписанный во внешнюю сферу, в который, в свою очередь, вписана внутренняя сфера; между сферами Юпитера и Марса - тетраэдр правильный четырехгранник и т.
Шесть сфер планет, пять вписанных между ними правильных многогранников - казалось бы, само совершенство? Увы, сравнив свою модель с наблюдаемыми орбитами планет, Кеплер вынужден был признать, что реальное поведение небесных тел не вписывается в очерченные им стройные рамки.
Единственным пережившим века результатом того юношеского порыва Кеплера стала модель Солнечной системы, собственноручно изготовленная ученым и преподнесенная в дар его патрону герцогу Фредерику фон Вюртембургу. В этом прекрасно исполненном металлическом артефакте все орбитальные сферы планет и вписанные в них правильные многогранники представляют собой не сообщающиеся между собой полые емкости, которые по праздникам предполагалось заполнять различными напитками для угощения гостей герцога.
Лишь переехав в Прагу и став ассистентом знаменитого датского астронома Тихо Браге, Кеплер натолкнулся на идеи, по-настоящему обессмертившие его имя в анналах науки. Тихо Браге всю жизнь собирал данные астрономических наблюдений и накопил огромные объемы сведений о движении планет.
После его смерти они перешли в распоряжение Кеплера. Эти записи, между прочим, имели большую коммерческую ценность по тем временам, поскольку их можно было использовать для составления уточненных астрологических гороскопов сегодня об этом разделе ранней астрономии ученые предпочитают умалчивать.
Обрабатывая результаты наблюдений Тихо Браге, Кеплер столкнулся с проблемой, которая и при наличии современных компьютеров могла бы показаться кому-то трудноразрешимой, а у Кеплера не было иного выбора, кроме как проводить все расчеты вручную.
Конечно же, как и большинство астрономов его времени, Кеплер уже был знаком с гелиоцентрической системой Коперника и знал, что Земля вращается вокруг Солнца, о чем свидетельствует и вышеописанная модель Солнечной системы. Но как именно вращается Земля и другие планеты? Представим проблему следующим образом: вы находитесь на планете, которая, во-первых, вращается вокруг своей оси, а во-вторых, вращается вокруг Солнца по неизвестной вам орбите.
Глядя в небо, мы видим другие планеты, которые также движутся по неизвестным нам орбитам. И задача — определить по данным наблюдений, сделанных на нашем вращающемся вокруг своей оси вокруг Солнца земном шаре, геометрию орбит и скорости движения других планет. Именно это, в конечном итоге, удалось сделать Кеплеру, после чего, на основе полученных результатов, он и вывел три своих закона!
Первый закон описывает геометрию траекторий планетарных орбит: каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Из школьного курса геометрии - эллипс представляет собой множество точек плоскости, сумма расстояний от которых до двух фиксированных точек - фокусов - равна константе. Или иначе - представьте себе сечение боковой поверхности конуса плоскостью под углом к его основанию, не проходящей через основание, - это тоже эллипс.
Первый закон Кеплера как раз и утверждает, что орбиты планет представляют собой эллипсы, в одном из фокусов которых расположено Солнце. Эксцентриситеты степень вытянутости орбит и их удаления от Солнца в перигелии ближайшей к Солнцу точке и апогелии самой удаленной точке у всех планет разные, но все эллиптические орбиты роднит одно - Солнце расположено в одном из двух фокусов эллипса. Проанализировав данные наблюдений Тихо Браге, Кеплер сделал вывод, что планетарные орбиты представляют собой набор вложенных эллипсов.
До него это просто не приходило в голову никому из астрономов. Историческое значение первого закона Кеплера трудно переоценить. До него астрономы считали, что планеты движутся исключительно по круговым орбитам, а если это не укладывалось в рамки наблюдений — главное круговое движение дополнялось малыми кругами, которые планеты описывали вокруг точек основной круговой орбиты. Это было прежде всего философской позицией, своего рода непреложным фактом, не подлежащим сомнению и проверке.
Философы утверждали, что небесное устройство, в отличие от земного, совершенно по своей гармонии, а поскольку совершеннейшими из геометрических фигур являются окружность и сфера, значит планеты движутся по окружности. Главное, что, получив доступ к обширным данным наблюдений Тихо Браге, Иоганн Кеплер сумел перешагнуть через этот философский предрассудок, увидев, что он не соответствует фактам — подобно тому как Коперник осмелился убрать Землю из центра мироздания, столкнувшись с противоречащими стойким геоцентрическим представлениям аргументами, которые также состояли в «неправильном поведении» планет на орбитах.
Второй закон описывает изменение скорости движения планет вокруг Солнца: каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем за равные промежутки времени радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, описывает равные площади. Чем дальше от Солнца уводит планету эллиптическая орбита, тем медленнее движение, чем ближе к Солнцу - тем быстрее движется планета. Теперь представьте пару отрезков, соединяющих два положения планеты на орбите с фокусом эллипса, в котором расположено Солнце.
Вместе с сегментом эллипса, лежащим между ними, они образуют сектор, площадь которого как раз и является той самой «площадью, которую отсекает отрезок прямой». Именно о ней говорится во втором законе. Чем ближе планета к Солнцу, тем короче отрезки. Но в этом случае, чтобы за равное время сектор покрыл равную площадь, планета должна пройти большее расстояние по орбите, а значит скорость ее движения возрастает.
В первых двух законах речь идет о специфике орбитальных траекторий отдельно взятой планеты. Третий закон Кеплера позволяет сравнить орбиты планет между собой: квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей орбит планет. В нем говорится, что чем дальше от Солнца находится планета, тем больше времени занимает ее полный оборот при движении по орбите и тем дольше, соответственно, длится «год» на этой планете.
Сегодня мы знаем, что это обусловлено двумя факторами. Во-первых, чем дальше планета находится от Солнца, тем длиннее периметр ее орбиты. Во-вторых, с ростом расстояния от Солнца снижается и линейная скорость движения планеты. Как затем выяснилось, из-за неправильного отделения бокового ускорителя его острый конец прорезал вторую ступень. После инцидента на РКЦ «Прогресс», где выпускают «Союзы», провели переаттестацию сотрудников и усилили видеонаблюдение за сборкой.
Если бы корабль с экипажем остался на ракете, выживших бы не было, но разработанная еще при Сергее Королеве система спасения в очередной раз доказала свою работоспособность.
При всех пилотируемых запусках ракет «Союз» сверху на обтекателе можно заметить тонкую вертикальную штангу. Это — один из ключевых компонентов системы. На штанге закреплены два твердотопливных ракетных двигателя, чьи множественные сопла направлены вниз под углом 30 градусов. При возникновении аварийной ситуации с момента заправки ракеты и до секунды полета один из двигателей отрывает от нижнего приборно-агрегатного отсека корабля «Союз» верхние два, где и находятся люди, а также головной обтекатель.
При этом на корабле раскрываются решетчатые стабилизаторы, а более маленькие двигатели увода задают точную траекторию движения. После того как «оторванная» верхняя часть ракеты с людьми внутри отдалится на метров вверх и на метров в сторону, другие двигатели отрывают от спускаемого аппарата расположенный сверху бытовой отсек и головной обтекатель.
Затем активируется парашютная система. Таким образом, космонавты могут «катапультироваться» с гибнущей ракеты как летчики самолета, с той лишь разницей, что спасают всю капсулу с экипажем, которую можно использовать повторно. Однако авария «Союз МС» произошла на высоте около 50 км, а штанга с двигателями сбрасывается на высоте 42 км для экономии веса. Поэтому для спасения людей использовались другие ракетные двигатели, расположенные на самом обтекателе.
В нормальной ситуации они уводят его с ракеты на высоте около 78 км, но их силы достаточно, чтобы оторвать обтекатель вместе с частью корабля. Эта система была разработана в середине х годов, и с тех пор срабатывала нечасто, но всегда надежно. Впервые она спасла людей в году, после того, как от ракеты не смогла отделиться отработавшая вторая ступень. Космонавты Василий Лазарев и Олег Макаров выжили, но испытали перегрузки более 20g при нерасчетном спуске из-за резкого торможения об атмосферу.
Это подорвало здоровье Лазарева, и хотя потом однажды он входил в основной экипаж корабля, тот полет отменили, и в космосе ему больше побывать не довелось. В году система спасла Владимира Титова и Геннадия Стрекалова , причем это был единственный раз, когда сработали именно двигатели на штанге. Тогда ракета взорвалась на стартовом столе, но система спасения подняла людей на высоту в километр, где раскрылся парашют.
Наконец, третий случай произошел в м, когда впервые сработала модификация, созданная в году. Тогда систему впервые «опробовал» иностранец. Мы протестировали систему, которая не испытывалась в течение 35 лет», — заявил на брифинге NASA Хейг, для которого этот космический полет должен был стать первым. Сначала была сильная тряска из стороны в сторону, которая серьезно вдарила по нам.
Затем мы начали кувыркаться и я услышал громкий сигнал и увидел мигающий красный свет, говорящий, что у нас произошел сбой в ракете. Я отчетливо помню, как подумал: «Ух ты, все-таки произошло», — рассказывал он потом в интервью Forbes. По словам российского космонавта Овчинина, нервничать при аварии было некогда, и оба члена экипажа выполняли отработанные на тренировках действия. Ну, представьте, что на вашу грудь поставили железобетонный блок весом, превышающий ваш в раз», — поделился впечатлениями он.
Контроль за основными системами корабля при аварии вел Овчинин, а Хейг передавал на землю информацию о будущем месте падения и следил за высотой, чтобы предупредить экипаж о моменте падения. Овчинин отметил , что американец действовал профессионально и на его лице не было видно испуга, так что в следующий полет он бы также хотел отправиться с ним вдвоем. Впоследствии оба космонавта были награждены орденом Мужества за грамотные и хладнокровные действия в ходе нештатной ситуации.
