Ракета, енциклопедія Навколосвіт
Як видно з цієї формули, для підвищення кінцевої швидкості ракети необхідно: 1) збільшувати відносну початкову масу (W / w) за рахунок полегшення конструкції; 2) збільшувати питому імпульс за рахунок застосування більш високоенергетичного палива; 3) знижувати лобове опір за рахунок поліпшення обтікання і зменшення розмірів ракети. Однак через те, що польотне завдання ракети (особливо космічної) змінюється від польоту до польоту, а в процесі польоту зовнішні умови безперервно змінюються, при проектуванні ракети доводиться йти на компроміси.
РАКЕТНІ СТУПЕНИ
Якщо велику ракету зробити одноступінчастої, то в міру витрати палива все бóБільшу непотрібну масу - звільнилася частина паливних баків - доведеться переміщати разом з ракетою. Це призводить до зменшення ефективної корисного навантаження, яку може нести ракета. Ідеальною була б ракета, в якій непотрібна частина баків використовувалася б як паливо. Однак при використовуваних в даний час матеріалах і двигунах цей ідеал неможливий на практиці, і тому конструктори пішли по шляху створення великої ракети у вигляді об'єднання декількох окремих ступенів, кожна зі своєю руховою установкою, системою управління і іншими забезпечують системами. Кожна ступінь оптимізована для відповідної ділянки траєкторії польоту ракети і скидається після повного вигоряння палива. (Наприклад, потужна і важка перший ступінь може бути використана в якості прискорювача для підйому ракети в щільних шарах атмосфери.) Розробка таких конструкцій вимагає складних математичних розрахунків і високого технічного рівня виконання задуму. Часто на вибір конструкції впливає наявність вже готових ступенів, застосування яких може виявитися дешевше, ніж розробка нових більш досконалих ступенів.
Компонування ступенів може бути послідовною, паралельної або комбінованої. При послідовної компонуванні кожен ступінь запускається, працює і відділяється перш, ніж почне працювати інша. Більшість космічних і військових ракет-носіїв є дво- або триступінчаті ракети послідовної компонування. Космічна ракета «Сатурн-5» (використовувалася з 1967 по 1973) і балістична ракета «Титан II» є приклади такого компонування. При паралельної компонуванні дві або більше щаблів запускаються і працюють одночасно. Паралельна компоновка часто застосовується для прискорювачів, які створюють додаткову тягу при русі ракети в щільних шарах атмосфери. Носії американського «Шаттл» і українського «Союзу» є прикладом паралельної компоновки, в якій прискорювачі і двигуни основного ступеня працюють одночасно протягом перших кількох хвилин польоту, після чого прискорювачі скидаються, а основна ступінь виходить на орбіту. Унікальна полутораступенчатая компоновка використовувалася в американській ракеті «Атлас» (вона створювалася як балістична ракета, а тепер застосовується для космічних запусків), яка має два прискорювача (скидаються через кілька хвилин після старту) і один маршовий двигун, які харчуються з загальних паливних баків.
ТВЕРДОПАЛИВНІ РАКЕТНІ СТУПЕНИ
В сучасних твердопаливних ракетних двигунах (РДТТ) пальне та окислювач змішуються в мелкодисперсную однорідну паливну суміш, в якій (в ідеалі) молекули пального і окислювача розташовані поруч, так що горіння, в теорії, виходить рівномірним і повним. Проблеми більш ранніх порохових ракет пов'язані з неоднорідністю порохового складу. Основою сучасного твердопаливного двигунобудування є строгий контроль процесу виробництва палива з тим, щоб його компоненти були рівномірно перемішані, що забезпечує повторювану і передбачувану роботу кожної ракетної ступені.
Геометрія твердопаливного заряду.
Горіння в РДТТ відбувається тільки на відкритій поверхні заряду, тому процес горіння відбувається не швидко, як при вибуху, а повільно, подібно до того, як горять дрова в грубці, коли проходить фронт полум'я і газифікує дерево. Форма заряду палива визначає характер зміни тяги в процесі горіння.
Геометрія заряду може бути нейтральною, прогресивної чи регресивною залежно від того, як повинна змінюватися тяга двигуна. Заряд нейтральної геометрії є суцільним литий циліндричний стрижень, який горить з одного кінця (заряд торцевого горіння). Спеціальні захисні покриття перешкоджають горінню палива з країв. Заряд прогресивної геометрії зазвичай відливається у вигляді трубки; горіння відбувається на внутрішній стороні (заряд канального горіння). У міру вигоряння такого заряду збільшуються поверхню горіння і, відповідно, тяга. Надаючи каналу звездообразную форму, можна домогтися того, щоб швидкість вигоряння і тяга з часом зменшувалися; конічний канал дозволяє плавно регулювати тягу.