Современный жидкостный ракетный двигатель, или, сокращенно, ЖРД — это очень прочная, стальная, напоминающая бутылку камера сгорания. Ее горловина с раструбом — сопло. В камеру по трубкам в большом количестве непрерывно впрыскиваются горючее и окислитель. Происходит бурное горение. Бушует пламя. Раскаленные газы с невероятной силой и громким ревом вырываются через сопло наружу. Вырываясь, отталкивают камеру в обратную сторону. Камера закреплена на ракете, и получается, что газы толкают ракету. Струя газов направлена назад, и поэтому ракета летит вперед.
Современная большая ракета выглядит так. Внизу, в ее хвосте, стоят двигатели, один или несколько. Выше почти все свободное место занимают баки с топливом. Наверху, в головке ракеты, помещают то, ради чего она летит. То, что она должна «доставить по адресу». В космических ракетах это может быть какой-нибудь спутник, который надо вывести на орбиту, или космический корабль с космонавтами.
Саму ракету называют ракетой-носителем. А спутник или корабль — полезной нагрузкой.
Итак, мы как будто нашли выход из заколдованного круга. Имеем ракету с жидкостным ракетным двигателем. Двигаясь реактивным способом, она может «тихим ходом» пройти сквозь плотную атмосферу, выйти в космос и там разогнаться до нужной скорости.
Первая же трудность, с которой столкнулись ракетостроители, — это нехватка топлива. Ракетные двигатели нарочно делают очень «прожорливыми», чтобы они быстрее сжигали топливо, изготовляли и выбрасывали назад как можно больше газов. Но… ракета не успеет набрать и половины необходимой скорости, как топливо в баках кончится. И это несмотря на то, что мы заполнили топливом буквально всю внутренность ракеты. Сделать ракету крупнее, чтобы поместилось больше топлива? Не поможет. На разгон крупной, более тяжелой ракеты уйдет больше топлива, и никакой выгоды не получится.
Из этого неприятного положения выход тоже подсказал Циолковский. Он посоветовал делать ракеты многоступенчатыми.
Берем несколько ракет разного размера. Их называют ступенями — первая, вторая, третья. Ставим одну на другую. Внизу самую большую. На нее — поменьше. Сверху — самую маленькую, с полезной нагрузкой в головке. Это трехступенчатая ракета. Но может быть ступеней и больше.
При взлете разгон начинает первая, самая мощная ступень. Израсходовав свое топливо, она отделяется и падает обратно на Землю. Ракета избавляется от лишней тяжести. Начинает работать вторая ступень, продолжая разгон. На ней двигатели стоят поменьше, более легкие, и топливо они расходуют экономнее. Отработав, вторая ступень тоже отделяется, передавая эстафету третьей. Той уже совсем легко. Она и заканчивает разгон.
Все космические ракеты — многоступенчатые.
Следующий вопрос — как лучше всего ракете выходить в космос? Может быть, подобно самолету, разбежаться по бетонной дорожке, оторваться от Земли и, постепенно набирая высоту, подняться в безвоздушное пространство?
Это невыгодно. Слишком долго придется лететь в воздухе. Путь через плотные слои атмосферы надо по возможности сократить. Поэтому, как вы, наверное, заметили, все космические ракеты, куда бы они потом ни летели, взлетают всегда прямо вверх. И только в разреженном воздухе постепенно заворачивают в нужную сторону. Такой взлет в смысле расхода топлива самый экономный.
Многоступенчатые ракеты выводят полезный груз на орбиту. Но какой ценой? Посудите сами. Чтобы вывести на околоземную орбиту одну тонну, нужно сжечь несколько десятков тонн топлива! Для груза в 10 тонн — сотни тонн. Американская ракета «Сатурн-5», выводящая на околоземную орбиту 130 тонн, сама весит 3000 тонн!
И едва ли не самое огорчительное — мы еще не умеем возвращать на Землю ракеты-носители. Сделав свое дело, разогнав полезную нагрузку, они отделяются и… падают. Разбиваются о Землю или тонут в океане. Второй раз мы их не можем использовать.
Представьте себе, что пассажирский самолет строился бы только для одного рейса. Невероятно! А вот ракеты, которые стоят дороже самолетов, строят только для одного полета. Поэтому вывод на орбиту каждого спутника или космического корабля обходится очень дорого.
Но мы отвлеклись.
Далеко не всегда наша задача — только вывести полезную нагрузку на круговую околоземную орбиту. Гораздо чаще ставится более сложное задание. Например, доставить полезную нагрузку на Луну. А иногда и вернуть ее оттуда обратно. В этом случае после выхода на круговую орбиту ракета должна совершить еще много разных «маневров». И все они требуют расхода топлива.
Вот и поговорим теперь об этих маневрах.
Самолет летит носом вперед, потому что ему нужно острым носом разрезать воздух. А ракете, после того как она вышла в безвоздушное пространство, разрезать нечего. На ее пути ничего нет. И потому ракета в космосе после выключения двигателя может лететь в любом положении — и кормой вперед, и кувыркаясь. Если во время такого полета снова ненадолго включить двигатель, он толкнет ракету. И тут все зависит от того, куда нацелен нос ракеты. Если вперед — двигатель подтолкнет ракету, и она полетит быстрее. Если назад — двигатель попридержит, притормозит ее, и она полетит медленнее. Если ракета глядела носом вбок — двигатель толкнет ее в сторону, и она, не меняя скорости, изменит направление своего полета.
Один и тот же двигатель может делать с ракетой все что угодно. Разгонять, тормозить, поворачивать. Все зависит от того, как мы перед включением двигателя нацелим, или ориентируем ракету.
На ракете, где-нибудь в хвосте, стоят маленькие реактивные двигатели ориентации. Они направлены соплами в разные стороны. Включая и выключая их, можно подталкивать хвост ракеты вверх-вниз, вправо-влево и таким образом поворачивать ракету. Ориентировать ее носом в любую сторону.
Представим себе, что нам нужно слетать на Луну и вернуться. Какие для этого потребуются маневры?
Прежде всего мы выходим на круговую орбиту около Земли. Здесь можно передохнуть, выключив двигатель. Не расходуя ни грамма драгоценного топлива, ракета будет «молча» ходить вокруг Земли, пока мы не решим лететь дальше.
Чтобы добраться до Луны, надо с круговой орбиты перейти на сильно вытянутую эллиптическую.
Ориентируем ракету носом вперед и включаем двигатель. Он начинает нас разгонять. Как только скорость немного превысит 11 километров в секунду, выключаем двигатель. Ракета пошла по новой орбите.
Надо сказать, что «попасть в цель» в космосе очень трудно. Если бы Земля и Луна стояли неподвижно, а летать в космосе можно было бы по прямым линиям, дело было бы простое. Нацелился — и лети, держа цель все время «по курсу», как это делают капитаны морских кораблей и летчики. Там и скорость не имеет значения. Раньше или позже прибудешь на место, какая разница. Все равно цель, «порт назначения», никуда не денется.
В космосе все не так. Попасть с Земли в Луну — это примерно то же самое, что, быстро вращаясь на карусели, попасть мячиком в летящую птицу. Посудите сами. Земля, с которой мы взлетаем, вращается. Луна — наш «порт назначения» — тоже не стоит на месте, летит вокруг Земли, пролетая километр за каждую секунду. Кроме того, ракета наша летит не по прямой линии, а по эллиптической орбите, постепенно замедляя свое движение. Ее скорость лишь в начале была одиннадцать с лишним километров в секунду, а потом из-за притяжения Земли стала уменьшаться. И лететь надо долго, несколько суток. И при этом вокруг нет никаких ориентиров. Нет никакой дороги. Нет и не может быть никакой карты, потому что на карту нечего было бы наносить — ничего кругом нет. Одна чернота. Только далеко-далеко звезды. Они и над нами, и под нами, со всех сторон. И мы должны так рассчитать направление своего полета и его скорость, чтобы в конце пути прийти в намеченное место пространства одновременно с Луной. Ошибемся в скорости — опоздаем на «свидание», Луна ждать нас не будет.
Чтобы, несмотря на все эти трудности, дойти до цели, на Земле и на ракете стоят сложнейшие приборы. На Земле работают электронно-вычислительные машины, трудятся сотни наблюдателей, вычислителей, ученых и инженеров.
И, несмотря на все это, мы все же в пути раз-другой проверяем, правильно ли мы летим. Если немного отклонились, проводим, как говорят, коррекцию траектории. Для этого ориентируем ракету носом в нужную сторону, включаем на несколько секунд двигатель. Он чуть толкнет ракету, подправит ее полет. И дальше она уже летит как надо.
К Луне подходить тоже непросто. Во-первых, надо лететь так, как будто мы намерены «промазать» мимо Луны. Во-вторых, лететь «кормой вперед». Как только ракета поравнялась с Луной, включаем ненадолго двигатель. Он притормаживает нас. Под действием притяжения Луны мы заворачиваем в ее сторону и начинаем ходить вокруг нее по круговой орбите. Здесь можно снова немного передохнуть. Затем приступаем к посадке. Снова ориентируем ракету «кормой вперед» и еще раз ненадолго включаем двигатель. Скорость уменьшается, и мы начинаем падать на Луну. Недалеко от поверхности Луны снова включаем двигатель. Он начинает сдерживать наше падение. Надо так рассчитать, чтобы двигатель полностью погасил скорость и остановил нас перед самой посадкой. Тогда мы мягко, без удара опустимся на Луну.
Возвращение с Луны уже идет знакомым порядком. Сперва взлетаем на круговую, окололунную орбиту. Потом увеличиваем скорость и переходим на вытянутую эллиптическую орбиту, по которой идем к Земле. Вот только посадка на Землю происходит не так, как посадка на Луну. Земля окружена атмосферой, и можно для торможения использовать сопротивление воздуха.
Однако отвесно врезаться в атмосферу нельзя. От слишком резкого торможения ракета вспыхнет, сгорит, развалится на куски. Поэтому мы нацеливаем ее так, чтобы она вошла в атмосферу «вкось». В этом случае она погружается в плотные слои атмосферы не так быстро. Скорость наша снижается плавно. На высоте нескольких километров раскрывается парашют — и мы дома. Вот сколько маневров требует полет к Луне.
Для экономии топлива конструкторы и здесь используют многоступенчатость. Например, наши ракеты, которые мягко садились на Луну и потом привозили оттуда образцы лунного грунта, имели пять ступеней. Три — для взлета с Земли и полета к Луне. Четвертую — для посадки на Луну. И пятую — для возвращения на Землю.
Все, что мы говорили до сих пор, была, так сказать, теория. Теперь совершим мысленно экскурсию на космодром. Посмотрим, как это все выглядит на практике.
Строят ракеты на заводах. Всюду, где возможно, используют самые легкие и самые прочные материалы. Для облегчения ракеты стараются все ее механизмы и всю аппаратуру, стоящую на ней, делать как можно более «портативными». Легче получится ракета — больше можно взять с собой топлива, увеличить полезную нагрузку.
На космодром ракету привозят по частям. В большом монтажно-испытательном корпусе ее собирают. Потом особый кран — установщик — в лежачем положении везет ракету, пустую, без топлива, на стартовую площадку. Там он поднимает ее и ставит в вертикальное положение. Со всех сторон ракету обхватывают четыре опоры стартовой системы, чтобы она не упала от порывов ветра. Потом подводят к ней фермы обслуживания с балконами, чтобы техники, готовящие ракету к старту, могли подобраться к любому ее месту. Подводят заправочную мачту со шлангами, через которые в ракету заливают топливо, и кабель-мачту с электрическими кабелями для проверки всех механизмов и приборов ракеты перед полетом.
Космические ракеты огромны. Самая первая наша космическая ракета «Восток» и то имела высоту 38 метров, с десятиэтажный дом. А самая большая американская шестиступенчатая ракета «Сатурн-5», которая доставляла американских космонавтов на Луну, имела высоту больше ста метров. Поперечник ее у основания 10 метров.
Когда все проверено и заливка топлива закончена, фермы обслуживания, заправочную мачту и кабель-мачту отводят.
И вот старт! По сигналу с командного пункта начинает работать автоматика. Она подает в камеры сгорания топливо. Включает зажигание. Топливо воспламеняется. Двигатели начинают быстро набирать мощность, все сильнее давят снизу на ракету. Когда наконец они набирают полную мощность и приподнимают ракету, опоры откидываются, освобождают ракету, и она с оглушительным ревом, как бы на огненном столбе, уходит в небо.
Управление полетом ракеты производится частично автоматически, частично по радио с Земли. А если ракета несет на себе космический корабль с космонавтами, то управлять могут и они сами.
Для связи с ракетой по всему земному шару размещены радиостанции. Ведь ракета ходит вокруг планеты, и может возникнуть необходимость связаться с ней как раз тогда, когда она будет «на той стороне Земли».
Ракетная техника, несмотря на свою молодость, показывает нам чудеса совершенства. Ракеты летали на Луну и возвращались обратно. Летали за сотни миллионов километров на Венеру и Марс, совершая там мягкие посадки. Пилотируемые космические корабли выполняли в космосе сложнейшие маневры. Сотни самых различных спутников выведены в космос ракетами.
Что будет дальше?
На путях, ведущих в космические дали, много трудностей.
Для путешествия человека, скажем, на Марс нам нужна была бы ракета совершенно невероятных, чудовищных размеров. Больше грандиозных океанских кораблей, весом в десятки тысяч тонн! О постройке такой ракеты нечего и думать.
На первое время, при полетах к ближайшим планетам, может помочь стыковка в космосе. Огромные космические корабли «дальнего плавания» можно строить разборными, из отдельных звеньев. С помощью сравнительно небольших ракет выводить эти звенья на одну и ту же «монтажную» орбиту около Земли и там состыковывать. Так можно в космосе собрать корабль, который будет даже крупнее ракет, по частям поднимавших его в космос. Технически это возможно даже сегодня.
Впрочем, стыковка облегчает завоевание космоса ненамного. Гораздо больше даст освоение новых ракетных двигателей. Тоже реактивных, но менее прожорливых, чем теперешние, жидкостные. Посещение планет нашей Солнечной системы резко двинется вперед после освоения двигателей электрических и атомных. Однако наступит время, когда станут необходимы полеты к другим звездам, в другие солнечные системы И тогда снова потребуется новая техника. Возможно, к тому времени ученые и инженеры сумеют построить фотонные ракеты. «Огненной струей» у них будет невероятно мощный луч света. При ничтожном расходе вещества такие ракеты смогут разгоняться до скоростей в сотни тысяч километров в секунду!
Космическая техника никогда не перестанет развиваться. Человек будет ставить перед собой все новые и новые цели. Для их достижения — придумывать все более совершенные ракеты. А создав их — ставить еще более величественные цели!
Многие из вас, ребята, наверняка, посвятят себя завоеванию космоса. Успехов вам на этом интереснейшем пути!