Итак, вы прочли последние новости об Илоне Маске или Джеффе Безосе (главе Amazon — прим. перев.), а может покопались в книгах по истории и поняли, почему Роберт Годдард и Вернер фон Браун стали легендами. И тут вам в голову пришла гениальная мысль — а почему бы не заняться ракетостроением самостоятельно?
Тем не менее, ракеты полагаются на некоторые удивительно простые физические принципы. Хотя шаги ниже точно не дадут вам полноценного ракетного двигателя, они пояснят, почему мы делаем ракеты так, как мы делаем, и никак иначе.
Шаг первый: сохранение импульса
При движении по поверхности Земли или по воздуху мы полагаемся на сохранение импульса, чтобы двигаться вперед. Когда мы отталкиваемся от земли или машем крыльями в воздухе, то земля или воздух в свою очередь отталкиваются от нас. Поскольку Земля несколько больше нас, сохранение импульса означает, что мы сдвигаемся сильно, а вот Земля — едва ли.
Но космос — это совсем другая история. В этом холодном вакууме не на что давить. Ноги, крылья, пропеллеры и самолеты бесполезны. Но это не означает, что сохранение импульса внезапно перестает работать. Вместо этого, чтобы двигаться вперед, нам, по сути, нужно взять импульс с собой.
Тут тот же принцип, что и в том случае, когда вы находитесь на льду озера или в офисном кресле на колесиках. Если вы возьмете часть массы, которую вы носите с собой (обувь, снежок — что угодно), и отбросите ее от себя, то вы немного проедете в противоположном направлении. Конечно, то, что вы выкинули, имеет вес сильно меньше вашего, поэтому вы проедете в обратном направлении на достаточно небольшое расстояние, но все еще вам удалось сдвинуться, используя только самого себя.
Итак, чтобы иметь летающую в космосе ракету, вам нужно возить с собой ракетное топливо. Оно может быть любым, и когда вы его выбросите через заднюю часть ракеты, вы пролетите немного вперед. Прогресс!
Шаг второй: плывите по течению
Но стратегия «положить топливо в ракету и проделать дырку на задней ее стороне», вероятно, будет не самой эффективной. Вот почему вам нужно заменить свое отверстие соплом: в частности, соплом де Лаваля, названным в честь его изобретателя. Конкретно это сопло сужается до узкой горловины, а затем расширяется в куполообразную камеру, где выходное отверстие намного шире, чем входное. Уникальная форма сопла делает что-то волшебное с потоком ракетного топлива, что привело Годдарда в восторг в начале 1900-ых.
Когда топливо попадает в узкую горловину, оно ускоряется. Это происходит потому, что жидкость крайне плохо сжимается — для этого требуется гигантское давление, но его в сопле нет. Таким образом, чтобы общая масса жидкости протекала с одинаковой скоростью, она должна преобразовываться с «широкой и медленной» на входе в «узкую и быструю» посередине. Каждое вещество имеет свою собственную скорость звука (скорость, с которой распространяются звуковые волны в нем), и если вы правильно настроите горловину сопла, жидкость станет звуковой в момент перемещения по ней.
А звуковые и сверхзвуковые жидкости обладают особым свойством, которое прямо противоположно их дозвуковым собратьям: вместо замедления при повторном расширении из-за сложной динамики жидкости они... ускоряются. Поэтому, когда такая жидкость выходит из сопла, она получает дополнительный импульс. Кроме того, специальная куполообразная форма сопла на выходе позволяет жидкости продолжать прижиматься к его корпусу, еще больше увеличивая итоговый импульс.
Шаг третий: повинуйтесь тирании
Итак, у вас есть топливо и сопло. Что осталось? Правильно, вам нужно что-то, чтобы привести все это в действие: источник энергии, который вам также нужно упаковать с собой. В случае бросания вещей на скользком льду вы принесли свою энергию в виде завтрака, который вы употребили раньше и хранили для последующего использования.
Но зерновые и молоко — не самый лучший источник энергии для космической энергетики, поэтому химические ракеты оказались настолько успешными. Создавая мощную смесь топлива (например, высокоочищенный керосин) и окислителя (например, кислород), можно высвободить и использовать невероятные объемы энергии в последующих экзотермических реакциях. Разумеется, имеются и другие комбинации, и в некоторых случаях топливо самовоспламеняется при правильных условиях или существует в твердой форме перед использованием по назначению.
В любом случае, результат тот же. Еще одна полезная «фишка» химических ракет заключается в том, что смесь топлива служит в качестве движителя — результаты энергетических реакций «запихиваются» в сопло де Лаваля, толкая ракету вперед. Это здорово.
Но тот факт, что вы должны нести свой собственный источник топлива и энергии, резко ограничивает то, что может сделать ракета. Это регулируется формулой Циолковского — простой связью между энергией, необходимой для достижения цели, энергией, запасенной в топливе, и долей общей массы ракеты, занятой топливом.
Если вы хотите улететь дальше или поднять более тяжелый объект на орбиту, вам нужно больше топлива. Но увеличение объемов топлива увеличивает и общий вес ракеты, и именно эта «тирания» объясняет, почему современные ракеты имеют от 80 до 90 процентов топлива по массе — все для того, чтобы вывести совсем небольшую полезную нагрузку в космос. Поэтому и используют многоступенчатые ракеты — убирая используемые ступени, вы тем самым уменьшаете общий вес ракеты, а, значит, ускорение от следующей ступени будет более эффективным.
Можете улетать
Что в итоге? У вас есть все необходимые компоненты ракеты: сохранение импульса, ракетное топливо, сопло причудливой формы и источник энергии. И все, даже самые нестандартные ракеты, следуют тем же основным принципам. Соплом могут быть электрические или магнитные поля, а источником энергии — топливо, ядерные реакции или само Солнце. Но, несмотря ни на что, шаги выше — единственный способ получить ракету в космосе.
