Ракеты космического назначения

Ковтун Юрий Алексеевич
11 класс МБОУ «Лорис – Меликовская СОШ»
Называевского МР
Омской области
Руководитель: Ковтун Марина Ивановна
Ракеты космического назначения
I. Ракеты космического назначения.
Ракета - носитель (РН, также ракета космического назначения, РКН) —
аппарат, действующий по принципу реактивного движения (ракета) и
предназначенный для выведения полезной нагрузки в космическое
пространство.
1.История:
Столетиями люди интересовались ракетами и их использованием. В Китае их
применяли в военном деле со времён династии Сун, а уже в XIX веке
примитивные ракеты довольно широко применялись и на суше и на море. В
1880-х гг русским учёным Константином Циолковским была разработана
теория многоступенчатой жидко-топливной ракеты, способной достичь
космоса. Формула Циолковского и по сей день используется в разработках
ракет. Также Циолковский сделал первое теоретическое описание
искусственного спутника.
В 1926 году Роберт Годдард построил первую ракету на жидком топливе.
После Первой мировой войны по условиям Версальского договора Германии
было запрещено иметь дальнобойную артиллерию, поэтому командование
рейхсвера проявляло интерес к ракетному оружию. С середины 1920-х годов
немецкие инженеры экспериментировали с ракетами и к 1942 году, благодаря
Вернеру фон Брауну, достигли существенных успехов.
Немецкая баллистическая боевая ракета А-4, запущенная в 1942 году, стала
первым аппаратом, достигшим космической высоты в наивысшей точке
суборбитальной траектории полёта. В 1943 году Германия начала серийный
выпуск этих ракет под названием «Фау-2». Ракета несла боезаряд массой в 1000
кг, а её дальность достигала 300 км. В основном их использовали для
бомбардировок городов антигитлеровской коалиции. Впрочем, их
эффективность оказалась весьма низкой по сравнению с гигантскими затратами
на их производство. На базе использовавшейся ракеты А-4 были разработаны и
частично испытаны также военные проекты баллистико-планирующих ракет
А-4b и баллистических двухступенчатых ракет А-9/А-10 с головными частями,
наводимыми на цель пилотами, которые в случае проведения пилотируемых
стартов ввиду достижения на суборбитальной траектории границы космоса
должны были формально стать первыми космонавтами.
Ближе к концу Второй мировой войны советские, британские и американские
военные соперничали в захвате перспективных немецких военных разработок и
квалифицированного персонала. Наибольших успехов достигли американцы —
в ходе операции «Скрепка» была вывезена в США большая группа немецких
специалистов-ракетчиков, включая Вернера фон Брауна.
1
Практическое освоение космоса стало возможным благодаря энергичным
усилиям Советского Союза и Соединенных Штатов в развитии баллистических
ракет после второй мировой войны.
Созданная в Советском Союзе межконтинентальная баллистическая ракета Р-7
(SS-6, «Sapwood» — по классификации НАТО) имела большую начальную массу и
оказалась весьма перспективной как ракета-носитель. Первая межконтинентальная
баллистическая ракета США SM-65 «Атлас» была меньшей по размерам, начальной
массе и менее эффективной как ракета-носитель, чем ракета Р-7.
Советские ракеты-носители, созданные на базе Р-7, обладали достаточно
большой грузоподъемностью. С их помощью были осуществлены запуски всего
множества разработанных в СССР космических аппаратов — от автоматических
спутников Земли, Луны и межпланетных автоматических станций до пилотируемых
кораблей «Восток», «Восход», «Союз», «Союз-Т» и автоматического грузового
корабля «Прогресс» для снабжения орбитальной станции «Салют». В первые 20 лет
космической эры в СССР было осуществлено не менее 600 успешных запусков
космических аппаратов, высокая надежность которых была обеспечена
применением в ракетах-носителях стандартизованных, хорошо отработанных
элементов.
Первой в мире настоящей ракетой-носителем, доставившей в 1957 году груз на
орбиту, была советская Р-7 («Спутник»). Далее США и ещё несколько стран
начали использовать собственные ракеты-носители, а три страны (позже также
и Китай) создали РН для пилотируемых полётов. Самые мощные используемые
на данный момент ракеты-носители — это российская РН «Протон-М»,
американская РН Дельта IV heavy и европейская РН Ариан V тяжёлого класса,
позволяющие выводить на низкую околоземную орбиту (200 км) 21-25 тонн
полезного груза.
2. Состав ракеты-носителя:
1)Космический корабль 2)Баки с горючим 3) Баки с окислителем 4) Насосы
5)Сопло 6) Двигатели.
Во время движения ракеты отработанные ступени отбрасываются и
благодаря этому, по закону сохранения импульса, ракета ускоряется. Скорость,
требуемая для выведения на орбиту космических аппаратов, часто
недостижима даже при помощи ракеты. Паразитный вес топлива, конструкции,
двигателей и системы управления настолько велик, что не даёт разогнать
ракету до нужной скорости за приемлемое время. Задача решается за счёт
использования составных многоступенчатых ракет, позволяющих отбросить
излишний вес в процессе полёта. За счёт уменьшения общего веса конструкции
и выгорания топлива ускорение составной ракеты с течением времени
увеличивается. Оно может немного снижаться лишь в момент сбрасывания
отработавших ступеней и начала работы двигателей следующей ступени.
Подобные многоступенчатые ракеты, предназначенные для запуска
космических аппаратов, называют ракеты - носители
2
II.Ракетные двигатели.
1.История:
Реактивный двигатель был изобретен Гансом фон Охайном, выдающимся
немецким инженером-конструктором и Фрэнком Уиттлом. Первый патент на
работающий газотурбинный двигатель был получен в 1930 году Фрэнком
Уиттлом. Однако первую рабочую модель собрал именно Охайн.
2 августа 1939 года в Германии в небо поднялся первый реактивный самолет —
Хейнкель He 178, оснащённый двигателем HeS 3, разработанный Охайном.
2.Принцип действия:
Большинство современных ракет оснащаются химическими ракетными
двигателями. Подобный двигатель может использовать твёрдое, жидкое или
гибридное ракетное топливо. Химическая реакция между топливом и
окислителем начинается в камере сгорания, получающиеся в результате
горячие газы, образуют истекающую реактивную струю, ускоряются в
реактивном сопле (или соплах) и выбрасываются из ракеты. Ускорение этих
газов в двигателе создаёт тягу — толкающую силу, заставляющую ракету
двигаться. Принцип реактивного движения описывается третьим законом
Ньютона. Однако не всегда для движения ракет используются химические
реакции. В паровых ракетах перегретая вода, вытекающая через сопло,
превращается в высокоскоростную паровую струю, служащую движителем.
Эффективность паровых ракет относительно низка, однако это окупается их
простотой и безопасностью, а также дешевизной и доступностью воды. Работа
небольшой паровой ракеты в 2004 году была проверена в космосе на борту
спутника UK-DMC. Существуют проекты использования паровых ракет для
межпланетной транспортировки грузов, с нагревом воды за счёт ядерной или
солнечной энергии. Ракеты наподобие паровой, в которых нагрев рабочего тела
происходит вне рабочей зоны двигателя, иногда описывают как системы с
двигателями внешнего сгорания. Другими примерами ракетных двигателей
внешнего сгорания может служить большинство конструкций ядерных
ракетных двигателей.
Плазменный двигатель — энергию плазмы в скорость истечения
струи, обеспечивающее при этом защиту конструкции и эффективный выход
плазмы из магнитного поля.
III.Классификация РКН:
В отличие от некоторых горизонтально-стартующих авиационно-космических
систем (АКС), ракеты-носители используют вертикальный тип старта.
По расположению ступеней (компоновке)
3


продольная компоновка (тандемная), у которой ступени расположены
одна за другой и работают в полёте поочерёдно.
параллельная компоновка (пакетная), при которой несколько блоков,
расположенных параллельно и относящихся к разным ступеням,
работают в полёте одновременно.
o условно-пакетная компоновка (т. н. полутороступенчатая схема), в
которой используются общие топливные баки для всех ступеней, от
которых
питаются
стартовые
и
маршевые
двигатели,
запускающиеся и работающие одновременно. По завершении
работы стартовых двигателей сбрасываются только они.
по количеству ступеней



одноступенчатые
полутороступенчатые — у которых имеется общие баки окислителя и
горючего для всех ступеней, а первую ступень образуют стартовые
двигатели, то есть сброс происходит только двигателей, а не ступени
целиком (например РН «Атлас» первых модификаций)
двухступенчатые
и т. д.
по используемым двигателям


жидкостные
твердотопливные, или их комбинации на разных ступенях.
По массе полезной нагрузки, выводимой на низкую околоземную
орбиту (НОО)





сверхтяжёлый (>~ 60-70 тонн) класс
тяжёлый (>~ 19-20 тонн) класс
средне-тяжёлый (>~ 10 тонн) класс
средний (>~ 4 тонн) класс
лёгкий класс, а также на вновь появляющийся т. н. класс нано-носителей
(до несколько десятков кг).
одноразовые и многоразовые
Наибольшее
распространение
получили
одноразовые многоступенчатые ракеты как пакетной, так и
продольной схем. Одноразовые ракеты отличаются высокой
надёжностью благодаря максимальному упрощению всех элементов.
Следует уточнить, что одноступенчатой ракете для достижения
орбитальной скорости теоретически необходимо иметь конечную
массу не более 7-10 % от стартовой, что при даже существующих
4
технологиях делает их труднореализуемыми и экономически
неэффективными из-за низкой массы полезного груза. В истории
мировой
космонавтики
одноступенчатые
ракеты-носители
практически
не
создавались —
существовали
только
т. н. полутораступенчатые модификации (например, американской
РН «Атлас» со сбрасываемыми дополнительными стартовыми
двигателями). Наличие нескольких ступеней позволяет существенно
увеличить отношение массы выводимой полезной нагрузки к
начальной массе ракеты. В то же время многоступенчатые ракеты
требуют отчуждения территорий для падения промежуточных
ступеней.
Ввиду необходимости применения высокоэффективных сложных
технологий (прежде всего, в области двигательных установок и
теплозащиты), полностью многоразовых ракет-носителей пока не
существует, несмотря на постоянный интерес к этой технологии и
периодически
IV. Характеристика российских ракет – носителей:
Ракета-носитель "Энергия", создававшаяся как составная часть
многоразовой космической системы "Энергия - Буран", является
универсальным средством выведения сверхтяжелого класса,
способным доставлять на орбиты в околоземное космическое
пространство крупногабаритные полезные грузы массой до 100 т на
внешней подвеске.
Ракета-носитель "Протон", относящаяся к тяжелому классу,
разработана под руководством генерального конструктора академика
В. Челомея. Начиная с 1965 года и до наших дней она, используется
для запуска орбитальных пилотируемых и автоматических
межпланетных станций, геостационарных спутников связи, других
космических аппаратов.
Ракета-носитель «Зенит» тяжелого класса. Создавалась в конце
1970-х — начале 80-х гг. в НПО «Южное» на базе унифицированного
ракетного блока первой ступени УРКТС «Энергия » под руководством
В. Ф. Уткина. Предполагалось, что «Зенит» заменит носитель «Союз»
в связи с планировавшимся развертыванием перспективных
орбитальных станций на орбите большего наклонения и переводом
части пилотируемых запусков в Плесецк, и дополнит ракету-носитель
«Протон», имея, в отличие от последнего, более экологически чистое
топливо (кислород и керосин).
Ракета-носитель Р-7 — двухступенчатая межконтинентальная
баллистическая ракета, с отделяющейся головной частью массой 3000
5
кг и дальностью полёта 8000 км. Её модификация Р-7А с увеличенной
до 11 000 км дальностью состояла на вооружении РВСН СССР с 20
января 1960 года по конец 1968. В НАТО ракета получила
обозначение — SS-6 , Главное ракетно-артиллерийское управление
МО СССР использовало индекс 8К74.
Ракета-носитель "Союз" - наименование серии трехступенчатых
ракет-носителей среднего класса, разработанных на базе ракетыносителя Р-7 с добавлением блока 3-й ступени. Ракеты-носители
серии "Союз" эксплуатируются с 1963 года.
Ракета-носитель "Циклон" - это транспортная космическая система,
предназначенная для оперативного, высокоточного выведения на
круговые, геостационарные, солнечно-синхронные орбиты одного или
группы космических аппаратов различного назначения.
Ракета-носитель "Днепр" предназначена для оперативного,
высокоточного выведения на околоземные орбиты с высотами 300900 км, наклонениями 50.5°, 64.5°, 87.3°, 98° одного или группы
космических аппаратов различного назначения массой до 3,7 т..
Создана на базе самой мощной в мире межконтинентальной
баллистической ракеты РС-20.
Ракета-носитель "Космос-3М" предназначена для одиночного и
группового выведение космических аппаратов на эллиптические и
круговые орбиты высотой от 250 до 1700 км. При этом масса
выводимой полезной нагрузки может составлять от 500 кг (высота
орбиты 1700 км) до 1500 (высота орбиты 250 км).
Ракета-носитель "Рокот" — жидкостная трёхступенчатая ракетаноситель легкого класса, спроектированная в Центре имени
Хруничева на базе межконтинентальной баллистической ракеты УР100Н УТТХ. Она предназначена для выведения космических
аппаратов массой до 2 т на низкие околоземные орбиты.
Ракета-носитель "Старт" - твердотопливная, сконструированная
на базе межконтинентальной баллистической ракеты 15Ж58
подвижного грунтового ракетного комплекса «Тополь» в НТЦ
«Комплекс-МИТ». Предназначена для запуска малогабаритных
космических аппаратов на низкие околоземные орбиты, в том числе
по коммерческим заказам.
Ракета-носитель "Молния-М" – четырехступенчатая ракетаноситель среднего класса, разработана на базе ракет-носителей типа
Р-7 с добавлением блоков 3-й и 4-й ступеней.
6
Ракета-носитель "Ангара" — семейство разрабатываемых
ракет-носителей модульного типа, включающее в себя носители
четырёх классов от лёгкого до тяжёлого в диапазоне
грузоподъемностей от 1,5 до 35 тонн.
V.Циклон-2К
Ракета-носитель "Циклон-2К" представляет собой новый вариант ракетыносителя
"Циклон-2",
созданной
украинским
Государственным
конструкторским бюро "Южное" и изготавливаемой ПО "Южный
машиностроительный
завод".
Ракета-носитель "Циклон-2К" - это транспортная космическая система,
созданная на базе узлов с доказанной высокой надежностью, сохранившая
лучшие полетные и эксплуатационные характеристики, традиционно присущие
ракетам-носителям серии "Циклон":





улучшенные энергетические характеристики;
высокую точность выведения космических аппаратов на заданные
орбиты;
безопасность обслуживающего персонала за счет автоматизации
процессов подготовки и пуска;
самое короткое время подготовки ракеты-носителя к пуску и проведение
пуска (от 5 часов до 24 часов);
минимальное количество обслуживающего персонала.
Ракета-носитель "Циклон-2К" обеспечивает возможность запуска
различных космических аппаратов с космодрома Байконур, расположенного в
Казахстане.
Подготовка космического аппарата и пристыковка его к ракете-носителю
выполняются опытным персоналом в сооружениях, укомплектованных
необходимым оборудованием, включая зоны сборки и испытаний,
аттестованные сертификатами чистоты класса 100 000 (по FED-STD-209E).
Ракета-носитель "Циклон-2К" способна обеспечить выведение с космодрома
Байконур:


на круговую орбиту высотой 1000 км и наклонением 65° космического
аппарата массой 2000 кг,
на круговую солнечно-синхронную орбиту высотой 700 км космического
аппарата массой 1600 кг.
7
Головной блок состоит из головного обтекателя,
космического аппарата и адаптера КА с изолирующей
мембраной.
Головной блок ракеты-носителя "Циклон-2К"
представляет собой отдельную технологическую
сборочную единицу и предназначен для размещения
полезной нагрузки (космического аппарата) и
обеспечения для нее требуемых условий окружающей
среды на всех этапах эксплуатации головного блока и
ракеты-носителя. Головной блок разработан с учетом
требований по чистоте и предназначен для
эксплуатации в среде, соответствующей классу М 6.5
(100000)
по
FED
STD
209E.
Зона размещения полезного груза (космического
аппарата) под головным обтекателем РН "Циклон-2К"
определена предварительно на основе данных по зоне
размещения полезного груза (космического аппарата)
на РН "Циклон-3" и имеет объём около 22,5 м3.
VI.Протон
Первый вариант ракеты-носителя «Протон» был двухступенчатым.
Последующие модификации ракеты, «Протон-К» и «Протон-М», запускались
либо в трёх - (на опорную орбиту), либо в четырёхступенчатом вариантах (с
разгонным блоком). C 2001 по 2012 год ракета-носитель «Протон-К»
постепенно была заменена на новый модернизированный вариант носителя, РН
«Протон-М». Хотя в основном конструкция РН «Протон-М» базируется на РН
«Протон-К», серьёзные изменения были сделаны в системе управления (СУ)
РН, которая была полностью заменена на новую совершенную систему
управления на основе бортового цифрового вычислительного комплекса
(БЦВК). С использованием новой СУ на РН «Протон-М» достигаются
следующие улучшения.
1.более полная выработка бортового запаса топлива, что увеличивает массу ПГ
на орбите и уменьшает остатки вредных компонентов в местах падения
отработавших первых ступеней РН;
8
2. сокращение размеров полей, отводимых для падения отработавших первых
ступеней РН;
3. возможность пространственного манёвра на активном участке полёта
расширяет диапазон возможных наклонений опорных орбит;
4. упрощение конструкции и увеличение надёжности многих систем, чьи
функции теперь выполняет БЦВК;
5. возможность установки головных обтекателей больших размеров (до 5 м в
диаметре), что позволяет более чем вдвое увеличить объём для размещения
полезного груза и использовать на РН «Протон-М» ряд перспективных
разгонных блоков;
6. быстрое изменение полётного задания.
Сборка и подготовка к запуску РН «Протон-М» проходят в монтажноиспытательных корпусах (МИК) 92-1 и 92А-50 на территории «площадки 92».В
настоящее время в основном используется МИК 92-А50, который был достроен
и усовершенствован в 1997—1998 годах.
VII.Стартовый комплекс
Стартовый комплекс (СК) предназначен для подготовки к пускам и проведения
пусков ракет-носителей «Протон-К» и «Протон-М» с различными
космическими головными частями.
Стартовые комплексы, развернутые на Байконуре, обеспечили пуски более
трехсот шестидесяти ракет-носителей типа «Протон» с космическими
аппаратами военного, народнохозяйственного и научного назначения.
Введены в строй технический комплекс, специально оборудованный под РН
«Протон-М», и стартовый комплекс, дооборудованный под РН «Протон-М»,
являющийся универсальным, обеспечивающим пуски ракет «Протон» и
«Протон-М».
Стартовый комплекс, созданный Конструкторским бюро общего
машиностроения (ныне филиал ФГУП «ЦЭНКИ»-НИИ стартовых комплексов
имени В.П. Бармина), состоит из двух стартовых площадок, объединенных
сетью коммуникаций, и общего для обеих площадок комплекса сооружений,
обеспечивающих каждую из них сжатыми газами, водой, электроэнергией.
Технологическое оборудование комплекса обеспечивает доставку ракетыносителя с космической головной частью с технического на стартовый
комплекс. Установку ее на пусковое устройство (ПУ), проведение
электрических проверок ракеты-носителя и космической головной части,
заправку РН и разгонного блока компонентами топлива и сжатыми газами,
9
набор готовности двигательной установки ракеты и пуск ракеты-носителя с
КГЧ.
VIII. РН «Ангара».
В настоящий момент предполагается, что ракета-носитель (РН) «Протон-М»
будет полностью заменена на РН «Ангара», которая также будет изготовляться
в ГКНПЦ им. М.В.Хруничева. Первый запуск «Ангары» намечен на 2013 год.
Начиная с этого момента, РН «Протон-М» в течение нескольких лет будет
постепенно вытесняться РН «Ангара», но его полный вывод из эксплуатации
возможен не ранее, чем будет принята в оперативное использование РН
«Ангара А5».
Отказ от использования «Протона» обусловлен несколькими причинами:
1. Пуски этой ракеты возможны только с космодрома «Байконур», который
находится за пределами Российской Федерации. Кроме Байконура, ракетаноситель «Ангара» будет стартовать с космодромов, расположенных на
территории России («Плесецк», «Восточный»).
2. Изготовление некоторых частей РН «Протон» производится за рубежом, что
неприемлемо для основного заказчика РН «Протон-М», которым является
Министерство Обороны РФ. Ракетный комплекс «Ангара» полностью
спроектирован и изготовляется российскими предприятиями:
3. РН «Протон» использует высокотоксичное топливо (АТ + НДМГ). Поля
падения РН «Протон-М» находятся в Казахстане, и после каждого аварийного
пуска приходится проводить дорогостоящие очистки территории. В «Ангаре»
будет использовано экологически безопасное топливо на основе керосина.
Окислителем будет выступать жидкий кислород;
4. Тяжёлый вариант РН «Ангара» — «Ангара-5» — должен быть проще и
дешевле РН «Протон-М» (в основном из-за того, что у неё меньше двигателей,
самого дорогого компонента РН).
Сергей Павлович Королёв, 1966: "Каждый космический год - это новый шаг
вперёд отечественной науки по пути познания сокровенных тайн природы. Наш
великий соотечественник К.Э.Циолковский говорил: "Невозможное сегодня,
становится возможным завтра". Вся история развития космонавтики
подтверждает правоту этих слов. То, что казалось несбыточным на протяжении
веков, что ещё вчера было лишь дерзновенной мечтой, сегодня становится
реальной задачей, а завтра - свершением. Нет преград человеческой мысли!"
Интернет ресурсы: www.wikipedia.org, www.walkinspace.ru.
10