Ракета – это аппарат с реактивным двигателем, который движется вперёд, выбрасывая горячие газы или другую рабочую массу назад. Словом называют и двигатель, и целый летательный аппарат, в котором он установлен. Ракеты запускают спутники, доставляют исследовательские приборы и выводят космические корабли на орбиту. Их важное отличие от самолётов состоит в том, что ракете не нужен окружающий воздух для работы двигателя.
Почему ракета летит
При работе двигателя вещество выходит из сопла с большой скоростью в одном направлении. В ответ аппарат получает толчок в противоположную сторону. Это пример третьего закона Ньютона: взаимодействующие тела действуют друг на друга с равными по величине и противоположными по направлению силами. Надутый шарик, отпущенный без завязки, движется похожим образом, пока воздух вырывается из его отверстия.
Ракете не нужно отталкиваться от земли или от воздуха вокруг себя. Она толкает назад собственное рабочее тело – выхлопные газы, а сама получает движение вперёд. Поэтому двигатель может работать и в космосе, где почти нет воздуха. NASA объясняет принцип через выброс горячих газов и реакцию аппарата; на результат влияют тяга, масса ракеты и сопротивление воздуха.
На стартовой площадке ракета удерживается опорами, а сила тяжести тянет её вниз. Когда двигатель создаёт тягу, направленную вверх, и она становится достаточной, ракета начинает подниматься. В полёте на неё действуют не только двигатель и гравитация, но и сопротивление воздуха, а также боковые силы. Поэтому полёт требует расчётов и управления.
Чем ракета отличается от самолёта
Самолёт обычно использует атмосферный воздух: крылья создают подъёмную силу, а двигатель разгоняет аппарат. Реактивный двигатель самолёта забирает кислород из воздуха для сгорания топлива; воздушный винт тоже взаимодействует с атмосферой. Ракетный двигатель несёт с собой и топливо, и окислитель, который нужен для реакции. Поэтому ракета продолжает работать за пределами атмосферы.
Это различие не означает, что ракета и самолёт никак не похожи. Оба аппарата должны управлять направлением движения и выдерживать нагрузки. Некоторые летательные системы сочетают разные принципы или работают в атмосфере и космосе на разных этапах. Но обычный самолёт не может заменить ракету для вывода спутника на орбиту: у него нет нужного запаса скорости и автономного ракетного двигателя.
Подъёмная сила и тяга – не одно и то же. Тягу создаёт двигатель, выбрасывая массу. Подъёмная сила возникает при движении крыла в воздухе. При старте ракета в основном преодолевает гравитацию тягой; аэродинамические силы могут помогать управлять полётом, но не являются источником её основного движения.
Из чего состоит космическая ракета
У ракеты-носителя есть двигатели, баки или блоки с топливом, системы управления и конструкция, которая соединяет их. В верхней части располагают полезную нагрузку: спутник, корабль или научный аппарат. Конкретное устройство зависит от задачи. Для полёта на низкую орбиту нужна одна характеристика, а для отправки зонда к другой планете – другие запасы топлива, траектория и оборудование.
Современная ракета – это не просто труба с мотором. Ей нужны датчики, навигация, связь, механизмы разделения частей и программное управление. До запуска проверяют системы, рассчитывают погодные ограничения и готовность площадки. Даже небольшая неисправность может повлиять на безопасность и ход миссии.
Космическая ракета отличается от военной, сигнальной или модельной назначением и масштабом, хотя физический принцип реактивного движения общий. Фейерверки и небольшие модели тоже используют выброс массы, но имеют другие требования и не являются средствами вывода спутников. Важно не переносить характеристики одной разновидности на все остальные.
Зачем нужны ступени
Большая ракета часто состоит из нескольких ступеней. На нижнем участке пути двигатели расходуют основную часть топлива, а после опустошения ступень отделяется. Ракете больше не нужно разгонять массу пустых баков и двигателей, поэтому оставшаяся часть продолжает путь эффективнее. Следующая ступень включается и ускоряет аппарат дальше.
Не каждая ракета имеет одинаковое число ступеней. Конструкторы подбирают схему под массу груза, необходимую скорость и профиль миссии. Некоторые первые ступени возвращают и используют повторно, другие падают в заранее определённые районы или сгорают в атмосфере. Повторное использование может снизить отдельные расходы, но требует обслуживания, проверок и подходящей конструкции.
Отделившаяся ступень не просто исчезает: её движение и возможное возвращение рассчитывают заранее. Космический мусор и падение частей учитывают при планировании. По этой причине запускают с определённых космодромов и выбирают траектории с учётом территории, над которой пройдёт ракета.
Орбита – это постоянное падение вокруг Земли
Чтобы спутник оставался на орбите, его нужно разогнать вбок до большой скорости. Гравитация тянет его к Земле, но за время падения поверхность планеты успевает изогнуться под ним. В результате спутник всё время падает, не достигая поверхности, и движется по орбите. Ракета нужна, чтобы доставить аппарат на нужную высоту и придать ему подходящую скорость.
Орбита – не просто высота. На неё влияют скорость и направление полёта. Если разогнать спутник недостаточно, он может вернуться в атмосферу; если изменить траекторию, он окажется на другой орбите. Объяснение основ физики доступно в статье что такое физика простыми словами.
Где применяют ракеты
Ракеты выводят на орбиту аппараты связи, наблюдения Земли и научные спутники. Они отправляют автоматические станции к Луне и планетам, а пилотируемые носители перевозят экипажи. Исследовательские ракеты могут подниматься на высоту для изучения атмосферы. В военной сфере существуют ракеты другого назначения, и их устройство и задачи отличаются от мирных космических носителей.
Один запуск обычно выполняет заранее определённую миссию. Сам спутник может отделиться на заданной высоте, а космический корабль – продолжить полёт с использованием собственных двигателей. Подробности о космосе и его объектах есть в статье интересные факты о космосе, а история космических ракет рассмотрена отдельно в материале об изобретении космической ракеты.
Коротко
Ракета движется благодаря тому, что выбрасывает массу в одну сторону и получает тягу в другую. Она несёт окислитель, поэтому может работать вне атмосферы. Ракеты бывают разных типов, а космические носители часто сбрасывают пустые ступени, чтобы не разгонять лишнюю массу. Их главная задача – сообщить полезной нагрузке нужную скорость и вывести её на рассчитанную траекторию.
