ขีปนาวุธหลายขั้นตอน: กระทรวงกลาโหมของสหพันธรัฐรัสเซีย ทำไมจรวดถึงทำหลายขั้นตอน? โครงการที่มีถังแขวน

โครงการได้รับการพัฒนาตามคำร้องขอของนักลงทุนร่วมทุนจากสหภาพยุโรป

ค่าใช้จ่ายในการส่งยานอวกาศขึ้นสู่วงโคจรยังคงสูงมาก เนื่องจากเครื่องยนต์จรวดมีราคาสูง ระบบควบคุมที่มีราคาแพง วัสดุราคาแพงที่ใช้ในการออกแบบจรวดและเครื่องยนต์ของจรวด เทคโนโลยีที่ซับซ้อนและมักจะมีราคาแพงสำหรับการผลิต การเตรียมพร้อมสำหรับการปล่อยจรวด ใช้.

ส่วนแบ่งของค่าใช้จ่ายของผู้ให้บริการในต้นทุนรวมของการเปิดตัวยานอวกาศนั้นแตกต่างกันไป หากสื่อเป็นแบบซีเรียล และอุปกรณ์ไม่ซ้ำกัน ประมาณ 10% ในทางตรงกันข้ามมันสามารถสูงถึง 40% หรือมากกว่านั้น มันมีราคาแพงมาก และด้วยเหตุนี้ จึงมีแนวคิดที่จะสร้างยานส่งยานที่บินออกจากคอสโมโดรม บินสู่วงโคจร และทิ้งดาวเทียมหรือยานอวกาศไว้ที่นั่น และจะกลับสู่คอสโมโดรม

ความพยายามครั้งแรกในการดำเนินการตามแนวคิดดังกล่าวคือการสร้างระบบกระสวยอวกาศ จากการวิเคราะห์ข้อบกพร่องของสายการบินที่ใช้แล้วทิ้งและระบบกระสวยอวกาศซึ่งสร้างโดย Konstantin Feoktistov (K. Feoktistov วิถีแห่งชีวิต มอสโก: Vagrius, 2000. ISBN 5-264-00383-1. บทที่ 8 จรวดเป็นเครื่องบิน), มีแนวคิดเกี่ยวกับคุณสมบัติที่ยานยิงที่ดีควรมีเพื่อให้แน่ใจว่ามีการส่งมอบสินค้าเข้าสู่วงโคจรด้วยต้นทุนที่ต่ำที่สุดและด้วยความน่าเชื่อถือสูงสุด ควรเป็นระบบที่ใช้ซ้ำได้ 100-1000 เที่ยวบิน จำเป็นต้องมีการนำกลับมาใช้ใหม่ได้ทั้งเพื่อลดต้นทุนของแต่ละเที่ยวบิน (ต้นทุนการพัฒนาและการผลิตจะกระจายไปตามจำนวนเที่ยวบิน) และเพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือในการปล่อยสินค้าขึ้นสู่วงโคจร: ทุกการเดินทางโดยรถยนต์และเที่ยวบินของเครื่องบินยืนยันความถูกต้องของ การออกแบบและการผลิตคุณภาพสูง ดังนั้นจึงสามารถลดค่าใช้จ่ายในการประกันน้ำหนักบรรทุกและประกันตัวจรวดเองได้ เฉพาะเครื่องจักรที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้เท่านั้นที่สามารถเชื่อถือได้อย่างแท้จริงและราคาไม่แพงในการใช้งาน - เช่น รถจักรไอน้ำ รถยนต์ เครื่องบิน

จรวดต้องเป็นแบบขั้นตอนเดียว ข้อกำหนดนี้ เช่น ความสามารถในการนำกลับมาใช้ใหม่ เกี่ยวข้องกับการลดต้นทุนและทำให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือ แน่นอนถ้าจรวดมีหลายขั้นตอนแม้ว่าทุกระยะจะกลับสู่พื้นโลกอย่างปลอดภัย แต่ก่อนการเปิดตัวแต่ละครั้งจะต้องประกอบเข้าด้วยกันทั้งหมดและเป็นไปไม่ได้ที่จะตรวจสอบการประกอบและการทำงานของกระบวนการแยกขั้นตอนที่ถูกต้อง หลังจากประกอบแล้ว เนื่องจากการตรวจสอบแต่ละครั้ง เครื่องที่ประกอบแล้วจะต้องพังทลาย ไม่ได้ทดสอบ ไม่ได้ทดสอบการทำงานหลังจากการประกอบ การเชื่อมต่อกลายเป็นแบบใช้แล้วทิ้ง และแพ็กเก็ตที่เชื่อมต่อด้วยโหนดที่มีความเชื่อถือได้ลดลงก็จะถูกใช้แล้วทิ้งในระดับหนึ่ง หากจรวดเป็นแบบหลายขั้นตอน ค่าใช้จ่ายในการดำเนินการจะมากกว่าค่าใช้จ่ายในการใช้งานเครื่องจักรแบบขั้นตอนเดียว ด้วยเหตุผลดังต่อไปนี้:

• สำหรับเครื่องจักรแบบขั้นตอนเดียว ไม่จำเป็นต้องมีต้นทุนในการประกอบ
• ไม่จำเป็นต้องจัดสรรพื้นที่ลงจอดบนพื้นผิวโลกสำหรับการลงจอดของขั้นตอนแรก ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องจ่ายค่าเช่าเนื่องจากพื้นที่เหล่านี้ไม่ได้ใช้ในระบบเศรษฐกิจ
• ไม่จำเป็นต้องจ่ายค่าขนส่งขั้นแรกไปยังจุดปล่อยตัว
• การเติมเชื้อเพลิงจรวดหลายขั้นตอนต้องใช้เทคโนโลยีที่ซับซ้อนมากขึ้นและใช้เวลามากขึ้น การประกอบบรรจุภัณฑ์และการส่งมอบขั้นตอนไปยังไซต์เปิดตัวนั้นไม่สอดคล้องกับระบบอัตโนมัติที่เรียบง่ายและดังนั้นจึงต้องการการมีส่วนร่วมของผู้เชี่ยวชาญมากขึ้นในการเตรียมจรวดดังกล่าวสำหรับเที่ยวบินถัดไป

จรวดต้องใช้ไฮโดรเจนและออกซิเจนเป็นเชื้อเพลิง ซึ่งเป็นผลมาจากการเผาไหม้ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์การเผาไหม้ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมที่เอาท์พุตของเครื่องยนต์ด้วยแรงกระตุ้นจำเพาะสูง ความสะอาดของสิ่งแวดล้อมมีความสำคัญไม่เพียงแต่สำหรับงานที่จุดเริ่มต้น ระหว่างการเติมน้ำมัน ในกรณีที่เกิดอุบัติเหตุ แต่ยังเพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบที่เป็นอันตรายของผลิตภัณฑ์การเผาไหม้บนชั้นโอโซนของบรรยากาศ

Skylon, DC-X, Lockheed Martin X-33 และ Roton เป็นหนึ่งในโครงการที่พัฒนามากที่สุดของยานอวกาศขั้นตอนเดียวในต่างประเทศ หาก Skylon และ X-33 เป็นยานพาหนะติดปีก ดังนั้น DC-X และ Roton จะเป็นจรวดนำวิถีขึ้นสู่แนวดิ่งและลงจอดในแนวตั้ง นอกจากนี้ ทั้งคู่ยังไปไกลถึงการสร้างตัวอย่างทดสอบ หาก Roton มีเพียงต้นแบบบรรยากาศสำหรับฝึกการลงจอดอัตโนมัติ ต้นแบบ DC-X จะทำการบินหลายเที่ยวบินขึ้นไปบนความสูงหลายกิโลเมตรด้วยเครื่องยนต์จรวดเชื้อเพลิงเหลว (LRE) โดยใช้ออกซิเจนเหลวและไฮโดรเจน

ข้อมูลทางเทคนิคของจรวดเซย่า

เพื่อลดต้นทุนในการปล่อยสินค้าสู่อวกาศ Lin Industrial เสนอให้สร้าง Zeya launch vehicle (LV) เป็นระบบขนส่งขึ้นลงแนวตั้งและลงจอดในแนวตั้งแบบขั้นตอนเดียวที่ใช้ซ้ำได้ ใช้ส่วนประกอบเชื้อเพลิงที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและมีประสิทธิภาพสูง ได้แก่ ตัวออกซิไดเซอร์ - ออกซิเจนเหลว เชื้อเพลิง - ไฮโดรเจนเหลว

ยานยิงประกอบด้วยถังออกซิไดเซอร์ (ด้านบนเป็นแผงกันความร้อนสำหรับการเข้าสู่บรรยากาศและโรเตอร์เชื่อมโยงไปถึงแบบนุ่มนวล) ช่องบรรทุกสัมภาระ ช่องเครื่องมือ ถังเชื้อเพลิง ช่องท้ายที่มีระบบขับเคลื่อน และเกียร์ลงจอด ถังเชื้อเพลิงและตัวออกซิไดเซอร์ - รูปทรงกรวยปล้อง รับน้ำหนัก คอมโพสิต ถังเชื้อเพลิงถูกอัดแรงดันด้วยการแปรสภาพเป็นแก๊สไฮโดรเจนเหลว และถังออกซิไดเซอร์ถูกอัดแรงดันด้วยฮีเลียมอัดจากกระบอกสูบแรงดันสูง ระบบขับเคลื่อนแบบเดินเรียบประกอบด้วยเครื่องยนต์ 36 ตัวที่ตั้งอยู่รอบเส้นรอบวงและหัวฉีดขยายภายนอกที่มีลักษณะเป็นลำตัวส่วนกลาง การควบคุมระหว่างการทำงานของเครื่องยนต์หลักในระดับพิทช์และการหันเหนั้นทำได้โดยการควบคุมเครื่องยนต์ที่อยู่ในตำแหน่งไดอะเมตริกแบบม้วน - ด้วยความช่วยเหลือของเครื่องยนต์แปดตัวในส่วนประกอบเชื้อเพลิงก๊าซที่อยู่ใต้ช่องบรรทุก เครื่องยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิงเป็นเชื้อเพลิงในการควบคุมในส่วนการบินของวงโคจร

รูปแบบการบินของ Zeya มีดังนี้ หลังจากเข้าสู่วงโคจรใกล้โลกอ้างอิงแล้ว หากจำเป็น จรวดจะทำการเคลื่อนที่แบบโคจรเพื่อเข้าสู่วงโคจรเป้าหมาย หลังจากนั้นด้วยการเปิดช่องบรรทุก (น้ำหนักไม่เกิน 200 กก.) จรวดก็จะแยกออก

ระหว่างการปฏิวัติครั้งหนึ่งในวงโคจรใกล้โลกตั้งแต่วินาทีที่ปล่อย เมื่อปล่อยแรงกระตุ้นเบรก Zeya ก็ลงจอดในพื้นที่ของคอสโมโดรมที่ปล่อย มั่นใจได้ถึงความแม่นยำในการลงจอดสูงโดยใช้อัตราส่วนการยกต่อการลากที่สร้างขึ้นโดยรูปร่างของขีปนาวุธสำหรับการหลบหลีกด้านข้างและระยะ การลงจอดแบบนุ่มนวลดำเนินการโดยการลงโดยใช้หลักการของการหมุนอัตโนมัติและโช้คอัพแปดตัว

เศรษฐกิจ

ด้านล่างนี้คือค่าประมาณของเวลาและต้นทุนงานก่อนเริ่มดำเนินการครั้งแรก:

• โครงการนำร่อง: 2 เดือน - 2 ล้านยูโร
• การสร้างระบบขับเคลื่อน การพัฒนาถังผสมและระบบควบคุม: 12 เดือน - 100 ล้านยูโร
• การสร้างฐานม้านั่ง การสร้างต้นแบบ การเตรียมการและปรับปรุงการผลิต การออกแบบร่าง: 12 เดือน - 70 ล้านยูโร
• การพัฒนาส่วนประกอบและระบบ การทดสอบต้นแบบ การทดสอบไฟของผลิตภัณฑ์การบิน การออกแบบทางเทคนิค: 12 เดือน - 143 ล้านยูโร

รวม: 3.2 ปี 315 ล้านยูโร

ตามการประมาณการของเรา ค่าใช้จ่ายในการเปิดตัวหนึ่งครั้งจะอยู่ที่ 0.15 ล้านยูโร และค่าบำรุงรักษาระหว่างเที่ยวบินและค่าโสหุ้ยจะอยู่ที่ประมาณ € 0.1 ล้านในช่วงระหว่างการเปิดตัว หากคุณกำหนดราคาเปิดตัวเป็น € 35,000 ต่อ 1 กิโลกรัม (ราคา 1250 ยูโรต่อกิโลกรัม) ซึ่งใกล้เคียงกับราคาเปิดตัวของจรวด Dnepr สำหรับลูกค้าต่างประเทศ การเปิดตัวทั้งหมด (น้ำหนักบรรทุก 200 กก.) จะมีค่าใช้จ่ายลูกค้า € 7 ล้าน ดังนั้นโครงการจะจ่ายออกใน 47 เปิดตัว

ตัวแปร Zeya พร้อมเครื่องยนต์สามองค์ประกอบ

อีกวิธีหนึ่งในการเพิ่มประสิทธิภาพของยานพาหนะที่ใช้ปล่อยแบบขั้นตอนเดียวคือการเปลี่ยนไปใช้ LRE ที่มีส่วนประกอบเชื้อเพลิงสามส่วน

ตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1970 ได้มีการศึกษาแนวคิดของเครื่องยนต์สามองค์ประกอบในสหภาพโซเวียตและสหรัฐอเมริกา ซึ่งจะรวมแรงกระตุ้นจำเพาะสูงเมื่อใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง และความหนาแน่นของเชื้อเพลิงเฉลี่ยที่สูงขึ้น (และส่งผลให้มีปริมาตรน้อยลง และน้ำหนักถังน้ำมัน) ลักษณะของเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอน เมื่อสตาร์ทเครื่องยนต์ดังกล่าวจะใช้ออกซิเจนและน้ำมันก๊าด และในระดับความสูงที่สูงก็จะเปลี่ยนไปใช้ออกซิเจนเหลวและไฮโดรเจน วิธีการดังกล่าวอาจทำให้สามารถสร้างผู้ให้บริการอวกาศแบบขั้นตอนเดียวได้

ในประเทศของเรามีการพัฒนาเครื่องยนต์สามองค์ประกอบ RD-701, RD-704 และ RD0750 แต่ไม่ได้นำไปสู่ขั้นตอนการสร้างต้นแบบ ในปี 1980 NPO Molniya ได้พัฒนาระบบการบินและอวกาศอเนกประสงค์ (MAKS) โดยใช้เครื่องยนต์จรวดขับเคลื่อนด้วยของเหลว RD-701 พร้อมออกซิเจน + น้ำมันก๊าด + เชื้อเพลิงไฮโดรเจน การคำนวณและการออกแบบเครื่องยนต์จรวดแบบสามองค์ประกอบยังดำเนินการในอเมริกาด้วย (ดู ตัวอย่างเช่น Dual-Fuel Propulsion: Why it Works, Possible Engines, and Results of Vehicle Studies โดย James A. Martin และ Alan W. Wilhite เผยแพร่เมื่อเดือนพฤษภาคม 2522 ใน Am erican Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) กระดาษหมายเลข 79-0878).

เราเชื่อว่าสำหรับ Zeya ที่มีส่วนประกอบสามองค์ประกอบ ควรใช้มีเทนเหลวแทนน้ำมันก๊าดที่เสนอตามธรรมเนียมสำหรับเครื่องยนต์จรวดที่ขับเคลื่อนด้วยของเหลวดังกล่าว มีเหตุผลหลายประการสำหรับสิ่งนี้:

• Zeya ใช้ออกซิเจนเหลวเป็นตัวออกซิไดเซอร์ โดยเดือดที่อุณหภูมิ -183 องศาเซลเซียส กล่าวคือ อุปกรณ์ไครโอเจนิกส์ถูกใช้แล้วในการออกแบบจรวดและคอมเพล็กซ์เติมเชื้อเพลิง ซึ่งหมายความว่าจะไม่มีปัญหาพื้นฐานในการเปลี่ยนน้ำมันก๊าด ถังที่มีถังมีเทนที่อุณหภูมิ -162 องศาเซลเซียส
• มีเทนมีประสิทธิภาพมากกว่าน้ำมันก๊าด แรงกระตุ้นจำเพาะ (SI ซึ่งเป็นหน่วยวัดประสิทธิภาพของ LRE - อัตราส่วนของแรงกระตุ้นที่เกิดจากเครื่องยนต์ต่อการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง) ของคู่เชื้อเพลิงมีเทน + ออกซิเจนเหลวสูงกว่า SI ของคู่น้ำมันก๊าด + ออกซิเจนเหลวประมาณ 100 ม./วินาที
• มีเทนมีราคาถูกกว่าน้ำมันก๊าด
• เครื่องยนต์มีเธนแทบไม่มีการเผาไหม้ ซึ่งแตกต่างจากเครื่องยนต์น้ำมันก๊าด กล่าวคือ การก่อตัวของเขม่าที่ขจัดยาก ดังนั้นเครื่องยนต์ดังกล่าวจึงสะดวกกว่าที่จะใช้ในระบบที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้
• หากจำเป็น ก๊าซมีเทนจะถูกแทนที่ด้วยก๊าซธรรมชาติเหลว (LNG) ที่คล้ายกัน LNG ประกอบด้วยมีเธนเกือบทั้งหมด มีลักษณะทางกายภาพและทางเคมีคล้ายกัน และมีประสิทธิภาพน้อยกว่ามีเทนบริสุทธิ์เล็กน้อย ในเวลาเดียวกัน LNG มีราคาถูกกว่าน้ำมันก๊าด 1.5–2 เท่าและราคาถูกกว่ามาก ความจริงก็คือรัสเซียอยู่ภายใต้เครือข่ายท่อส่งก๊าซธรรมชาติที่กว้างขวาง เพียงพอที่จะนำสาขาไปที่คอสโมโดรมและสร้างคอมเพล็กซ์ก๊าซเหลวขนาดเล็ก นอกจากนี้ ในรัสเซีย ยังมีการสร้างโรงงาน LNG ที่เมือง Sakhalin และศูนย์ผลิตก๊าซธรรมชาติเหลวขนาดเล็กสองแห่งในเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก มีการวางแผนที่จะสร้างโรงงานอีกห้าแห่งในส่วนต่าง ๆ ของสหพันธรัฐรัสเซีย ในเวลาเดียวกัน การผลิตน้ำมันก๊าดจรวดต้องใช้น้ำมันเกรดพิเศษที่สกัดจากแหล่งที่กำหนดไว้อย่างเข้มงวด ซึ่งปริมาณสำรองในรัสเซียหมดลง

โครงร่างการทำงานของยานเกราะสามส่วนมีดังนี้ อย่างแรก มีเธนถูกเผา ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงที่มีความหนาแน่นสูง แต่มีแรงกระตุ้นจำเพาะที่ค่อนข้างเล็กในสุญญากาศ จากนั้นไฮโดรเจนจะถูกเผา ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงที่มีความหนาแน่นต่ำและมีแรงกระตุ้นจำเพาะสูงสุด เชื้อเพลิงทั้งสองประเภทถูกเผาไหม้ในระบบขับเคลื่อนเดียว ยิ่งสัดส่วนของเชื้อเพลิงในประเภทแรกสูงเท่าใด มวลของโครงสร้างก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น แต่มวลของเชื้อเพลิงก็จะยิ่งมากขึ้น ดังนั้น ยิ่งสัดส่วนของเชื้อเพลิงประเภทที่สองสูงขึ้นเท่าใด ปริมาณเชื้อเพลิงที่ต้องการก็จะยิ่งต่ำลง แต่มวลของโครงสร้างก็จะยิ่งมากขึ้น ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะหาอัตราส่วนที่เหมาะสมที่สุดระหว่างมวลของก๊าซมีเทนเหลวกับไฮโดรเจน

เราทำการคำนวณที่สอดคล้องกันโดยใช้ค่าสัมประสิทธิ์ของช่องเชื้อเพลิงสำหรับไฮโดรเจนเท่ากับ 0.1 และสำหรับก๊าซมีเทน - 0.05 อัตราส่วนห้องน้ำมันเชื้อเพลิงคืออัตราส่วนของมวลสุดท้ายของห้องน้ำมันเชื้อเพลิงต่อมวลของการจ่ายน้ำมันเชื้อเพลิงที่มีอยู่ มวลสุดท้ายของห้องเชื้อเพลิงประกอบด้วยมวลของการจ่ายเชื้อเพลิงที่รับประกัน สารตกค้างที่ไม่ได้ใช้ของส่วนประกอบจรวด และมวลของก๊าซแรงดัน

การคำนวณแสดงให้เห็นว่า Zeya สามองค์ประกอบจะส่งน้ำหนักบรรทุก 200 กิโลกรัมสู่วงโคจรต่ำของโลกโดยมีมวลของโครงสร้าง 2.1 ตันและมวลเปิดตัว 19.2 ตัน Zeya สององค์ประกอบบนไฮโดรเจนเหลวสูญเสียมาก: มวล ของโครงสร้างคือ 4, 8 ตันและน้ำหนักเริ่มต้นคือ 37.8 ตัน

วาดจากหนังสือของ Kazimir Simenovich Artis Magnae Artilleriae pars prima 1650

จรวดหลายขั้นตอน- อากาศยานที่ประกอบด้วยขีปนาวุธเชื่อมต่อทางกลตั้งแต่สองตัวขึ้นไป เรียกว่า ขั้นตอนแยกจากกันในเที่ยวบิน จรวดหลายขั้นตอนช่วยให้คุณได้รับความเร็วที่มากกว่าแต่ละขั้นตอนแยกกัน

เรื่องราว

หนึ่งในภาพวาดแรกที่แสดงภาพจรวดถูกตีพิมพ์ในผลงานของวิศวกรทหารและนายพลปืนใหญ่ Kazimir Simenovich ชาว Vitebsk แห่งเครือจักรภพ "Artis Magnae Artilleriae pars prima" (lat. "Great art of artillery part one" ) จัดพิมพ์ในปี ค.ศ. Amsterdam ประเทศเนเธอร์แลนด์ บนมันคือจรวดสามขั้นตอนซึ่งขั้นที่สามซ้อนอยู่ในขั้นที่สองและทั้งคู่อยู่ในขั้นตอนแรก การจัดองค์ประกอบดอกไม้ไฟไว้ที่ส่วนหัว จรวดเต็มไปด้วยเชื้อเพลิงแข็ง - ดินปืน สิ่งประดิษฐ์นี้น่าสนใจตรงที่เมื่อกว่าสามร้อยปีที่แล้วได้คาดการณ์ถึงทิศทางของเทคโนโลยีจรวดสมัยใหม่

เป็นครั้งแรกที่แนวคิดในการใช้จรวดหลายขั้นตอนสำหรับการสำรวจอวกาศได้แสดงออกในผลงานของ K. E. Tsiolkovsky ในเมืองเขาตีพิมพ์หนังสือเล่มใหม่ชื่อ Space Rocket Trains K. Tsiolkovsky เรียกคำนี้ว่า จรวดผสม หรือให้เรียกอีกอย่างว่า การรวมตัวของจรวดที่ทะยานขึ้นบนพื้นดิน จากนั้นในอากาศ และในที่สุด ในอวกาศ รถไฟที่ประกอบขึ้นจากขีปนาวุธ 5 ตัวนั้นถูกนำทางโดยครั้งแรก - ขีปนาวุธหัว หลังจากใช้เชื้อเพลิงแล้ว ก็ปลดตะขอแล้วโยนลงกับพื้น นอกจากนี้ ในทำนองเดียวกัน ครั้งที่สองเริ่มทำงาน จากนั้นครั้งที่สาม ครั้งที่สี่ และในที่สุด ครั้งที่ห้า ความเร็วจะสูงพอที่จะถูกพัดพาไปสู่อวกาศในอวกาศ ลำดับการทำงานกับหัวจรวดเกิดจากความปรารถนาที่จะให้วัสดุจรวดทำงานไม่อยู่ในแรงอัด แต่อยู่ในแรงตึง ซึ่งจะทำให้ออกแบบได้ง่ายขึ้น จากข้อมูลของ Tsiolkovsky ความยาวของจรวดแต่ละลูกคือ 30 เมตร เส้นผ่านศูนย์กลาง - 3 เมตร ก๊าซจากหัวฉีดจะหลบหนีทางอ้อมไปยังแกนของจรวด เพื่อไม่ให้เกิดแรงกดดันต่อจรวดต่อไปนี้ ความยาวของการวิ่งขึ้นบนพื้นดินหลายร้อยกิโลเมตร

แม้ว่าที่จริงแล้วในแง่ของรายละเอียดทางเทคนิค วิทยาศาสตร์จรวดได้ไปในหลาย ๆ ทางตามเส้นทางที่แตกต่างกัน (เช่นจรวดสมัยใหม่ไม่ "กระจาย" ตามพื้นดิน แต่บินขึ้นในแนวตั้งและลำดับการทำงานของ ขั้นตอนของจรวดสมัยใหม่เป็นสิ่งที่ตรงกันข้ามเมื่อเทียบกับขั้นตอนที่ Tsiolkovsky พูดถึง ) แนวคิดของจรวดหลายขั้นตอนยังคงมีความเกี่ยวข้องในปัจจุบัน

ตัวเลือกจรวด จากซ้ายไปขวา:
1. จรวดแบบขั้นตอนเดียว
2. จรวดสองขั้นตอนพร้อมการแยกตามขวาง
3. ขีปนาวุธสองขั้นตอนพร้อมการแยกตามยาว
4. จรวดพร้อมถังเชื้อเพลิงภายนอก ถอดออกได้หลังจากเชื้อเพลิงหมด

โครงสร้างจรวดหลายขั้นตอนจะดำเนินการ c ตามขวางหรือ การแยกขั้นตอนตามยาว.
ที่ การแยกตามขวางสเตจจะถูกวางไว้เหนืออีกด้านหนึ่งและทำงานตามลำดับทีละขั้น โดยจะเปิดขึ้นหลังจากการแยกของสเตจก่อนหน้าเท่านั้น แบบแผนดังกล่าวทำให้สามารถสร้างระบบได้ โดยหลักการแล้ว มีหลายขั้นตอน ข้อเสียของมันอยู่ในความจริงที่ว่าทรัพยากรของขั้นตอนต่อมาไม่สามารถใช้งานได้ในการทำงานของก่อนหน้านี้ซึ่งเป็นภาระที่ไม่โต้ตอบ

ที่ การแยกตามยาวขั้นตอนแรกประกอบด้วยจรวดที่เหมือนกันหลายลูก (ในทางปฏิบัติจาก 2 ถึง 8) ซึ่งอยู่อย่างสมมาตรรอบ ๆ ร่างกายของด่านที่สองเพื่อให้ผลลัพธ์ของแรงผลักของเครื่องยนต์สเตจแรกนั้นพุ่งไปตามแกนสมมาตรของ วินาที และทำงานพร้อมกัน โครงการดังกล่าวทำให้เครื่องยนต์ของสเตจที่สองทำงานพร้อมกันกับเครื่องยนต์ของสเตจแรก ซึ่งจะเป็นการเพิ่มแรงขับทั้งหมด ซึ่งจำเป็นอย่างยิ่งในระหว่างการทำงานของสเตจแรก เมื่อมวลของจรวดมีค่าสูงสุด แต่จรวดที่มีการแยกระยะตามยาวสามารถเป็นได้เพียงสองขั้นตอนเท่านั้น
นอกจากนี้ยังมีรูปแบบการแยกรวมกัน - ตามยาว-ขวางซึ่งช่วยให้คุณสามารถรวมข้อดีของทั้งสองแบบซึ่งขั้นตอนแรกจะถูกแบ่งออกจากแนวยาวที่สองและการแยกขั้นตอนที่ตามมาทั้งหมดจะเกิดขึ้นตามขวาง ตัวอย่างของแนวทางนี้คือโซยุซผู้ให้บริการภายในประเทศ

ยานอวกาศกระสวยอวกาศมีรูปแบบเฉพาะของจรวดสองขั้นตอนที่มีการแยกตามยาว ขั้นแรกประกอบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็งสองด้าน และในระยะที่สองของเชื้อเพลิงจะบรรจุอยู่ในถัง ยานอวกาศ(อันที่จริงเป็นเรือที่ใช้ซ้ำได้) และส่วนใหญ่ - ในที่ถอดออกได้ ถังน้ำมันภายนอก. ประการแรก ระบบขับเคลื่อนของยานอวกาศใช้เชื้อเพลิงจากถังภายนอก และเมื่อหมดถัง ถังภายนอกจะถูกเททิ้ง และเครื่องยนต์จะยังคงทำงานกับเชื้อเพลิงที่มีอยู่ในถังของยานอวกาศ โครงการดังกล่าวทำให้สามารถใช้ระบบขับเคลื่อนของยานอวกาศให้เกิดประโยชน์สูงสุด ซึ่งทำงานตลอดการปล่อยยานอวกาศขึ้นสู่วงโคจร

ด้วยการแยกตามขวางขั้นตอนจะเชื่อมต่อกันด้วยส่วนพิเศษ - อะแดปเตอร์- โครงสร้างแบริ่งของรูปทรงกระบอกหรือทรงกรวย (ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของขั้นตอน) ซึ่งแต่ละอย่างต้องทนต่อน้ำหนักรวมของระยะต่อมาทั้งหมด คูณด้วยค่าสูงสุดของการโอเวอร์โหลดประสบการณ์โดยจรวดในทุกพื้นที่ที่ อะแดปเตอร์นี้เป็นส่วนหนึ่งของจรวด
ด้วยการแยกตามยาว แถบกำลัง (ด้านหน้าและด้านหลัง) จะถูกสร้างขึ้นบนตัวของสเตจที่สองซึ่งติดบล็อกของสเตจแรก
องค์ประกอบที่เชื่อมต่อส่วนต่างๆ ของจรวดคอมโพสิตทำให้มีความแข็งแกร่งของวัตถุเดียว และเมื่อแยกขั้นตอนออก พวกมันควรจะปล่อยส่วนบนออกเกือบจะในทันที โดยปกติขั้นตอนจะเชื่อมต่อโดยใช้ ไพโรโบลต์. ไพโรโบลต์เป็นสลักเกลียวซึ่งอยู่ในเพลาซึ่งมีการสร้างโพรงใกล้กับศีรษะซึ่งเต็มไปด้วยวัตถุระเบิดแรงสูงพร้อมเครื่องระเบิดไฟฟ้า เมื่อพัลส์ปัจจุบันถูกนำไปใช้กับตัวระเบิดไฟฟ้า การระเบิดจะเกิดขึ้น ทำลายเพลาของโบลต์อันเป็นผลมาจากการที่หัวของมันหลุดออกมา ปริมาณของระเบิดในไพโรโบลต์นั้นได้รับการเติมอย่างระมัดระวังเพื่อรับประกันว่าจะฉีกหัวออกและในทางกลับกันจะไม่ทำให้จรวดเสียหาย เมื่อแยกขั้นตอน ตัวจุดชนวนไฟฟ้าของไพโรโบลต์ทั้งหมดที่เชื่อมต่อชิ้นส่วนที่แยกจากกันจะได้รับพัลส์ปัจจุบันพร้อมกัน และการเชื่อมต่อจะถูกปลด
ขั้นต่อไปควรแยกขั้นตอนออกจากกันในระยะที่ปลอดภัย (การสตาร์ทเครื่องยนต์ชั้นบนใกล้กับส่วนล่างจะทำให้ถังเชื้อเพลิงไหม้และระเบิดเชื้อเพลิงที่เหลืออยู่ซึ่งจะทำให้สเตจบนเสียหายหรือทำให้เที่ยวบินไม่เสถียร) เมื่อแยกขั้นตอนในชั้นบรรยากาศแรงแอโรไดนามิกของที่กำลังจะมาถึง การไหลของอากาศสามารถใช้เพื่อแยกพวกมันออก และในช่องว่างนั้น บางครั้งใช้มอเตอร์จรวดแข็งขนาดเล็กเสริม
สำหรับจรวดที่ขับเคลื่อนด้วยของเหลว เครื่องยนต์เดียวกันยังทำหน้าที่ "ตกตะกอน" เชื้อเพลิงในถังชั้นบน: เมื่อดับเครื่องยนต์ของช่วงล่าง จรวดจะบินด้วยความเฉื่อย ตกอย่างอิสระ ในขณะที่เชื้อเพลิงเหลว อยู่ในถังระงับซึ่งอาจนำไปสู่ความล้มเหลวเมื่อสตาร์ทเครื่องยนต์ เครื่องยนต์เสริมช่วยเร่งความเร็วเล็กน้อยไปยังขั้นตอนต่างๆ ภายใต้อิทธิพลของเชื้อเพลิงที่ "ตกลง" ที่ด้านล่างของถัง
ในภาพข้างบนของจรวด

การเปิดตัวดำเนินการด้วยความช่วยเหลือของจรวดหลายขั้นตอน” เราอ่านคำเหล่านี้หลายครั้งในรายงานเกี่ยวกับการเปิดตัวดาวเทียมประดิษฐ์ดวงแรกของโลกเกี่ยวกับการสร้างดาวเทียมของดวงอาทิตย์เกี่ยวกับ การปล่อยจรวดอวกาศสู่ดวงจันทร์ วลีสั้นๆ เพียงประโยคเดียว และงานของนักวิทยาศาสตร์ วิศวกร และคนงานในมาตุภูมิของเราซึ่งได้รับแรงบันดาลใจจากทั้งหกคำนี้ซ่อนอยู่มากแค่ไหน!

จรวดหลายขั้นตอนที่ทันสมัยคืออะไร? เหตุใดจึงจำเป็นต้องใช้จรวดที่ประกอบด้วยขั้นตอนจำนวนมากสำหรับเที่ยวบินในอวกาศ ผลกระทบทางเทคนิคของการเพิ่มจำนวนขั้นของจรวดคืออะไร?

ลองตอบคำถามเหล่านี้สั้น ๆ ในการดำเนินการเที่ยวบินสู่อวกาศจำเป็นต้องมีเชื้อเพลิงสำรองจำนวนมาก พวกมันใหญ่มากจนไม่สามารถใส่ลงในถังของจรวดแบบขั้นตอนเดียวได้ ด้วยระดับวิทยาศาสตร์วิศวกรรมในปัจจุบัน มีความเป็นไปได้ที่จะสร้างจรวดซึ่งเชื้อเพลิงจะคิดเป็น 80-90% ของน้ำหนักทั้งหมด และสำหรับเที่ยวบินไปยังดาวเคราะห์ดวงอื่น ปริมาณสำรองเชื้อเพลิงที่จำเป็นควรมากกว่าน้ำหนักของจรวดและน้ำหนักบรรทุกของมันหลายร้อยถึงหลายพันเท่า ด้วยเชื้อเพลิงสำรองที่สามารถใส่ลงในถังของจรวดแบบขั้นตอนเดียว จึงสามารถบรรลุความเร็วในการบินสูงถึง 3-4 กม. / วินาที การปรับปรุงเครื่องยนต์จรวด การค้นหาเกรดเชื้อเพลิงที่ได้เปรียบที่สุด การใช้วัสดุโครงสร้างคุณภาพสูง และการปรับปรุงเพิ่มเติมในการออกแบบจรวดจะทำให้สามารถเพิ่มความเร็วของจรวดแบบขั้นตอนเดียวได้เล็กน้อย แต่มันก็ยังห่างไกลจากความเร็วของจักรวาลมาก

เพื่อให้บรรลุความเร็วของจักรวาล K. E. Tsiolkovsky เสนอการใช้จรวดหลายขั้นตอน นักวิทยาศาสตร์เองเปรียบเปรยเรียกพวกเขาว่า "รถไฟจรวด" ตามคำกล่าวของ Tsiolkovsky รถไฟจรวดหรืออย่างที่เราพูดตอนนี้ จรวดหลายขั้นตอน ควรประกอบด้วยจรวดหลายลูกที่ติดตั้งตัวหนึ่งทับกัน จรวดด้านล่างมักจะใหญ่ที่สุด เธอถือ "รถไฟ" ทั้งหมด ขั้นตอนที่ตามมาจะถูกทำให้เล็กลงและเล็กลง

เมื่อบินขึ้นจากพื้นผิวโลก เครื่องยนต์ของจรวดส่วนล่างทำงาน พวกเขาทำจนกว่าพวกเขาจะใช้เชื้อเพลิงในถังของเธอจนหมด เมื่อถังในระยะแรกว่างเปล่า มันจะแยกออกจากจรวดส่วนบนเพื่อไม่ให้เป็นภาระในการบินต่อไปด้วยน้ำหนักที่ตาย ระยะแรกที่แยกจากกันด้วยถังเปล่ายังคงบินขึ้นไปตามแรงเฉื่อยแล้วตกลงไปที่พื้น เพื่อบันทึกระยะแรกเพื่อนำมาใช้ใหม่ก็สามารถโดดร่มลงได้

หลังจากแยกสเตจแรก เครื่องยนต์ของสเตจที่สองจะเปิดขึ้น พวกเขาเริ่มทำหน้าที่เมื่อจรวดสูงขึ้นถึงระดับหนึ่งแล้วและมีความเร็วในการบินที่สำคัญ เครื่องยนต์ระยะที่สองเร่งจรวดให้เร็วขึ้น โดยเพิ่มความเร็วอีกสองสามกิโลเมตรต่อวินาที หลังจากที่เชื้อเพลิงทั้งหมดที่มีอยู่ในถังในระยะที่สองหมดลง ก็จะถูกทิ้งด้วยเช่นกัน การบินต่อไปของจรวดคอมโพสิตนั้นมั่นใจได้จากการทำงานของเครื่องยนต์ในระยะที่สาม จากนั้นขั้นตอนที่สามจะลดลง คิวเข้าใกล้เอ็นจิ้นขั้นที่สี่ เมื่อทำงานที่ได้รับมอบหมายแล้วพวกเขาก็เพิ่มความเร็วของจรวดขึ้นในระดับหนึ่งแล้วจึงหลีกทางให้เครื่องยนต์ของด่านที่ห้า หลังจากรีเซ็ตด่านที่ห้าแล้ว เอ็นจิ้นที่หกก็เริ่มทำงาน

ดังนั้น แต่ละขั้นตอนของจรวดจะเพิ่มความเร็วในการบินอย่างต่อเนื่อง และขั้นสุดท้าย ระยะบนถึงความเร็วจักรวาลที่ต้องการในพื้นที่ปลอดอากาศ หากภารกิจคือการลงจอดบนดาวเคราะห์ดวงอื่นและกลับสู่โลก ในทางกลับกันจรวดที่บินไปในอวกาศจะต้องประกอบด้วยหลายขั้นตอนซึ่งจะเปิดตามลำดับเมื่อลงมาจากดาวเคราะห์และเมื่อออกจากดาวเคราะห์

เป็นเรื่องที่น่าสนใจที่จะเห็นว่าการใช้สเตจจำนวนมากบนจรวดส่งผลอย่างไร

นำจรวดแบบขั้นเดียวที่มีน้ำหนักการเปิดตัว 500 ตัน สมมติว่าน้ำหนักนี้มีการกระจายดังนี้: น้ำหนักบรรทุก - 1 ตัน, น้ำหนักแห้งของเวที - 99.8 ตันและเชื้อเพลิง - 399.2 ตัน ดังนั้นความสมบูรณ์แบบของโครงสร้างของจรวดนี้ มีน้ำหนักเชื้อเพลิง 4 เท่าของน้ำหนักแห้งของเวที นั่นคือ น้ำหนักของจรวดเองที่ไม่มีเชื้อเพลิงและน้ำหนักบรรทุก หมายเลข Tsiolkovsky นั่นคืออัตราส่วนของน้ำหนักการเปิดตัวของจรวดต่อน้ำหนักของมันหลังจากที่เชื้อเพลิงหมดลงสำหรับจรวดนี้จะเท่ากับ 4.96 ตัวเลขนี้และอัตราที่ก๊าซออกจากหัวฉีดของเครื่องยนต์จะเป็นตัวกำหนดความเร็วที่จรวดสามารถเข้าถึงได้ ให้เราลองเปลี่ยนจรวดแบบขั้นตอนเดียวด้วยจรวดแบบสองขั้นตอน ให้เรารับน้ำหนักบรรทุก 1 ตันอีกครั้ง และสมมติว่าความสมบูรณ์แบบของการออกแบบขั้นตอนและความเร็วของการไหลของก๊าซจะยังคงเหมือนเดิมในจรวดแบบขั้นตอนเดียว จากนั้น ดังที่การคำนวณแสดง เพื่อให้ได้ความเร็วในการบินเช่นเดียวกับในกรณีแรก ต้องใช้จรวดสองขั้นตอนที่มีน้ำหนักรวมเพียง 10.32 ตัน ซึ่งเบากว่าจรวดแบบขั้นตอนเดียวเกือบ 50 เท่า น้ำหนักแห้งของจรวดแบบสองขั้นตอนจะเท่ากับ 1.86 ตัน และน้ำหนักของเชื้อเพลิงที่วางไว้ในทั้งสองขั้นตอนจะเท่ากับ 7.46 ตัน ดังที่คุณเห็นในตัวอย่างที่กำลังพิจารณาแทนที่จรวดแบบขั้นตอนเดียวด้วยสอง- ระยะที่หนึ่งทำให้สามารถลดการใช้โลหะและเชื้อเพลิงได้ 54 เท่าเมื่อเปิดตัวน้ำหนักบรรทุกเดียวกัน

ยกตัวอย่างจรวดอวกาศที่มีน้ำหนักบรรทุก 1 ตัน ให้จรวดนี้ต้องทะลุผ่านชั้นบรรยากาศที่หนาแน่นและบินไปสู่อวกาศที่ไม่มีอากาศพัฒนาความเร็วจักรวาลที่สอง - 11.2 กม. / วินาที ไดอะแกรมของเราแสดงการเปลี่ยนแปลงในน้ำหนักของจรวดอวกาศดังกล่าว โดยขึ้นอยู่กับสัดส่วนน้ำหนักของเชื้อเพลิงในแต่ละระยะและตามจำนวนระยะ (ดูหน้า 22)

มันง่ายที่จะคำนวณว่าถ้าคุณสร้างจรวดที่เครื่องยนต์พ่นก๊าซด้วยความเร็ว 2,400 m / s และในแต่ละขั้นตอนเชื้อเพลิงจะมีน้ำหนักเพียง 75% จากนั้นถึงแม้จะมีหกขั้นตอนก็ตาม น้ำหนักของจรวดจะมีขนาดใหญ่มาก - เกือบ 5.5 พันตัน ด้วยการปรับปรุงลักษณะการออกแบบของระยะจรวดทำให้สามารถลดน้ำหนักเริ่มต้นได้อย่างมีนัยสำคัญ ตัวอย่างเช่น หากเชื้อเพลิงคิดเป็น 90% ของน้ำหนักของเวที จรวดหกขั้นสามารถชั่งน้ำหนักได้ 400 ตัน

การใช้เชื้อเพลิงที่มีความร้อนสูงในจรวดและการเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ทำให้เกิดผลกระทบที่ยอดเยี่ยมอย่างยิ่ง หากด้วยวิธีนี้ความเร็วของก๊าซที่ไหลออกจากหัวฉีดของเครื่องยนต์เพิ่มขึ้นเพียง 300 ม./วินาที ทำให้เป็นค่าที่แสดงบนกราฟ - 2,700 ม./วินาที น้ำหนักการเปิดตัวของจรวดจะลดลงหลายครั้ง จรวดหกขั้นตอนซึ่งน้ำหนักเชื้อเพลิงเพียง 3 เท่าของน้ำหนักของโครงสร้างเวทีจะมีน้ำหนักการเปิดตัวประมาณ 1.5 พันตัน และโดยการลดน้ำหนักโครงสร้างเป็น 10% ของน้ำหนักรวมของแต่ละขั้นตอน เราสามารถลดน้ำหนักการเปิดตัวของจรวดได้เหมือนกันถึง 200 ขั้นตอน

หากเราเพิ่มความเร็วของการไหลออกของก๊าซอีก 300 ม./วินาที นั่นคือ ให้เท่ากับ 3,000 ม./วินาที น้ำหนักจะยิ่งลดลงไปอีก ตัวอย่างเช่น จรวดหกขั้นที่มีเศษส่วนของน้ำหนักเชื้อเพลิง 75% จะมีน้ำหนักการเปิดตัวที่ 600 ตัน ด้วยการเพิ่มเศษส่วนของน้ำหนักเชื้อเพลิงเป็น 90% คุณสามารถสร้างจรวดอวกาศที่มีเพียงสองขั้นตอนเท่านั้น น้ำหนักของจรวดจะอยู่ที่ประมาณ 850 ตัน เมื่อเพิ่มจำนวนขั้นเป็นสองเท่า คุณจะลดน้ำหนักของจรวดลงเหลือ 140 ตันได้ และด้วยหกขั้นตอน น้ำหนักขึ้นเครื่องบินจะลดลงเหลือ 116 ตัน

นี่คือวิธีที่จำนวนขั้นตอน ความสมบูรณ์แบบในการออกแบบ และความเร็วของการไหลของก๊าซที่ส่งผลต่อน้ำหนักของจรวด

เหตุใดด้วยจำนวนขั้นตอนที่เพิ่มขึ้นปริมาณสำรองเชื้อเพลิงที่ต้องการจึงลดลงและด้วยน้ำหนักรวมของจรวด นี่เป็นเพราะว่ายิ่งจำนวนขั้นตอนมากเท่าไร ถังที่ว่างเปล่าจะถูกทิ้งบ่อยขึ้น จรวดก็จะปลอดจากสินค้าที่ไร้ประโยชน์เร็วขึ้น ในเวลาเดียวกันด้วยการเพิ่มจำนวนขั้นตอนในตอนแรกน้ำหนักขึ้นของจรวดจะลดลงอย่างมากจากนั้นผลของการเพิ่มจำนวนขั้นตอนจะมีนัยสำคัญน้อยลง นอกจากนี้ยังสามารถสังเกตได้อย่างชัดเจนในกราฟด้วยว่าสำหรับจรวดที่มีลักษณะการออกแบบที่ค่อนข้างแย่ การเพิ่มจำนวนขั้นตอนมีผลมากกว่าจรวดที่มีเปอร์เซ็นต์เชื้อเพลิงสูงในแต่ละขั้นตอน สิ่งนี้ค่อนข้างเข้าใจได้ หากเปลือกของแต่ละด่านนั้นหนักมาก จะต้องทิ้งให้เร็วที่สุด และหากตัวถังมีน้ำหนักเบามาก ก็จะไม่สร้างภาระให้กับขีปนาวุธมากเกินไป และการหยดตัวถังเปล่าบ่อยครั้งจะไม่ส่งผลดีเช่นนี้อีกต่อไป

เมื่อจรวดบินไปยังดาวเคราะห์ดวงอื่น ปริมาณการใช้เชื้อเพลิงที่จำเป็นไม่ได้จำกัดอยู่ที่ปริมาณที่จำเป็นสำหรับการเร่งความเร็วระหว่างที่บินขึ้นจากพื้นโลก เมื่อเข้าใกล้ดาวเคราะห์ดวงอื่น ยานอวกาศตกลงไปในทรงกลมแห่งการดึงดูดและเริ่มเข้าใกล้พื้นผิวของมันด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้น หากดาวเคราะห์ไม่มีชั้นบรรยากาศที่สามารถดับความเร็วได้อย่างน้อยส่วนหนึ่ง จรวดเมื่อตกลงบนพื้นผิวโลกจะพัฒนาความเร็วเท่าที่จำเป็นในการบินออกจากดาวเคราะห์ดวงนี้ กล่าวคือ ความเร็วของอวกาศที่สอง ค่าของความเร็วจักรวาลที่สองดังที่ทราบนั้นแตกต่างกันสำหรับดาวเคราะห์แต่ละดวง ตัวอย่างเช่น สำหรับดาวอังคาร 5.1 กม./วินาที สำหรับดาวศุกร์ - 10.4 กม./วินาที สำหรับดวงจันทร์ - 2.4 กม./วินาที ในกรณีที่จรวดบินขึ้นไปบนทรงกลมแห่งแรงดึงดูดของโลกด้วยความเร็วที่แน่นอนเมื่อเทียบกับระยะหลัง ความเร็วของการตกของจรวดจะยิ่งสูงขึ้น ตัวอย่างเช่น จรวดอวกาศโซเวียตตัวที่สองไปถึงพื้นผิวดวงจันทร์ด้วยความเร็ว 3.3 กม./วินาที หากภารกิจคือทำให้แน่ใจว่าจรวดลงจอดบนพื้นผิวดวงจันทร์อย่างราบรื่น เชื้อเพลิงเพิ่มเติมจะต้องอยู่บนจรวด เพื่อดับความเร็วใด ๆ จำเป็นต้องใช้เชื้อเพลิงมากเท่าที่จำเป็นสำหรับจรวดในการพัฒนาความเร็วเท่ากัน ดังนั้นจรวดอวกาศที่มีจุดประสงค์เพื่อการขนส่งสินค้าบางชนิดไปยังพื้นผิวดวงจันทร์อย่างปลอดภัยจึงต้องมีเชื้อเพลิงสำรองจำนวนมาก จรวดแบบขั้นตอนเดียวที่มีน้ำหนักบรรทุก 1 ตันควรมีน้ำหนัก 3-4.5 ตัน ขึ้นอยู่กับความสมบูรณ์แบบของการออกแบบ

ก่อนหน้านี้ เราแสดงให้เห็นแล้วว่าจรวดน้ำหนักขนาดมหึมาต้องมีอะไรบ้างจึงจะสามารถบรรทุกของ 1 ตันออกสู่อวกาศได้ และตอนนี้ เราพบว่ามีเพียงหนึ่งในสามหรือหนึ่งในสี่ของน้ำหนักบรรทุกนี้เท่านั้นที่สามารถลดระดับลงสู่พื้นผิวดวงจันทร์ได้อย่างปลอดภัย ที่เหลือควรเป็นเชื้อเพลิง ถังเก็บ เครื่องยนต์ และระบบควบคุม

น้ำหนักสุดท้ายของจรวดอวกาศที่ตั้งใจไว้สำหรับการส่งมอบอุปกรณ์วิทยาศาสตร์อย่างปลอดภัยหรือน้ำหนักบรรทุกอื่น ๆ ที่มีน้ำหนัก 1 ตันควรเป็นเท่าใดเพื่อส่งไปยังพื้นผิวดวงจันทร์

เพื่อให้แนวคิดเกี่ยวกับเรือประเภทนี้ ในรูปของเรา จรวดห้าขั้นตอนถูกแสดงตามอัตภาพในส่วนที่ออกแบบมาเพื่อส่งภาชนะพร้อมอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ที่มีน้ำหนัก 1 ตันไปยังพื้นผิวของดวงจันทร์ การคำนวณ จรวดนี้มีพื้นฐานมาจากข้อมูลทางเทคนิคที่ให้ไว้ในหนังสือจำนวนมาก (เช่นในหนังสือของ V. Feodosyev และ G. Sinyarev "Introduction to Rocketry" และ Sutton "Rocket Engines")

เครื่องยนต์จรวดขับเคลื่อนด้วยของเหลวถูกนำมาใช้ ในการจัดหาเชื้อเพลิงให้กับห้องเผาไหม้นั้น มีหน่วยเทอร์โบปั๊มซึ่งขับเคลื่อนโดยผลิตภัณฑ์จากการสลายตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ความเร็วไหลออกของก๊าซเฉลี่ยสำหรับเครื่องยนต์สเตจแรกจะอยู่ที่ 2,400 ม./วินาที เครื่องยนต์ของขั้นตอนด้านบนทำงานในชั้นบรรยากาศที่หายากและในพื้นที่ปลอดอากาศ ดังนั้นประสิทธิภาพของเครื่องยนต์จึงค่อนข้างสูงขึ้น และสำหรับเครื่องยนต์เหล่านี้ ความเร็วของก๊าซออกจะอยู่ที่ 2,700 เมตร/วินาที สำหรับลักษณะการออกแบบของขั้นตอนนั้น ค่าดังกล่าวถูกนำมาใช้ซึ่งพบในจรวดที่อธิบายไว้ในเอกสารทางเทคนิค

ด้วยข้อมูลเริ่มต้นที่เลือก ได้รับลักษณะน้ำหนักต่อไปนี้ของจรวดอวกาศ: น้ำหนักบินขึ้น - 3,348 ตัน รวมถึงเชื้อเพลิง 2,892 ตัน โครงสร้าง 455 ตัน และน้ำหนักบรรทุก 1 ตัน น้ำหนักของแต่ละขั้นตอนมีการกระจายดังนี้: ระยะแรก - 2,760 ตัน, ที่สอง - 495 ตัน, ที่สาม - 75.5 ตัน, ที่สี่ - 13.78 ตัน, ที่ห้า - 2.72 ตัน ความสูงของจรวดถึง 60 ม. , เส้นผ่านศูนย์กลางของระยะล่าง - 10 m

ในระยะแรก มีการส่งมอบเครื่องยนต์ 19 เครื่อง ให้กำลังขับ 350 ตันต่อเครื่อง ในเครื่องที่สอง - 3 ของเครื่องยนต์เดียวกัน บนเครื่องที่สาม - 3 เครื่องที่มีแรงขับ 60 ตันต่ออัน ในวันที่สี่ - เครื่องหนึ่งที่มีแรงขับ 35 ตันและในขั้นตอนสุดท้าย - เครื่องยนต์ที่มีแรงขับ 10 ตัน

เมื่อออกจากพื้นผิวโลกเครื่องยนต์ในระยะแรกเร่งความเร็วจรวดเป็นความเร็ว 2 กม. / วินาที หลังจากที่ร่างที่ว่างเปล่าของสเตจแรกถูกทิ้ง เครื่องยนต์ของสามสเตจถัดไปจะเปิดขึ้น และจรวดจะได้รับความเร็วของอวกาศที่สอง

นอกจากนี้ จรวดยังบินด้วยความเฉื่อยไปยังดวงจันทร์ เมื่อเข้าใกล้พื้นผิว จรวดจะหมุนหัวฉีดลง เครื่องยนต์ขั้นที่ห้าเปิดอยู่ มันลดความเร็วลงและจรวดก็ร่อนลงสู่พื้นผิวดวงจันทร์อย่างราบรื่น

แน่นอนว่าตัวเลขข้างต้นและการคำนวณที่เกี่ยวข้องนั้นไม่ได้แสดงถึงโครงการจริงสำหรับจรวดทางจันทรคติ พวกเขาได้รับเพียงเพื่อให้แนวคิดแรกเกี่ยวกับขนาดของจรวดหลายขั้นตอนในอวกาศ เป็นที่ชัดเจนว่าการออกแบบจรวด ขนาดและน้ำหนักขึ้นอยู่กับระดับของการพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี วัสดุที่ผู้ออกแบบใช้ เชื้อเพลิงที่ใช้ และคุณภาพของเครื่องยนต์จรวด ความสามารถของผู้สร้าง การสร้างจรวดอวกาศนำเสนอขอบเขตอันไร้ขอบเขตสำหรับการสร้างสรรค์ของนักวิทยาศาสตร์ วิศวกร และเทคโนโลยี ยังมีการค้นพบและสิ่งประดิษฐ์มากมายที่ต้องทำในพื้นที่นี้ และด้วยความสำเร็จใหม่แต่ละครั้ง ลักษณะของขีปนาวุธจะเปลี่ยนไป

เช่นเดียวกับเรือบินสมัยใหม่ของ IL-18, TU-104, TU-114 ที่ไม่เหมือนกับเครื่องบินที่บินเมื่อต้นศตวรรษนี้ จรวดอวกาศจะได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง เมื่อเวลาผ่านไป สำหรับเที่ยวบินในอวกาศ เครื่องยนต์จรวดจะไม่เพียงใช้พลังงานจากปฏิกิริยาเคมีเท่านั้น แต่ยังรวมถึงแหล่งพลังงานอื่นๆ ด้วย เช่น พลังงานของกระบวนการนิวเคลียร์ ด้วยการเปลี่ยนแปลงประเภทของเครื่องยนต์จรวด การออกแบบของจรวดเองก็จะเปลี่ยนไปเช่นกัน แต่ความคิดที่โดดเด่นของเคอี Tsiolkovsky เกี่ยวกับการสร้าง "รถไฟจรวด" มักจะมีบทบาทที่มีเกียรติในการศึกษาพื้นที่อันกว้างใหญ่ไพศาลเสมอ

ในรูป 22 แสดงให้เห็นว่าวิถีโคจรของขีปนาวุธ และด้วยเหตุนี้ช่วงของการบิน ขึ้นอยู่กับความเร็วต้น V 0 และมุม Θ 0 ระหว่างความเร็วนี้กับขอบฟ้า มุมนี้เรียกว่ามุมโยน

ตัวอย่างเช่น มุมขว้างเท่ากับ Θ 0 = 30° ในกรณีนี้ จรวดซึ่งเริ่มทำการบินแบบขีปนาวุธที่จุด 0 ด้วยความเร็ว V 0 = 5 กม./วินาที จะบินไปตามเส้นโค้งวงรี II ที่ V 0 = 8 กม./วินาที จรวดจะบินไปตามเส้นโค้งวงรี III ที่ V 0 = 9 กม./วินาที ตามแนวโค้ง IV เมื่อความเร็วเพิ่มขึ้นเป็น 11.2 กม./วินาที เส้นทางโคจรจากโค้งวงรีปิดจะกลายเป็นพาราโบลาเปิด และจรวดจะออกจากทรงกลมแรงโน้มถ่วงของโลก (เส้นโค้ง V) ด้วยความเร็วสูงกว่านั้น จรวดจะหลบหนีไปตามอติพจน์ (VI) นี่คือลักษณะที่วิถีโคจรของจรวดเปลี่ยนแปลงไปตามความเร็วเริ่มต้นที่เปลี่ยนแปลง แม้ว่ามุมของการขว้างจะยังคงไม่เปลี่ยนแปลง

หากคุณรักษาความเร็วเริ่มต้นให้คงที่และเปลี่ยนเฉพาะมุมของการขว้าง วิถีของจรวดจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญน้อยกว่า

ตัวอย่างเช่น เริ่มต้น "ความเร็วเท่ากับ V 0 = 8 กม. / ชม. หากจรวดพุ่งขึ้นไปในแนวตั้ง (มุมขว้าง Θ 0 = 90 °) ตามหลักวิชา จรวดจะสูงขึ้นเท่ากับรัศมีของ โลกและกลับสู่พื้นโลกไม่ไกลจากจุดเริ่มต้น ( VII) ที่ Θ 0 = 30° จรวดจะบินไปตามวิถีวงรีที่เราพิจารณาแล้ว (โค้ง III) สุดท้ายที่ Θ 0 = 0° (ปล่อยขนานกับ ขอบฟ้า) จรวดจะกลายเป็นดาวเทียมโลกที่มีวงโคจรเป็นวงกลม (เส้นโค้ง I)

ตัวอย่างเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนมุมของการขว้างเท่านั้น พิสัยของขีปนาวุธที่ความเร็วเริ่มต้นเท่ากันที่ 8 กม. / วินาทีสามารถมีพิสัยจากศูนย์ถึงอนันต์

จรวดจะเริ่มทำการบินด้วยขีปนาวุธในมุมใด? ขึ้นอยู่กับโปรแกรมควบคุมที่มอบให้กับจรวด เป็นไปได้ ตัวอย่างเช่น สำหรับแต่ละความเร็วเริ่มต้นในการเลือกมุมการขว้าง (ที่เหมาะสมที่สุด) ที่ได้เปรียบที่สุด ซึ่งระยะการบินจะมากที่สุด เมื่อความเร็วเริ่มต้นเพิ่มขึ้น มุมนี้จะลดลง ผลลัพธ์ค่าโดยประมาณของช่วง ความสูง และเวลาบินจะแสดงในตาราง สี่.

ตารางที่ 4

หากสามารถเปลี่ยนมุมการขว้างได้ตามใจชอบ การเปลี่ยนแปลงความเร็วเริ่มต้นจะถูกจำกัด และการเพิ่มขึ้นทุกๆ 1 กม. / วินาทีนั้นเกี่ยวข้องกับปัญหาทางเทคนิคครั้งใหญ่

K. E. Tsiolkovsky ให้สูตรที่ทำให้สามารถกำหนดความเร็วในอุดมคติของจรวดเมื่อสิ้นสุดการเร่งความเร็วด้วยเครื่องยนต์:

V id \u003d V ist ln G start / G end

โดยที่ V id - ความเร็วในอุดมคติของจรวดที่ส่วนท้ายของส่วนที่ใช้งาน

V ist - ความเร็วของการไหลของก๊าซจากหัวฉีดไอพ่นของเครื่องยนต์

G beg - น้ำหนักเริ่มต้นของจรวด

G con - น้ำหนักสุดท้ายของจรวด

ln คือเครื่องหมายของลอการิทึมธรรมชาติ

เราทำความคุ้นเคยกับค่าความเร็วของการไหลออกของก๊าซจากหัวฉีดของเครื่องยนต์จรวดในส่วนก่อนหน้า สำหรับเชื้อเพลิงเหลวที่ระบุในตาราง 3 ความเร็วเหล่านี้จำกัดที่ 2200 - 2600 m / s (หรือ 2.2 - 2.6 km / s) และสำหรับเชื้อเพลิงแข็ง - ถึง 1.6 - 2.0 km / s

G start หมายถึงน้ำหนักเริ่มต้น กล่าวคือ น้ำหนักรวมของจรวดก่อนปล่อย และ G end คือน้ำหนักสุดท้ายเมื่อสิ้นสุดอัตราเร่ง (หลังจากเชื้อเพลิงหมดหรือดับเครื่องยนต์) อัตราส่วนของน้ำหนักเหล่านี้ G beg /G con ซึ่งรวมอยู่ในสูตรนี้เรียกว่าหมายเลข Tsiolkovsky และกำหนดลักษณะทางอ้อมของน้ำหนักของเชื้อเพลิงที่ใช้ในการเร่งจรวด เห็นได้ชัดว่ายิ่งจำนวน Tsiolkovsky มากเท่าไหร่ความเร็วของจรวดก็จะยิ่งสูงขึ้นและยิ่งบินได้ไกลขึ้นเท่านั้น (ceteris paribus) อย่างไรก็ตามหมายเลข Tsiolkovsky เช่นเดียวกับความเร็วของการไหลออกของก๊าซจากหัวฉีด มีข้อจำกัด

ในรูป 23 แสดงส่วนต่างๆ ของจรวดแบบขั้นตอนเดียวทั่วไปและแผนภาพน้ำหนัก นอกจากถังเชื้อเพลิงแล้ว จรวดยังมีเครื่องยนต์ ระบบควบคุมและควบคุม ผิวหนัง น้ำหนักบรรทุก และองค์ประกอบโครงสร้างและอุปกรณ์เสริมต่างๆ ดังนั้นน้ำหนักสุดท้ายของจรวดจะต้องไม่น้อยกว่าน้ำหนักเริ่มต้นหลายเท่า ตัวอย่างเช่น จรวด V-2 ของเยอรมันมีน้ำหนัก 3.9 ตันโดยไม่มีเชื้อเพลิง และ 12.9 ตันพร้อมเชื้อเพลิง ซึ่งหมายความว่าหมายเลข Tsiolkovsky ของจรวดนี้คือ: 12.9 / 3.9 = 3.31 ในระดับปัจจุบันของการพัฒนาวิทยาศาสตร์จรวดต่างประเทศ อัตราส่วนนี้สำหรับจรวดต่างประเทศถึง 5-7

มาคำนวณความเร็วในอุดมคติของจรวดแบบขั้นเดียวกัน โดยใช้ V 0 = 2.6 กม./วินาที และ G start / G end = 7

V id \u003d 2.6 ln 7 \u003d 2.6 1.946 ≈ 5 km / s

จากตาราง. 4 แสดงให้เห็นว่าขีปนาวุธดังกล่าวสามารถไปถึงช่วงประมาณ 3,200 กม. อย่างไรก็ตาม ความเร็วจริงจะน้อยกว่า 5 กม./วินาที เนื่องจากเครื่องยนต์ใช้พลังงานไม่เพียงแต่ในการเร่งความเร็วจรวด แต่ยังรวมถึงการเอาชนะแรงต้านของอากาศ ในการเอาชนะแรงโน้มถ่วงด้วย ความเร็วที่แท้จริงของจรวดจะอยู่ที่ 75 - 80% ของอุดมคติเท่านั้น ดังนั้นจะมีความเร็วเริ่มต้นประมาณ 4 กม./วินาที และช่วงไม่เกิน 1800 กม.*

* (ช่วงที่ระบุในตาราง 4 จะได้รับโดยประมาณเนื่องจากไม่ได้คำนึงถึงปัจจัยหลายประการในการคำนวณ ตัวอย่างเช่น ส่วนต่างๆ ของวิถีโคจรที่อยู่ในชั้นบรรยากาศหนาแน่นและอิทธิพลของการหมุนของโลกไม่ได้นำมาพิจารณา เมื่อทำการยิงไปทางทิศตะวันออก ระยะการบินของขีปนาวุธนำวิถีจะมากกว่า เนื่องจากความเร็วของการหมุนของโลกเองนั้นถูกเพิ่มเข้ากับความเร็วของพวกมันเมื่อเทียบกับโลก)

ในการสร้างขีปนาวุธข้ามทวีป ปล่อยดาวเทียมและยานอวกาศจากโลกเทียม และยิ่งไปกว่านั้น ในการส่งจรวดอวกาศไปยังดวงจันทร์และดาวเคราะห์ จำเป็นต้องให้ความเร็วที่สูงขึ้นอย่างมากกับจรวดขนส่ง ดังนั้นสำหรับขีปนาวุธที่มีพิสัย 9000 - 13000 กม. ต้องใช้ความเร็วเริ่มต้นประมาณ 7 กม. / วินาที ความเร็วจักรวาลแรกที่ต้องมอบให้กับจรวดเพื่อให้สามารถเป็นดาวเทียมของโลกที่มีระดับความสูงของวงโคจรต่ำได้คือ 8 กม. / วินาที

หากต้องการออกจากทรงกลมแรงโน้มถ่วงของโลก จรวดจะต้องเร่งความเร็วของจักรวาลที่สอง - 11.2 km / s เพื่อบินรอบดวงจันทร์ (โดยไม่กลับมาสู่โลก) ต้องใช้ความเร็วมากกว่า 12 km / s การบินผ่านดาวอังคารโดยไม่กลับมายังโลกสามารถทำได้ด้วยความเร็วเริ่มต้นประมาณ 14 กม./วินาที และกลับสู่วงโคจรรอบโลกประมาณ 27 กม./วินาที ต้องใช้ความเร็ว 48 กม./วินาทีเพื่อลดระยะเวลาของเที่ยวบินไปยังดาวอังคารและย้อนกลับไปเป็นสามเดือน ในทางกลับกัน การเพิ่มความเร็วของจรวดจะต้องใช้เชื้อเพลิงในปริมาณที่เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ เพื่อการเร่งความเร็ว

สมมุติว่าเราได้สร้างจรวดที่มีน้ำหนัก 1 กิโลกรัมโดยไม่ใช้เชื้อเพลิง ถ้าเราต้องการบอกเธอว่าความเร็ว 3, 6, 9 และ 12 กม. / วินาทีจะต้องเติมเชื้อเพลิงลงในจรวดและเผาไหม้ในระหว่างการเร่งความเร็วเท่าไร? ปริมาณเชื้อเพลิงที่ต้องการ * แสดงในตาราง 5.

* (ด้วยความเร็วการไหลออก 3 กม./วินาที)

ตารางที่ 5

ไม่ต้องสงสัยเลยว่าในร่างกายของจรวดที่มีน้ำหนัก "แห้ง" ซึ่งมีเพียง 1 กก. เราจะสามารถรองรับเชื้อเพลิงได้ 1.7 กก. แต่ที่น่าสงสัยมากคือมันสามารถรองรับ 6.4 กก. ของเขาได้ และแน่นอนว่าเป็นไปไม่ได้เลยที่จะเติมน้ำมัน 19 หรือ 54 กก. แท็งก์ที่เรียบง่ายแต่แข็งแรงพอที่จะรองรับเชื้อเพลิงได้มากขนาดนี้แล้วนั้นหนักกว่าหนึ่งกิโลกรัมอยู่แล้ว ตัวอย่างเช่น กระป๋องขนาด 20 ลิตรที่ผู้ขับขี่ทราบกันดีว่ามีน้ำหนักประมาณ 3 กก. น้ำหนัก "แห้ง" ของจรวด นอกเหนือจากถัง ควรรวมน้ำหนักของเครื่องยนต์ โครงสร้าง น้ำหนักบรรทุก ฯลฯ

เพื่อนร่วมชาติที่ยิ่งใหญ่ของเรา K. E. Tsiolkovsky พบวิธีอื่น (และจนถึงขณะนี้) ในการแก้ปัญหาที่ยากลำบากเช่นการบรรลุความเร็วจรวดที่จำเป็นสำหรับการฝึกฝนในปัจจุบัน เส้นทางนี้ประกอบด้วยการสร้างจรวดหลายขั้นตอน

จรวดหลายขั้นตอนทั่วไปจะแสดงในรูปที่ 24. ประกอบด้วยน้ำหนักบรรทุกและขั้นตอนที่ถอดออกได้หลายขั้นตอนพร้อมโรงไฟฟ้าและการจ่ายเชื้อเพลิงในแต่ละขั้นตอน เครื่องยนต์ของสเตจแรกแจ้งน้ำหนักบรรทุกรวมถึงขั้นตอนที่สองและสาม (จรวดย่อยที่สอง) ด้วยความเร็ว ν 1 . หลังจากเชื้อเพลิงหมด ขั้นแรกจะแยกออกจากส่วนที่เหลือของจรวดและตกลงสู่พื้น และเครื่องยนต์ขั้นที่สองจะเปิดขึ้นบนจรวด ภายใต้การกระทำของแรงผลักดัน ส่วนที่เหลือของจรวด (จรวดย่อยที่สาม) จะได้รับความเร็วเพิ่มเติม ν 2 . จากนั้นขั้นตอนที่สองหลังจากเชื้อเพลิงหมดก็จะแยกตัวออกจากจรวดที่เหลือและตกลงสู่พื้น ในเวลานี้เครื่องยนต์ระยะที่สามจะเปิดขึ้นและแจ้งน้ำหนักบรรทุกของความเร็วเพิ่มเติม ν 3 .

ดังนั้น ในจรวดแบบหลายขั้นตอน น้ำหนักบรรทุกจะเร่งขึ้นหลายครั้ง ความเร็วในอุดมคติทั้งหมดของจรวดแบบสามขั้นจะเท่ากับผลรวมของความเร็วในอุดมคติทั้งสามที่ได้รับจากแต่ละสเตจ:

V id 3 \u003d ν 1 + ν 2 + ν 3

หากความเร็วของการไหลออกของก๊าซจากเครื่องยนต์ของทุกขั้นตอนเท่ากันและหลังจากการแยกของแต่ละคนแล้วอัตราส่วนของน้ำหนักเริ่มต้นของส่วนที่เหลือของจรวดกับเครื่องยนต์สุดท้ายไม่เปลี่ยนแปลง ความเร็วจะเพิ่มขึ้น ν 1 , ν 2 และ ν 3 จะเท่ากัน จากนั้นเราสามารถสรุปได้ว่าความเร็วของจรวดที่ประกอบด้วยสามขั้นตอน (หรือ n) จะเท่ากับความเร็วของจรวดแบบขั้นตอนเดียวสามเท่า (หรือเพิ่มขึ้น n เท่า)

ในความเป็นจริง ในแต่ละขั้นตอนของจรวดหลายขั้นตอน อาจมีเครื่องยนต์ที่ให้ความเร็วไอเสียต่างกัน ไม่สามารถรักษาอัตราส่วนน้ำหนักคงที่ได้ แรงต้านของอากาศเมื่อความเร็วในการบินเปลี่ยนไป และความดึงดูดของโลกเมื่อคุณเคลื่อนตัวออกห่างจากโลกเปลี่ยนไป ดังนั้น ความเร็วสุดท้ายของจรวดแบบหลายขั้นตอนจึงไม่สามารถกำหนดได้โดยการคูณความเร็วของจรวดแบบขั้นตอนเดียวด้วยจำนวนขั้น* แต่ยังคงเป็นความจริงที่ว่าการเพิ่มจำนวนขั้นตอน ความเร็วของจรวดสามารถเพิ่มขึ้นได้หลายเท่า

* (พึงระลึกไว้เสมอว่าระหว่างการดับเวทีหนึ่งและอีกขั้นหนึ่ง อาจมีช่วงเวลาระหว่างที่จรวดบินด้วยความเฉื่อย)

นอกจากนี้ จรวดแบบหลายขั้นตอนสามารถให้ช่วงน้ำหนักบรรทุกที่เท่ากันได้โดยใช้เชื้อเพลิงรวมและน้ำหนักการเปิดตัวที่ต่ำกว่าอย่างมากเมื่อเทียบกับจรวดแบบขั้นตอนเดียว จิตใจของมนุษย์สามารถหลีกเลี่ยงกฎแห่งธรรมชาติได้หรือไม่? เลขที่ เพียงแค่คนที่เรียนรู้กฎหมายเหล่านี้ก็สามารถประหยัดเชื้อเพลิงและน้ำหนักของโครงสร้างได้ในการทำงาน ในจรวดแบบขั้นตอนเดียว เราเร่งน้ำหนักที่ "แห้ง" ทั้งหมดตั้งแต่ต้นจนจบส่วนที่ทำงานอยู่ ในจรวดหลายขั้นตอน เราไม่ทำอย่างนั้น ดังนั้น ในจรวดแบบสามขั้นตอน ระยะที่สองจะไม่ใช้เชื้อเพลิงเพื่อเร่งน้ำหนัก "แห้ง" ของระยะแรกอีกต่อไป เนื่องจากระยะหลังถูกทิ้ง ขั้นตอนที่สามยังไม่เปลืองเชื้อเพลิงสำหรับการเร่งน้ำหนัก "แห้ง" ของขั้นตอนที่หนึ่งและสอง มันเร่งตัวเองและเพย์โหลดเท่านั้น ขั้นตอนที่สาม (และโดยทั่วไปแล้วในขั้นตอนสุดท้าย) ไม่สามารถตัดการเชื่อมต่อจากส่วนหัวของจรวดได้อีกต่อไป เนื่องจากไม่จำเป็นต้องเร่งความเร็วเพิ่มเติม แต่ในหลายกรณีก็ยังคงแยกจากกัน ดังนั้นการแยกขั้นตอนสุดท้ายจึงได้รับการฝึกฝนในจรวดขนส่งของดาวเทียมจรวดอวกาศและขีปนาวุธต่อสู้เช่น Atlas, Titan, Minuteman, Jupiter, Polaris เป็นต้น

เมื่ออุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ที่วางอยู่ในส่วนหัวของจรวดถูกปล่อยออกสู่อวกาศ การแยกขั้นตอนสุดท้ายจะถูกมองเห็น นี่เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการทำงานที่ถูกต้องของอุปกรณ์ เมื่อมีการปล่อยดาวเทียม ดาวเทียมจะถูกแยกออกจากระยะสุดท้ายด้วย ด้วยเหตุนี้ความต้านทานจึงลดลงและสามารถดำรงอยู่ได้นาน เมื่อเปิดตัวขีปนาวุธต่อสู้จะมีการแยกขั้นตอนสุดท้ายออกจากหัวรบซึ่งเป็นผลมาจากการตรวจจับหัวรบและโจมตีด้วยขีปนาวุธต่อต้านยากขึ้น ยิ่งกว่านั้นขั้นตอนสุดท้ายที่แยกจากกันระหว่างการสืบเชื้อสายของจรวดจะกลายเป็นตัวล่อ หากในระหว่างการกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ มีการวางแผนที่จะควบคุมหัวรบหรือทำให้การบินมีเสถียรภาพ หากไม่มีขั้นตอนสุดท้ายก็จะควบคุมได้ง่ายกว่า เนื่องจากมีมวลน้อยกว่า ในที่สุดหากขั้นตอนสุดท้ายไม่แยกออกจากหัวการต่อสู้ก็จำเป็นต้องป้องกันทั้งความร้อนและการเผาไหม้ซึ่งไม่เป็นประโยชน์

แน่นอนว่าปัญหาในการได้รับความเร็วสูงจะแก้ไขได้ไม่เพียงแค่การสร้างจรวดหลายขั้นตอนเท่านั้น วิธีนี้ก็มีข้อเสียเช่นกัน ความจริงก็คือด้วยจำนวนขั้นตอนที่เพิ่มขึ้น การออกแบบจรวดมีความซับซ้อนมากขึ้น จำเป็นต้องมีกลไกที่ซับซ้อนในการแยกขั้นตอน ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์มักจะพยายามให้ได้จำนวนขั้นตอนขั้นต่ำเสมอ และสำหรับสิ่งนี้ อย่างแรกเลย จำเป็นต้องเรียนรู้วิธีเพิ่มความเร็วของการไหลออกของผลิตภัณฑ์การเผาไหม้ หรือผลจากปฏิกิริยาอื่นๆ

อุปกรณ์ของจรวดหลายขั้นตอนคืออะไรมาดูตัวอย่างคลาสสิกของจรวดสำหรับการบินในอวกาศ ซึ่งอธิบายไว้ในงานเขียนของ Tsiolkovsky ผู้ก่อตั้งวิทยาศาสตร์จรวด เขาเป็นคนแรกในการเผยแพร่แนวคิดพื้นฐานในการผลิตจรวดหลายขั้นตอน

หลักการของจรวด

เพื่อที่จะเอาชนะแรงโน้มถ่วง จรวดต้องการแหล่งเชื้อเพลิงจำนวนมาก และยิ่งเราใช้เชื้อเพลิงมากเท่าใด มวลของจรวดก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้น เพื่อลดมวลของจรวด พวกมันถูกสร้างขึ้นบนหลักการของหลายขั้นตอน แต่ละขั้นตอนถือได้ว่าเป็นจรวดที่แยกจากกันโดยมีเครื่องยนต์จรวดและเชื้อเพลิงสำหรับการบิน

อุปกรณ์ของขั้นตอนของจรวดอวกาศ

ระยะแรกของจรวดอวกาศที่ใหญ่ที่สุดในจรวดสำหรับการบินในอวกาศสามารถมีเครื่องยนต์ได้ถึง 6 ตัวในขั้นที่ 1 และยิ่งต้องบรรทุกหนักขึ้นในอวกาศยิ่งมีเครื่องยนต์มากขึ้นในระยะแรกของจรวด

ในเวอร์ชันคลาสสิก มีทั้งหมด 3 แบบ ซึ่งจัดวางอย่างสมมาตรตามขอบของสามเหลี่ยมหน้าจั่ว ราวกับว่าล้อมรอบจรวดไว้รอบปริมณฑล เวทีนี้ใหญ่และทรงพลังที่สุดคือเธอที่ฉีกจรวด เมื่อใช้เชื้อเพลิงในระยะแรกของจรวดจนหมด ระยะทั้งหมดจะถูกยกเลิก

หลังจากนั้นการเคลื่อนที่ของจรวดจะถูกควบคุมโดยเครื่องยนต์ในระยะที่สอง บางครั้งพวกเขาเรียกว่าการเร่งความเร็วเนื่องจากด้วยความช่วยเหลือของเครื่องยนต์ในระยะที่สองที่จรวดไปถึงความเร็วของอวกาศครั้งแรกซึ่งเพียงพอที่จะไปถึงวงโคจรใกล้โลก

สามารถทำซ้ำได้หลายครั้ง โดยแต่ละขั้นตอนของจรวดมีน้ำหนักน้อยกว่าครั้งก่อน เนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกลดลงเมื่อไต่ขึ้น

กระบวนการนี้ทำซ้ำกี่ครั้ง มีขั้นตอนมากมายในจรวดอวกาศ ขั้นตอนสุดท้ายของจรวดได้รับการออกแบบสำหรับการหลบหลีก (เครื่องมือแก้ไขการบินมีอยู่ในแต่ละขั้นตอนของจรวด) และการส่งมอบน้ำหนักบรรทุกและนักบินอวกาศไปยังจุดหมายปลายทาง

เราตรวจสอบอุปกรณ์ จรวดทำงานอย่างไร, ขีปนาวุธหลายขั้นตอน, อาวุธที่น่ากลัวที่บรรจุอาวุธนิวเคลียร์, ถูกจัดเรียงในลักษณะเดียวกันทุกประการและไม่แตกต่างจากจรวดอวกาศโดยพื้นฐาน พวกเขาสามารถทำลายทั้งชีวิตบนโลกใบนี้และตัวมันเองได้อย่างสมบูรณ์

ขีปนาวุธหลายขั้นตอนเข้าไปในวงโคจรใกล้โลกและจากที่นั่นพวกเขาโจมตีเป้าหมายภาคพื้นดินด้วยหัวรบที่แบ่งด้วยหัวรบนิวเคลียร์ ในเวลาเดียวกัน 20-25 นาทีก็เพียงพอแล้วสำหรับพวกเขาที่จะบินไปยังจุดที่ห่างไกลที่สุด