Теперь рассмотрим примерное устройство ракеты-носителя ИСЗ. Приведем описание одного из проектов ракеты «Авангард», предназначавшейся для запуска искусственного спутника Земли в США.
В США усиленно обсуждаются проблемы, связанные с запуском искусственного спутника Земли. Выступая на одном совещании, технический руководитель программы запуска спутника (проект «Авангард») Мильтон Розен перечислил основные проблемы, подлежащие разрешению в процессе разработки этой программы, и привел основные технические характеристики ракеты для запуска спутника. Розен указал, что в США еще в 1949 г. двухступенчатая ракета «Бампер» поднялась на высоту 400 км при максимальной скорости 2750 м/сек с такой же полезной нагрузкой, какая запроектирована для ракеты спутника «Авангард». Последняя же должна подняться на высоту 480 км при скорости 7620 м/сек.
Из американской печати известно, что разработка этой ракеты-носителя ИСЗ была поручена ряду ведущих фирм. На рис. 18 показана предполагаемая схема такой ракеты.
Характерной особенностью ракеты является отсутствие у всех трех ступеней стабилизаторов и рулей; управление по тангажу[23] и рысканью[24] на первой и второй ступенях будет осуществляться путем поворота жидкостных реактивных двигателей, смонтированных на карданных шарнирах. Отклонение на угол до 5° будет производиться с помощью электрогидравлического привода, получающего команды от гироскопов гироскопического блока, с помощью которого первая и вторая ступени ракеты будут управляться в полете. Гироблок располагается на второй ступени. Управление по крену будет осуществляться с помощью небольших, тангенциально расположенных жидкостных ракетных двигателей. Неуправляемая третья ступень будет ориентирована по высоте, положению и направлению второй ступенью, которая придает ей также стабилизирующее вращение, прежде чем начнет работать двигатель третьей ступени.
Общая длина ракеты на старте составит 22 м, максимальный диаметр 1,15 м.
В качестве первой ступени ракеты для запуска спутника предполагалось использовать несколько измененную исследовательскую ракету «Викинг» с новым форсированным двигателем. Этот двигатель должен обеспечить разгон ракеты до 15% орбитальной скорости. Тяга этого двигателя составит 12,2 т, а время работы 125–140 сек. Двигатель будет работать на смеси спирта с бензином и жидком кислороде, подаваемых из баковых отсеков с помощью турбонасосов. По мере расходования топлива баки будут заполняться гелием.
ЖРД второй ступени ракеты будет работать на дымящей азотной кислоте и гидрозине, подаваемых в камеру сгорания под давлением сжатого гелия. Большое число миниатюрных реактивных двигателей стабилизации обеспечит управление ракетой после окончания работы двигателя второй ступени, когда вторая и третья ступени будут набирать орбитальную высоту. Ожидается, что вторая ступень наберет 32% орбитальной скорости. Носовой конус второй ступени будет перекрывать третью ступень и самый спутник, предохраняя их от аэродинамического нагревания; конус будет сброшен во время начальной стадии работы второй ступени, когда плотность воздуха уменьшится и соответственно уменьшится нагревание ракеты.
Как мы уже говорили, третья ступень ракеты неуправляемая; для обеспечения устойчивости в полете она будет вращаться вокруг продольной оси.
После выхода на орбиту третья ступень и спутник могут быть разделены и продолжать свой путь по орбите как два самостоятельных спутника. Это целесообразно сделать во избежание проникновения тепла от двигателя к чувствительным приборам спутника, а также для удобства размещения телеметрических антенн.
Как же запускается на орбиту ракета-носитель ИСЗ? Казалось бы, выгоднее всего запустить ракету вертикально вверх, так как в этом случае она полетела бы к орбите по кратчайшему пути. Однако такой метод осуществления запуска оказывается самым невыгодным с точки зрения потребного расхода топлива.
Рассмотрим этот вопрос подробнее.
Ракета, запущенная вертикально, набирает скорость не мгновенно, а в течение некоторого времени. Сила же притяжения Земли, действующая постоянно в течение этого же времени, вызывает обратный снос ракеты к центру Земли (так называемый гравитационный снос).
Этот снос весьма значителен. Если бы не работали двигатели ракеты, то за первые 100 секунд эта направленная к Земле скорость составила бы 1 км/сек, а за 800 секунд полета ракеты она достигла бы 8 км/сек, т. е. как раз величины первой космической скорости. Из сказанного ясно, что если ракета все время будет двигаться по вертикали, то сила тяжести вскоре поглотит силу тяги ее двигателей, и ракета, израсходовав запас горючего, остановится в определенной точке, а затем станет падать на Землю, что и получается с современными геофизическими ракетами. Поэтому чрезвычайно трудно при вертикальном запуске получить на большой высоте большую скорость ракеты.
Для того чтобы ИСЗ не падал обратно на Землю, ему необходимо сообщить значительную горизонтальную скорость полета.
Необходимо так организовать взлет ракеты-носителя, чтобы в минимально возможное время доставить спутник на орбиту и чтобы он имел необходимую горизонтальную скорость полета.
Перед запуском ракеты ученые в зависимости от избранной орбиты производят целую серию сложнейших расчетов, предварительно вычисляя наиболее выгодную (оптимальную) траекторию выхода ракеты на орбиту (рис. 19).
Первый участок полета ракеты избирается вертикальным для того, чтобы ракета возможно скорее преодолела плотные слои атмосферы, однако этот участок обычно не велик и составляет около 20 км.
Как только ракета выйдет в более разреженные слои атмосферы, она с помощью автопилота будет постепенно наклоняться, с тем чтобы, достигнув орбиты, выйти на нее в горизонтальном положении с большой скоростью полета. В этих расчетах учитываются также потери скорости ракеты в результате сопротивления воздуха и гравитационного сноса и точно определяется режим работы двигателей ракеты, чтобы они могли обеспечить получение на орбите круговой скорости, при которой центробежная сила уравновесила бы силу притяжения Земли.
Мы уже говорили, что минимальное значение характеристической скорости — 7,9 км/сек (так называемую первую космическую скорость) имеет ракета, посылающая ИСЗ на орбиту, проходящую непосредственно у поверхности Земли. Значение характеристической скорости ракеты зависит от расстояния орбиты спутника до Земли. Например, для высоты 1730 км она равна 8716 м/сек, а для высоты 35 800 км — 10 709 м/сек. Наконец при скорости 11 190 м/сек (вторая космическая скорость) ракета может улететь в космос.
Кроме того, задача инженеров, рассчитывающих программу взлета ракеты-носителя ИСЗ на орбиту, состоит в том, чтобы траектория взлета была такой, при которой потери скорости от сопротивления воздуха и притяжения Земли составляли бы не более нескольких процентов от величины характеристической скорости. Таким образом, для того чтобы получить действительную скорость ракеты для запуска спутника на данную орбиту, расчетное значение характеристической скорости необходимо увеличить. Для взятых в качестве примера орбит (1730 км и 35 800 км) орбитальные скорости соответственно будут несколько увеличены.
Оказывается, что далеко не безразлично, в какую сторону запустить ракету-носитель ИСЗ.
Если ракету запустить в сторону вращения Земли (рис. 20), то можно получить дополнительное, «бесплатное» приращение скорости ракеты за счет скорости вращения Земли. Величина этого приращения зависит от широты места запуска. На экваторе, например, оно имеет максимальное значение и равно 463 м/сек. Это больше скорости некоторых современных истребителей. По мере приближения к полюсам приращение скорости убывает.
Может возникнуть вопрос: а как же наши самолеты? Ведь они летают в самых разнообразных направлениях, и мы обычно не интересуемся тем, совпадает ли их полет с направлением вращения Земли или нет.
Действительно, современным самолетам безразлично, в какую сторону лететь. Если мы говорим, что самолет летит со скоростью 1000 км/час, то полагаем, что он эту скорость имеет независимо от направления полета. Практически мы совершенно правы.
Но именно только практически. Теоретически же самолет, летящий по направлению вращения Земли, будет всегда несколько легче, а летящий в обратном направлении — немного тяжелее. Однако при существующих скоростях самолета эти изменения его веса настолько ничтожны, что их можно не учитывать.
Представим себе самолет, который будет обладать скоростью, скажем, в 3–4 раза большей скорости звука.