X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Космонавтика – совокупность отрас­лей науки и техники, обеспечивающих освоение космического пространства и внеземных объектов с использова­нием ракет и космических аппаратов.

Главной целью космонавтики являет­ся повышение знаний о Вселенной, решение научных и народнохозяйственных задач.

Все мы немножко связаны с космосом в том или ином плане. Ракетно-космическая техника обеспечивает современную навигацию, экологический мониторинг, современные спутники позволяют вести космическую и, что немаловажно, непосредственно видовую разведку, поддерживать качественную связь, и решать многие другие вопросы повседневной деятельности человека.

Технический прогресс не стоит на месте, очень важно иметь представление, в какую сторону развиваться далее в области космонавтики, а для этого необходимо вспомнить основные этапы создания и развития космической техники, ознакомиться с биографией великих конструкторов, учёных, занимавшихся разработками в данной сфере деятельности. Для дальнейшего развития космической отрасли это имеет немаловажное значение.

История создания и применения ракет

Первый реактивный двигатель описан древнегреческим учёным и инженером Героном, жившим примерно в I в. н.э. в Александрии. В одном из своих трудов – «Пневматика» – Герон даёт чертежи и описание эолипида – шара, вращающегося под действием реактивной силы, образующийся за счёт выходящей струи шара.

Лучшим средством по сравнению с паром для создания реактивной силы явились летательные смеси типа пороха, также изобретённые ещё в глубокой древности.

В старинных летописях имеются упоминания о том, что у восточных народов ещё в Х–XII в. появились пороховые ракеты, которые носили наименование «огненных стрел» и применялись при осаде крепостей. Их устройство было довольно примитивным. К обыкновенной стреле прикреплялась бумажная гильза с пороховым зарядом. В головной части находился зажигательный состав. Порох зажигался шнуром.

Позднее в Китае и Индии нашли применение в военном деле также ракеты-снаряды. Они взрывались после того, как выгорал «посылающий» и начинал действовать «зажигающий» порох. Более совершенные боевые ракеты с железными гильзами весом от 3 до 6 кг, снабжённые для устойчивости бамбуковыми палками длинной 2,5 м, применялись Индией в конце XVIII в. в борьбе против английских колонизаторов.

Предприимчивый английский инженер Уильям Конгрев с 1804 г. стал работать над усовершенствованием индийских боевых ракет и создал свои ракеты весом в 5, 10 и 12,3 кг, а также пусковую установку к ним (весьма громоздкую).

В конце XVII – начале XVIII в. в России также имелись свои ракеты различного назначения, налаживалось их производство. Но подлинное развитие ракетная техника получила в более позднее время.

В 1815 г. Александр Дмитриевич Засядко начал работать над созданием боевых пороховых ракет. Сконструировал боевые ракеты трёх калибров, разработал технологию их изготовления, создал пусковые станки, позволяющие вести залповый огонь (6 ракет), и приспособления для наведения. Провёл большое число опытных пусков ракет и достиг дальности их полёта до 2300 м. Разработал рекомендации по выбору оптимальных параметров ракет, определению дальности их полёта и рассеивания в зависимости от углов запуска, рассмотрел возможность и эффективность запуска связки ракет, методы транспортировки и боевого использования ракет. Организовал производство ракет в специальном «ракетном заведении», сформировал первое в русской армии ракетное подразделение.

Результаты работ Засядко изложил в труде «О деле ракет зажигательных и рикошетных» (1817 г.), являющемся первым достаточно полным наставлением по изготовлению и боевому использованию ракет в русской армии.

Артиллерийская бригада Засядко сражалась под Лейпцигом; вместе с русскими войсками, преследовавшими Наполеона, прошла вглубь Франции и возвратилась на родину в 1814 г.

В 1820 г. Засядко был назначен начальником первого Артиллерийского училища в России, в 1826 стал начальником артиллерии штаба русской армии. В 1829 г. Получил чин генерал-лейтенанта.

В своей пиротехнической лаборатории за два года Засядко создал несколько типов боевых ракет от 2-х до 4-х дюймовых. Ракеты имели гильзы, изготовленные из листового железа, в которые помещался заряд чёрного дымного пороха. Верхняя часть Гильзы закрывалась колпаком, заполненным боевым зарядом, в её нижнюю часть ввинчивался поддон, в котором имелись отверстия для выхода газов. К корпусу гильзы скобами прикреплялся деревянный стержень, предназначенный для стабилизации ракеты в полёте.

Боевые ракеты Засядко применялись в 1825 г. На Кавказе против вражеской конницы. В эти годы «ракетное заведение» выпускало 6-, 12-, 20- и 36-фунтовые ракеты, а также соответствующие треножные станки к ним.

В начале 1827 г. «ракетному заведению» было приказано изготовить срочно три тысячи боевых и зажигательных ракет. Во время манёвров русских войск, происходивших в 1827 г. под Красным Селом, в целях ознакомления с действием нового оружия было израсходовано пятьсот боевых ракет.

В 1828 г. было принято решение «ракетное заведение» отправить на турецкий фронт с тем, чтобы организовать производство ракет непосредственно в районе боевых действий.

Предполагалось, что ракетное заведение будет производить шесть тысяч ракет в год.

«Ракетное заведение» обосновалось в Тирасполе, организовало снабжение действующей армии боевыми ракетами.

Для действующих войск были написаны рекомендации, в которых весьма высоко оценивалась роль ракетных подразделений в бою и указывалось, что в основу тактического применения ракет должны быть положены совместные действия ракетчиков с артиллерией.

Так, ракетные батареи, как правило, должны были располагаться впереди артиллерии, прикрывая её развёртывание или отход.

Во время русско-турецкой войны 1828–1829 г. боевые ракеты конструкции генерала Засядко умело и с большим эффектом применялись в сухопутных войсках при осаде турецких крепостей Варна, Силистрия и Браилов, а также на черноморском флоте и Дунайской флотилии.

В 1826 г. начальником «ракетного заведения» стал вместо генерала Засядко его ученик Василий Михайлович Внуков.

Большой вклад в ракетостроение внёс в середине ХIХ в. К.И. Константинов. Родился в 1817 году, окончил Михайловское артиллерийское училище в 1836 г.

15 ноября 1844 г. «за изобретение электробаллистического прибора для измерения скорости полёта и за отличную службу» был награждён орденом 4 степени.

С 1847 г. систематически занимается конструированием и производством боевых ракет. С марта 1850 г. был назначен командиром Петербургского «ракетного заведения». С 1861 г. Константинов деятельно занимается проектом построения ракетного завода в Николаеве, а с 1867 г. становится его руководителем.

В последние годы своей жизни, невзирая на тяжёлую болезнь, Константинов продолжал заниматься ракетным делом. Он написал большую работу «Усовершенствование фейерверков» и статьи по специальным ракетам. Он был одним из талантливейших и разносторонних деятелей отечественной науки и техники XIX в.

В истории развития ракетного дела ему принадлежит особое место как учёному, заложившему основы науки о боевых ракетах.

Пророчески звучат в наши дня слова Константинова в его сочинении «О боевых ракетах»: «Нам кажется, что выгоднее организовать из ракетчиков самостоятельное оружие…,одарённое особенными качествами, которое зависело бы от главноначальствующего подобно тому, как подчиняется ему каждое из отдельных оружий, составляющих различные рода войск».

К.Э. Циолковский – основоположник теории космических полетов

Впервые мечту и стремления многих людей впервые смог приблизить к реальности русский учёный Константин Эдуардович Циолковский (1857–1935), который показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести – это ракета, он впервые представил научное доказательство возможности использования ракеты для полётов в космическое пространство, за пределы земной атмосферы и к другим планетам Солнечной системы. Ракетой Циолковский назвал аппарат с реактивным двигателем, использующим находящиеся на нём горючее и окислитель.

Реактивный двигатель

Реактивным двигателем называют двигатель, способный преобразовать химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, и приобрести при этом скорость в обратном направлении. На каких же принципах и физических законах основывается действие реактивного двигателя?

Как известно из курса физики, выстрел из ружья сопровождается отдачей. По законам Ньютона, пуля и ружьё разлетелись бы в разные стороны с одинаковой скоростью, если бы имели одинаковую массу. Отбрасываемая масса газов создаёт реактивную силу, благодаря которой может быть обеспечено движение, как в воздухе, так и в безвоздушном пространстве, так возникает отдача. Тем большую силу отдачи ощущает наше плечо, чем больше масса и скорость истекающих газов, и, следовательно, чем сильнее реакция ружья, тем больше реактивная сила. Эти явления объясняются законом сохранения импульса: векторная (геометрическая) сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остаётся постоянной при любых движениях и взаимодействиях тел системы. Максимальную скорость, которую может развить ракета, рассчитывают по формуле Циолковского:

,

где v_max – максимальная скорость ракеты,

v₀ – начальная скорость,

v_r – скорость истечения газов из сопла,

m – начальная масса топлива,

M – масса пустой ракеты.

Представленная формула Циолковского является фундаментом, на котором зиждется весь расчёт современных ракет. Числом Циолковского называют отношение массы топлива к массе ракеты в конце работы двигателя – к весу пустой ракеты. Таким образом, получили, что максимально достижимая скорость ракеты зависит в первую очередь от скорости истечения газов из сопла. А скорость истечения газов сопла в свою очередь зависит от вида топлива и температуры газовой струи. Значит, чем выше температура, тем больше скорость. Тогда для настоящей ракеты нужно подобрать самое калорийное топливо, дающее наибольшее количество теплоты. По формуле видно, что кроме всего прочего скорость ракеты зависит от начальной и конечной массы ракеты, от того, какая часть её веса приходится на горючее, и какая – на бесполезные (с точки зрения скорости полёта) конструкции: корпус, механизмы, и т.д. Основной вывод из этой формулы Циолковского для определения скорости космической ракеты состоит в том, что в безвоздушном пространстве ракета разовьёт тем большую скорость, чем больше скорость истечения газов и чем больше число Циолковского.

Устройство баллистической ракеты

Представим в общих чертах современную ракету сверхдальнего действия. Такая ракета необходимо должна быть многоуровневой. В её головной части размещается боевой заряд, позади – приборы управления, баки и двигатель. Стартовый вес ракеты превышает вес полезного груза в 100–200 раз в зависимости от топлива! Таким образом, настоящая ракета должна весить несколько сотен тонн, а в длину должна, как минимум, достигать высоты десятиэтажного дома. К конструкции ракеты предъявляется ряд требований. Так, необходимо, например, чтобы сила тяги проходила через центр тяжести ракеты. Ракета может отклониться от заданного курса или даже начать вращательное движение, если не выполнить обозначенные условия.

Восстановить правильный курс можно с помощью рулей. В разреженном воздухе работают газовые рули, отклоняющие направление газовой струи, предложенные Циолковским. Аэродинамические рули работают при полёте ракеты в плотном воздухе.

Двигатель баллистической ракеты

Современные баллистические ракеты преимущественно работают на двигателях, использующих жидкое топливо. В качестве горючего обычно используют керосин, спирт, гидразин, анилин, а в качестве окислителей – азотную и хлорную кислоты, жидкий кислород и перекись водорода. Самыми активными окислителями являются фтор и жидкий озон, но они применяются редко из-за крайней взрывоопасности. Двигатель -самая важный элемент ракеты. Самый важный элемент двигателя – камера сгорания и сопло. В камерах сгорания, из-за того, что температура сгорания топлива доходит до 2500–3500 °С, должны использоваться особо жаропрочные материалы и сложные методы охлаждения. Таких температур не выдерживают обычные материалы.

Насосы

Очень сложны и остальные агрегаты. Например, насосы, которые должны подавать окислитель и горючее к форсункам камеры сгорания, уже в ракете ФАУ-2, одной из первых, были способны перекачивать 125 кг топлива в секунду. В ряде случаев вместо обычных баллонов применяют баллоны со сжатым воздухом или каким-нибудь другим газом, способным вытеснить горючее из баков и загнать его в камеру сгорания.

Альтернатива газовым рулям

Газовые приходиться делать из графита или керамики, поэтому они очень хрупкие и ломкие, поэтому современные конструкторы начинают отказываться от применения газовых рулей, заменяя их несколькими дополнительными соплами или поворачивая самое главное сопло. Действительно, в начале полёта, при высокой плотности воздуха, скорость ракеты мала, поэтому рули плохо управляют, а там, где ракета приобретает большую скорость, мала плотность воздуха. На американской ракете, построенной по проекту «Авангард», двигатель подвешен на шарнирах, и его можно отклонять на 5–7°. Мощность каждой следующей ступени и время её действия меньше, потому что каждая ступень ракеты работает в совершенно различных условиях, которые и определяют её устройство, поэтому и конструкция самой ракеты может быть проще.

Стартовая площадка

Запуск баллистическая ракета происходит со специального стартового устройства. Обычно это ажурная металлическая мачта или даже башня, около которой ракету собирают по частям подъёмными кранами. Участки такой башни размещаются против необходимых для проверки и отладки оборудования смотровых люков. Башня отъезжает, когда ракету заправляют топливом.

Траектория полета

Ракета стартует вертикально, а затем начинает медленно наклоняться и вскоре описывает почти строго эллиптическую траекторию. Большая часть траектории полёта таких ракет лежит на высоте больше 1000 км над Землёй, где сопротивление воздуха практически отсутствует. Приближаясь к цели, атмосфера начинает резко тормозить движение ракеты, при этом её оболочка сильно нагревается, а, если не принять меры, ракета может разрушиться, а её заряд – преждевременно взорваться.

Межконтинентальные баллистические ракеты

Межконтинентальные баллистические ракеты (МБР) являются основным средством ядерного сдерживания. Таким типом оружия обладают страны: России, США, Великобритания, Франция, Китай. Израиль не отрицает наличия у него таких типов ракет, но и не подтверждает официально, но обладает возможностями и известными разработками для создания такой ракеты.

Ниже, список межконтинентальных баллистических ракет, ранжированных по максимальной дальности полета.

1. P-36M (СС-18 Сатана), Россия (СССР) – 16 000 км

P-36M (СС-18 Сатана) является межконтинентальной ракетой с самой большой в мире дальностью полета – 16 000 км. Точность попадания 1300 метров.

Стартовая масса 183 тонны. Максимальная дальность достигается при массе боевой головки до 4 тонн, при массе боеголовки 5825 кг, дальность полета ракеты составляет 10200 километров. Ракета может оснащаться разделяемыми и моноблочными боеголовками. Для защиты от противоракетной обороны (ПРО), при подлете в зону поражения ракета выбрасывает ложные цели для ПРО.

Ракета двухступенчатая, с жидкостными ракетными двигателями, обеспечивающими скорость около 7,9 км/сек. Снята с вооружения в 1982 году, заменена на ракету следующего поколения на базе Р-36М, но с повышенной точностью и возможностями по преодолению систем ПРО. В настоящее время ракета используется в мирных целях, для выведения на орбиту спутников. Созданная гражданская ракета получила название Днепр.

2. DongFeng 5А (DF-5A), Китай – 13 000 км.

DongFeng 5А (название по классификации НАТО: CSS-4) имеет самую большую дальность полета, среди МБР армии Китая. Ее дальность полета составляет 13 000 км.

Ракета разрабатывалась для возможности поражения целей в пределах континентальной части Соединенных Штатов (CONUS). Ракета может нести шесть боеголовок весом 600 кг каждая. Инерциальная система наведения и бортовой компьютеры обеспечивают нужное направление полета ракеты. Ракетные двигатели двухступенчатые с жидким топливом.

3. Р-29РМУ2 Синева (РСМ-54, по классификации НАТО SS-N-23 Skiff), Россия – 11 547 километров

Р-29РМУ2 Синева, также известная как РСМ-54 (кодовое название НАТО: SS-N-23 Skiff), является межконтинентальной баллистической ракетой третьего поколения. Основное базирование ракет – подводные лодки. Синева показала максимальную дальность 11 547 километров во время испытаний. Ракета принята на вооружение в 2007 году и, как ожидается, будет использоваться до 2030 года. Ракета способна нести от четырех до десяти боеголовок индивидуального наведения. Для управления полетом используется российская система ГЛОНАСС. Поражение целей осуществляется с высокой точностью.

Ракета трехступенчатая, установлены жидкостные реактивные двигатели.

4. UGM-133A Трайдент II (D5), США – 11 300 километров

UGM-133A Trident II – это межконтинентальная баллистическая ракета, созданная для базирования на подводных лодках. В настоящее время подводные лодки с ракетами базируются на подводных лодках Огайо (США) и Вэнгард (Великобритания). В США эта ракета будет состоять на вооружении до 2042 года. Ракета оснащена тремя твердотопливными ракетными двигателями, обеспечивающими дальность полета до 11 300 километров. Отличается высокой надежностью, так во время испытаний проведено 156 пусков и только 4 из них оказались неудачными, причем 134 подряд пусков были удачными.

5. DongFeng 31 (DF-31A), Китай – 11 200 км

DongFeng 31A или DF-31A (название по классификации НАТО: CSS-9 Mod-2) – китайская межконтинентальная баллистическая ракета с дальностью 11 200 километров.

Модификация была разработана на основе ракеты DF-31. Ракета DF-31А введена в строй с 2006 года. Базируются на подводных лодок Julang-2 (JL-2). Разрабатываются так же модификации ракет с наземным базированием на мобильной пусковой установке (TEL). Трехступенчатая ракета, имеет стартовый вес 42 тонны, оснащена твердотопливными ракетными двигателями.

6. РТ-2ПМ2 «Тополь-М», Россия – 11 000 км

РТ-2ПМ2 «Тополь-М», по классификации НАТО – SS-27 Sickle B с дальностью около 11 000 километров, это усовершенствованная версия МБР Тополь. Ракета устанавливается на мобильные пусковые установки, а так же может использоваться вариант шахтного базирования.Полная масса ракеты 47,2 тонны. Она была разработана в Московском институте теплотехники. Производится на Воткинском машиностроительном заводе. Это первая МБР России, которая была разработана после распада Советского Союза.

Ракета в полете способна противостоять мощной радиации, электромагнитному импульсу и ядерному взрыву в непосредственной близости. Так же имеется защита от высокоэнергетических лазеров. При полете она осуществляет маневры благодаря дополнительным двигателям. Ракетные двигатели трехступенчатые используют твердое топливо, максимальная скорость ракеты 7 320 м/сек. Испытания ракеты начались в 1994 году, принята на вооружение РВСН в 2000 году.

7. LGM-30G Minuteman III, США – 10 000 км

LGM-30G Minuteman III имеет расчетную дальность полета от 6000 километров до 10 000 километров в зависимости от типа боеголовки. Это ракета принята на вооружение в 1970 году и является самой старой в мире ракетой, состоящей на вооружении. Она так же является единственной ракетой шахтного базирования в США.Первый пуск ракеты состоялся в феврале 1961 года, модификации II и III были запущены в 1964 году и 1968 соответственно.

Ракета весит около 34 473 килограмм, оснащена тремя твердотопливными двигателями. Скорость полета ракеты 24 140 км/час.

8. М51, Франция – 10 000 км

M51 является ракетой межконтинентальной дальности. Разработана для базирования и запусков с подводных лодок.Производится компанией EADS Astrium Space Transportation, для французского военно-морского флота. Предназначена для замены МБР M45.Ракета была введена в эксплуатацию в 2010 году.Базируется на подводных лодках типа Triomphant ВМС Франции.Ее боевой диапазон составляет от 8 000 км до 10 000 км. Улучшенная версия с новыми ядерными боеголовками планируется ввести в эксплуатацию в 2015 году. М51 весит 50 тонн и может нести шесть боеголовок индивидуального наведения.

На ракете используется твердотопливный двигатель.

9. УР-100Н (SS-19 Stiletto), Россия – 10 000 км

УР-100Н, по договору СНВ — РС-18А, по классификации НАТО — SS-19 mod.1 Stiletto. Это МБР четвертого поколения, состоящая на вооружении российских РВСН.

УР-100Н была принята на вооружение в 1975 году и, как ожидается, должна состоять на вооружении до 2030 года. Может нести до шести боеголовок индивидуального наведения. Она использует инерциальную систему наведения на цель. Ракета двухступенчатая, тип базирования – шахта. Ракетные двигатели используют жидкое ракетное топливо.

10. РСМ-56 Булава, Россия – 10 000 км

Булава или РСМ-56 (кодовое название по классификации НАТО: SS-NX-32) новая межконтинентальная ракета, разработана для базирования на подводных лодках ВМФ России. Ракета имеет дальность полета до 10 000 км, предназначена для атомных подводных лодок класса Борей.Ракета Булава принята на вооружение в январе 2013 года. Каждая ракета может нести от шести до десяти отдельных ядерных боеголовок. Общий полезный доставляемый вес составляет около 1 150 кг.

Ракета использует твердое топливо для первых двух ступеней и жидкое топливо для третьей ступени.

Заключение

Представленное описание межконтинентальной баллистической ракеты устарело и соответствует уровню развития науки и техники 60-х годов, но, ввиду ограниченности доступа к современным научным материалам, отсутствует возможность дать точное описание работы современной межконтинентальной баллистической ракеты сверхдальнего радиуса действия. Несмотря на это, освещены общие свойства, присущие всем ракетам.

Список использованных источников

1. Гельфер Я.М. Законы сохранения [Текст]. – М.: Наука, 1967. – 264 с.

2. Законы сохранения // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D1%8B_%D1%81%D0%BE%D1%85%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F.

3. Межконтинентальные баллистические ракеты [Интернет-ресурс]. Режим доступа: http://total-rating.ru/1372-mezhkontinentalnyy-ballisticheskie-rakety-top10.html.

4. Р-36М // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0-36%D0%9C.

5. Ракета // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%E0%EA%E5%F2%E0.

Код для цитирования: Скопировать