Сложность этой задачи очевидна, так как при ее решении приходится иметь дело с непрерывно изменяющимися величинами: меняется масса ракеты по мере расходования топлива, происходит разделение отработавших ступеней, все время увеличивается скорость, а с высотой изменяется плотность атмосферы и т. д.
Русский ученый Иван Всеволодович Мещерский, разработавший основы механики тел переменной массы, составил уравнение, описывающее движение тела переменной массы. По этому уравнению и производится расчет активного участка полета ракеты. Суть расчета состоит в том, что для каждого момента времени вычисляются силы, действующие на ракету, по равнодействующей всех сил - ускорению, а по ускорению - увеличение скорости за определенный отрезок времени.
С какими силами при этом приходится иметь дело? Во-первых, с тягой двигателя, во-вторых, с силой сопротивления воздуха и, наконец, весом ракеты. Между этими силами, образно говоря, идет борьба: тяга двигателя влечет ракету вперед, сопротивление воздуха препятствует ее движению, а вес ракеты тянет вниз. В полете величины этих сил изменяются. Меняется и направление их действия.
Расчет свободного полета ракеты в космическом пространстве происходит по законам небесной механики, как движение любого небесного тела.
Расчет траектории ракеты - задача чрезвычайно сложная и трудоемкая. А так как обычно выбирают наиболее выгодный (с разных точек зрения: энергетики, времени запуска, научной и др.) вариант полета, то приходится производить расчеты многих траекторий. При обычном способе расчета это потребовало бы очень много времени. Но на помощь ученым пришли электронные вычислительные машины, которые быстро и точно выполняют эту работу.
...До старта остается несколько минут. Представитель группы телеметрии сообщает о прохождении первой стартовой команды - «Ключ на старт». Это значит, что включаются все цепи, обеспечивающие одновременный запуск двигательных установок с центрального пульта и управление запуском автоматикой, чтобы время старта соответствовало расчетному с точностью до сотых долей секунды.
Одна за другой проходят последующие стартовые команды: «Протяжка», «Продувка», «Ключ на дренаж». По команде «Протяжка» осуществляется контроль состояния всех систем ракеты-носителя. Для этого протягиваются лепты телеметрической записи. Многоканальная телеметрическая информация, регистрируемая на лентах, позволяет оценить параметры всех систем и агрегатов ракетно-космического комплекса непосредственно перед стартом. По команде «Продувка» азотом продуваются трубопроводы и камеры сгорания двигательных установок. Команда «Ключ па дренаж» означает, что закрываются все дренажные клапаны и прекращается подпитка топливных баков.
Непосредственно перед стартом отводятся фермы обслуживания. По команде «Земля - борт» отсоединяются штепсельные разъемы кабелей, соединяющие ракету-носитель с наземными коммуникациями (она переводится на автономное управление и бортовое питание), отводится заправочная кабель-мачта. Заканчивается продувка азотом топливных магистралей.
Открывается главный клапан горючего, а затем клапан окислителя на предварительную ступень.
...В шлемофонах, надетых на голову, мы слышим команду «Зажигание». Это значит, что горючее и окислитель уже поступили в камеры сгорания. Сейчас сработает пирозажигающее устройство; оно создаст в камерах сгорания факел пламени.
Из-под ракеты вырывается ослепительное пламя. Раздается оглушительный грохот. Но ракета еще неподвижна. К нам в кабину не проникает ни ослепительный отблеск пламени, ни грохот включившихся двигателей. Мы слышим лишь небольшой шум и ощущаем вибрацию.
Двигатели ракеты выходят сначала на промежуточный, а затем на расчетный режим тяги. Вот они набрали полную мощность, давление в камерах сгорания достигло рабочего, тяга двигателей превысила вес ракеты-носителя - и она медленно поднимается над стартовым столом, освобождаясь от захватов поддерживающих ферм. Ракета начинает стремительный разгон в космические дали.
Автоматические и пилотируемые аппараты запускаются на орбиты искусственных спутников Земли и к другим небесным телам с помощью космических ракет. Их называют ракетами-носителями. В Советском Союзе создано несколько типов таких ракет. Это ракета-носитель «Космос», которая выводит на околоземные орбиты спутники, ракета-носитель «Восток», благодаря которой стал возможен полет человека, ракета-носитель «Протон», обеспечивающая запуск тяжелых спутников. Создаются еще более мощные и совершенные космические ракеты.
Традиционным при встречах со школьниками стал вопрос, почему ракеты делают многоступенчатыми.
Одноступенчатая ракета, даже самая лучшая, с самым хорошим двигателем, заправленная лучшим топливом, не в состоянии вывести на орбиту даже маленький спутник Земли. В гравитационном полете без учета сопротивления воздуха она в лучшем случае сможет достичь скорости около 4570 метров в секунду. Как же быть? Увеличить скорость можно, соединяя последовательно две или несколько ракет, то есть образуя многоступенчатую ракету!
Почему же все-таки нельзя создать одну большую одноступенчатую ракету? А дело в том, что в соотношении масс топлива и конструкции ракеты устанавливается определенный предел. Помните, мы говорили, что хороша та ракета, у которой наибольшую массу занимает топливо. Но количество топлива при заданной конструкции имеет определенную конечную величину. Попытки увеличить количество топлива неизбежно приведут к утяжелению конструкции ракеты. А чтобы сообщить ускорение этому дополнительному весу конструкции, опять нужно топливо. Словом, достигнув определенного соотношения масс топлива и конструкции ракеты, мы окажемся в заколдованном круге.
Выход тут в одном - как можно быстрее отделять от ракеты те массы, которые уже не нужны для продолжения ее движения, - отработавшие двигатели, пустые баки. Этого можно достичь в схеме многоступенчатой ракеты, где каждая ступень представляет собой самостоятельный блок с собственным двигателем и собственными баками для топлива. Когда все топливо в ступени сгорает, она отделяется от остальной ракеты, и таким образом масса, которой двигатель следующей ступени должен сообщить ускорение, становится значительно меньше.
Но не следует думать, что число ступеней ракеты можно увеличивать неограниченно. Расчеты показывают, что, если максимальная скорость, которую можно достичь с помощью многоступенчатой ракеты, возрастает в арифметической прогрессии, полная масса ракеты возрастает в геометрической прогрессии. В стремлении получить все большую скорость ракеты мы очень скоро убедимся, что достигается это слишком дорогой ценой.
