Почему ракеты многоступенчатые - "открытие" дилетанта )
upd - если что, дилетант - это я сам. А то, судя по комментариям, это не всем понятно. )
Вещь, которая до меня сегодня дошла, совершенно базовая, и разумеется это никакое не открытие (открытие только для меня). Но поскольку в нескольких источниках, которые я почитал про то, почему используются несколько ступеней, как-то невнятно говорится об основной причине, я всё-таки хочу поделиться "открытием" и с вами - глядишь, кому-то тоже будет любопытно.
Собственно, всё это уже написано в статье википедии "Формула Циолковского":
https://ru.wikipedia.org/wiki/Формула_Циолковского
Однако там, видимо, выдержка из другого труда, в частности, там идёт отсылка к таблице 1, которая в Вики не представлена. Я её нашёл в другом месте, вот она:
Таблицу я привёл для тех, кто хочет самостоятельно ознакомиться со статьёй из Википедии. А я лишь подытожу суть необходимости нескольких ступеней. В попавшихся мне статьях говорится, что причина в том, что используется разный состав топлива в плотных слоях атмосферы и в разреженных, но на самом деле, как я понимаю, это уже просто следствие. Люди просто технологически подстроились под другое, действительно принципиальное ограничение: одна ступень не может разогнать ракету до первой космической скорости (около 8 км/сек). Никаким увеличением количества топлива нельзя разогнать выше некоторого предела, который следует из формулы Циолковского и конструктивных особенностей.
Эти особенности, если огрубить, состоят в том, что не бывает невесомых баков (под словом невесомый подразумевается отсутствие массы, а не веса, но я не смог подобрать подходящего русского слова типа "безмассовый"). А именно: на каждый килограмм дополнительного топлива вы должны взять примерно 100 грамм "железа". И поскольку скорость истечения реактивного топлива фиксирована, то это даёт нам некоторую предельную скорость разгона, поскольку при сжигании каждого килограмма топлива мы начинаем дальше впустую тратить дальнейшую энергию на разгон "лишних" 100 грамм балласта. То есть сколько бы вы ни взяли топлива, максимальное приращение скорости, опять же грубо, составляет 4 километра в секунду. Это предел. Возьмёте в 2 раза больше топлива - придётся разгонять ещё большую массу баков, и на выходе - всё те же 4 км/сек.
В идеале после сжигания 1 кг топлива нужно выкидывать те 100 грамм бака, которые его содержали. Но это, очевидно, невозможно. Поэтому просто делают несколько ступеней. По идее, чем больше ступеней, тем выше эффективность использования топлива, однако усложнение конструкции и массы за счёт стыковки ступеней друг к другу диктует некоторое оптимальное количество ступеней - например для Союз-ФГ это три.
Знайка был прав. Для того чтобы преодолеть силу земного притяжения, ракета должна была получить начальную скорость около двенадцати километров в секунду, но, чтоб развить столь огромную скорость, требовалось такое количество реактивного топлива, которое во много раз превышало вес самой ракеты. В связи с этим космический корабль приходилось делать многоступенчатым, то есть состоящим из нескольких соединенных между собой ракет. Первая, самая большая ракета была сплошь заполнена топливом. К ней присоединялась вторая ракета, которая тоже была целиком заполнена топливом. Ко второй присоединялась третья такая же ракета. Наконец, шла ракета, в которой, помимо запасов топлива, помещались различная аппаратура, приборы управления, запасы пищи и путешественники.
При запуске такого многоступенчатого космического корабля в работу сначала включалась первая ракета, но как только все топливо в ней выгорало, она отделялась от корабля и работать начинала вторая ракета. Теперь вес корабля был меньше, и скорость его нарастала быстрей. Как только топливо иссякало во второй ракете, она также отделялась от корабля и падала вниз. Корабль становился еще легче. В работу включалась третья ракета. Таким образом постепенно достигалась скорость, достаточная для того, чтоб последняя ступень корабля долетела до Луны по инерции, то есть с выключенным реактивным двигателем. Довольно значительный запас топлива в последней ступени был все же необходим для маневрирования и торможения корабля при посадке на Луну, а также для возвращения на Землю.
Почитайте вот что:
Левантовский В.И. Механика космического полета в элементарном изложении
Глава I, §3
Там приводится пример того, что многоступенчатая ракета решает проблему, с которой не сможет справиться одноступенчатая. Если почитать главу сначала, станет даже понятно, почему так.
почему дилетанта? Это логическая цепочка очевидна тебе потому что уровень знаний позволяет. То же самое можно сказать про гравитацию, про силу архимеда и еще про кучу казалось бы очевидных вещей.
Я тебе сейчас ещё проще объясню - ты когда весь пивас из бутылочки выпьешь, ты бутылочку вряд ли с собой таскать будешь:)
Мне кажется тут совокупность факторов влияет, среди них:
* двигатель, эффективный на уровне моря оказывается неэффективным за границей атмосферы. И наоборот, двигатель, эффективный на орбите на уровне моря бесполезен.
* для отработанных первых ступеней на орбите нет применения. Воз зачем нам у МКС вся РН СОЮЗ?
* чем чаще скидываем "лишний груз", тем эффективнее ракета. Пустая первая ступень - "лишний груз", так как применения на орбите ей нет, ее двигатели там неэффективны, да и не нужна на орбите та тяга, которую они способны выдать.
а на счет предела характеристической скорости, который может выдать одноступенчатая конструкция - его нет.
Наткнулся в последнем журнале ПМ на проект "Корона" (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%9E%D0%A0%D0%9E%D0%9D...
Данный проект обладает двумя важными особенностями:
* для подобной ракеты необходим двигатель эффективный как в атмосфере, так и вне ее. В проекте описывается ЖРД не с соплом Лаваля, а клиновоздушный.
* РН предполагается возвращать для дальнейшего использования.