Зачем ракете несколько ступеней: математика выброшенного бака

Ракета летит в космос, по дороге выбрасывая саму себя по частям — потому что тащить пустой бак до орбиты слишком дорого.

Главный враг ракеты — её собственный вес. Многоступенчатость придумали, чтобы по мере выгорания топлива избавляться от ставшей бесполезной конструкции и не разгонять пустые баки.

Если посмотреть на запуск любой большой ракеты, вы заметите странное: через пару минут после старта от неё отваливается нижняя часть и падает обратно. Потом, чуть позже, отделяется следующая. На орбиту прибывает лишь маленький кусочек того, что стартовало с Земли. Это не авария и не расточительство — это самый умный из известных способов попасть в космос.

Проблема: ракета — это в основном топливо

Чтобы выйти на орбиту, нужно разогнаться до первой космической скорости — около 7,9 км/с. Это требует чудовищного количества топлива. Настолько чудовищного, что в типичной ракете около 90% стартовой массы — это горючее и окислитель. На сам корабль, двигатели, баки и полезную нагрузку остаётся жалкая десятая часть. Ракета — это, по сути, гигантская летающая цистерна с крошечной кабиной наверху.

Почему нельзя просто залить ещё больше топлива

Логично подумать: не хватает скорости — добавь топлива. Но тут ловушка. Лишнее топливо нужно где-то хранить — значит, нужен бак побольше и потяжелее. Тяжёлый бак нужно разгонять — значит, нужно ещё больше топлива. Которому опять нужен бак. Получается заколдованный круг: каждый добавленный килограмм горючего тянет за собой ещё несколько килограммов конструкции и топлива на их разгон. Эту зависимость описывает знаменитая формула Циолковского, и из неё следует жёсткий вывод: расти бесконечно нельзя.

Решение: выбрасывать лишнее

А теперь главная мысль. Топливо в баках выгорает. Через минуту полёта нижний бак уже наполовину пуст, а ещё через минуту — почти пустой. Но сам бак, его стенки, насосы, отработавшие двигатели — всё это никуда не делось и продолжает висеть тяжёлым балластом. И ракета вынуждена тратить драгоценную тягу, чтобы тащить эту пустую жестянку дальше вверх.

Идея ступеней проста до гениальности: как только топливо в нижней части кончилось — отбросить её целиком. Вместе с тяжёлыми двигателями и опустевшими баками. Оставшаяся часть ракеты сразу становится намного легче, и её гораздо проще разгонять дальше. Включается следующий двигатель, и облегчённая ракета продолжает набирать скорость уже без мёртвого груза за спиной.

Аналогия с рюкзаком

Представьте бегуна, которому нужно пробежать марафон с водой на всю дистанцию. Если нести все бутылки сразу в одном рюкзаке, бежать тяжело с самого начала. Но если разложить воду по нескольким лёгким сумкам и выбрасывать каждую, как только она опустеет, бегун с каждым километром становится легче и быстрее. Ступени — это и есть такие выбрасываемые сумки.

Как это выглядит на практике

Типичная ракета имеет две-три ступени:

• Первая ступень — самая большая и мощная. Она отрывает всю махину от земли и проталкивает её сквозь плотные слои атмосферы. Выгорает за пару минут и отделяется.
• Вторая ступень — поменьше. Она работает уже в разреженном воздухе или вакууме и даёт основную горизонтальную скорость для выхода на орбиту.
• Третья ступень или разгонный блок — при необходимости довыводит груз на нужную орбиту или отправляет его к другим планетам.

А можно ли без ступеней

Идея одноступенчатой ракеты, выходящей на орбиту целиком, называется красивым термином SSTO и десятилетиями манит инженеров. Теоретически это возможно, но запас по характеристикам выходит настолько мизерным, что почти не остаётся места для полезной нагрузки: ракета еле-еле выводит на орбиту саму себя и пару килограммов сверху. Современные материалы пока не дают сделать баки достаточно лёгкими, а двигатели достаточно экономичными. Поэтому многоступенчатость остаётся стандартом уже более полувека.

В последние годы появилась интересная поправка к старой схеме: компании научились возвращать первую ступень обратно и сажать её для повторного использования. Балласт по-прежнему сбрасывают — но теперь не топят в океане, а аккуратно ловят, чтобы запустить снова. Принцип остался прежним: чтобы лететь дальше, надо вовремя избавиться от того, что уже отслужило.