Учебник Космонавтика и ракетостроение для начинающих

Программа курса

1. 1 Реактивное движение и тяга

   1. Импульс и реактивная сила

      Почему ракета летит в вакууме: закон сохранения импульса, выброс массы и возникновение реактивной силы.

   2. Формула тяги и поток массы

      Формула тяги F = m-точка u: связь расхода топлива и скорости истечения с силой, которую развивает двигатель.

   3. Удельный импульс — паспорт двигателя

      Что такое удельный импульс I_уд, как он связан со скоростью истечения и почему это главный показатель экономичности двигателя.

2. 2 Уравнение Циолковского

   1. Вывод и смысл формулы Циолковского

      Уравнение Циолковского: ΔV = I_уд g ln(m0/mк). Откуда берётся логарифм и что означает массовое отношение.

   2. Массовое отношение и доля топлива

      Как из нужного ΔV найти требуемое массовое отношение и долю топлива в стартовой массе ракеты.

   3. Бюджет скорости миссии

      Как складывается бюджет ΔV космической миссии: вывод на орбиту, манёвры, посадка — суммирование приращений скорости.

3. 3 Многоступенчатые ракеты

   1. Зачем нужны ступени

      Идея многоступенчатости: сброс пустых баков снижает мёртвую массу и обходит логарифмический барьер Циолковского.

   2. Распределение ΔV между ступенями

      Как разделить нужное приращение скорости между ступенями ракеты и почему важна структурная доля.

   3. Выигрыш по полезной нагрузке

      Сравнение одно- и двухступенчатой схемы по доле полезной нагрузки: численный расчёт выигрыша от ступеней.

4. 4 Ракетные двигатели

   1. ЖРД и РДТТ: два пути

      Жидкостные (ЖРД) и твердотопливные (РДТТ) ракетные двигатели: устройство, плюсы, минусы и где применяются.

   2. Сопло и скорость истечения

      Роль сопла Лаваля: как сужающе-расширяющийся канал разгоняет газ до сверхзвука и повышает скорость истечения.

   3. Параметры двигателя в расчёте

      Связь тяги, расхода, удельного импульса и времени работы двигателя: сводный расчёт ключевых параметров на Python.

5. 5 Гравитация и орбиты

   1. Первая и вторая космические скорости

      Первая космическая скорость для круговой орбиты и вторая (скорость убегания): вывод и расчёт через гравитационный параметр.

   2. Эллиптические орбиты и энергия

      Эллиптическая орбита: перигей и апогей, большая полуось, vis-viva и связь полной энергии с формой орбиты.

   3. Законы Кеплера и период обращения

      Три закона Кеплера и третий закон в расчёте: связь периода обращения с большой полуосью орбиты.

6. 6 Орбитальные манёвры

   1. Гомановский переход

      Гомановский переход между круговыми орбитами: два импульса ΔV, переходный эллипс и расчёт стоимости манёвра.

   2. Смена высоты и наклонения орбиты

      Подъём и снижение орбиты, дорогая смена наклонения: почему повороты плоскости орбиты тратят много ΔV.

   3. Сближение и стыковка

      Орбитальное сближение и стыковка: фазовый угол, фазирующая орбита и контринтуитивная логика 'медленнее — значит догонишь'.

7. 7 Выведение на орбиту

   1. Гравитационные и аэродинамические потери

      Почему на орбиту нужно ~9.4 км/с вместо 7.8: гравитационные потери, сопротивление воздуха и гравитационный разворот.

   2. Численное интегрирование подъёма (метод Эйлера)

      Моделируем вертикальный подъём ракеты методом Эйлера: переменная масса, тяга и гравитация — профиль скорости и высоты.

   3. Траектория выведения и довыведение

      Полный путь на орбиту: участки выведения, отсечка двигателей, формирование орбиты и роль апогейного манёвра.

8. 8 Спуск и межпланетные перелёты

   1. Спуск и аэродинамический нагрев

      Вход в атмосферу: торможение, аэродинамический нагрев, тепловой щит и коридор входа при возвращении из космоса.

   2. Окна запуска и межпланетные перелёты

      Межпланетный гомановский перелёт и окно запуска: почему к Марсу летят раз в 26 месяцев и как считают время перелёта.

   3. Основы ракетостроения и испытаний

      Как создают и испытывают ракеты: запас прочности, стендовые огневые испытания, надёжность и итеративная разработка.