Получив исходные расчётные формулы для определения движения ракет, К. Э. Циолковский намечает обширную программу последовательных усовершенствований реактивных аппаратов вообще. Вот основные моменты этой грандиозной программы:
Опыты на месте (имеются в виду реактивные лаборатории, где производятся опыты с неподвижно закреплёнными ракетами).
Движение реактивного прибора на плоскости (аэродроме).
Взлёты на небольшую высоту и спуск планированием.
Проникновение в очень разрежённые слои атмосферы, т. е. в стратосферу.
Полёт за пределы атмосферы и спуск планированием
Основание подвижных станций вне атмосферы (вроде маленьких и близких к Земле лун).
Использование энергии Солнца для дыхания, питания и некоторых других житейских целей.
Использование солнечной энергии для передвижения по всей планетной системе и для индустрии.
Посещение самых малых тел солнечной системы (астероидов или планетоидов), расположенных ближе и дальше, чем наша планета, от Солнца.
Распространение человеческого рода по всей нашей солнечной системе.
Исследования К. Э. Циолковского по теории реактивного движения написаны с широким размахом и необычайным взлётом фантазии. "Избави меня боже претендовать на полное решение вопроса, - говорил он, - Сначала неизбежно идут: мысль, фантазия, сказка. За ними шествует научный расчёт, и уже, в конце концов, исполнение венчает мысль".
Отдавшись мечте о межпланетных путешествиях, К. Э. Циолковский писал: "Сначала можно летать на ракете вокруг Земли, затем можно описать тот или иной путь относительно Солнца, достигнуть желаемой планеты, приблизиться или удалиться от Солнца, упасть на него или уйти совсем, сделавшись кометой, блуждающей многие тысячи лет во мраке, среди звёзд, до приближения к одной из них, которая сделается для путешественников или их потомков новым Солнцем.
Человечество образует ряд межпланетных баз вокруг Солнца, использовав в качестве материала для них блуждающие в пространстве астероиды (маленькие луны).
Реактивные приборы завоюют людям беспредельные пространства и дадут солнечную энергию в два миллиарда раз большую, чем та, которую человечество имеет на Земле. Кроме тoгo, возможно достижение и других солнц, до которых реактивные поезда дойдут в течение нескольких десятков тысяч лет.
5. Ракета С.П. Королева
Разработка оружия, обеспечившего мирное сосуществование, была для Королева не самоцелью, а лишь условием для начала освоения космоса.
Еще в 1935 Королев писал о том, что если будет «процветание ракетного дела, то будет и то время, когда первый земной корабль впервые покинет Землю». Но работа над космической темой, начавшаяся с высотных ракетных запусков, стала возможной только в конце 1940-х -- начале 1950-х гг. В мае 1954 сразу же после принятия постановления правительства о разработке МБР Р-7, которая по замыслу Королева должна была стать первой космической ракетой-носителем (РН), он направил Устинову докладную записку о возможности и необходимости разработки и запуска с помощью этой ракеты искусственных спутников Земли. В этом документе в кратком виде была намечена дальнейшая программа освоения околоземного космического пространства, включая полеты на Луну.
Вслед за этим Королев еще не раз направлял в правительственные и академические инстанции предложения о необходимости начать разработку спутников, но ответа на них не было, и ему пришлось заняться проектированием спутника на собственный страх и риск. Лишь после того, как в январе 1956 ОКБ-1 посетил Н. С. Хрущев (см. ХРУЩЕВ Никита Сергеевич) , оставшийся очень довольным ходом работ над стратегическими ракетами, Королев обратился к нему с просьбой разрешить работы по спутнику. Хрущев одобрил эту инициативу при условии, если она не задержит разработку МБР. Вскоре было принято решение о создании в 1957--58 на базе разрабатываемой ракеты Р-7 неориентированного искусственного спутника Земли (объект Д) массой до 1400 кг с комплексом научной аппаратуры. Но еще до начала летных испытаний ракеты Королев выдвинул предложение использовать их для запуска простейших спутников весом около 50 кг с минимумом приборов, что и позволило опередить США в разрекламированном ими проекте запуска мини-спутников.
4 октября 1957 впервые в истории человечества был запущен искусственный спутник Земли: сверхмощная ракета, преодолев земное тяготение, разогналась до скорости 8 км/с и стала обращаться вокруг Земли как самостоятельное небесное тело, после чего от нее отделился шарообразный спутник, наблюдать и принимать сигналы которого мог весь мир. Это был рубеж в истории человечества: первый период до спутника, второй -- после спутника. И хотя первый длился более 40 тысячелетий, а второй продолжается немногим более 40 лет, качественное состояние нашей цивилизации уже изменилось, причем не только в мировоззренческом философском плане, но и практически, в первую очередь, благодаря глобальным информационным системам связи и наблюдательным спутниковым системам.
Имевшийся технический задел и опыт ракетных исследований позволил Королеву менее чем за месяц создать и в ноябре 1957 запустить второй спутник с собакой Лайкой на борту. Этот эксперимент доказал, что длительная невесомость несмертельна для живых существ. Реальностью становился полет человека в космос.
Спроектированная с большими запасами грузоподъемности двухступенчатая ракета Р-7 позволила при установке на нее третьей ступени выводить на орбиту полезный груз в 4,6 т, а при установке четвертой ступени выводить на межпланетные траектории до 1,2 т. Для этого пришлось решить множество проблем, в частности, разработать способы ориентации и стабилизации аппаратов в космическом пространстве и запуска ЖРД в пустоте и невесомости. Благодаря этому были открыты возможности для исследований Луны и планет с помощью автоматических межпланетных станций, запуска спутников на высокоапогейные орбиты (36 тыс. км и более), для создания космических кораблей с достаточно большими запасами надежности, обеспечивающими высокую степень безопасности полета человека.
2. Пилотируемый комплекс «Восток»
За два года до исторического полета, на уровне Правительства СССР было принято не менее важное для истории решение о создании пилотируемого комплекса «Восток». Инициатором этого проекта был Д.Ф. Устинов.
Это был серьезный шаг, целью которого ставилось продвижение СССР в лидеры космической гонки. Ввиду сжатых сроков по многим вопросам в ходе создания аппарата «Восток-1» принимались поспешные решения. Так, была упразднена аварийная система спасения на старте, система мягкой посадки, исключили и дублирующие тормоза. Система жизнеобеспечения на борту корабля рассчитывалась всего на 10 суток. Объяснялось это тем, что «Восток» запускается на относительно невысокую орбиту (до 200 км), с которой он в любом случае сойдет за указанный период времени за счет естественного торможения о слои атмосферы.
Что касается параметров самого аппарата, его масса начитывает около 4,725 тонн, а максимальный диаметр - почти 2,5 м. Иллюминатор выполнен из кварцевого стекла, созданного по спецзаказу в экспериментальной конструкторской лаборатории при стекольном заводе городка Гусь-Хрустальный.
Двигатель летательного аппарата «Восток-1» произведен в Воронежском Конструкторском Бюро химавтоматики. В его конструкции использованы элементы РД-0105, первого в мире двигателя, запущенного в космическом пространстве.
Кроме внутреннего наполнения космического корабля, важную роль играло и наземное оборудование, отвечающее за техническое обслуживание и непосредственно запуск аппарата «Восток-1» в космос. За его производство отвечал машиностроительный завод города Новокраматорск.
2.1 Устройство ракеты-носителя
Ракета-носитель Восток 1, пожалуй, одно из самых узнаваемых и знаменитых транспортное средство созданных в ХХ веке, которое открыло путь в новые миры, лежащие за пределами земли.
Ракета-носитель построена по пакетной схеме и состоит из трёх ступеней. 1-я и 2-я ступени состоят из 5 блоков: центрального (длиной 28,75 м, наибольший диаметр 2,95 м) и 4 боковых (длиной 19,8 м, наибольший диаметр 2,68 м). Боковые блоки имеют коническую форму и расположены симметрично вокруг центрального блока.
Жидкостный ракетный двигатель центрального блока -- многокамерный, имеет тягу в пустоте 941 кН и состоит из одного четырёхкамерного основного ракетного двигателя и 4 рулевых камер.
Космический аппарат устанавливается на 3-й ступени под головным обтекателем, который защищает его от аэродинамических нагрузок при полёте в плотных слоях атмосферы.
2.2 Современные ракеты «Восток»
На активном участке полёта двигатели центрального и боковых блоков работают одновременно. После израсходования топлива боковых блоков их двигатели отключаются, а сами блоки отделяются от центрального. При этом двигатель центрального блока (2-й ступени) продолжает работать.
После прохождения плотных слоёв атмосферы сбрасывается головной обтекатель. После израсходования топлива центрального блока происходит его отделение и запуск двигателя блока 3-й ступени. При достижении расчётной скорости двигатель отключается и космический аппарат отделяется от блока 3-й ступени. Выключение ракетного двигателя 3-й ступени и подача команды на отделение космического корабля производятся системой управления при достижении расчётной скорости, соответствующей выведению космического корабля на заданную орбиту.
На рисунке Дублирующая копия (не макет) гагаринского «Восток-1». Экспонируется на территории музея космонавтики в Калуге.
2.3 Современные ракеты и их устройство
Запуск космических аппаратов на околоземные орбиты и осуществление полетов к Луне, планетам и другим телам Солнечной системы стало возможно после создания необходимых для этого многоступенчатых космических ракет - ракет-носителей (РН). Ракета (от итальянского rocchetta - веретено) - летательный аппарат, использующий принцип реактивного движения и способный летать не только в атмосфере, но и в вакууме. Большинство современных ракет-носителей оснащаются химическими ракетными двигателями, которые используют твердое, жидкое или гибридное ракетное топливо.
Основные компоненты топлива - жидкий кислород (окислитель) и керосин (горючее), кроме того, применяются четырехокись азота и несимметричный диметилгидразин, жидкие кислород и водород. Масса топлива составляет 85 - 90% от стартовой массы ракеты. Химическая реакция между горючим и окислителем проходит в камере сгорания двигателя, в результате получаются горячие газы, которые выбрасываются, создавая тягу, она и заставляет ракету двигаться.
Основной энергетический показатель работы каждого ракетного двигателя - удельный импульс тяги (отношение тяги к расходу топлива в секунду). Например, один из мощных современных ракетных двигателей РД-701 (Россия) тягой 4 МН (408 тс) и удельным импульсом в вакууме 462 с расходует топливо со скоростью 491 кг/с. Стартующие с Земли РН позволяют запускать полезные нагрузки (ПН) со скоростью равной или выше первой космической - 7.9 км/с, то есть достаточной для выведения ИСЗ на низкие орбиты. Обычно ракета при выведении ПН на низкую околоземную орбиту движется на активном участке, то есть с работающими двигателями, примерно 10 - 15 мин.
Если необходимо выведение ПН на более высокие орбиты или траектории полета к Луне и за пределы тяготения Земли, то еще раз включаются двигатели последней (верхней) ступени РН или разгонный блок после пассивного участка, длительность движения на котором зависит от выбранной траектории полета. КА переводится либо на геостационарную орбиту (высотой 36 тыс. км), либо на высокоэллиптические орбиты, либо на траекторию полета к Луне и планетам. Вторая космическая скорость в поле тяготения Земли (11.19 км/с) необходима для запуска АМС к планетам и другим телам Солнечной системы. Третья космическая скорость (16.7 км/с) достаточна, чтобы КА улетел за пределы Солнечной системы.
2.4 Многоступенчатые космические ракеты
Современная многоступенчатая космическая ракета представляет собой сложное сооружение, состоящее из тысяч деталей и устройств. Разрабатываемые в настоящее время ракеты-носители соответствуют высочайшим критериям современной науки и техники, при их создании используются передовые технологии и вычислительная техника. Космические технологии оказывают значительное влияние на нашу жизнь, помогая внедрить новые материалы и сплавы, средства коммуникации, компьютерную технику и т.д. Ступени ракет-носителей содержат топливные баки с горючим и окислителем, двигательную установку (маршевые и рулевые двигатели).
Полет ракеты регулируется бортовой системой управления движением. Схема расположения ступеней на РН различна. При продольном разделении ступени размещаются одна над другой и работают последовательно друг за другом, включаясь только после отделения предыдущей ступени. Такая, весьма распространенная схема применяется, например, на российских РН «Днепр» и «Протон-М», китайских «CZ-3/3A» и «CZ-4С», израильской «Shavit». Верхние ступени, доставляющие ПН на заданные орбиты, сейчас заменили разгонными блоками, например, российские ДМ, «Бриз-М» (РН «Протон») и «Фрегат» (РН «Союз-ФГ». В отличие от продольной, в поперечной схеме («пакетная») несколько блоков первой ступени симметрично располагаются вокруг корпуса второй ступени.