Почему ракеты взлетают по дуге. Как взлетает ракета? Разве баллистические ракеты могут летать так высоко

Ракеты поднимаются в космическое пространство за счет сжигания жидких или твердых топлив. После воспламенения в высокопрочных камерах сгорания эти топлива, обычно состоящие из горючего и окислителя, выделяют огромное количество тепла, создавая очень высокое давление, под действием которого продукты сгорания движутся в сторону земной поверхности через расширяющиеся сопла.

Так как продукты сгорания истекают из сопел вниз, ракета поднимается вверх. Это явление объясняется третьим законом Ньютона, в соответствии с которым для каждого действия существует равное по величине и противоположное по направлению противодействие. Поскольку двигателями на жидком топливе легче управлять, чем твердотопливными, их обычно используют в космических ракетах, в частности, в показанной на рисунке слева ракете Сатурн-5. Эта трехступенчатая ракета сжигает тысячи тонн жидкого водорода и кислорода для вывода космического корабля на орбиту.

Для быстрого подъема вверх тяга ракеты должна превышать ее вес примерно на 30 процентов. При этом, если космический корабль должен выйти на околоземную орбиту, он должен развить скорость около 8 километров в секунду. Тяга ракет может доходить до нескольких тысяч тонн.

1. Пять двигателей первой ступени поднимают ракету на высоту 50-80 километров. После того как топливо первой ступени будет израсходовано, она отделится и включатся двигатели второй ступени.
2. Примерно через 12 минут после старта вторая ступень доставляет ракету на высоту более 160 километров, после чего отделяется с пустыми баками. Также отделяется ракета аварийного спасения.
3. Разгоняемая единственным двигателем третьей ступени, ракета переводит космический корабль «Аполлон» на временную околоземную орбиту, высотой около 320 километров. После непродолжительного перерыва двигатели включаются снова, увеличивая скорость космического корабля примерно до 11 километров в секунду и направляя его в сторону Луны.

Двигатель F-1 первой ступени сжигает топливо и выводит продукты сгорания в окружающую среду.

После запуска на орбиту космический корабль «Аполлон» получает разгонный импульс в сторону Луны. Затем третья ступень отделяется и космический корабль, состоящий из командного и лунного модулей, выходит на 100-километровую орбиту вокруг Луны, после чего лунный модуль совершает посадку. Доставив побывавших на Луне космонавтов на командный модуль, лунный модуль отделяется и прекращает свое функционирование.

Рассмотрим в качестве основного примера самую «открытую» и бесхитростную современную МБР - Minuteman-III (индекс МО США LGM-30G). Ветерану американской стратегической триады скоро пятьдесят (первый пуск - в августе 1968 года, постановка на дежурство - 1970 год). Так сложилось, что на данный момент 400 таких «ополченцев» - единственные МБР сухопутного базирования в американском арсенале.
Когда на командный пункт поступит приказ, современная МБР шахтного базирования будет запущена в течение двух-трёх минут, причём большая часть этого времени уйдёт на верификацию команды и снятие многочисленных «предохранителей». Высокая скорость запуска является важным преимуществом шахтных ракет. Грунтовому ракетному комплексу или поезду требуется ещё несколько минут, чтобы остановиться, развернуть опоры, поднять ракету, - и только после этого произойдёт пуск. Что уж говорить о подводной лодке, которая (если заранее не находилась на минимальной глубине в полной готовности) начнёт запускать ракеты примерно через 15 минут.
Затем откроется крышка шахты, и из неё «выскочит» ракета. Современные отечественные комплексы используют так называемый миномётный или «холодный» старт, когда ракета выбрасывается в воздух отдельным небольшим зарядом и только потом запускает свои двигатели.
Затем для МБР наступает самое ответственное время - надо максимально быстро проскочить атмосферный участок над районом развёртывания. Именно там её ждёт сильная жара и ветер порывами до нескольких километров в секунду, поэтому активный этап полёта у МБР длится всего несколько минут.
У Minuteman-III первая ступень работает ровно минуту. За это время ракета поднимается на высоту 30 километров, двигаясь не вертикально, а под углом к земле. Вторая ступень, также за минуту работы, закидывает ракету уже на 70-90 километров - здесь всё сильно зависит от расстояния до цели. Поскольку твердотопливный двигатель выключить уже невозможно, приходится регулировать дальность крутизной траектории: нужно дальше - взлетаем выше. Третью ступень при запуске на минимальную дистанцию можно и вовсе не запускать, сразу приступив к разбрасыванию подарочков. В нашем случае (на видео ниже) она отработала, закончив трёхминутную работу самой ракеты.

К тому времени полезная нагрузка находится уже в космосе и движется почти с первой космической скоростью - самые дальнобойные МБР разгоняются до 7 км/с, а то и сильнее. Неудивительно, что с минимальными доработками тяжёлые МБР, такие как отечественная Р-36М/М2 или американская LGM-118 «Peacekeeper», успешно использовались в качестве лёгких ракет-носителей.

Дальше начинается самое интересное. В дело вступает так называемый «автобус» - платформа/ступень разведения боевых блоков. Он поочерёдно сбрасывает боевые блоки, направляя их на верный путь. Это настоящее техническое чудо - «автобус» делает всё настолько ровно, что небольшие конусы без систем управления, пролетев над морями и континентами половину земного шара, укладываются в радиус всего в несколько сотен метров! Такая меткость обеспечивается сверхточной и безумно дорогой инерционной навигационной системой. На спутниковые системы полагаться нельзя, хотя как вспомогательное средство используются и они. И на этой стадии уже нет никаких сигналов самоликвидации - слишком велик риск, что враг сможет их сымитировать.

Вместе с боевыми блоками «автобус» также закидывает вражеские ПРО ложными целями. Поскольку возможности платформы ограничены как по времени, так и по запасу топлива, блоки от одной ракеты могут поразить цели лишь в одном регионе. По слухам, наши недавно испытали новую модификацию «Ярса» сразу с несколькими «автобусами», индивидуальными для каждого блока, - и это уже снимает ограничение.

Блок прячется среди множества ложных целей, его место в боевом порядке неизвестно и выбирается ракетой случайным образом. Количество ложных целей может превышать сотню. Кроме того, разбрасывается ещё и целая россыпь средств создания радиолокационных помех - как пассивных (пресловутые облака нарезанной фольги), так и активных, создающих для радаров противника дополнительный «шум». Интересно, что созданные ещё в 1970–80-е годы средства до сих пор легко преодолевают ПРО.

Ну, а дальше, после относительно тихой фазы путешествия, боевой блок входит в атмосферу и устремляется к цели. Весь полёт занимает на межконтинентальной дальности около получаса. В зависимости от типа цели возможен подрыв либо на заданной высоте (оптимально для поражения города), либо на поверхности. Некоторые боевые блоки, обладающие достаточной прочностью, могут поражать даже подземные цели, а другие перед входом в атмосферу способны оценивать своё отклонение от идеальной траектории и корректировать высоту подрыва. Блоки, состоящие на вооружении, не маневрируют самостоятельно, но их появление - дело ближайшего будущего.

Чем внимательнее рассматриваешь МБР, тем яснее понимаешь, что по техническому совершенству и сложности она не уступает «настоящим» космическим ракетам-носителям. И это неудивительно - ведь нельзя кому попало доверять сверхбыструю доставку маленькой и живущей всего мгновение звезды.

Александр Ермаков

Северная Корея испытала межконтинентальную баллистическую ракету «Хвасон-15», запуск носителя был признан успешным. Согласно сообщению Центрального телеграфного агентства Кореи, баллистическая ракета смогла подняться на высоту 4475 километров и упала в 950 километрах от места запуска. Вскоре после испытаний власти КНДР объявили о создании «государственных ядерных сил». 7 декабря МИД КНДР заявил о неизбежности войны на Корейском полуострове.

Разве баллистические ракеты могут летать так высоко?

Да. Баллистические ракеты летают по дуге, причем их двигатели работают только в самом начале старта, после чего носитель летит уже по инерции. Если говорить упрощенно, то стрельба такими ракетами складывается из трех параметров - угла запуска, высоты подъема и дальности: чем ближе к 90 градусам будет угол запуска, тем выше поднимется ракета и тем ближе к месту старта она упадет, и наоборот. Тут можно привести пример, знакомый каждому, кто когда-либо бросал камни: если камень подбросить вертикально, то он упадет вам на голову, а если под углом к земле - то на некотором расстоянии от вас. Чем острее угол, под которым вы бросаете камень, тем более пологая у него будет траектория полета и тем дальше он улетит от вас. С баллистическими ракетами почти так же.

Зачем запускать ракеты так высоко?

Это необходимо для испытания ракет. Предположим, некая страна разработала баллистическую ракету. Теперь ее надо испытать, но территория страны слишком мала, а запускать ракеты по соседям - рисковое дело. Тут-то и пригождается опыт с камнем: страна запускает баллистическую ракету по максимально крутой траектории таким образом, чтобы она упала либо на ее же территории, либо где-нибудь недалеко в нейтральных водах. Затем специалисты по полученным данным могут рассчитать максимальную дальность испытанной ракеты.

Именно так свои ракеты испытывает КНДР. Например, в мае 2017 года Северная Корея испытала ракету «Хвасон-12», которая смогла подняться на высоту 2,1 тысячи километров и упала в 787 километрах от точки старта. Испытанная позже «Хвасон-14» поднялась на высоту 3,7 тысячи километров и упала в 998 километрах от места старта. На основе этих данных эксперты предполагают, что при запуске по пологой траектории максимальная дальность «Хвасон-12» составит около пяти тысяч километров, а «Хвасон-14» - от 6,7 до 10 тысяч.

Как работают баллистические ракеты?

Принцип их работы относительно прост. Перед стартом в систему управления ракетой закладываются параметры полета и данные о цели, после чего носитель запускают. Сперва он разгоняется с помощью собственных двигателей и по мере разгона рулями задается его начальная траектория. Поднявшись на максимальную заданную программой высоту, носитель отсоединяет головную часть с боевым блоком (в зависимости от ракеты - ядерным или обычным) и падает на землю. Головная же часть по инерции пролетает еще некоторое расстояние, одновременно ориентируясь на цель, а затем под действием притяжения начинает падать. Боевые части наиболее современных ракет в самом начале падения подталкиваются собственными двигателями, а также раскручиваются вдоль оси боковыми движками, чтобы стабилизировать боевой блок по принципу пули.

Как далеко могут лететь баллистические ракеты?

Сегодня существует несколько видов баллистических ракет, которые условно делятся по дальности запуска: тактические (дальность полета не более 400 километров), малой дальности (от пятисот до тысячи километров), средней дальности (от одной до 5,5 тысячи километров) и межконтинентальные (более 5,5 тысячи километров). В них используются разные по мощности и конструкции двигатели, они имеют разное количество ступеней и разную стоимость производства. Ракеты малой и средней дальности запрещены совместным договором России и США, вступившим в силу в 1988 году. Договор был заключен для того, чтобы стороны не могли размещать ракеты близко к территории и военным базам друг друга, сокращая тем самым время нанесения ракетных ударов до нескольких минут. На другие страны такой договор не распространяется. Межконтинентальные ракеты тоже можно использовать для нанесения ударов на небольшом расстоянии, но такое их применение равносильно стрельбе из пушки по воробьям.

Получается, Северная Корея теперь в «ядерном клубе»?

Да, но только КНДР там уже давно - по меньшей мере с 2004 года, когда власти страны объявили о первом испытании ядерного оружия.

Что конкретно означает создание «государственных ядерных сил», знают только в создавшей их Северной Корее. Вероятнее всего, речь идет о формировании рода или вида войск, на вооружении которого стоит ядерное оружие. Такие войска находятся в постоянной боевой готовности, чтобы в любой момент нанести упреждающий или ответный ядерный удар по территории противника.

«Ядерным клубом» условно называют страны, сумевшие разработать, создать и испытать ядерное оружие. Официально в «ядерный клуб» сегодня входят Россия, США, Великобритания, Франция, Китай, Пакистан, Индия и Северная Корея. В клуб также может входить и Израиль; власти этой страны до сих пор не подтверждали, но и не отрицали наличия у государства ядерного оружия. В разное время в разработке ядерного оружия подозревали еще 11 стран мира, включая Египет, Мексику и Швецию.

Если вы часто летаете или часто наблюдаете за самолетами на сервисах вроде , то наверняка задавали себе вопросы, почему самолет летит именно так, а не иначе. В чем логика? Давайте попробуем разобраться.

Почему самолет летит не по прямой, а по дуге?

Если смотреть на траекторию полета на дисплее в салоне или дома на компьютере, то она выглядит не прямой, а дугообразной, выгнутой в сторону ближайшего полюса (северного в северном полушарии, южного в южном). На самом же деле самолет на протяжении практически всего маршрута (и чем он длиннее, тем это справедливее) старается лететь именно по прямой. Просто дисплеи плоские, а Земля круглая, и проекция объемной карты на плоскую видоизменяет ее пропорции: чем ближе к полюсам, тем более изогнутой окажется «дуга». Проверить это очень просто: возьмите глобус и натяните по его поверхности нитку между двумя городами. Это и будет кратчайший маршрут. Если же теперь перенести линию нитки на бумагу, у вас получится дуга.

То есть, самолет всегда летит по прямой?

Самолет летит не как ему заблагорассудится, а по воздушным трассам, которые прокладываются, конечно, таким образом, чтобы минимизировать расстояние. Трассы состоят из отрезков между контрольными точками: в их качестве могут использоваться как радиомаяки, так и просто координаты на карте, которым присвоены пятибуквенные обозначения, чаще всего легко произносимые и поэтому запоминающиеся. Вернее, произносить их нужно побуквенно, но, согласитесь, запомнить сочетания вроде DOPIK или OKUDI проще, чем GRDFT и UOIUA.

При прокладке машрута для каждого конкретного полета используются различные параметры, в том числе тип самого самолета. Так, например, для двухдвигательных самолетов (а они активно вытесняют трех- и четырехдвигательные) действуют нормы ETOPS (Extended range twin engine operational performance standards), которые регламентируют планирование маршрута таким образом, чтобы самолет, пересекая океаны, пустыни или полюса, находился при этом в пределах определенного времени полета до ближайшего аэродрома, способного принять данный тип ВС. Благодаря этому при отказе одного из двигателей он сможет гарантированно дотянуть до места совершения аварийной посадки. Разные самолеты и авиакомпании сертифицированы на разное время полета, оно может составлять 60, 120 и даже 180 и в редких случаях 240 (!) минут. Между тем планируется сертифицировать Airbus A350XWB на 350 минут, а Boeing-787 на 330; это позволит отказаться от четырехдвигательных самолетов даже на маршрутах вроде Сидней-Сантьяго (это самый протяженный в мире коммерческий маршрут, проходящий над морем).

По какому принципу самолеты движутся в районе аэропорта?

Во-первых, все зависит от того, с какой полосы в данный момент происходят взлеты в аэропорту вылета и на какую садятся в аэропорту прибытия. Если вариантов несколько, то для каждого из них существует по несколько схем выхода и захода: если объяснять на пальцах, то каждую из точек схемы самолет должен проследовать на определенной высоте на определенной (в пределах ограничений) скорости. Выбор полосы зависит от текущей загрузки аэропорта, а также, в первую очередь, ветра. Дело в том, что и при взлете, и при посадке ветер должен быть встречным (или дуть сбоку, но все равно спереди): если ветер дует сзади, то самолету для поддержания нужной скорости относительно воздуха придется иметь слишком большую скорость относительно земли – может и длины полосы не хватить для разбега или торможения. Поэтому в зависимости от направления ветра самолет при взлете и посадке движется или в одну сторону, или в другую, и полоса имеет два взлетных и посадочных курса, которые, будучи округлены до десятков градусов, используются для обозначения полосы. Например, если в одну сторону курс 90, то в другую будет 270, и полоса будет называться «09/27». Если же, как это часто бывает в крупных аэропортах, параллельных полос две, они обозначаются как левая и правая. Например, в Шереметьево 07L/25R и 07R/25L, соответственно, а в Пулково – 10L/28R и 10R/28L.

В некоторых аэропортах полосы работают только в одну сторону – например, в Сочи с одной стороны – горы, поэтому взлетать можно только в сторону моря и заходить на посадку только со стороны моря: при любом направлении ветра он будет дуть сзади или при взлете, или при посадке, так что пилотов гарантированно ждет небольшой экстрим.

Схемы полетов в зоне аэропорта учитывают многочисленные ограничения – например, запрет на нахождение ВС непосредственно над городами или специальными зонами: это могут быть как режимные объекты, так и банальные коттеджные поселки Рублевки, жителям которой не очень нравится шум над головой.

Почему в одну сторону самолет летит быстрее, чем в другую?

Это вопрос из разряда «холиварных» – пожалуй, больше копий сломано только вокруг задачки с самолетом, стоящим на движущейся ленте – «взлетит или не взлетит». Действительно, на восток самолет летит быстрее, чем на запад, и если из Москвы в Лос-Анджелес добираешься за 13 часов, то обратно можно за 12.

То есть, быстрее лететь с запада на восток, чем с востока на запад.

Гуманитарий думает, что Земля-то крутится, и когда летишь в одну из сторон, то точка назначения приближается, ибо планета успевает провернуться под тобой.

Если вы слышите такое объяснение, срочно дайте человеку учебник географии за шестой класс, где ему объяснят, что, во-первых, Земля вращается с запада на восток (т.е. по этой теории должно быть все наоборот), а во-вторых, атмосфера вращается вместе с Землей. Иначе можно было бы подняться в воздух на воздушном шаре и висеть на месте, ожидая проворота до того места, где нужно приземлиться: бесплатные путешествия!

Технарь пытается объяснить этого явления силой Кориолиса , которая действует на самолет в неинерциальной системе отсчета «Земля-самолет»: при движении в одну из сторон его вес становится больше, а в другую, соответственно, меньше. Вот только беда в том, что разница в весе самолета, создаваемая силой Кориолиса, весьма мала даже по сравнению с массой полезного груза на борту. Но это еще полбеды: с каких пор масса влияет на скорость? Вы же на автомобиле можете ехать 100 км/ч и один, и впятером. Разница будет только в расходе топлива.

Истинная причина того, что самолет на восток летит быстрее, чем на запад, заключается в том, что ветры на высоте нескольких километров чаще всего дуют именно с запада на восток, и так что в одну сторону ветер получается попутным, увеличивающим скорость относительно Земли, а в другую – встречным, замедляющим. Почему ветры дуют именно так – спросите Кориолиса, например. Кстати, изучение высотных струйных течений (это сильные ветра в виде относительно узких воздушных потоков в определенных зонах атмосферы) позволяет прокладывать маршруты таким образом, чтобы, попав “в струю”, максимально увеличить скорость и сэкономить топливо.

Что тянет снаряд вниз

Пассажирский самолет пролетает за час около двухсот пятидесяти километров. Сколько же пролетит за час снаряд, летящий в десять раз быстрее самолета?

Казалось бы, снаряд должен пролететь за час около двух с половиной тысяч километров.

На самом деле, однако, весь полет снаряда продолжается всего лишь около минуты, и снаряд пролетает обычно не больше 15-20 километров.

В чем же тут дело? Что мешает снаряду лететь так же долго и так же далеко, как летит самолет?

Рис. 96. Как летел бы снаряд при выстреле из орудия, ствол которого направлен прямо в цель, и как надо направить ствол, чтобы снаряд попал в цель

Самолет летит долго потому, что воздушный винт тянет его все время вперед. Винт работает много минут, много часов подряд. Поэтому и самолет может лететь непрерывно много часов подряд.

Снаряд же получил толчок в канале орудия, а дальше летит уже сам по себе, никакая сила больше не толкает его вперед. С точки зрения механики, летящий снаряд будет телом, движущимся по и терции. Такое тело, – учит механика, – должно подчиняться очень простому закону: оно должно двигаться прямолинейно и равномерно, если только к нему не приложена больше никакая сила.

Подчиняется ли снаряд этому закону, движется ли он прямолинейно?

Рис. 97. Брошенный камень описывает дугу

Представьте себе, что за километр от вас находится какая-либо цель, – например, неприятельский пулемет. Попробуйте навести 76-миллиметровую дивизионную пушку так, чтобы ствол ее был направлен прямо в пулемет (рис. 96), потом произведите выстрел.

Сколько бы раз вы так ни стреляли, в цель вы не попадете никогда: всякий раз снаряд будет падать на землю и разрываться, пролетев всего лишь метров 300. Продолжаете опыты, и вы скоро придете к такому выводу: чтобы попасть, ствол надо направить не в цель, а несколько выше ее (рис. 96).

Выходит, что снаряд летит не прямо вперед: в полете он опускается. В чем дело? Почему снаряд летит не прямолинейно? Какая сила тянет снаряд вниз?

Ответ очень простой: сила тяжести заставляет снаряд опускаться во время полета.

Всякий знает, что брошенный камень летит не прямо, а описывает дугу и, пролетев небольшое расстояние, падает на землю или в воду (рис. 97). При прочих равных условиях камень летит тем дальше, чем сильнее он брошен, чем большую скорость он получил в момент броска.

Рис. 98. Как понижался бы снаряд под линией бросания при стрельбе в безвоздушном пространстве

Поставьте на место человека, бросающего камень, орудие, а камень замените снарядом; как и всякое летящее тело, снаряд притянется при полете к земле, а из-за этого отойдет от той линии, по которой он был брошен; эта линия так и называется в артиллерии – «линией бросания», а угол между этой линией и горизонтом орудия – «углом бросания» (рис. 98).

В первую секунду полета снаряд опустится приблизительно на 5 метров (точнее – на 4,9 метра), во вторую – почти на 15 метров (точнее-на 14,7 метра), и в каждую следующую секунду скорость падения будет увеличиваться почти на 10 метров в секунду (точнее – на 9,8 метра в секунду). Таков закон свободного падения тел, открытый Галилеем.

Поэтому-то линия полета снаряда – траектория – получается не прямой, а, точно так же как и для брошенного камня, похожей на дугу.

Теперь попытайтесь ответить на такой вопрос: нет ли связи между углом бросания и расстоянием, которое пролетает снаряд?