IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

РАКЕТЫ КОСМОДРОМА «ВОСТОЧНЫЙ»
Серов В.М.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

"Мысль о металлическом аэростате засела у меня в мозгу. Иногда она меня утомляла, и тогда я по месяцам занимался другим, но в конце концов я возвращался к ней опять"

К.Э. Циолковский

Русское слово «ракета» произошло от немецкого слова «ракет». А это немецкое слово - уменьшительное от итальянского слова «рокка», что значит «веретено» [2]. То есть, «ракета» означает «маленькое веретено», «веретёнце». Связано это, конечно, с формой ракеты: она похожа на веретено - длинная, обтекаемая, с острым носом.

Ракеты человек изобрёл очень давно. Их придумали в Китае много сотен лет тому назад. Китайцы использовали их для того, чтобы делать фейерверки. Они долго держали в секрете устройство ракет, им нравилось удивлять чужестранцев. Но некоторые из этих удивлённых чужестранцев оказались людьми очень любознательными. Вскоре во многих странах научились делать фейерверки и праздничным салютом отмечать торжественные дни.

Долгое время ракеты служили только для праздников. Но потом их стали использовать на войне. Появилось ракетное оружие. Это очень грозное оружие. Современные ракеты могут точно поразить цель на расстоянии в тысячи километров.

А в XX веке школьный учитель физики Константин Эдуардович Циолковский придумал ракетам новую профессию. Он мечтал о том, как человек станет летать в космос. К сожалению, Циолковский умер до того, как первые корабли отправились в космос, но его всё равно называют отцом космонавтики.

Почему так трудно полететь в космос? Дело в том, что там нет воздуха. Там пустота, она называется вакуум. Поэтому там нельзя использовать ни самолёты, ни вертолёты, ни воздушные шары. Самолёты и вертолёты при взлёте опираются на воздух. Воздушный шар поднимается в небо, потому что он лёгкий и воздух выталкивает его вверх. А вот ракете, чтобы взлететь, воздух не нужен. Её нужен лишь космодром.

Первым и самым крупным космодромом мира является Байконур, но он находится заграницей в Казахстане. В России есть свои космодромы, их четыре: Плесецк, Ясный, Капустин Яр, Восточный.

Космодром «Восточный» находится в Амурской области. Выбор места для его строительства был не случайным. В строительстве космодрома большое значение имеет его расположение. Чем южнее космодром, тем больше масса грузов, которые можно с него вывести в космос. С точки зрения траекторий полётов ракет Восточный также расположен удачно: начальный участок траектории не проходит над густонаселёнными районами России и территориями иностранных государств, а районы падения отделяющихся частей ракет либо малонаселённые, либо являются нейтральными водами.

На расстоянии меньше 200 километров от космодрома «Восточный» находится крупный административный центр, столица Амурской области – город Благовещенск. Он расположен на слиянии двух крупнейших рек Азии: р. Амур и р. Зея. Река Зея берет свое начало на севере Амурской области и протекает вдоль северной границы территории космодрома. Запуски ракет сопровождаются выбросами в атмосферу газов отработанного топлива, которые могут попасть в реку, и по течению дойти до крупных городов Дальнего Востока России. Помимо этого запуски ракет сопряжены с внештатными и аварийными ситуациями, которые могут привести к экологической катастрофе.

Для того чтобы ракета попала в космос, нужно преодолеть притяжение Земли. Поэтому ракета должна набрать большую скорость (первую космическую скорость), чтобы от нее оторваться. Для этого учёные и инженеры придумали различные типы двигателей ракет, работающие на различном виде топлива. Самым пугающим из них является «гептил».

Целью моей научно-исследовательской работы является изучение принципов работы и влияния на окружающую среду ракет, применяемых и планируемых к использованию на космодроме «Восточный».

Задачами моей научно-исследовательской работы являются:

- изучение конструкции и устройства блоков различных типов ракет;

- определение основных этапов полета ракеты в космос;

- изучение мер безопасности, применяемых на космодроме «Восточный»;

- создание и запуск модели ракеты на экологически чистом двигателе.

Космодром «Восточный»

История космодрома Восточный началась 6 ноября 2007 года, когда президент России Владимир Путин подписал указ о создании в Амурской области космодрома [6]. Это произошло спустя несколько месяцев после закрытия другого российского космодрома Свободный ‒ предшественник, располагавшийся там же, на Дальнем Востоке, был закрыт в марте 2007-го.

Изначально стартовая площадка не должна была появиться на том же месте, где располагался недавно закрытый Свободный: в планах было создание космодрома с новой инфраструктурой на берегу Тихого океана ‒ недалеко от превратившегося в главную восточную столицу Владивостока. Но эта идея продолжения не получила: приняв во внимание проблемы с погодой на побережье и другие географические и геополитические факторы, власти приняли решение перенести строительство нового космодрома вглубь континента.

Введение в эксплуатацию космодрома ‒ дело немногим более лёгкое, чем сами полёты в космос. Выбор места для строительства должен быть продиктован целым рядом факторов: географическим, геополитическим, социально-экономическим. Важно учитывать траектории полётов (чтобы избежать попадания ракет и обломков на территории соседних государств или густонаселённые районы собственной страны), возможную массу выводимых грузов, есть ли поблизости аэропорты, железнодорожное сообщение, автомагистрали.

Техническая оснащённость космодрома позволяет считать его одним из самых современных космодромов в мире. Управление технологическим оборудованием здесь полностью автоматизировано (в отличие от того же Байконура), то есть машины контролируют все процессы, от заправки корабля до старта. Автоматизирован и командный пункт – все данные о ракете вместе с десятками параметров выводятся на экраны, и автоматика оценивает соблюдение графиков и работу систем во время полёта.

Впервые для работы с ракетой на стартовой площадке используется мобильная башня обслуживания, оснащённая по последнему слову техники. Она отслеживает ход всех работ и к тому же поддерживает комфортную температуру для специалистов, задача которых заключается в сборке составных частей ракеты.

В монтажно-испытательном комплексе «Восточного» впервые оборудована специальная галерея, соединяющая разные корпуса комплекса, – трансбордер. Монтажные корпуса всегда находятся на некотором отдалении друг от друга, и это создает проблемы при транспортировке отдельных частей ракеты и их сборе в единое целое. Здесь же проблема решена: части ракет и спутников из здания в здание можно перевозить по специальной галерее, а не по улице, не нарушая важный в этих вопросах температурный режим.

Рис. 1. Мобильная башня обслуживания на стартовом столе

Рис. 2. Монтажно-испытательный корпус (МИК)

Первый запуск с Восточного был назначен на 25 декабря 2015 года, потом перенесён на 27 апреля 2016 года, а потом отложен ещё на сутки [1]. Наконец, 28 апреля состоялось историческое событие: ракета-носитель «Союз-2.1а» с блоком выведения «Волга» вывела на орбиты три космических аппарата – «Михайло Ломоносов», «Аист-2Д» и наноспутник «СамСат-218».

Сама ракета «Союз 2.1а», как и другие ракеты-носители «Союз» с индексом 2, – цифровая. Она оборудована новой компьютерной системой управления, что позволило повысить точность выведения груза на орбиту, устойчивость и управляемость ракеты, а также – что особенно важно – увеличить габариты полезной нагрузки. Если раньше спутники или космические корабли были чуть большего диаметра, чем ракета, а то и вовсе такого же, то теперь ракета может вывести в космос аппараты больших размеров. К тому же в первой ракете, стартовавшей с Восточного, впервые были установлены видеокамеры, позволяющие в реальном времени получать картинку с борта ракеты до старта и во время вывода груза на орбиту.

В планах – обеспечение космодрома запусками приблизительно до 2024 года [3, 4]. Роскосмос собирается вывести на орбиту аппарат «Метеор» и два спутника серии «Канопус»; уже к 2018 году количество запусков в год предполагается увеличить до шести-восьми, в перспективе – до десяти. С 2021 года планируются пуски ракет-носителей «Ангара-А5П» и «Ангара-А5В». Важным этапом развития космодрома станет лунная программа, запуски аппаратов к Луне должны будут осуществляться с 2019 по 2024 годы:

  • «Луна-25» ‒ миссия: технология полярной посадки, начало изучения Южного полюса Луны;

  • «Луна-26» ‒ миссия: глобальный обзор и разведка лунных ресурсов;

  • «Луна-27» ‒ миссия: изучение реголита и экзосферы на Южном полюсе Луны;

  • «Луна-28» ‒ миссия: доставка на Землю лунного полярного грунта.

Полный ввод космодрома Восточный в строй планируется в 2020 году. Помимо новой ракеты-носителя «Ангара» и модифицированной ракеты-носителя «Союз-2», запуск которых изначально планировался с космодрома, в перспективе развитие возможностей космодрома до уровня, обеспечивающего подготовку и запуск модулей орбитальных станций, космических средств для изучения (и освоения) Луны и Марса, а также других удалённых небесных тел.

Космические ракетные комплексы (КРК)

Космические ракетные комплексы, которые планируется запускать с космодрома «Восточный» можно разделить на два типа ракет: РН «Союз» и РН «Ангара».

Рис. 3. Ракеты: слева - «Союз», справа - «Ангара»

Ракеты-носители типа «Союз-2» разработаны на базе серийной РН «Союз-У» [5]. На ракетах-носителях «Союз-2» применены усовершенствованные двигательные установки и современные системы управления и измерений, что существенно повышает технические и эксплуатационные характеристики. Союз-2.1а" — трехступенчатая ракета среднего класса. На первой и второй ступенях установлены жидкостные ракетные двигатели РД-107А и РД-108А, на третьей — четырехкамерный РД-0110. В качестве компонентов ракетного топлива маршевых двигательных установок РН используются экологически чистый окислитель — жидкий кислород и слаботоксичное углеводородное горючее Т-1 (керосин). Масса выводимой полезной нагрузки составляет до 7,5 тонн.

Ракеты-носители «Союз-2» в сочетании с разгонным блоком «Фрегат» предназначены для запусков космических аппаратов на околоземные орбиты различных высот и наклонений, включая геопереходные и геостационарную, а также отлетные траектории.

Новейший российский космический ракетный комплекс «Ангара» включает в свой состав семейство экологически чистых ракет-носителей (РН) различных классов, позволяющих выводить до 37,5 тонн полезного груза (модификация «Ангара-А5В») на низкую околоземную орбиту. Ракеты «Ангара» относятся к тяжелому и сверхтяжелому классу ракет.

Основой для создания вариантов ракет-носителей «Ангара» служат кислородно-керосиновые универсальные ракетные модули - УРМ-1 (для первой и второй ступеней РН) и УРМ-2 (для верхних ступеней РН). Количество УРМ в составе первой ступени определяет грузоподъемность ракеты-носителя.

Универсальный ракетный модуль представляет собой законченную конструкцию, состоящую из баков окислителя и горючего, соединенных проставкой, и двигательного отсека. УРМ-1 оснащается жидкостным реактивным двигателем РД-191, УРМ-2 – двигателем РД-0124А.

В ракетах-носителях семейства «Ангара» не используются агрессивные и токсичные ракетные топлива на основе гептила, что позволяет существенно повысить показатели экологической безопасности комплекса, как в прилегающих к космодрому регионах, так и в районах падения отработавших ступеней ракет-носителей.

Полет ракеты в космос

Для того чтобы ракета попала в космос, нужно преодолеть притяжение Земли. Поэтому ракета должна набрать большую скорость (первую космическую скорость), чтобы от нее оторваться. Для этого учёные и инженеры придумали определенный порядок работы ракеты.

Ракета-носитель «Союз 2.1» состоит из трех ступеней и выполнена по схеме с параллельным отделением боковых ракетных блоков в конце работы первой ступени и поперечным отделением ракетного блока второй ступени по окончании его работы. На первом этапе полета работают двигатели четырех боковых и центрального блоков, на втором, после отделения боковых блоков, только двигатель центрального блока [2].

Рис. 4. Составные части ракеты и этапы её полета

Двигатели боковых блоков работают в течение 118 секунд после старта, после чего отключаются. После этого боковые блоки отделяются от центрального блока и сбрасываются.

Вторая ступень (центральный блок) состоит из хвостового отсека, в котором установлен двигатель однократного включения. Номинальное время работы двигателя центрального блока составляет 280-290 секунд.

Запуск двигателей центрального и боковых блоков производится на Земле, что даёт возможность контролировать их работу в переходном режиме и при возникновении неисправностей во время пуска отменять пуск ракеты. Это обеспечивает повышение безопасности эксплуатации.

Третья ступень, состоящая из переходного отсека, бака горючего, бака окислителя, хвостового отсека и двигателя, установлена на центральном блоке и соединена с ним с помощью ферменной конструкции.

Маршевый двигатель третьей ступени включается примерно за две секунды до отключения центрального блока. Газы, истекающие из сопел двигателя третьей ступени, непосредственно отделяют ступень от центрального блока. После отключения двигателя и отделения космического аппарата или разгонного блока с космическим аппаратом, третья ступень выполняет маневр увода путем открытия дренажного клапана в баке горючего. От ракеты осталась только головная часть. Дальнейший полет ракета продолжит при помощи разгонного блока.

Создание экологически чистой модели ракеты

Экологически чистым двигателем считается тот, который не наносит вреда окружающей среду. Одним из таких двигателей можно считать пневмо-гидравлический. Модель ракеты с таким двигателем дает возможность проводить множество различных опытов и, что самое главное, познакомиться с действием реактивного двигателя. Пневмо-гидравлическую ракету можно легко построить самому. Для начала надо определиться каких размеров будет ракета. Основа её корпуса будет простая пластмассовая бутылка из-под газировки. В зависимости от объема бутылки будут различаться полетные характеристики нашей будущей ракеты. Например, 0.5 литра хоть и будет маленькая по размерам, но и взлетать тоже будет невысоко метров на 10-15. Самый оптимальный размер это бутылка объемом от 1.5 до 2 литров. Для старта потребуется также основной инструмент - насос, лучше, если он будет автомобильным и с прибором для измерения давления – манометром.

Основной узел в ракете будет клапан, от него будет завесить эффективность работы будущей ракеты. Клапан изготовим из пробки, велосипедной камеры и металлической пластины.

Рис. 5. Клапан

Для изготовления корпуса модели ракеты потребуется две бутылки объемом 1.5 литра и металлизированный скотч. Стабилизаторы в количестве четырех штук легко сделать из картона из-под бытовой техники. Для изготовления стартовой площадки потребуется ровный фанерный лист, металлические уголки и саморезы.

Рис. 6. Модель ракеты на стартовой площадке

Опытным путем было определено, что модель ракеты должна быть наполнена водой на 1/3 часть от общей длины всей бутылки. Если залить больше воды или меньше, то в первом случае для воздуха остается слишком мало места, а во втором - слишком много. Тяга двигателя в этих случаях будет очень слабой, а время работы - непродолжительным. Тяга, уменьшающаяся по мере выбрасывания воды, что позволяет модели ракеты достигнуть высоты 30 - 50 м. Время полета модели от старта до момента приземления в зависимости от достигнутой высоты составляет 5 - 7 секунд. Модель ракеты, запущенная без воды, будет очень легкой и поднимется только на 2 - 5 м.

Пневмо-гидравлические модели ракет могут быть и многоступенчатыми. Рекорд на высоту полета такой ракеты составляет 600 метров. При этом они могут поднимать существенную полезную нагрузку, например некоторые испытатели устанавливают фотоаппараты или мини видеокамеры и проводили успешно аэрофотосъемку.

Заключение

В результате знакомства с космодром «Восточный» с его «настоящими» и «будущими» ракетами были получены следующие выводы:

  • ракета состоит из трех ступеней и головной части;

  • для отрыва от Земли ракета должна набрать первую космическую скорость;

  • полет ракеты состоит из шесть этапов;

  • используемые и планируемые к запуску ракеты являются экологически безопасными.

Заключительным этапом моей работы стало создание и запуск действующей экологически чистой пневмо-гидравлической модели ракеты. В результате выполнения различных вариантов запуска модели ракеты, были получены следующие результаты:

  1. модель, запущенная без воды, будет очень легкой и поднимется только на 2 - 5 м;

  2. модель ракеты должна быть наполнена водой на 1/3 часть от общей длины всей бутылки;

  3. установка ракеты под углом 60° приводит к уменьшению высоты подъема, однако дальность полета увеличивается;

  4. время полета модели от старта до момента приземления в зависимости от достигнутой высоты составляет 5 - 7 секунд;

  5. при вертикальной установке модели на старте она может достигнуть высоты около 50 м.

К сожалению, пневмо-гидравлическая модель ракеты не может быть использована в качестве рабочей ракеты на космодроме «Восточный», так как не развивает первой космической скорости (7,9 км/с), а ограничена лишь 12 м/с. Зато позволяет наглядно провести эксперименты и понять принципы ракетных технологий.

Литература

  1. Архипова К. Восточные ворота в космос // Мужская работа. №57. 2016. URL: http://www.menswork.ru/?q=content/kosmodrom%20vostochii (дата обращения 09.11.2017).

  2. Волиман Д. Профессор Астрокот и его путешествие в космос // МИФ. 2015. 64 с.

  3. Космодром Восточный // РИА Новости. 2016. URL: https://ria.ru/infografika/20160425/1054997772.html?inj=1 (дата обращения 09.11.2017).

  4. Космодром Восточный // Госкорпорация «РОСКОСМОС». 2016. URL: https://www.roscosmos.ru/255/ (дата обращения 09.11.2017).

  5. Ракеты-носители // Госкорпорация «РОСКОСМОС». 2016. URL: https://www.roscosmos.ru/33/ (дата обращения 09.11.2017).

  6. Что важно знать о космодроме Восточный // М: ТАСС. 2016.http://tass.ru/kosmos/1125713 (дата обращения 09.11.2017).

18