Rakieta jest nazwana szpulką do szycia. Słowo pochodzi z włoskiego rocchetto, co oznacza szpulkę, ponieważ wczesne wersje wyglądały jak wrzecionowate szpulki używane do navijania nici. To dziwna historia pochodzenia maszyny, która ostatecznie przewoziła ludzi poza atmosferę.
W istocie rakieta jest prosta: wydłużony pojazd, który pali paliwo, które nosi ze sobą, aby przyspieszyć, bez potrzeby otaczającego powietrza. Ta jedyna decyzja projektowa to to, co odróżnia rakietę od silnika odrzutowego i dlatego rakiety mogą latać tam, gdzie silniki odrzutowe nie mogą: przez próżnię kosmosu, gdzie silnik rakietowy faktycznie działa lepiej niż na poziomie morza.
Historia rakiety sięga znacznie poza erę kosmiczną. Sięga przez chińskie arsenały, indyjskie pola bitwy, rosyjskie drewniane chaty i niemieckie schrony rakietowe, zanim kiedykolwiek celowo opuściła atmosferę. Tutaj jest historia jak sztuczny ogień w kształcie szpulki stał się statkiem kosmicznym.
Nie silnik odrzutowy z lepszą strategią marketingową
Silniki odrzutowe oddychają. Wciągają tlen z otaczającego powietrza i mieszają go z paliwem. Rakieta zamiast tego pakuje zarówno paliwo, jak i utleniacz do własnego ciała, więc nigdy nie musi nic wciągać. Ta jedna różnica pozwala rakiecie latać przez próżnię kosmosu, gdzie nie ma powietrza do oddychania.
Kontraintuicyjna część to to, co się dzieje z wydajnością, gdy powietrze znika. Silniki rakietowe nie tylko tolerują próżnię, w rzeczywistości działają bardziej efektywnie niż w atmosferze. Wszystko, co jest zaprojektowane do dobrej pracy na ziemi, okazuje się działać jeszcze lepiej, gdy ją opuszcza, co jest przeciwieństwem prawie wszystkich innych typów silników, które ludzie kiedykolwiek budowali.
Urodzony w dynastii Song w Chinach
Rakiety zbudowane do wojny i obchodów sięgają co najmniej XIII wieku w Chinach, co czyni rakietę jedną z najstarszych broni, która wciąż jest aktywnie używana dzisiaj, tylko skierowana na coś znacznie bardziej ambitnego. Według historyka Josepha Needhama flota dynastii Song miała już wystarczająco zorganizowane rakiety do ich użycia w udokumentowanym ćwiczeniu wojskowym w 1245 roku.
Ta data jest ważna, ponieważ oznacza, że rakiety prochowe były ustalonym elementem militarnego arsenału państwa przez wieki zanim Europa miała coś równoważnego, z ich pochodzeniem jako narzędzia morskiego i pola bitwy głęboko zakorzenionym w dinastii Song w Chinach.
Smok, który strzelał z wody
Nowoczesne rakiety prawie zawsze latają na etapach, zrzucając puste zbiorniki paliwa podczas wznoszenia, aby pojazd pozostał lżejszy i szybszy. Ta idea nie jest wynalazkiem XX wieku. Chiński podręcznik wojskowy z XIV wieku zwany Huolongjing opisuje urządzenie zwane "smokiem ognia wychodzącym z wody", które jest najstarszą znaną rakietą wieloetapową, zbudowaną do użytku przez chińską marynarkę.
Sama nazwa sugeruje logikę projektowania: rakieta, która miała wyglądać na eksplodującą z wody, używająca jednego etapu do rozpoczęcia ruchu i drugiego do dalszego postępu, ta sama logika etapowa, którą każda rakieta wieloetapowa zbudowana od tamtej pory w taki czy inny sposób przestrzegała.
Żelazne obudowy z indyjskiego królestwa
Przez wieki po pierwszych chińskich rakietach większość korpusów rakiet była wykonana z papieru lub cienkiego metalu, który mógł pęknąć pod ciśnieniem. Zmieniło się to pod koniec XVIII wieku, gdy Królestwo Mysore pod rządami Hydera Alego zbudowało rakiety Mysorean, pierwszych udanych rakiety żelaznych w historii.
Żelazna obudowa pozwoliła rakiecie utrzymać wyższe ciśnienie wewnętrzne bez awarii, co oznaczało więcej ciągu i większy zasięg. Kiedy projekt później dotarł do Wielkiej Brytanii, zainspirował program rakiet Congreve'a, którego największy model, 32-funtowa granat, niosła kij 15 stóp długości tylko aby go utrzymać w locie. Indyjska innowacja na polu bitwy w ciągu pokolenia stała się cechą europejskiej artylerii.
Grecka idea dwa tysiące lat za wcześnie
Najstarsz znane urządzenie do zademonstrowania podstawowych zasad lotu rakietowego nie było wcale bronią. Około 400 r. p.n.e. grecki Pitagorczyk Archytas zbudował drewnianego ptaka, zawiesił go na drutach i napędzał go wzdłuż nich przy użyciu pary jako siły napędowej.
Nigdy nie zbliżył się do kosmosu i nikt przez długi czas nie budował na tej idei. Ale zasada podstawowa - że wyrzucenie strumienia gazu w jednym kierunku popycha obiekt w drugim - to dokładnie to, na czym każdy chemiczny silnik rakietowy wciąż polega. Archytas doszedł do tego znacznie wcześniej, zanim ktokolwiek miał proch do spróbowania.
Człowiek, który zaprojektował loty kosmiczne na papierze
Znacznie zanim jakakolwiek rakieta opuściła atmosferę, nauczyciel ze szkoły w prowincjonalnej Rosji opracował matematykę tego, jak można to ostatecznie zrobić. Konstantin Cjołkowski uważa się za ojca lotów kosmicznych i był również pierwszą osobą, która wymyśliła windę kosmiczną, ideę, do której doszedł w 1895 roku po zobaczeniu niedawno zbudowanej Wieży Eiffla.
Jego najważniejszy dokument na temat eksploracji kosmosu za pomocą urządzeń napędzanych rakietami pojawił się w maju 1903 roku, dekady zanim którykolwiek rząd miał inżynierię lub pieniądze do testowania jego równań. Opracował fizykę rakietotechniki orbitalnej za pomocą czegoś niewiele więcej niż tablica, w kraju, który nie wystrzelił nic na orbitę przez następne pół wieku.
Broń, która przypadkowo osiągnęła kosmos
Pierwsza rakieta, która celowo opuściła atmosferę, została zaprojektowana do zniszczenia miast, a nie do ich eksploracji. Po wystrzeleniu lotu testowego MW 18014 20 czerwca 1944 roku V-2 przekroczyła linię Kármána i stała się pierwszym obiektem stworzonym przez człowieka, który kiedykolwiek osiągnął kosmos.
Ten kamień milowy przyszedł pośrodku kampanii bombardowania. Począwszy od września Wehrmacht wystrzelił ponad 3000 tych rakiet w kierunku miast sprzymierzonych, najpierw trafiając Londyn, potem Antwerpię i Liège. Ta sama inżynieria, która po raz pierwszy dotknęła kosmosu, była w tamtym czasie narzędziem terroru, ponury przypominek że ścieżka wojskowa i naukowa rakietotechniki nigdy nie były całkowicie rozdzielone.
Dlaczego rakiety przychodzą w sekcjach
Stagowanie nie jest tylko historyczną ciekawostką z Huolongjingu, to wciąż zasada pracy stojąca za osiągnięciem orbity. W latach 1948-1950 inżynierowie testowali serię RTV-G-4 Bumper w White Sands, a później na Cape Canaveral, budując pierwsze wysokiej prędkości rakiety wieloetapowe nowoczesnych czasów. Jeden z nich osiągnął wysokość 393 kilometrów nad White Sands 24 lutego 1949 roku, największą wysokość, którą kiedykolwiek tam osiągnęła jakakolwiek rakieta.
Fizyka stojąca za stagowaniem jest prosta: zrzucenie martwego ciężaru w połowie lotu pozwala pozostałym silnikom przyspieszyć lżejszy pojazd. Pierwszy etap Saturn V na przykład musiał podnieść całą masę wszystkiego nad nim i mimo to osiągnął stosunek masy około 10 i impulsu właściwego 263 sekundy, liczby pokazujące dlaczego inżynierowie nadal gonią za najlżejszym możliwym etapem, który wciąż się utrzymuje razem.
Wyrywanie każdego joula z spalin
Sucha konstrukcja silnika rakietowego, wszystko co pozostaje po zużyciu paliwa, to często tylko 5 do 20% całkowitej masy startowej pojazdu. Ten mały sprzęt, a nie paliwo, które nosi, to to, co ostatecznie dominuje kosztem programu rakietowego, bo budowanie zbiorników i silników, które są zarówno lekkie jak i silne, jest znacznie trudniejsze niż ich wypełnianie paliwem.
Uzyskanie maksimum z tego sprzętu sprowadza się do dyszy. Dysze rakietowe używają kształtów prawie adiabatycznych o wysokim współczynniku ekspansji, które chłodzą i przyspieszają spaliny, osiągając wydajność energetyczną do 70%. Wybór paliwa ma również znaczenie: wodór i tlen razem dają najwyższy impuls właściwy każdej kombinacji paliwa chemicznego w użyciu, ale gęstość wodoru stanowi zaledwie około jedną czternastą wody, więc silniki, które go spalają, potrzebują większych, cięższych turbopomp, które zmniejszają stosunek ciągu do masy, kompromis widoczny przy porównaniu silnika takiego jak RS-25 z gęściej paliwanym projektem takim jak NK-33.
Żaden z tych kompromisów nie zniknął w ciągu wieku rakietotechniki. Każde wystrzelenie jest wciąż negocjacją między tym, ile martwego ciężaru pojazd może zrzucić, jak efektywnie dysza może kształtować spaliny i jak gęsto paliwo śmie spalać, te same kompromisy, które chiński oficer arsenału i rosyjski nauczyciel szkoły już krążyli od dawna, zanim ktokolwiek z nich miał nazwę w angielskim.