Ракета названа на честь швейної шпулі. Слово походить від італійського rocchetto, що означає шпуля, оскільки ранні версії нагадували веретеноподібні шпулі, які використовувалися для намотування нитки. Це дивна історія походження для машини, яка в кінцевому підсумку доставляла людей поза атмосферу.
В своїй основі ракета проста: подовжений транспортний засіб, що спалює паливо, яке несе з собою, щоб прискорюватися, без необхідності в оточуючому повітрі. Це єдине рішення щодо конструкції - це те, що розділяє ракету від реактивного двигуна, і це причина, чому ракети можуть літати там, де реактивні двигуни не можуть: крізь вакуум космосу, де ракетний двигун насправді працює краще, ніж на рівні моря.
Історія ракети простягається набагато далі за космічну еру. Вона тягнеться через китайські арсенали, індійські поля битв, російські дерев'яні хижі та німецькі ракетні бункери, перш ніж коли-небудь навмисне залишити атмосферу. Ось як штучний вогонь у формі шпулі став космічним кораблем.
Не реактивний двигун з кращою маркетинговою стратегією
Реактивні двигуни дихають. Вони всмоктують кисень з оточуючого повітря та змішують його з паливом для спалювання. Ракета, навпаки, пакує як паливо, так і окисник у свій власний корпус, тому їй ніколи не потрібно щось вдихати. Ця єдина різниця дозволяє ракеті літати крізь вакуум космосу, де немає повітря для дихання.
Контрінтуїтивна частина - це те, що відбувається з продуктивністю, коли повітря зникає. Рокетні двигуни не тільки терпимі до вакууму, вони насправді працюють ефективніше там, ніж в атмосфері. Усе, що розроблено для гарної роботи на землі, виявляється працюючим ще краще, коли її залишає, що є протилежністю майже до кожного іншого типу двигуна, який коли-небудь будували люди.
Народжена в династії Сун у Китаї
Ракети, побудовані для війни та святкування, сягають щонайменше XIII століття в Китаї, що робить ракету однією з найстаріших зброй, яка все ще активно використовується сьогодні, лише спрямована на щось набагато амбітніше. Згідно з історіком Джозефом Нідхамом, флот династії Сун уже мав ракети достатньо організованими, щоб використовувати їх у задокументованому військовому навчанні в 1245 році.
Ця дата важлива, тому що це означає, що порохові ракети були встановленою частиною військового комплексу держави за століття до того, як Європа мала будь-що еквівалентне, з їх походженням як морським та полевим знаряддям міцно закріпленим у династії Сун в Китаї.
Дракон, який стріляв з води
Сучасні ракети майже завжди літають на етапах, відпускаючи порожні паливні баки, коли вони піднімаються, щоб транспортний засіб продовжував легшати й швидше. Ця ідея не є винаходом XX століття. Китайський військовий посібник XIV століття під назвою Huolongjing описує прилад під назвою "вогняний дракон, що виходить з води", що є найстарішою відомою багатоступеневою ракетою, побудованою для використання китайським флотом.
Сама назва підказує логіку дизайну: ракета, що виглядає так, ніби вибухала з-під води, використовуючи один етап для руху та другий для продовження, те ж саме поетапне логіка, яку кожна багатоступенева ракета, побудована з тих пір, дотримувалася в тій чи іншій формі.
Залізні корпуси від індійського королівства
Протягом століть після перших китайських ракет більшість корпусів ракет були виготовлені з паперу або тонкого металу, який міг розірватися під тиском. Це змінилося наприкінці XVIII століття, коли Королівство Майсур під правлінням Хайдер Алі побудувало ракети Mysorean, перші успішні ракети з залізним корпусом в історії.
Залізний корпус дозволив ракеті витримувати вищий внутрішній тиск без відмови, що означало більше тяги та більший діапазон. Коли дизайн пізніше досяг Британії, це натхнуло програму ракет Конгріва, найбільша модель якої, 32-фунтовий снаряд, нес палицю довжиною 15 футів, лише щоб тримати його в польоті. Індійське полеве озброєння інновації за одне покоління стало опорою європейської артилерії.
Грецька ідея двадцять тисяч років занадто рано
Найстарішим відомим пристроєм, що демонструє основні принципи польоту ракет, взагалі не була зброя. Близько 400 р. до н.е. грецький піфагореєць Архіта побудував дерев'яного птаха, підвісив його на дротах та прискорював його за допомогою пари як рушійної сили.
Він ніколи не наближався до космосу, і ніхто довго не будував на цій ідеї. Але основний принцип, що викидання струменя газу в одному напрямку штовхає об'єкт в іншому, - це саме те, на чому зараз ще покладаються всі хімічні рокетні двигуни. Архіта дійшов до цього задовго до того, як у когось був порох для того, щоб спробувати.
Людина, яка розробила космічний політ на папері
Довгий час перед тим, як яка-небудь ракета залишила атмосферу, вчитель школи в провінційній Росії напрацював математику того, як один мав би коли-небудь це зробити. Костянтин Ціолковський вважається батьком космічних польотів, і він був також першою людиною, яка задумала космічний ліфт, ідею, до якої він прийшов у 1895 році після того, як побачив щойно побудовану Ейфелеву вежу.
Його найважливіший документ про дослідження космосу за допомогою приладів на ракетній тягі з'явився в травні 1903 року, десятиліттями раніше, ніж будь-який уряд мав інженерію або гроші для тестування його рівнянь. Він розробив фізику орбітальної ракетотехніки, використовуючи лишень класну дошку, в країні, яка не запустила б нічого на орбіту ще половину століття.
Зброя, яка випадково досягла космосу
Перша ракета, яка умисно залишила атмосферу, була розроблена для того, щоб знищувати міста, а не досліджувати їх. Запустивши випробувальний політ MW 18014 20 червня 1944 року, V-2 перетнув лінію Кармана й став першим зроблено людиною об'єктом, який коли-небудь досяг космосу.
Ця віха прийшла посередині бомбардування. Починаючи з вересня, Вермахт запустив понад 3000 цих ракет по союзницьким містам, найпершим вдарив Лондон, потім Антверпен та Льєж. Та сама інженерія, яка вперше торкнулася космосу, була в той час інструментом терору, похмура нагадування про те, що військові та наукові шляхи ракетотехніки ніколи не були повністю відокремлені.
Чому ракети складаються з секцій
Етапізація - це не просто історична цікавість з Huolongjing, це все ще працючий принцип досягнення орбіти. Між 1948 та 1950 роками інженери тестували серію RTV-G-4 Bumper на White Sands, а пізніше на мисі Канаверал, будуючи перші високошвидкісні багатоступеневі ракети сучасної ери. Один з них досяг висоти 393 кілометра над White Sands 24 лютого 1949 року, найбільшої висоти, яку коли-небудь досягла там яка-небудь ракета.
Фізика позаду етапізації проста: скидання мертвого ваги на середину польоту дозволяє решті двигунів прискорювати легший транспортний засіб. Перший етап Saturn V, наприклад, мав підняти всю масу всього, що було вище нього, і все ще досяг співвідношення маси близько 10 та питомого імпульсу 263 секунди, цифр, які показують, чому інженери продовжують переслідувати найлегший можливий етап, який все ще тримається разом.
Витискування кожного джоулю з вихлопу
Суха структура рокетного двигуна, все, що залишається після того, як пальне витрачено, часто становить лише 5-20% від загальної стартової маси транспортного засобу. Цей крихітний шматок обладнання, а не паливо, яке він несе, - це те, що закінчується домінуванням вартості програми ракет, оскільки побудова резервуарів та двигунів, які є легкими та міцними, набагато складніше, ніж їх заповнення пальним.
Максимально використовувати це обладнання зводиться до сопла. Ракетні сопла використовують майже адіабатичні форми з високим коефіцієнтом розширення, які охолоджують та прискорюють вихлопний газ, досягаючи енергетичної ефективності до 70%. Вибір палива також має значення: водень та кисень разом забезпечують найвищий питомий імпульс будь-якої комбінації хімічного палива в користуванні, але щільність водню становить лише близько однієї чотирнадцятої води, тому двигуни, які його спалюють, потребують більших, важчих турбонасосів, які скорочують тягу до ваги відношення, компроміс видимий при порівнянні такого двигуна, як RS-25, проти більш щільно палива конструкції, як NK-33.
Жоден з цих компромісів не зникнув через століття ракетотехніки. Кожен запуск все ще є переговорами між тим, скільки мертвого ваги транспортний засіб може скинути, як ефективно його сопло может формувати вихлоп, та як щільне паливо воно сміє спалити, ті ж самі компроміси, з якими китайський офіцер арсеналу та російський шкільний учитель уже були вдавлені задовго до того, як будь-хто з них мав назву англійською мовою.