Як працює ракета?
Ракета не відштовхується від повітря. У космосі немає повітря! Натомість вона викидає гарячий газ назад — і третій закон Ньютона штовхає ракету вперед. Дізнаймося, як саме.
Третій закон Ньютона
Понад 300 років тому вчений Ісаак Ньютон сформулював три закони руху. Саме третій закон пояснює, як працюють ракети:
Що це означає? Коли ти штовхаєш щось в одному напрямку, воно штовхає тебе у протилежному напрямку з точно такою самою силою. Щоразу.
- Ти відштовхуєшся від стінки басейну → стінка відштовхує тебе.
- Ти кидаєш м'яч уперед → отримуєш крихітний поштовх назад.
- Ракета викидає гарячий газ назад → газ штовхає ракету вперед.
Ракетний двигун спалює пальне, щоб створити неймовірно гарячий газ під тиском. Цей газ виривається із сопла в нижній частині ракети — і третій закон Ньютона немов із рогатки запускає ракету вгору.
Аналогія з повітряною кулькою
Надми повітряну кульку й відпусти її, не зав'язуючи кінчик. Що станеться? Повітря вирветься назад, а кулька полетить уперед! Це точнісінько так само, як працює ракета — лише з гарячим газом замість повітря і під набагато вищим тиском.
Кулька не відштовхується від навколишнього повітря. Протидія виникає між кулькою та газом, що виходить. Саме тому ракети чудово працюють у вакуумі космосу.
Просунь нитку крізь трубочку. Надми повітряну кульку, затисни кінчик (не зав'язуй) і приклей її скотчем до трубочки. Відпусти — твоя кулька-ракета помчить уздовж нитки!
Чому так багато пального?
Щоб подолати земне тяжіння, ракета має розігнатися до швидкості приблизно 11,2 км/с — це 40 000 км/год, або у 25 разів швидше за кулю!
Проблема ось у чому: що важча ракета, то більше пального їй потрібно. Але більше пального робить ракету важчою, а отже, потрібно ще більше пального… Це тиранія рівняння Ціолковського, яке вивів російський інженер Костянтин Ціолковський у 1903 році.
Результат? Типова ракета під час старту складається приблизно на 90% із пального за масою.
Ступінчастість ракети
Ось хитрий прийом, який використовують інженери: ступінчастість. Замість однієї великої ракети будують кілька ракет, складених одна на одну.
- Перший ступінь запускається й піднімає всю ракету. Коли його пальне закінчується, він відокремлюється (скидається) — і ракета стає легшою!
- Запускається другий ступінь. Оскільки йому не потрібно нести важкий порожній перший ступінь, він набагато ефективніший.
- Третій ступінь (якщо він є) може запуститися, щоб вивести корабель на орбіту чи далі.
Скидання порожніх ступенів — це наче допити пляшку води й викинути її перед забігом: не варто нести зайву вагу.
SpaceX Falcon 9 робить дещо ще хитріше: він повертає перший ступінь на безпілотне судно в океані, щоб використати його знову. Багаторазовість суттєво знижує вартість польотів у космос.
Справжні ракети
- «Сатурн-5» (NASA, 1967–1973): Досі найпотужніша ракета з усіх, що коли-небудь літали. Вона відправила 12 людей на Місяць. Тяга на старті: 35 100 кН (близько 7,9 мільйона фунтів сили).
- Falcon 9 (SpaceX): Перша ракета, що регулярно приземляє й повторно використовує свій перший ступінь. Робоча конячка сучасних запусків супутників.
- Starship (SpaceX): Найбільша й найпотужніша ракета з усіх коли-небудь побудованих — створена, щоб доправити людей на Марс. Тяга: ~74 000 кН.
- Ariane 6 (ESA): Головна європейська важка ракета-носій. Виводить наукові супутники та комерційні вантажі на орбіту.