2. Основные положения теории ракетного движения

2.1. Структура многоступенчатой ракеты

Ракетным блоком (или ускорителем) называется каждая отдельная часть ракеты, предназначенная для разгона полезной нагрузки. Масса ракетного блока состоит из массы конструкции и массы топлива.

Ступенью называется соединение ракетных блоков с полезной нагрузкой.

Полезной нагрузкой первой ступени ракеты считается вторая ступень, для второй - третья и т.д. Полезной нагрузкой последней ступени ракеты считается груз, выводимый на заданную орбиту.

В некоторых источниках ступень называют субракетой [9,11].

На рис. 2.1. представлена схема двухступенчатой ракеты с последовательным соединением ракетных блоков (схема "тандем").

Рис. 2.1. Двухступенчатая ракета с последовательным соединением ракетных блоков

На рис. 2.2 представлена схема со сбрасываемыми боковыми двигателями.

Рис. 2.2. Ракета со сбрасываемыми боковыми двигателями

Отделяющиеся в полете двигатели еще называют отделяемыми бустерными приставками [36] или вырожденными ускорителями [40]. Такая схема была реализована при создании американской баллистической ракеты "Атлас" и условно называлась «полутораступенчатой».

На рис. 2.3 представлена схема двухступенчатой ракеты с параллельным соединением ракетных блоков (схема "пакет"). Такая схема реализована на ракете Р-7, ракете-носителе "Энергия М" и др.

Ракетные блоки первой ступени

Полезная нагрузка

Ракетный блок второй ступени

Рис. 2.3. Двухступенчатые ракеты с параллельным соединением ракетных блоков

Следует отметить, что второй ступенью ракет с параллельным соединением ракетных блоков (при схеме с одновременным запуском двигателей всех ракетных блоков при старте) считается центральный блок без части топлива, которое было выработано из центрального блока до отделения боковых блоков.

На рис. 2.4 представлена схема трехступенчатой ракеты с параллельным соединением ракетных блоков первой и второй ступеней и последовательным соединением ракетного блока третьей ступени (схема "смешанное соединение" или «трехступенчатый пакет»). Такая схема реализована на ракетах-носителях "Восток", "Союз" и др.

Рис. 2.4. Трехступенчатая ракета со смешанным соединением ракетных блоков

Космический разгонный блок совместно с полезной нагрузкой образует последнюю ступень ракеты-носителя (третью, четвертую или пятую – в зависимости от количества нижних ступеней). Он может соединяться с ракетным блоком нижней ступени так же, как и обычные ракетные блоки, или располагаться в составе космической головной части. Например, разгонный блок «Фрегат», который используется для выведения некоторых типов полезной нагрузки в составе ракеты-носителя «Союз», располагается под головным обтекателем (совместно с полезной нагрузкой).

2.2. Относительные характеристики масс составных частей ракеты

На рис. 2.5 приведена схема, иллюстрирующая составные массы ракеты. С помощью этой схемы упрощается понимание сущности преобразований для определения соотношений масс ракеты, которые представлены ниже.

Рис. 2.5. Схема, иллюстрирующая составные массы ракеты

Число Циолковского одноступенчатой ракеты z есть отношение начальной массы ракеты к массе ракеты после выработки топлива (в скобках приведена иллюстрация отношения масс составных частей ракеты):

.

Число Циолковского i-ой ступени многоступенчатой ракеты есть отношение начальной массы i-й ступени ракеты к массе i-й ступени ракеты после выработки топлива из этой ступени ракеты:

. (2.1)

Относительная конечная масса i-й ступени ракеты есть отношение массы ступени после выработки топлива (конечной массы ступени) к начальной массе i-й ступени ракеты :

. (2.2)

Поскольку , то очевидно, что число Циолковского связано с характеристикой следующим соотношением:

.

Текущее значение относительной массы i-й ступени ракеты (в любой момент времени её полёта после выработки части топлива):

, (2.3) где - текущее значение массы i-й ступени ракеты.

Конструктивная характеристика i-го ракетного блока есть отношение массы i-го ракетного блока , заполненного топливом, к массе конструкции i-го ракетного блока (без топлива):

(2.4)

или (2.5)

Еще одной важной характеристикой ракеты-носителя и ее ступеней является отношение начальной массы i-й ступени ракеты к массе полезной нагрузки i-й ступени [9]:

. (2.6)

Следует отметить, что полезной нагрузкой i-й ступени ракеты является i+1-я ступень той же ракеты, а полезной нагрузкой последней ступени ракеты является космический аппарат (или космический комплекс с разгонными блоками).

Очевидно, что для многоступенчатой ракеты справедливо следующее выражение:

, (2.7)

где - отношение начальной массы ракеты (первой ступени) к массе полезной нагрузки;

, , - начальные массы первой, второй и третьей ступеней ракеты;

- масса последней ступени ракеты;

, , - отношение масс соответственно первой, второй и n-й ступеней ракеты к массам их полезных нагрузок соответственно.