Космос · Статья
Как работают ракеты: системы пропульсии и технология запуска объяснены
Опубликовано:

Коротко
Ракеты летают, выбрасывая массу из сопла на высокой скорости, что толкает аппарат в противоположном направлении согласно третьему закону Ньютона — воздух для отталкивания не требуется. Космические аппараты, запускаемые с Земли, в основном используют химическую пропульсию (жидкую, твёрдую или гибридную), построенную многоступенчато с отбрасыванием использованных ступеней, в то время как аппараты, уже находящиеся в космосе, часто переходят на низкотяговую электрическую (ионную) пропульсию для повышения эффективности.
Эта версия — машинный перевод оригинала (English). Читать оригинал
Каждый орбитальный запуск, от выведения экипажа на Falcon 9 до испытательных полётов Starship, опирается на одни и те же основные законы физики, впервые описанные Исааком Ньютоном: на каждое действие есть равное и противоположное противодействие. Двигатель ракеты сжигает топливо и выбрасывает образующийся горячий газ из сопла на высокой скорости; газ толкает ракету в противоположном направлении. Согласно Центру исследований Гленна NASA, эта пара действия-противодействия существует между ракетой и её собственным выхлопом, поэтому ракеты работают в вакууме космоса и не нуждаются в воздухе или каком-либо другом среде для отталкивания.
Физика: тяга и удельный импульс
Инженеры описывают производительность двигателя двумя числами: тягой и удельным импульсом. Тяга — это сила, которая вырабатывается, главным образом определяется тем, сколько массы выходит из сопла и как быстро она выходит. Удельный импульс (Isp), измеряемый в секундах, описывает, насколько эффективно двигатель преобразует топливо в тягу — Центр исследований Гленна NASA определяет его как тягу, делённую на массовый расход топлива, поэтому двигатель с более высоким Isp производит больше тяги из того же количества топлива или требует меньше топлива для одинаковой тяги.
Этот один параметр позволяет инженерам подобрать двигатель и сравнивать совершенно различные системы пропульсии на равных условиях, поэтому Isp постоянно встречается в технических характеристиках ракет.
Химическая пропульсия: жидкая, твёрдая и гибридная
Почти все аппараты, покидающие земную поверхность, используют химическую пропульсию, где топливо и окислитель реагируют, образуя горячий, расширяющийся газ. Существуют три основные конфигурации. Жидкотопливные двигатели хранят топливо и окислитель отдельно и подают их в камеру сгорания, что позволяет двигателю регулировать тягу, отключаться и перезапускаться — гибкость, используемая как государственными, так и коммерческими поставщиками запусков. Твёрдотопливные двигатели смешивают топливо и окислитель в один твёрдый заряд, упакованный в корпус ракеты; они конструктивно просты и дёшевы, но, будучи один раз зажженными, горят до полного сгорания топлива. Гибридные системы объединяют твёрдое топливо с жидким или газообразным окислителем, занимая промежуточное положение между двумя подходами.
Двигатель Raptor компании SpaceX, используемый на аппаратах Starship и Super Heavy, иллюстрирует более новый подход в жидкостной пропульсии: конструкция с полным дросселированием сгорания, при которой все топливо и весь окислитель проходят через два отдельных предварительных сгорания перед попаданием в основную камеру сгорания, согласно авиакосмическому источнику Everyday Astronaut. Raptor сжигает жидкий метан с жидким кислородом — комбинацию, выбранную SpaceX отчасти потому, что метан горит, не оставляя сажистые отложения, которые усложняют повторное использование двигателей на керосине, и отчасти потому, что метан в принципе может быть произведён на Марсе из местных ресурсов. Источник сообщает, что Raptor производит примерно 2 меганьютона тяги с удельным импульсом в вакууме около 330 и 350 секунд.
Почему космические аппараты строятся в виде ступеней
Достижение орбиты с земной поверхности требует достижения высоты более примерно 150 километров при скорости более 7,9 километров в секунду, согласно руководству производителя ракет Европейского космического агентства. Одна конструкция двигателя редко делает это эффективно на протяжении всего полёта, поэтому большинство орбитальных ракет разделены на ступени, которые отбрасываются после истощения их топлива, избавляясь от неиспользуемого груза, чтобы оставшиеся ступени могли быстрее ускорять облегчённый аппарат.
Описание ESA типичного полёта класса Ariane показывает, как это работает на практике: ускорители и основная ступень работают совместно в течение первых примерно двух минут вертикального подъёма, основная ступень продолжает работать около двенадцати минут, в то время как ускорители уже отделились и упали в море примерно на высоте 60 километров, а верхняя ступень затем работает в течение последнего периода, достигая максимальной скорости миссии примерно 8 километров в секунду перед выпуском полезной нагрузки. После завершения её задачи израсходованная верхняя ступень обычно переводится на кладбищенскую орбиту, чтобы она не стала опасностью столкновения для активных спутников.
Кроме запуска: электрическая и ионная пропульсия
Когда космический аппарат уже находится на орбите или в глубоком космосе, химическая пропульсия не всегда является наиболее эффективным выбором для длительных путешествий. Многие исследовательские аппараты вместо этого используют электрическую пропульсию, которая ионизирует топливо — обычно газ ксенон — и ускоряет образующиеся заряженные частицы из двигателя с помощью электрических полей, питаемых солнечными панелями. Лаборатория реактивного движения NASA описывает тягу от этих систем как чрезвычайно мягкую: в случае миссии Psyche в поясе астероидов, давление, производимое её ионными двигателями, сравнимо с давлением нескольких монет в вашей руке, даже на полной мощности.
Эта крошечная тяга недостаточна для поднятия чего-либо с Земли, но в безтрения среде космоса она может быть применена непрерывно в течение месяцев, медленно нарастая скорость. JPL сообщает, что солнечно-электрические двигатели Psyche уже разогнали аппарат до примерно 84 000 миль в час и в конечном итоге доведут его до примерно 124 000 миль в час — демонстрируя, почему ионная пропульсия зарезервирована для крейсерского полёта в космосе, а не для запуска, где химические двигатели требуют гораздо большей тяги для преодоления гравитации и сопротивления атмосферы за считанные минуты.
| Тип | Типичное топливо | Ключевая характеристика | Основное применение |
|---|---|---|---|
| Жидкая химическая | например метан/LOX (Raptor), керосин или водород с жидким кислородом | Регулируемая, перезапускаемая и может быть отключена или перезажжена, согласно описаниям NASA Glenn и ESA | Ступени космических аппаратов |
| Твёрдая химическая | Топливо и окислитель предварительно смешаны в твёрдый заряд | Конструктивно простая; горит до полного сгорания топлива, согласно NASA Glenn | Ускорители, меньшие ракеты |
| Гибридная химическая | Твёрдое топливо с жидким/газообразным окислителем | Объединяет характеристики жидких и твёрдых систем | Нишевые и экспериментальные аппараты |
| Электрическая (ионная/холловская) | Газ ксенон, ионизированный и ускоренный электрически | Очень слабая тяга, очень высокая эффективность, согласно описанию миссии Psyche JPL | Крейсерский полёт в космосе на исследовательских аппаратах |
Вопросы
- Как ракеты работают в вакууме космоса, если нет воздуха для отталкивания?
- Ракеты не отталкиваются от воздуха; они работают согласно третьему закону Ньютона, где выброс выхлопного газа из сопла в одном направлении толкает саму ракету в противоположном направлении, реакция, которую Центр исследований Гленна NASA отмечает, работает одинаково хорошо в вакууме.
- Что такое удельный импульс и почему это важно?
- Удельный импульс (Isp), измеряемый в секундах, — это тяга, делённая на массовый расход топлива; согласно NASA Glenn, двигатель с более высоким Isp производит больше тяги из того же количества топлива, делая его ключевой мерой эффективности, используемой для сравнения двигателей.
- Почему ракетам нужны несколько ступеней вместо одного двигателя?
- Достижение орбиты требует превышения примерно 7,9 км/с на высоте более 150 км, согласно Европейскому космическому агентству; разделение аппарата на ступени позволяет отбросить использованное, теперь бесполезное оборудование в полёте, чтобы оставшиеся ступени не должны были ускорять мёртвый груз.
- Почему SpaceX использует метан вместо традиционного ракетного топлива?
- Согласно анализу Everyday Astronaut двигателя Raptor, SpaceX выбрала метан, потому что он горит без накопления сажи, которое усложняет повторное использование керосиновых двигателей, и потому что метан потенциально может быть произведён на Марсе из местных ресурсов для обратных полётов.
- Что такое ионная пропульсия и почему она не используется для запуска?
- Ионная или электрическая пропульсия ионизирует топливо, такое как ксенон, и ускоряет его с помощью электрических полей; NASA JPL описывает её тягу как чрезвычайно слабую — сравнимую с давлением нескольких монет в руке — поэтому она используется для постепенного крейсерского полёта в космосе на исследовательских аппаратах, таких как Psyche, а не для поднятия аппарата с Земли.
Источники
- NASA Glenn Research Center — Guide to Rockets (Beginner's Guide to Aeronautics)
- NASA Glenn Research Center — Specific Impulse
- European Space Agency — Launchers FAQ: Frequently Asked Questions
- Everyday Astronaut — Is SpaceX's Raptor engine the king of rocket engines?
- NASA Jet Propulsion Laboratory — NASA's Psyche Fires Up Its Sci-Fi-Worthy Thrusters
Этот материал подготовлен с помощью искусственного интеллекта и перед публикацией прошёл автоматическую проверку источников. Если вы заметили ошибку, запросите исправление. Запросить исправление или ответ · Как мы работаем
Похожие материалы

КосмосСтатья
Как работают спутники: орбитальная механика, основные типы и применение в повседневной жизни
Спутники остаются на орбите благодаря балансу между их поступательной скоростью и гравитацией Земли, что удерживает их в состоянии непрерывного свободного падения вокруг планеты вместо того, чтобы упасть на земную поверхность или улететь в космос. Инженеры выбирают высоту, форму и наклон орбиты в соответствии с назначением спутника - от низких орбит, используемых для съемки, до геостационарного пояса, применяемого для метеорологии и телекоммуникаций. По состоянию на октябрь 2026 года группы отслеживания насчитывают примерно 17 000 активных спутников вокруг Земли.
КосмосСтатья
Как работают телескопы: объяснение оптических, радио- и космических обсерваторий
Телескопы раскрывают далекую вселенную, собирая электромагнитное излучение — видимый свет, радиоволны, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское или гамма-излучение — и фокусируя его с помощью зеркал, линз или антенных тарелок. Какой дизайн работает лучше всего, зависит от длины волны: наземные оптические телескопы нуждаются в адаптивной оптике, чтобы преодолеть размытие атмосферой, радиотелескопы связывают тарелки в гигантские массивы, а рентгеновские или инфракрасные обсерватории должны находиться на орбите над земной атмосферой, которая поглощает эти длины волн.
КосмосСтатья
Как работают лунные фазы: наука лунного цикла
Лунные фазы вызваны изменяющимся углом между Солнцем, Землей и Луной по мере того, как Луна вращается вокруг нашей планеты, а не земной тенью. Полный цикл от одного новолуния к следующему — синодический месяц — занимает около 29,5 дней, немного дольше, чем фактическая орбита Луны вокруг Земли продолжительностью 27,3 дня.

КосмосРуководство
Как определить звезды и созвездия: руководство для начинающих любителей астрономии
Начинающие могут научиться определять звезды и созвездия без телескопа. NASA's Night Sky Network и The Planetary Society говорят, что невооружённого глаза достаточно для начала: выучите несколько ярких основных созвездий, а затем используйте их звёзды как указатели для поиска других. Осень и зима благоприятствуют этому хобби, потому что ночи длиннее и, как отмечает National Geographic, воздух часто обеспечивает более чистые условия неба.