Vícestupňová raketa je letadlo sestávající ze dvou nebo více mechanicky spojených raket , nazývaných stupně , které se za letu oddělují . Vícestupňová raketa umožňuje dosáhnout rychlosti větší než každý její stupeň samostatně.
Jedna z prvních skic vícestupňové rakety byla představena v roce 1556 v knize vojenského technika Konrada Haase . V 17. století byla v díle vojenského inženýra a generála dělostřelectva Kazimira Semenoviče zveřejněna kresba zobrazující rakety „Artis Magnae Artilleriae pars prima“ ( lat. "The Great Art of Artillery Part One"), vytištěné v roce 1650 v Amsterdamu , Nizozemsko . Na ní je třístupňová raketa , ve které je třetí stupeň vnořen do druhého a oba společně jsou na prvním stupni. V hlavové části byla umístěna kompozice pro ohňostroje . Rakety byly plněny tuhým palivem - střelným prachem . Tento vynález je zajímavý tím, že před více než třemi sty lety předjímal směr, kterým se ubírala moderní raketová technika.
Poprvé byla myšlenka použití vícestupňových raket předložena americkým inženýrem Robertem Goddardem v roce 1914 a byl obdržen patent na vynález. V roce 1929 vydal K. E. Ciolkovskij svou novou knihu s názvem „ Vlaky vesmírných raket “. K. Ciolkovskij nazval tento termín složenými raketami, nebo spíše sestavou raket, které startují na zemi, poté ve vzduchu a nakonec v kosmickém prostoru. Vlak složený např. z 5 raket je nejprve veden první - hlavovou raketou; po použití jeho paliva je vyvěšen a odhozen na zem. Dále stejným způsobem začne pracovat druhý, pak třetí, čtvrtý a nakonec pátý, jehož rychlost bude do té doby dostatečně vysoká, aby mohla být unesena do meziplanetárního prostoru . Sled práce s hlavou rakety je způsoben touhou, aby materiály rakety nefungovaly v tlaku, ale v tahu, což usnadní konstrukci. Podle Ciolkovského je délka každé rakety 30 metrů. Průměry - 3 metry. Plyny z trysek unikají nepřímo do osy raket, aby nevytvářely tlak na následující rakety. Délka rozjezdu na zemi je několik set kilometrů .
Navzdory skutečnosti, že z hlediska technických detailů se raketová věda vydala značně odlišnou cestou (moderní rakety se například „nerozptýlí“ po zemi, ale vzlétají vertikálně, a pořadí operací jednotlivých stupňů moderní raketa je opakem ve vztahu k té, o které mluvil Tsiolkovsky), samotná myšlenka vícestupňové rakety je dnes relevantní.
V roce 1935 napsal Ciolkovskij dílo „Nejvyšší rychlost rakety“, ve kterém tvrdil, že na úrovni tehdejší technologie bylo možné dosáhnout první kosmické rychlosti (na Zemi) pouze pomocí vícestupňového raketa. Toto tvrzení platí i dnes: všechny moderní nosiče kosmických lodí jsou vícestupňové. První umělý objekt, který překročil linii Karman a dostal se do vesmíru, byla jednostupňová německá raketa V-2 . Výška letu dosáhla 188 km.
Raketa je velmi „drahé“ vozidlo. Odpalovací zařízení kosmických lodí „ dopravují“ především palivo potřebné k chodu jejich motorů a vlastní konstrukce sestávající převážně z palivových nádob a pohonného systému. Užitečné zatížení tvoří pouze malou část (1,5-2,0 %) startovací hmoty rakety.
Kompozitní raketa umožňuje využívat zdroje racionálněji, protože za letu je stupeň, který vyčerpal palivo, oddělen a zbytek raketového paliva se nevynakládá na urychlení návrhu vyhořelého stupně, který se stal pro pokračování letu zbytečné. Příklad výpočtu, který potvrzuje tyto úvahy, je uveden v článku " Tsiolkovského vzorec ".
Konstrukčně jsou vícestupňové rakety vyráběny s příčným nebo podélným oddělením stupňů .
Při příčném oddělení jsou stupně umístěny nad sebou a pracují postupně za sebou a zapínají se až po oddělení předchozího stupně. Takové schéma umožňuje vytvářet systémy v zásadě s libovolným počtem stupňů. Jeho nevýhoda spočívá v tom, že zdroje následujících etap nelze využít v práci předchozí, jsou pro ni pasivní zátěží.
Při podélném oddělení se první stupeň skládá z několika stejných raket (v praxi od 2 do 8) nebo různých raket, které fungují současně a jsou umístěny symetricky kolem těla druhého stupně, takže výslednice tahových sil motorů prvního stupně je směřující podél osy symetrie druhého. Takové schéma umožňuje motoru druhého stupně pracovat současně s motory prvního, čímž se zvyšuje celkový tah, což je zvláště nutné při provozu prvního stupně, kdy je hmotnost rakety maximální. Podélně oddělená raketa by teoreticky mohla mít neomezený počet paralelně pracujících stupňů, ale v praxi je počet takových stupňů omezen na dva. Známý pro konstrukci nosné rakety „Victoria-K“, která má tři stupně s podélným oddělením [a] .
Existuje také kombinované separační schéma - podélně-příčně , které umožňuje kombinovat výhody obou schémat, ve kterých je první stupeň rozdělen od druhého podélně a oddělení všech následujících stupňů probíhá příčně. Příkladem takového přístupu je tuzemský nosič Sojuz .
Raketoplán má unikátní uspořádání dvoustupňové rakety s podélným oddělením , jejíž první stupeň se skládá ze dvou bočních posilovačů na pevná paliva, hlavní motory druhého stupně jsou instalovány na orbiteru (ve skutečnosti opakovaně použitelné kosmické lodi) a palivo druhého stupně je obsaženo v externí nádrži. Po vyčerpání paliva v externí nádrži dochází k jeho separaci a shoření v atmosféře, k vypnutí hlavních motorů [1] , dokončení startu kosmické lodi na oběžnou dráhu pomocí manévrovacího pohonného systému orbiteru . Takové schéma umožňuje opětovné použití drahých hlavních motorů.
Při příčném oddělení jsou stupně propojeny speciálními sekcemi - adaptéry - nosnými konstrukcemi válcového nebo kuželového tvaru (v závislosti na poměru průměrů stupňů), z nichž každý musí odolat celkové hmotnosti všech následujících stupňů, násobené maximální hodnotou přetížení rakety ve všech částech letu, na kterých je tento adaptér součástí rakety.
Při podélném oddělení jsou na těle druhého stupně vytvořeny výkonové pásy (přední a zadní), ke kterým jsou připevněny bloky prvního stupně.
Prvky, které spojují části kompozitní rakety, jí dodávají tuhost jednoho těla, a když jsou stupně odděleny, měly by téměř okamžitě uvolnit horní stupeň. Obvykle se spojování stupňů provádí pomocí pyrobolů . Pyrobolt je upevňovací svorník, v jehož dříku je v blízkosti hlavice vytvořena dutina naplněná trhavinou s elektrickou rozbuškou . Když je na elektrickou rozbušku aplikován proudový impuls, dojde k explozi, která zničí hřídel závěru, v důsledku čehož se jeho hlava uvolní. Množství trhaviny v pyroboltu je pečlivě dávkováno, aby na jedné straně bylo zaručeno oddělení hlavy a na druhé straně nedošlo k poškození rakety. Při oddělení stupňů jsou elektrické rozbušky všech pyroboltů spojujících oddělené části současně napájeny proudovým impulsem a spojení je uvolněno. Jako alternativa k pyroboltům se používají pneumatické separační mechanismy. Tento typ mechanismu umožňuje jeho dálkové testování a ovládání, čímž se zvyšuje spolehlivost oddělení stupňů.
Dále musí být stupně odděleny v bezpečné vzdálenosti od sebe, protože spuštění motoru horního stupně v blízkosti spodního může způsobit vyhoření jeho palivové nádrže a výbuch zbytků paliva, což poškodí horní stupeň nebo destabilizuje jeho let. Při oddělování stupňů v atmosféře lze k jejich oddělení využít aerodynamickou sílu přicházejícího proudu vzduchu a při oddělování v prázdnotě se někdy používají pomocné malé raketové motory na tuhá paliva.
U raket na kapalná paliva slouží stejné motory také k „srážení“ paliva v nádržích horního stupně: když je motor spodního stupně vypnutý, raketa letí setrvačností ve stavu volného pádu , zatímco kapalné palivo v nádrže jsou zavěšené, což může vést k poruše při startování motoru. Pomocné motory udělují stupňům mírné zrychlení, pod jehož vlivem se palivo „usazuje“ na dně nádrží.
Na obrázku nahoře rakety Saturn-5 je na těle třetího stupně (zcela vlevo, částečně zobrazeno v rámu) vidět černé tělo jednoho z pomocných motorů na tuhá paliva 3. a 2. stupně.
Zvýšení počtu stupňů má pozitivní efekt pouze do určité hranice. Čím více stupňů, tím větší je celková hmotnost adaptérů i motorů pracujících pouze v jedné letové sekci a v určitém okamžiku se další zvyšování počtu stupňů stává kontraproduktivním. V moderní raketové vědecké praxi se zpravidla nedělají více než čtyři fáze.
Při výběru počtu kroků jsou důležité také otázky spolehlivosti . Pyrobolty a pomocné raketové motory na tuhá paliva jsou jednorázové prvky, jejichž činnost nelze před startem rakety zkontrolovat. Selhání pouze jednoho pyroboltu přitom může vést k nouzovému ukončení letu rakety. Zvýšení počtu jednorázových prvků, které nepodléhají funkčnímu ověření, snižuje spolehlivost celé rakety jako celku. Také to nutí designéry, aby se zdrželi příliš mnoha kroků.