Движение ракеты вызывается силой реакции струи газов, выходящих из сопла двигателей ракеты. Модель содержит наглядное изображение двухступенчатой ракеты, с указанием ее основных частей. Показан также полет ракеты с работающим двигателем, отделение первой ступени.
Движение ракеты вызывается силой реакции струи газов, выходящих из сопла двигателей ракеты. Ракетный двигатель создает силу тяги, выбрасывая раскаленные газы - продукты сгорания топлива (химическая реакция между горючим и окислителем), из сопла, которое обеспечивает истечение газов со скоростью до 4 км/с. В самолетных реактивных двигателях окислитель - воздух - берется из окружающей атмосферы. Такие двигатели называют воздушно-реактивными. В отличие от реактивного самолета, ракета весь запас отбрасываемого вещества топлива = горючее + окислитель несет с собой. В ракетных двигателях часто используют или твердое (например, порох), или жидкое топливо (например, жидкий водород + жидкий кислород). В ракетном двигателе на твердом топливе камера сгорания заполнена твердым топливом, которое, после включения двигателя, постепенно сгорает, обеспечивая нужную зависимость тяги двигателя от времени. Выключить такой двигатель нельзя (он работает до полного сгорания топлива), что ограничивает их использование. Например, в космической технике они могут служить лишь ускорителями ракет-носителей. Конечная скорость v1, которую ракета может сообщить полезной нагрузке, пропорциональна скорости v0 истечения газов из двигателя и растет с увеличением отношения M/m стартовой массы M=Mт+M' ракеты к конечной массе ракеты M'+m, где m - масса полезной нагрузки. Здесь и далее индекс "т" обозначает массу топлива, а штрих - массу пустой ракеты (т. е. без топлива). Запишем это так: При правильном выборе разбиения M = M1 + M2 можно получается v2' > v1 .Преимущество двухступенчатой ракеты состоит в том, что она разгоняет до конечной скорости v2' полезную массу m и массу M2' пустой оболочки второй ступени, а одноступенчатая - полезную массу m и массу M' пустой оболочки всей ракеты, которую можно сделать меньше M1' + M2'. (в формулах (1) и (2) это не учитывается).Поскольку первая ступень должна быть массивной для преодоления силы тяжести, обычно M2' ll M'.
(1)
где f - некоторая функция. Для ракет-носителей (так называют ракеты, выводящие объекты в космическое пространство) отношение M/m обычно больше 100, а стартовая масса M - порядка сотни тонн. Для увеличения конечной скорости v1 используют многоступенчатые ракеты. В некоторых случаях многоступенчатые ракеты выгоднее одноступенчатых, т. к. отбрасывание отработавших ступеней уменьшает конечную массу ракеты, увеличивая тем самым ее эффективность, см. рис.Рис. Одноступенчатая и двухступенчатая ракеты с одинаковыми массами полезной нагрузки m и стартовыми массами M=M1 + M2 + m, M1=M1т+ M1' - масса первой ступени, M2=M2т+ M2' - второй (без учёта массы m полезного груза). Одноступенчатая ракета достигает конечной скорости (1). Когда двигатели первой ступени сожгут всё топливо, ракета достигнет скорости
После отделения первой ступени включатся двигатели второй ступени и её конечная скорость будет равна
(2)