Главная›Астрономия и космос›Космические полёты

Как работает ракета

Первая ракета на жидком топливе летела две с половиной секунды и поднялась примерно на 12.5 м.

Двигатель выбрасывает газ вниз (нижняя стрелка); газ толкает ракету вверх с равной силой (верхняя стрелка). Ни воздух, ни земля для отталкивания не нужны.

Толкни что-нибудь и получишь толчок в ответ

Встань на скейтборд и брось тяжёлый мяч вперёд: ты покатишься назад. Отпусти надутый воздушный шарик: воздух устремится из горлышка, а шарик полетит в другую сторону. В обоих случаях действует третий закон Ньютона: когда одно тело действует на другое с некоторой силой, второе действует на первое с такой же силой в противоположном направлении. Ракетный двигатель сжигает топливо, создавая много горячего газа, и выбрасывает его из сопла с большой скоростью. Ракета толкает газ назад, а газ толкает ракету вперёд.

Часто ошибочно считают, что выхлопным газам нужен воздух, от которого можно оттолкнуться. Это не так. Взаимодействие происходит внутри двигателя, между ракетой и её собственным газом. Поэтому в космическом вакууме, где не мешает воздух, ракеты работают даже лучше. Важен импульс, произведение массы на скорость. Если двигатель выбрасывает 1 кг газа со скоростью 3000 м/с, ракета получает импульс 3000 кг·м/с в противоположную сторону независимо от того, что её окружает.

Формула Циолковского

В 1903 году русский школьный учитель Константин Циолковский опубликовал работу о применении ракетных двигателей в космосе. В ней он привёл формулу, которой конструкторы ракет пользуются до сих пор. Она позволяет найти изменение скорости ракеты Δv по двум величинам: скорости истечения газа v_e и отношению начальной массы m₀ к конечной массе m_f после расходования топлива. Δv = v_e × ln(m₀ ÷ m_f). Логарифм здесь создаёт трудности. При скорости истечения 3 км/с ракета, на три четверти состоящая из топлива (отношение масс 4), получает 4.16 км/с; увеличение доли топлива до 90% (отношение 10) даёт лишь 6.91 км/с.

Для выхода на орбиту нужна горизонтальная скорость около 7.7 км/с и дополнительный запас для преодоления силы тяжести и сопротивления воздуха при подъёме. Простой одноступенчатой ракете этого не обеспечить. Решение состоит в разделении на ступени. Большая первая ступень поднимает всю ракету, а после выработки топлива отделяется, чтобы её тяжёлые баки и двигатели не оставались бесполезным грузом. Вторая ступень начинает работу с новым, гораздо более выгодным отношением масс. У ракеты NASA «Сатурн-5», использовавшейся в полётах «Аполлона», было три ступени: первая поднимала ракету примерно до 68 км, вторая доставляла почти на орбиту, третья завершала выведение, а затем направляла корабль к Луне.

Контекст16 марта 1926 года на заснеженной ферме в Оберне, штат Массачусетс, Роберт Годдард запустил первую в мире ракету на жидком топливе. По данным администрации Оберна, она поднялась на 41 фут (около 12.5 м), летела две с половиной секунды и упала в 184 футах (около 56 м) от пусковой рамы. В 1919 году Годдард опубликовал «Метод достижения предельных высот» и подвергся насмешкам за предположение, что ракета может достичь Луны. Сегодня место запуска, расположенное на территории поля для гольфа, имеет статус национального исторического памятника.

«Сатурн-5» (NASA)	Значение
Высота	111 м (363 фута)
Масса при старте	2.8 млн кг
Тяга при старте	34.5 млн ньютонов
На околоземную орбиту	около 118 000 кг
К Луне	около 43 500 кг
Ступени	3

Для отрыва от земли тяга должна превышать вес. На стартовой площадке вес «Сатурна-5» составлял 2.8 млн кг × 9.81 м/с² ≈ 27.5 млн ньютонов, а двигатели развивали 34.5 млн. Отношение составляло около 1.26. Оставшиеся 7 млн ньютонов, приходящиеся на 2.8 млн кг, вначале дают ускорение вверх всего около 2.5 м/с². Поэтому большие ракеты кажутся такими медленными при старте. По мере сгорания топлива масса уменьшается, а ускорение растёт.

Какой закон объясняет движение ракеты?
- Третий закон Ньютона
- Закон сохранения массы
- Закон Ома
Нужен ли ракетному двигателю воздух для отталкивания?
- Да
- Нет, он взаимодействует с собственными выхлопными газами
Двигатель выбрасывает 2 кг газа со скоростью 3000 м/с. Какой импульс (кг·м/с) получает ракета?
Скорость истечения 3 км/с, отношение масс 10. Чему равно Δv в км/с? (два знака после точки)
Скорость истечения 4.4 км/с, отношение масс 10. Чему равно Δv в км/с? (один знак после точки)
Зачем ракеты делят на ступени?
- Чтобы сбрасывать пустые баки и двигатели и улучшать отношение масс оставшейся части
- Потому что нельзя изготовить достаточно большой двигатель, способный запуститься
- Чтобы сделать ракету выше
Ракета Годдарда поднялась на 41 фут. Сколько это метров? (один знак после точки; 1 фут = 0.3048 м)
«Сатурн-5»: тяга 34.5 МН, вес 27.5 МН. Чему равна тяговооружённость? (два знака после точки)
В каком году Циолковский опубликовал работу о ракетах в космосе?
- 1903
- 1926
- 1957
Почему большая ракета вначале поднимается медленно?
- Её тяга лишь немного превышает вес
- Плотный воздух останавливает её
- Двигатели медленно прогреваются

Главное

Ракета толкает выхлопные газы назад, а сама получает толчок вперёд (третий закон Ньютона); воздух не нужен.
Формула Циолковского: Δv = vₑ × ln(m₀ ÷ m_f).
Отделение ступеней избавляет от бесполезного груза, и каждая ступень начинает с более выгодного отношения масс.
Годдард запустил первую ракету на жидком топливе 16 марта 1926 года.
«Сатурн-5»: 111 м, 2.8 миллиона кг, тяга 34.5 МН, три ступени.

Источники курса (17)

Town of Auburn MA, Robert Goddard (auburnma.gov/693/Robert-Goddard)
History.com This Day in History, 16 March 1926 (Tsiolkovsky 1903 treatise)
NASA "What Was the Saturn V?" (nasa.gov/learning-resources/for-kids-and-students/what-was-the-saturn-v-grades-5-8)
NASA Earth Fact Sheet (nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/earthfact.html, GM 0.39860 × 10⁶ km³/s², escape velocity 11.186 km/s, sidereal rotation 23.9345 h)
NASA History "The Dawn of the Space Age" (nasa.gov/history/dawn-of-the-space-age)
NASA "April 1961, First Human Entered Space" (nasa.gov/image-article/april-1961-first-human-entered-space)
GPS.gov Space Segment (gps.gov/space-segment)
KARI (kari.re.kr: KOMPSAT-1 1999, Chollian, Nuri launch dates, Danuri contents/193, 194, 196 and news release 2022-12-28)
Korea.kr policy news on the Nuri second launch, 21 June 2022 (korea.kr/news/policyNewsView.do?newsId=148902762)
Korea AeroSpace Administration (kasa.go.kr, founded 27 May 2024)
NASA International Space Station Facts and Figures (nasa.gov/international-space-station/space-station-facts-and-figures)
ISS National Lab on Zarya and Expedition 1 (issnationallab.org/iss360/celebrating-the-20th-anniversary-of-the-first-international-space-station-module)
Korea Herald and Korea.net on Yi So-yeon, 8 April 2008 (koreaherald.com/article/10711787, korea.net/NewsFocus/HonoraryReporters/view?articleId=264742)
NASA Apollo pages (nasa.gov/the-apollo-program, nasa.gov/history/apollo-11-mission-overview, nasa.gov/mission/artemis-ii)
NASA Voyager 1 (science.nasa.gov/mission/voyager/voyager-1) and "What is a light-day" (science.nasa.gov/mission/voyager/voyager-1/voyager-1-what-is-a-light-day)
NASA Stennis Lagniappe July 2015 on New Horizons at Pluto (nasa.gov/wp-content/uploads/2015/05/julylagniappe.pdf)
NASA SVS 5534 Parker Solar Probe (svs.gsfc.nasa.gov/5534).

Проверено: 2026-10-18