En flertrinsraket er et fly bestående af to eller flere mekanisk forbundne raketter , kaldet etaper , der adskilles under flyvning . En flertrinsraket giver dig mulighed for at opnå en hastighed, der er større end hver af dens stadier separat.
En af de første skitser til en flertrinsraket blev præsenteret i 1556 i en bog af militærtekniker Konrad Haas . I det 17. århundrede blev en tegning, der forestiller raketter, offentliggjort i arbejdet af militæringeniør og artillerigeneral Kazimir Semenovich , "Artis Magnae Artilleriae pars prima" ( lat. "The Great Art of Artillery Part One"), trykt i 1650 i Amsterdam , Holland . På den er en tre-trins raket , hvor den tredje fase er indlejret i den anden, og begge sammen er i den første fase. Kompositionen til fyrværkeri blev placeret i hoveddelen . Raketter var fyldt med fast brændstof - krudt . Denne opfindelse er interessant, fordi den for mere end tre hundrede år siden forudså den retning, som moderne raketteknologi gik i.
For første gang blev ideen om at bruge flertrinsraketter fremsat af den amerikanske ingeniør Robert Goddard i 1914, og et patent på opfindelsen blev modtaget. I 1929 udgav K. E. Tsiolkovsky sin nye bog med titlen " Space Rocket Trains ". K. Tsiolkovsky kaldte dette udtryk for sammensatte raketter, eller rettere sagt, en samling af raketter, der letter på jorden, derefter i luften og til sidst i det ydre rum. Et tog bestående af f.eks. 5 raketter bliver først styret af den første - hovedraketten; efter at have brugt sit brændstof, kroges den af og slynges til jorden. Yderligere, på samme måde, begynder den anden at virke, derefter den tredje, den fjerde og til sidst den femte, hvis hastighed på det tidspunkt vil være høj nok til at blive båret væk ind i det interplanetariske rum . Rækkefølgen af arbejdet med hovedraketten er forårsaget af ønsket om at få raketmaterialer til at fungere ikke i kompression, men i spænding, hvilket vil gøre det lettere at designe. Ifølge Tsiolkovsky er længden af hver raket 30 meter. Diameter - 3 meter. Gasser fra dyserne slipper indirekte ud til raketternes akse, for ikke at lægge pres på de efterfølgende raketter. Længden af startkørslen på jorden er flere hundrede kilometer .
På trods af det faktum, at raketvidenskaben med hensyn til tekniske detaljer har taget en meget anden vej (moderne raketter, for eksempel, "spreder" ikke langs jorden, men letter lodret, og rækkefølgen af operationen af stadierne af en moderne raket er det modsatte, i forhold til den, som Tsiolkovsky talte om), selve ideen om en flertrinsraket er stadig relevant i dag.
I 1935 skrev Tsiolkovsky værket "The Highest Rocket Speed", hvori han hævdede, at det på datidens teknologiniveau kun var muligt at opnå den første kosmiske hastighed (på Jorden) ved hjælp af en multi-stage raket. Denne erklæring forbliver sand i dag: alle moderne rumfartøjsskibe er flertrins. Det første menneskeskabte objekt, der krydsede Karman-linjen og gik ud i rummet, var den et-trins tyske V-2- raket . Flyvehøjden nåede 188 km.
Raketten er et meget "dyrt" køretøj. Affyringsramper til rumfartøjer " transporterer" hovedsageligt det brændstof, der er nødvendigt for at drive deres motorer og deres eget design, der hovedsageligt består af brændstofbeholdere og et fremdriftssystem. Nyttelasten udgør kun en lille del (1,5-2,0%) af rakettens affyringsmasse.
En kompositraket gør det muligt at bruge ressourcerne mere rationelt, da det under flyvningen adskilles det trin, der har opbrugt sit brændstof, og resten af raketbrændstoffet bliver ikke brugt på at accelerere designet af det brugte trin, hvilket er blevet unødvendigt for fortsættelsen af flyvningen. Et eksempel på en beregning, der bekræfter disse overvejelser, er givet i artiklen " Tsiolkovskys formel ".
Strukturelt er flertrinsraketter lavet med tværgående eller langsgående adskillelse af trin .
Med en tværgående adskillelse placeres trinene over hinanden og arbejder sekventielt efter hinanden og tænder først efter adskillelsen af det foregående trin. En sådan ordning gør det muligt at oprette systemer i princippet med et vilkårligt antal trin. Dens ulempe ligger i det faktum, at ressourcerne i de efterfølgende faser ikke kan bruges i arbejdet med den forrige, da de er en passiv byrde for det.
Med langsgående adskillelse består det første trin af flere identiske raketter (i praksis fra 2 til 8) eller forskellige, der opererer samtidigt og er placeret symmetrisk omkring det andet trins krop, således at resultatet af trykkræfterne fra første trins motorer er rettet langs andens symmetriakse. Et sådant skema gør det muligt for motoren i det andet trin at fungere samtidigt med motorerne i det første, hvilket øger det samlede tryk, hvilket er især nødvendigt under driften af det første trin, når rakettens vægt er maksimal. En langsgående adskilt raket kunne teoretisk have et ubegrænset antal trin, der opererer parallelt, men i praksis er antallet af sådanne trin begrænset til to. Kendt for designet af løfteraketten "Victoria-K", som har tre trin med langsgående adskillelse [a] .
Der er også et kombineret adskillelsesskema - langsgående-tværgående , som giver dig mulighed for at kombinere fordelene ved begge ordninger, hvor det første trin er opdelt fra det andet på langs, og adskillelsen af alle efterfølgende trin sker på tværs. Et eksempel på en sådan tilgang er det indenlandske Soyuz -selskab .
Rumfærgen har et unikt layout af en to-trins raket med langsgående adskillelse , hvoraf det første trin består af to laterale fastbrændselsforstærkere, hovedmotorerne i andet trin er installeret på orbiteren (faktisk genanvendeligt rumfartøj), og andet trins brændstof er indeholdt i en ekstern tank. Efter at brændstoffet i den eksterne tank er opbrugt, adskilles det og brænder i atmosfæren, hovedmotorerne slukkes [1] , og opsendelsen af rumfartøjet i kredsløb fuldføres ved hjælp af orbiterens manøvreringsfremdrivningssystem . En sådan ordning tillader genbrug af dyre hovedmotorer.
Med en tværgående adskillelse er trinene forbundet med specielle sektioner - adaptere - bærende strukturer af en cylindrisk eller konisk form (afhængigt af forholdet mellem trinens diametre), som hver skal modstå den samlede vægt af alle efterfølgende trin multipliceret ved den maksimale overbelastningsværdi , som raketten oplever i alle dele af flyvningen, hvor denne adapter er en del af raketten.
Med langsgående adskillelse skabes kraftbånd (for og bag) på kroppen af det andet trin, hvortil blokkene i det første trin er fastgjort.
De elementer, der forbinder delene af en kompositraket, giver den stivheden af et enkelt legeme, og når stadierne er adskilt, bør de næsten øjeblikkeligt frigive det øverste trin. Typisk sker sammenføjningen af trin med pyrobolte . En pyrobolt er en fastgørelsesbolt, i hvis skaft der skabes et hulrum nær hovedet, fyldt med et højsprængstof med en elektrisk detonator . Når en strømimpuls påføres den elektriske detonator, opstår der en eksplosion, der ødelægger boltakslen, som et resultat af, at dens hoved kommer af. Mængden af sprængstof i pyrobolten er omhyggeligt doseret for på den ene side at sikre adskillelse af hovedet, og på den anden side for ikke at beskadige raketten. Når trinene er adskilt, forsynes de elektriske detonatorer af alle pyrobolte, der forbinder de adskilte dele, samtidigt med en strømimpuls, og forbindelsen frigives. Som et alternativ til pyrobolte anvendes pneumatiske adskillelsesmekanismer. Denne type mekanisme tillader dens fjerntestning og kontrol, hvilket øger pålideligheden af trinadskillelse.
Dernæst skal trinene adskilles i sikker afstand fra hinanden, da start af motoren på det øverste trin nær det nederste kan forårsage udbrænding af brændstoftanken og eksplosion af brændstofrester, hvilket vil beskadige det øverste trin eller destabilisere dets flyvningen. Ved adskillelse af stadier i atmosfæren kan den modgående luftstrøms aerodynamiske kraft bruges til at adskille dem, og ved adskillelse i et tomrum bruges nogle gange små solide raketmotorer.
På raketter med flydende drivmiddel tjener de samme motorer også til at "udfælde" brændstoffet i tankene på det øverste trin: når motoren på det nederste trin er slukket, flyver raketten ved inerti i en tilstand af frit fald , mens det flydende brændstof i tankene er i suspension, hvilket kan føre til svigt ved start af motoren. Hjælpemotorer giver en let acceleration til faserne, under påvirkning af hvilke brændstoffet "sætter sig" på bunden af tankene.
På ovenstående billede af Saturn-5- raketten, på kroppen af tredje trin (yderst til venstre, delvist vist i rammen), er den sorte krop af en af hjælpemotorerne til fast drivmiddel i 3. og 2. trin synlig.
Forøgelse af antallet af stadier giver kun en positiv effekt op til en vis grænse. Jo flere etaper, jo større er den samlede masse af adaptere såvel som motorer, der kun fungerer i en flysektion, og på et tidspunkt bliver en yderligere stigning i antallet af etaper kontraproduktiv. I moderne raketvidenskabspraksis udføres mere end fire trin som regel ikke.
Når du vælger antallet af trin, er pålidelighedsproblemer også vigtige . Pyrobolte og hjælperaketmotorer med fast drivmiddel er engangselementer, hvis funktion ikke kan kontrolleres før raketopsendelsen. I mellemtiden kan svigt af kun én pyrobolt føre til en nødafbrydelse af rakettens flyvning. En stigning i antallet af engangselementer, der ikke er genstand for funktionskontrol, reducerer pålideligheden af hele raketten som helhed. Det tvinger også designere til at afstå fra for mange trin.