Запуск космических аппаратов на околоземные орбиты и осуществление полетов к Луне, планетам и другим телам Солнечной системы стало возможно после создания необходимых для этого многоступенчатых космических ракет – ракет-носителей (РН). Ракета (от итальянского rocchetta – веретено) – летательный аппарат, использующий принцип реактивного движения и способный летать не только в атмосфере, но и в вакууме. Большинство современных ракет-носителей оснащаются химическими ракетными двигателями, которые используют твердое, жидкое или гибридное ракетное топливо. Основные компоненты топлива – жидкий кислород (окислитель) и керосин (горючее), кроме того, применяются четырехокись азота и несимметричный диметилгидразин, жидкие кислород и водород. Масса топлива составляет 85 – 90% от стартовой массы ракеты. Химическая реакция между горючим и окислителем проходит в камере сгорания двигателя, в результате получаются горячие газы, которые выбрасываются, создавая тягу, она и заставляет ракету двигаться. Основной энергетический показатель работы каждого ракетного двигателя – удельный импульс тяги (отношение тяги к расходу топлива в секунду). Например, один из мощных современных ракетных двигателей РД-701 (Россия) тягой 4 МН (408 тс) и удельным импульсом в вакууме 462 с расходует топливо со скоростью 491 кг/с. Стартующие с Земли РН позволяют запускать полезные нагрузки (ПН) со скоростью равной или выше первой космической – 7.9 км/с, то есть достаточной для выведения ИСЗ на низкие орбиты. Обычно ракета при выведении ПН на низкую околоземную орбиту движется на активном участке, то есть с работающими двигателями, примерно 10–15 мин. Если необходимо выведение ПН на более высокие орбиты или траектории полета к Луне и за пределы тяготения Земли, то еще раз включаются двигатели последней (верхней) ступени РН или разгонный блок после пассивного участка, длительность движения на котором зависит от выбранной траектории полета. КА переводится либо на геостационарную орбиту (высотой 36 тыс. км), либо на высокоэллиптические орбиты, либо на траекторию полета к Луне и планетам. Вторая космическая скорость в поле тяготения Земли (11.19 км/с) необходима для запуска АМС к планетам и другим телам Солнечной системы. Третья космическая скорость (16.7 км/с) достаточна, чтобы КА улетел за пределы Солнечной системы.

Современная многоступенчатая космическая ракета представляет собой сложное сооружение, состоящее из тысяч деталей и устройств. Разрабатываемые в настоящее время ракеты-носители соответствуют высочайшим критериям современной науки и техники, при их создании используются передовые технологии и вычислительная техника. Космические технологии оказывают значительное влияние на нашу жизнь, помогая внедрить новые материалы и сплавы, средства коммуникации, компьютерную технику и т.д. Ступени ракет-носителей содержат топливные баки с горючим и окислителем, двигательную установку (маршевые и рулевые двигатели). Полет ракеты регулируется бортовой системой управления движением. Схема расположения ступеней на РН различна. При продольном разделении ступени размещаются одна над другой и работают последовательно друг за другом, включаясь только после отделения предыдущей ступени. Такая, весьма распространенная, схема применяется, например, на российских РН «Днепр» и «Протон-М», китайских «CZ-3/3A» и «CZ-4С», израильской «Shavit». Верхние ступени, доставляющие ПН на заданные орбиты, сейчас заменили разгонными блоками, например, российские ДМ, «Бриз-М» (РН «Протон») и «Фрегат» (РН «Союз-ФГ»). В отличие от продольной, в поперечной схеме («пакетная») несколько блоков первой ступени симметрично располагаются вокруг корпуса второй ступени. Таких РН немного и они бывают двухступенчатыми, например, советская «Спутник» (1957 – 1958) и американские «Atlas-B/D» (1958 – 1963). Широко используется комбинированная схема – продольно-поперечная, позволяющая совместить преимущества обеих схем. К ним относятся отечественные ракеты-носители «Восток», «Союз» и «Энергия», американские «Titan-3/4» и «Delta-4Н», европейская «Ariane-5», японские «H-II/IIA», индийская «GSLV». По особой схеме устроена американская многоразовая транспортная космическая система «Спейс Шаттл», первая ступень которой – два твердотопливных ускорителя, а вторая ступень – пилотируемый космический корабль с внешним сбрасываемым топливным баком.

Маршевая двигательная установка корабля расходует топливо из внешнего бака; когда оно исчерпано, бак сбрасывается. Далее работают другие двигатели корабля (маневрирования и ориентации), они же используются для маневров в космосе и торможения во время посадки. Современные ракеты-носители, как правило, имеют не более четырех ступеней. Чтобы улучшить энергетические характеристики РН, применяются стартовые ускорители, работающие, в основном, на твердом топливе. На участке полета в плотных слоях атмосферы ПН и разгонный блок, как правило, закрыты головным обтекателем, который сбрасывается в разреженных слоях атмосферы. В зависимости от энергетических характеристик и способности выводить на низкую околоземную орбиту ПН определенной массы ракеты-носители условно разделяются на классы: легкие (масса ПН до 4 т), средние (до 20 т), тяжелые (20 – 30 т) и сверхтяжелые (более 30 т). К основным характеристикам РН относятся: внешние габариты (максимальные высота и диаметр), используемый на ступенях тип топлива, число ступеней, разгонных блоков и стартовых ускорителей, стартовая масса, тяга двигательных установок на уровне моря (стартовая), максимальная масса ПН на низкой околоземной орбите. Стартовая тяга двигательной установки РН обычно выражается в меганьютонах (1 МН = 102 тс). Например, у гагаринского носителя «Восток» суммарная тяга достигала 3.4 МН = 347 тс (мощность двигательной установки – 15 х 106 кВт, или 2 х 107 л.с.).

В начале космической эры ракеты-носители были только у СССР и США. В настоящее время собственными РН обладают шесть стран (Россия, США, Китай, Япония, Индия и Израиль) и две международные корпорации – «Arianespace» (ESA) и «Морской старт». Первые спутники с помощью собственных ракет-носителей запустили в 1957 – 1958 гг. СССР и США, в 1970 г. к ним присоединились КНР и Япония, в 1979 – 1980 гг. - ESA и Индия, в 1988 г. – Израиль. В 1999 г. впервые стартовала РН «Зенит-3SL» с морской платформы «Одиссей» по программе «Морской старт».

Россия


К числу современных наиболее мощных отечественных ракет-носителей относятся «Союз-2», «Днепр» и «Протон-М».

Носитель среднего класса «Союз-2» (высота 50.7 м, диаметр 10.3 м, топливо – керосин + жидкий кислород, три ступени и разгонный блок «Фрегат», стартовые масса – 308.6 т и тяга – 3.8 МН, ПН – до 9 т) заменит старые РН «Союз» и «Молния», будет запускать КА на различные орбиты, пилотируемые и грузовые корабли на МКС. На ней используется новая цифровая система управления, модифицированные ЖРД и большой головной обтекатель (диаметр 4.1 м и длина 11.4 м). Запуски РН производятся с 2004 г. 19 октября 2006 г. она запустила с космодрома Байконур метеорологический ИСЗ «Metop-А» европейской организации «Eumetsat» (масса 4 т), через два месяца оттуда же она стартовала с французской космической обсерваторией «Corot», а с Плесецка вывела новый российский спутник связи «Меридиан» (масса 2 т).

РН «Днепр» (высота 34.3 м, диаметр 3.0 м, топливо – азотный тетроксид + несимметричный диметилгидразин, три ступени, стартовые масса – 207 – 211 т и тяга – 2.8 МН, ПН – до 4 т) создана в КБ «Южное» (Украина) на базе МБР Р-36М (РС-20А). Она обладает высокими энергетическими возможностями, точностью выведения и надежностью в полете. Программа реализуется международной компанией «Космотрас» (Россия и Украина). Стартует РН из шахтного транспортно-пускового контейнера, двигательная установка первой ступени запускается после покидания шахты. Первый запуск осуществлен 21 апреля 1999 г. с космодрома Байконур (английский научный спутник «UoSAT-12»). 17 апреля 2007 г. она запустила сразу 14 микроспутников разных стран.

На модифицированной РН «Протон-М» (высота 52 – 58.2 м, диаметр 7.4 м, топливо – азотный тетроксид + несимметричный диметилгидразин, три ступени и разгонный блок «Бриз-М», стартовые масса – 700 – 710 т и тяга – 11.8 МН, ПН – до 24 т) используются новые агрегаты и системы. Большие головные обтекатели (диаметр 5 м) позволяют более чем вдвое увеличить объем для размещения ПН и конкурировать с зарубежными носителями, например с РН «Ariane-5», а также использовать ряд перспективных разгонных блоков. При первом старте 7 апреля 2001 г. с космодрома Байконур «Протон-М» вывела геостационарный спутник связи «Экран М-4», созданный в НПО ПМ. 11 февраля 2008 г. она вывела на геостационарную орбиту норвежский ИСЗ связи «Thor-5» (масса 2 т), а 15 марта – американский «АМС-14» (масса 4.1 т) того же назначения. С помощью «Протона-М» запускаются спутники «Глонасс М» отечественной навигационной системы.

В настоящее время создается семейство ракет-носителей «Ангара». За основу нового поколения носителей взят универсальный ракетный модуль с кислородно-керосиновыми двигателями. В серию «Ангара» войдут носители от легкого до тяжелого классов в диапазоне грузоподъемности от 1.5 т до 28 т. Перспективную РН тяжелого класса «Ангара-5А» (длина 54.3 – 63.9 м, диаметр 10.6 м, топливо – керосин + жидкий кислород, три ступени и разгонный блок «Бриз-М» или КВРБ, стартовые масса – 773 – 790 т и тяга – 12.2 МН, ПН – 24.5 – 28 т) планируют запускать с 2015 г. с космодрома Байконур.

США


Многоразовая транспортная система «Спейс Шаттл» (высота 56.3 м, диаметр 16.6 м, топливо – жидкий водород + жидкий кислород, одна ступень и стартовые ускорители, стартовые масса – до 2063 т и тяга – 28.6 МН, КК – до 122 т, в том числе ПН – до 22 т) эксплуатируется с апреля 1981 г. Изготовлено шесть кораблей («Интерпрайз», «Колумбия», «Челленджер», «Дискавери», «Атлантис», «Индевор»), из них два потерпели катастрофу: «Челленджер» (28 января 1986 г.) и «Колумбия» (1 февраля 2003 г.). Всего совершено 123 полета, в том числе 26 в рамках строительства МКС. С помощью кораблей «Спейс Шаттл» запущены различные ИСЗ, АМС «Магеллан», «Галилео» и «Улисс», космический телескоп им. Хаббла (КТХ), лабораторные блоки «Спейслэб». На орбите ремонтировался КТХ, возвращались КА на Землю, производились стыковки с ОК «Мир»; на МКС доставлялись модули, грузы и экипажи.

Новая РН среднего класса «Atlas-5» (высота 58 – 59.4 м, диаметр 5.1 м, топливо – керосин + жидкий кислород, две ступени и стартовые ускорители, стартовые масса – 435 т и тяга – 6.8 МН, ПН – до 20 т) создана на базе «Atlas-II» компанией «Lockheed Martin Asronautic» в связи с увеличением массы коммерческих КА. На первой ступени установлен российский РД-180 – один из самых мощных маршевых ЖРД в мире (тяга в вакууме 4.1 МН). С 2002 г. «Atlas-5» запускает с космодрома Канаверал в основном геостационарные связные и военные спутники. 19 января 2006 г. с ее помощью АМС «Новые горизонты» стартовала к Плутону и развила пока наибольшую в мире скорость 17.62 км/с.

Самая большая по грузоподъемности американская одноразовая РН «Delta-4 Heavy» (высота 68.1 – 71.6 м, диаметр 15.3 м, топливо – керосин + жидкий кислород, две ступени и стартовые ускорители, стартовые масса – 725.6 т и тяга – 9.2 МН, ПН – до 25.8 т) создана компанией «Boeing». Она запускается с декабря 2004 г. с космодрома Канаверал. 11 ноября 2007 г. она вывела военный спутник (масса 3.4 т) на геостационарную орбиту. С 2010 г. ее старты планируются с космодрома Ванденберг (шт. Калифорния).

В настоящее время NASA проектирует еще более мощные ракеты-носители - «Ares-1» (высота 54 – 67 м, диаметр 5.6 м, топливо – жидкий водород + жидкий кислород, две ступени, стартовые масса – 530 – 780 т и тяга – 8.7 МН, ПН – до 26 т) и «Ares-5» (высота 116 м, диаметр 15.3 м, топливо – жидкий водород + жидкий кислород, две ступени и стартовые ускорители, стартовые масса – 2500 – 2780 т и тяга – 33.7 МН, ПН – до 137 т). Эти РН должны стать частью эффективной транспортной инфраструктуры, которая разрабатывается NASA в рамках программы «Constellation» ("Созвездие"). «Ares-1» – основное средство выведения на околоземную орбиту полезных грузов и нового пилотируемого КК «Орион». «Ares-5» способен запускать к Луне ПН массой до 71 т: посадочный модуль с экипажем, крупногабаритные конструкции, жилые блоки и расходуемые материалы для строительства постоянной лунной базы. Летные испытания РН «Ares-1» запланированы на 2012 г., первый полет экипажа на МКС – 2014 г. «Ares-1» и «Ares-5» будут применяться для лунных (начиная с 2020 г.) и марсианских экспедиций (намечена на 2030 г.).

«Арианспейс» (ЕSА)


Наиболее мощный носитель Европейского космического агентства РН тяжелого класса «Ariane-5» (высота 54.5 м, диаметр 10.3 м, топливо – жидкий водород + жидкий кислород, две ступени и стартовые ускорители, стартовые масса – 718 т и тяга – 11.8 МН, ПН – до 21 т). На ракете применяется самый крупный головной обтекатель диаметром 5.4 м и длиной 17 м. Первый старт с космодрома Куру состоялся 4 июня 1996 г. и оказался неудачным. Второй экспериментальный пуск 30 октября 1997 г. прошел успешно (запущены три ИСЗ). РН выводит в основном телекоммуникационные ИСЗ (общей массой до 8 т) на геостационарную орбиту. 9 марта 2008 г. РН «Ариан-5ES» вывела на орбиту первый грузовой корабль (ATV) «Жюль Верн» массой 9.7 т, позднее состыковавшийся с МКС.

«Морской старт»

По международной программе «Морской старт» («Sea Launch») для запусков КА с морской платформы из района экватора в Тихом океане применяется российско-украинская РН «Зенит-3SL», созданная на базе носителя «Зенит-2» и разгонного блока «ДМ». Ее характеристики: высота 59.6 м, диаметр 4.2 м, топливо – керосин + жидкий кислород, три ступени, стартовые масса – 470.8 т и тяга – 7.4 МН, ПН – до 13.8 т. С помощью этого носителя запускаются с 1999 г. коммерческие спутники связи.

Китай


Китай использует для запусков ПН ракеты-носители серии «Chang Zheng» ("Великий поход"). РН среднего класса «CZ-3В» (высота 54.8 м, диаметр 11.8 м, топливо – азотный тетроксид + несимметричный диметилгидразин, три ступени и стартовые ускорители, стартовые масса – 426 т и тяга – 8.1 МН, ПН – 13.6 т) используется в настоящее время для запусков с космодрома Сичан китайских телекоммуникационных ИСЗ и спутников других стран на геостационарную орбиту.

Самая мощная китайская РН тяжелого класса «CZ-4С» (высота 53.2 м, диаметр 4.1 м, топливо – жидкий водород + жидкий кислород, три ступени, стартовые масса – 440 т и тяга – 9.3 МН, ПН – до 21 т) с космодрома Тайюань запускает с 1999 г. метеорологические и океанографические спутники, а также военные КА.

Япония


Наиболее мощный носитель среднего класса «Н-II» был создан компанией «Rocket System Corporation» в рамках реализации космической программы Японии. Первые три пробных пуска в 1994 – 1995 гг. прошли успешно. На ее основе разработана РН «Н-IIА» с жидкостными стартовыми ускорителями (длина 52.5 м, диаметр 8.2 м, топливо – жидкий водород + жидкий кислород, три ступени и стартовые ускорители, стартовые масса – 410 т и тяга – 8.3 МН, ПН – до 15 т). Она запускается с 2001 г. с космодрома Йосинобу вблизи космического центра Танегасима. ПН представляют собой геостационарные телекоммуникационные и военные спутники массой до 4.8 т. 14 сентября 2007 г. с ее помощью к Луне запущена АМС «Кагуя».

Индия

С 1986 г. фирмой «Hindustan Aeronautics» под руководством индийского космического агентства ISRO разрабатывалась РН среднего класса «GSLV» (Geosynchronous Satellite Vehicle – носитель для выведения спутников на геостационарную орбиту; высота 50.9 м, диаметр 8.6 м, топливо – жидкий водород + жидкий кислород, две ступени и стартовые ускорители, стартовые масса – 402 – 414 т и тяга – 6.8 МН, ПН – до 13 т). 18 апреля 2001 г. с космодрома Шрикарикота осуществлен первый запуск на геостационарную орбиту спутника связи «G-SAT-1» (Индия).

Израиль

Разработку и производство единственной израильской РН «Shavit» ("Метеор") осуществляет компания «Israel Aircraft Industries Ltd». Это прототип твердотопливной баллистической ракеты «Jericho-2» с добавленной третьей ступенью, созданной в Израиле в начале 1980-х гг. РН «Shavit» легкого класса (длина 18.2 м, диаметр 1.4 м, топливо – твердое, три – четыре ступени, стартовые масса – 22 т и тяга – 0.5 МН, ПН – до 0.3 т) запускает с 1988 г. с космодрома Пальмачим в основном национальные разведывательные спутники «Ofeg» (горизонт). 10 июня 2007 г. выведен очередной ИСЗ («Ofeg-7») массой 300 кг.

По материалам Роскосмос, РКК «Энергия» им. С.П. Королёва, «ЦСКБ – Прогресс», ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, NASA, ESA, CASC, JAXA, ISRO и IAI.