Введение
Наиболее распространенный тип ракеты, используемый для запуска спутников.
Многоступенчатая ракета, или ступенчатая ракета, – это ракета-носитель, использующая две или более ступеней, каждая из которых оснащена собственными двигателями и топливом. Тандемная или последовательная ступень устанавливается поверх другой ступени, а параллельная ступень крепится рядом с другой ступенью. В результате получается, по сути, две или более ракет, сложенных друг на друга или прикрепленных бок о бок. Двухступенчатые ракеты довольно распространены, но были успешно запущены ракеты с пятью отдельными ступенями. Сбрасывая ступени по мере выработки топлива, уменьшается масса оставшейся ракеты. Каждая последующая ступень также может быть оптимизирована для своих конкретных условий эксплуатации, например, для сниженного атмосферного давления на больших высотах. Такая ступенчатость позволяет тяге оставшихся ступеней легче разгонять ракету до ее конечной скорости и высоты. В последовательных или тандемных схемах ступеней первая ступень находится внизу и обычно является самой большой, вторая ступень и последующие верхние ступени расположены над ней, как правило, уменьшаясь в размерах. В параллельных схемах ступеней используются твердотопливные или жидкостные ракетные ускорители для помощи при запуске. Их иногда называют «ступенью 0». В типичном случае двигатели первой ступени и ускорителей запускаются, чтобы поднять всю ракету вверх. Когда у ускорителей заканчивается топливо, они отделяются от остальной части ракеты (обычно с помощью небольшого взрывного заряда или взрывных болтов) и отпадают. Первая ступень сгорает до конца и отсоединяется. Остается меньшая ракета со второй ступенью внизу, которая затем запускается. Этот процесс, известный в ракетной технике как ступенчатость, повторяется до достижения необходимой конечной скорости. В некоторых случаях при последовательном разделении верхняя ступень воспламеняется до разделения – межступенчатое кольцо спроектировано с учетом этого, и тяга используется для обеспечения надежного разделения двух аппаратов. Для достижения орбитальной скорости требуется многоступенчатая ракета. Разрабатываются проекты одноступенчатых орбитальных аппаратов, но пока они не были продемонстрированы.
Тандемная и параллельная конструкция
Ракетная система с тандемным каскадом означает, что каждая отдельная ступень работает последовательно, одна за другой. Ракета отделяется от предыдущей ступени и затем немедленно начинает работу следующей. В отличие от этого, ракета с параллельным каскадом имеет две или более ступеней, работающих одновременно. Например, космический шаттл оснащен двумя твердотопливными ускорителями, которые работают одновременно. При запуске ускорители воспламеняются, а по окончании работы ступени оба ускорителя отбрасываются, в то время как внешний топливный бак сохраняется для следующей ступени.
Сборка
Каждая отдельная ступень обычно собирается на производственной площадке и доставляется на стартовый комплекс; термин "сборка ракеты-носителя" относится к соединению всех ступеней ракеты-носителя и полезной нагрузки космического аппарата в единую конструкцию, известную как космический аппарат. Одноступенчатые (суборбитальные) ракеты-носители и многоступенчатые ракеты-носители малого размера обычно могут быть собраны непосредственно на стартовой площадке путем вертикальной установки ступеней и космического аппарата с помощью крана. Это, как правило, нецелесообразно для более крупных космических аппаратов, которые собираются вне стартовой площадки и доставляются на стартовый комплекс различными способами. Пилотируемый лунный корабль NASA Apollo/Saturn V и космический челнок собирались вертикально на мобильные пусковые платформы с присоединенными стартовыми мачтами в здании сборки транспортных средств, а затем специальный гусеничный транспортер перемещал всю ракету на стартовую площадку в вертикальном положении. В отличие от этого, ракеты-носители, такие как российская "Союз" и SpaceX Falcon 9, собираются горизонтально в монтажном ангаре, транспортируются горизонтально, а затем устанавливаются в вертикальное положение на стартовой площадке.
Пассивация и космический мусор
Использованные верхние ступени ракет-носителей являются значительным источником космического мусора, остающегося на орбите в нерабочем состоянии в течение многих лет после использования, а иногда и больших областей мусора, образовавшихся в результате разрушения одной верхней ступени, находящейся на орбите. Пассивирование означает удаление любых источников накопленной энергии, оставшихся на аппарате, например, сливом топлива или разрядом аккумуляторов. Многие ранние верхние ступени, как в советской, так и в американской космических программах, не подвергались пассивированию после завершения миссии. В ходе первых попыток характеризовать проблему космического мусора стало очевидно, что значительная доля всего мусора обусловлена разрушением верхних ступеней ракет, особенно непассивированных двигательных установок верхних ступеней.
События разделения
Разделение каждой ступени многоступенчатой ракеты вносит дополнительный риск в успешное выполнение миссии запуска. Уменьшение количества событий разделения снижает сложность конструкции. События разделения происходят при отделении ступеней или боковых ускорителей после выработки топлива, при сбросе головного обтекателя перед выходом на орбиту, или, при наличии, системы аварийного спасения после начального этапа запуска. Для разделения ступеней ракеты обычно используются пиротехнические замки или, в некоторых случаях, пневматические системы, как, например, на Falcon 9 Full Thrust.
Двухступенчатый орбитальный
Двухступенчатая ракета-носитель (TSTO) — космический аппарат, в котором две различные ступени последовательно обеспечивают тягу для достижения орбитальной скорости. Она является промежуточным вариантом между трёхступенчатой ракетой-носителем и гипотетической одноступенчатой ракетой-носителем (SSTO).
Три ступени - на орбиту
Трехступенчатая система вывода на орбиту – распространенная ракета, используемая для достижения околоземной орбиты. Космический аппарат использует три последовательно работающие ступени для обеспечения тяги и достижения орбитальной скорости. Она является промежуточным вариантом между ракетой-носителем с четырьмя ступенями и ракетой-носителем с двумя ступенями.
Четырехступенчатый орбитальный
Четырехступенчатая ракетная система предназначена для вывода на орбиту Земли. Космический аппарат использует четыре последовательно работающие ступени для обеспечения тяги и достижения орбитальной скорости. Она является промежуточным вариантом между пяти- и трехступенчатыми ракетами-носителями и чаще всего применяется в системах запуска на твердом топливе.