Предыдущие рассуждения, казалось бы, показывают, что чем чаще сбрасывается оказавшийся бесполезным груз, т.е. чем больше ступеней в ракете; тем лучше, тем большую скорость приобретет последняя ступень, несущая полезный груз. С теоретических позиций, отвлекаясь от реальных проблем конструирования отдельных ступеней, так оно и будет на самом деле. Однако не нужно думать, что число ступеней можно увеличивать неограниченно. Если число ступеней велико, конструктивная схема ракеты: очень усложняется, а выигрыш в скорости с прибавлением новых ступеней становится все меньше и меньше.
Действительно, нельзя, например, чрезмерно уменьшать толщину стенок топливных баков, поскольку существует предел, который не следует переходить, чтобы сохранить необходимую жесткость стенок баков. Массы различных частей ракеты по-разному зависят от абсолютных размеров ракеты, и изменение размера ступени не соответствует пропорциональному уменьшению веса ее.
Размеры жидкостной ракеты нельзя уменьшить чрезмерно, так как различные сложные агрегаты ее могут оказаться настолько малыми, что не будет обеспечено их нормальное функционирование. Нужно также иметь в виду, что для некоторых частей, таких, например, как органы управления, существуют минимальные размеры независимо от ступени ракеты.
Слишком большое число ступеней, наконец, нежелательно с практической точки зрения, так как каждая лишняя ступень усложняет конструкцию и снижает надежность ракеты в целом. В четырехступенчатой ракете вероятность какой-либо неисправности на 30 % выше, чем в трехступенчатой.
Приведенные соображения — это не просто эмоции. Они подтверждены многочисленными исследованиями и проверены в практике проектирования и постройки ракет. Та же самая практика показала, что на современном уровне развития техники наиболее выгодное число ступеней равно трем и реже — четырем.
Для сравнительной оценки влияния веса полезной нагрузки и аппаратуры управления на габариты и вес ракеты-носителя рассмотрим четыре варианта трехступенчатой ракеты, предназначенной для выхода на круговую орбиту высотой 800 км. В качестве топлива рассматриваются жидкий кислород и гидразин с удельным импульсом 325 сек.
Схема А.
Этой схеме соответствует абсолютно минимальная ракета, не несущая никакой полезной нагрузки. Следовательно, ее размеры определяются только весом системы управления, необходимой для вывода последней ступени на орбиту. Система управления размещается во второй ступени и выведет ракету по необходимой траектории до момента отделения последней ступени. Система управления третьей ступенью не выводит ракету на криволинейный путь, так как вторая ступень дала ей направление полета по касательной к поверхности Земли, а только предохраняет отклонение оси ракеты от установленного направления, вследствие чего система управления упрощается и вес ее резко уменьшается. При расчетах предполагается, что на второй ступени система управления весила 100 кг, а на третьей — 25 кг. Расчеты показали, что стартовый вес абсолютно минимальной ракеты составит 16,8 т, общая длина — 15,6 м, максимальный диаметр — 1,9 м.
Схема Б.
Эта схема предназначена для того, чтобы проиллюстрировать влияние полезной нагрузки весом 100 кг, расположенной в последней ступени, на увеличение взлетного веса при размещении системы управления во второй и третьей ступенях аналогичной схемы А. После добавления полезного груза стартовый вес увеличился с 16,8 до 62,4 г, общая длина возросла до 20,5 м, а максимальный диаметр корпуса— до 3 м. Приведенные данные, в частности, наглядно показывают, что для подъема на орбиту спутника 100 кг потребовалось увеличить вес минимальной ракеты на 46,5 т. Иначе говоря, 100 кг груза на орбите эквивалентны 46,5 т веса ракеты на Земле.
Схема В.
Ракета схемы В несет также полезный груз 100 кг, но вес последней ступени увеличивается на 75 кг из-за аппаратуры управления, предназначенной для последующего управления ракетой с большой точностью, размещения приемников и передатчиков телеметрической информации и др. В результате стартовый вес увеличивается еще больше и достигает уже 91 г, общая длина ракеты составляет 24м, а максимальный диаметр — 3,5м.
Схема Г.
Описываемый вариант ракеты иллюстрирует влияние отбрасывания по частям только топливных баков, расположенных в виде полуцилиндров, вставленных один в другой. При одинаковом стартовом весе с ракетой схемы В ракета схемы Г имеет меньшую длину (12,5 м) при максимальном диаметре 4 м.
Приведенные примеры различных схем ракет наглядно иллюстрируют, какой дорогой ценой дается каждый килограмм поднятого на орбиту груза. Конечно, по мере совершенствования техники такая цена будет неуклонно снижаться, однако всему есть свой предел. Отсюда вот и возникает чрезвычайно интересный вопрос — чему равен этот предел и насколько расточительны современные носители по сравнению с теоретически найденной границей?
