Rakiety nośne "Sputników"
...USA planowały wysłanie pierwszego sztucznego satelity Ziemi (SSZ) podczas trwającego w latach 1957-1958 Międzynarodowego Roku Geofizycznego. Plany nie były tajemnicą - wiadomo było, że najprawdopodobniej pierwszego satelitę Ziemi umieści rakieta Vanguard (budowana przez Marynarkę Wojenną USA). Niestety, te rakiety okazała się wyjątkowo zawodne - większość prób zakończyła się katastrofą. O ile dla ZSRR plany USA nie były tajemnicą, to możliwości ZSRR dla USA były niewiadomą, poza tym Amerykanie nie docenili Rosjan w tej dziedzinie.
W 1903 roku Ciołkowski podał wzór pozwalający obliczyć, jaką prędkość osiągnie rakieta, jeśli znana jest prędkość gazów z dyszy silnika oraz masa początkowa i końcowa (po wyczerpaniu paliwa) rakiety. Wynik jest zaskakujący. Dla rakiety jednostopniowej, przy prędkości gazów 1 km/sek, dla osiągnięcia I prędkości kosmicznej (PK), masa paliwa musi być 2800 razy większa od ładunku na orbicie ! Jeszcze absurdalniej wychodzi to dla osiągnięcia II PK - aż 70000 razy więcej !! Czyli dla wysłania poza Księżyc rakiety o masie 1 tony (masa użyteczna + masa pustego członu rakiety), trzeba by spalić 70000 ton paliwa (+utleniacza) !! (Dla porównania: cysterna zawierająca 7 ton paliwa musiała by ważyć.. 0.1 kg !!) Bez rakiet wielostopniowych więc się nie obejdzie...
Już w 1650 roku Polak, Konstanty Siemienowicz w swoim dziele poświęconym także rakietom, podaje przykłady rakiet wielostopniowych, a także baterii rakiet (czyli odpowiednika wielu silników pracujących równolegle (patrz ilustracja niżej):
A tak jako ciekawostka: czy rakieta pod nr 59, bez osłony, nie przypomina niektórych rosyjskich, np. Protona ?
Na podstawie obliczeń teoretycznych i popartych wynikami pierwszych rakiet amerykańskich (takich jak Atlas, Redstone czy pechowe Vanguardy) wiedziano, że do umieszczenia satelity na orbicie wokół Ziemi stosunek masy użytecznej (satelity) do całkowitej masy rakiety przy starcie powinien wynosić nawet 1:1000, a rakieta powinna być min. dwustopniowa (a raczej trzystopniowa). Czyli aby umieścić satelitę „Explorera” o masie ok. 14 kg, rakieta mogła mieć masę startową rzędu 10-15 ton.
Zdecydowana większość amerykańskich rakiet miała jeden silnik w każdym członie (rzadko dwa lub więcej). Umieszczenie kilku silników obok siebie (równolegle) w jednym stopniu rakiety było możliwe, ale w praktyce były kłopoty z synchronizacją pracy tak umieszczonych silników.
Rakieta Vanguard miała wyjątkowo małą średnicę (1.1 m) w porównaniu do jej całkowitej długości (ok. 21 m) i bywała nazywana „ołówkiem”. Pierwszy stopień miał długość 12.2 m i masę startową 7660 kg. Drugi stopień - dług. 5.36 m i masę 2160 kg. Trzeci stopień - dług. 2 m i masę 210 kg. Masa całej rakiety - 10 ton.
Od lewej: rakieta Vanguard na wyrzutni, eksplozja rakiety w dniu 4.XII.1957r, start rakiety Redstone.
Podczas pierwszej próby wysłania SSZ dnia 4.XII.1957, doszło do eksplozji rakiety zaledwie 2 sekundy po starcie. Prasa radziecka złośliwie nazwała satelitę (rakietę) „kaputnikiem”... Dopiero 17 marca 1958 roku rakieta Vanguard umieściła swojego satelitę - jednego z najmniejszych w historii - o średnicy 16 cm i masie 1.6 kg. „Vanguard 1” wszedł na orbitę o parametrach: peryg. 654 km, apog. 3860 km, a przewidywany czas „życia” satelity - ok. 300 lat !
Bardziej udane były rakiety typu Redstone i Jupiter-C. Druga z tych rakiet 31 stycznia 1958 roku wysłała na orbitę pierwszego amerykańskiego satelitę „Explorera 1” o masie 13.9 kg. Rakieta składała się aż z czterech stopni; pierwszy miał długość 14.2 m i masę 28.4 ton. Cała rakieta miała długość ponad 20 m i masę 29 ton
Kiedy ZSRR wypuścił oba sputniki pod koniec 1957 roku, nie tylko sam fakt wysłania SSZ był dla Ameryki zaskoczeniem, ale także udźwig tej rakiety. Możliwości rosyjskich rakiet, ich rozmiary, udźwig, a nawet wygląd, były jednak pilnie strzeżoną tajemnicą. Do tego stopnia, że w wydanej w 1961 roku w ZSRR, liczącej ponad 700 stron książce o locie Gagarina i Titowa, ilustracją do samego lotu Gagarina były zdjęcia innych rakiet niż Wostoka... Skoro jednak masy sputników były coraz większe (SP-1 – 83.6 kg, SP-2 – 508 kg, a SP-3 – aż 1327kg), wskazywało to na niezwykłe możliwości rakiet nośnych. I właśnie po wysłaniu pierwszych sputników, zwłaszcza „2” i „3” zaczęły się spekulacje i domysły, jakie rakiety zbudowano w ZSRR.
Masa „Sputnika 2” sugerowała, że masa startowa rakiety powinna wynosić prawie 500 ton !! Nie było jednak wówczas silników o takim ciągu. I to był początek teorii, podtrzymywanej nie tylko przez prasę, ale także naukowców z USA, że Rosjanie wymyślili niezwykle wydajne paliwo rakietowe.
Dopiero w czerwcu 1967 roku, na międzynarodowej wystawie „Air Show” w Paryżu, Rosjanie po raz pierwszy pokazali publicznie „Wostoka” (w źródłach naukowych zdjęcia Wostoka były znane nieco wcześniej). Jeszcze wtedy nie opublikowano szczegółowych danych rakiety; zapewne też nie od razu skojarzono, że pierwsze sputniki były także wysyłane w kosmos tą samą, niewiele zmodyfikowaną, rakietą R7.
Porównanie wielkości rakiet: Jupiter C (USA) - umieściła Explorera, Redstone (USA) - wynosiła kabiny załogowe Merkury i 8K71PS (ZSRR) - do wynoszenia pierwszych sputników.
Z lewej - rakieta nośna Sputnika, pośrodku - wygląd rakiety „R7” (nieco dłuższa od stosowanej w „Sputnikach” 1 i 2); w niektórych książkach tę rakietę określono jako „wersję księżycową, z prawej - silniki rakiety Sojuz; bardzo podobnie wyglądały silniki rakiet od Sputników.
...Rakieta nośna „Sputnika 1” i „Sputnika 2” - o symbolu 8K71PS - to była niemal niezmieniona radziecka rakieta balistyczna R-7, mogąca przenosić głowice jądrowe na odległości kilku tysięcy kilometrów.
Składała się z dwóch stopni:
Sputnik 8K71PS-1 - człon główny. Rakieta na paliwo ciekłe (nafta + tlen). Długość 28 metrów, średnica 3 metry, masa startowa 94.0 ton. Silniki 4 x RD-108-8D75PS. Czas działania silników 310 sekund, siła ciągu 912 kN (89.4 ton). Masa pustego członu - 7500 kg.
Sputnik 8K71PS-0 - stopień zerowy, montowany w rakiecie w ilości czterech sztuk (paliwo ciekłe j.w. ). Długość 19 metrów, średnica 2.7 metra, masa startowa 43.0 ton. Silniki 4 x RD-107-8D74PS. Czas działania silników 120 sekund, siła ciągu 970 kN (95 ton).
Podczas startu działało więc aż 20 - silników ! cztery w członie głównym i 16 (4x4) w stopniach pomocniczych. Całkowita długość rakiety - 30 metrów, masa startowa - 267 ton.
I teraz ciekawy wniosek: ilu stopniowa była ta cała rakieta ?
Przypomnę, że we wszystkich publikacjach podawano: „Sputnika wyniosła potężna rakieta wielostopniowa” oraz „Sputnik 2 nie odłączył się od ostatniego członu rakiety”.
Czy to była rakieta dwustopniowa ? Nie - z definicji w rakiecie dwustopniowej poszczególne człony są uruchamiane kolejno, po odrzuceniu pierwszego - drugi. Tutaj przy starcie uruchamiane są wszystkie silniki !
Czy to była rakieta jednostopniowa (choć przy istniejących wówczas silnikach, nie było możliwe skonstruowanie takiej rakiety, aby jeden stopień dotarł na orbitę) ? Też nie, bowiem cztery rakiety pomocnicze były odrzucane dużo wcześniej, przed wejściem na orbitę.
Warto zatem dodać, ze takie rozwiązanie było przez naukowców kwalifikowane w ten sposób, że wprowadzono ułamkowe podawanie ilości stopni !! Z tego też powodu, w posiadanych u mnie książkach z dziedziny podstaw astronautyki, rakietę Sputnika zaliczyć można jako półtorastopniową !! (Jednak do dziś najczęściej pisze się o rakiecie jako dwustopniowej).
Mamy ciekawy przypadek: „ostatni człon rakiety wielostopniowej”, który nie odłączył się od Sputnika 2”, jest „prawie” pierwszym członem !! W pierwszym poście wspomniałem, że na podstawie obliczeń uwzględniających jasność samego „Sputnika 1”i jego ostatniego członu rakiety nośnej oceniono długość tego członu na 8 metrów, a masę bez paliwa na 300 kg (M. Subotowicz „Astronautyka”, str. 432). Tymczasem rzeczywista długość tego stopnia wynosiła aż 28 metrów !
Skąd tak rażąca pomyłka ? Przypuszczam, że założono takie same albedo satelity i rakiety, a ponieważ „Sputnik2” miał kształt kuli i był wykonany z wypolerowanego aluminium (wysokie albedo), stąd „wyszła” długość tylko 8 metrów. W rzeczywistości korpus rakiety musiał mieć dużo mniejsze albedo. A poza tym - kto na Zachodzie, w 1957 roku, mógł przypuszczać, że „ostatni” człon radzieckiej rakiety będzie miał długość 28 metrów – znacznie więcej, niż cała rakieta Jupiter-C ?
Skorzystam tu jeszcze z postów Jurama (na Forum "Astro4u”) o rakiecie nośnej „Sputnika-2” oraz ogólnym wyglądzie rakiety z „Sputnikiem”. Oto ilustracje przedstawiające ich rzeczywisty wygląd :na orbicie:
Hermes
Wątek: "Łajka" - pierwszy pasażer w kosmosie (Przeczytany 18817 razy)