Современные ракеты — летательные аппараты, движущиеся за счет отбрасывания массы, которую они несут с собой, — можно разделить на боевые и космические. Надо понимать, что это деление условно. Боевые ракеты неоднократно после небольшой переделки использовались для запуска спутников, а космические ракеты могут использоваться для доставки боеголовок.

Если отвечать коротко, то в пределе ракета может долететь куда угодно. Боевые ракеты при стрельбе по целям на Земле сейчас имеют дальность от нескольких сотен до 20 тысяч километров. Дальность 20 тысяч километров фактически является неограниченной, так как при любой точке запуска можно поразить любую цель на Земле. Для космических ракет важна скорость, которую они сообщают космическому аппарату. Самые быстрые спутники сейчас имеют скорости порядка 10 км/с, они использовались для изучения дальних планет Солнечной системы и сейчас покидают ее пределы. Это «Пионер-11», «Вояджер-1», «Вояджер-2» и «Новые горизонты» — все они были сделаны в США. Эти аппараты через много тысячелетий пролетят мимо других звезд.

Как рассчитываются современные ракеты? Удивительно, но основная формула для их проектирования была придумана более ста лет назад у нас в России Константином Эдуардовичем Циолковским. Он догадался, что расчет ракеты можно проводить с помощью математической модели, описывающей движение точки переменной массы. Эта модель была придумана также в России математиком из Петербургского университета Иваном Всеволодовичем Мещерским. Циолковский переписал уравнение в форме, пригодной для инженерных расчетов, и сделал ряд полезных практических выводов. За прошедшее столетие не изменились даже обозначения в формуле.


Формула Циолковского, написанная рукой самого Константина Эдуардовича

Для начала разберемся, что нужно для проведения расчета и что получается в итоге. Формула позволяет получить скорость ракеты V, разгоняющейся вне гравитационного поля и атмосферы. При этом раскаленные газы выбрасываются из сопла ракеты со скоростью V1, начальная масса ракеты составляет M1, а конечная масса после выработки всего топлива — M2. Следует заметить, что к временам Циолковского уже была известна первая космическая скорость, необходимая для выхода на орбиту Земли. Она была рассчитана еще Исааком Ньютоном и составляет около 8 км/с.

К каким же выводам пришел Константин Эдуардович?

1. Для достижения первой космической скорости необходимо использовать топливо и двигатели, дающие как можно более высокую скорость истечения газов V1.

2. Необходимо использовать ракету с как можно более высоким отношением стартовой массы к массе конечной M1/M2.

Произведя расчет по формуле известных к концу XIX века пороховых ракет, Циолковский понял, что они дают слишком малые значения и V1, и M1/M2. Из этого он заключил, что нужны новые конструктивные решения и топливо для ракет.

Ученый предложил использовать пару «жидкий водород — жидкий кислород», и сейчас это самая эффективная топливная пара в космонавтике. А новым конструктивным решением стали «ракетные поезда», когда большая ракета разделяется на несколько малых, которые отбрасываются по мере выработки в них топлива. Тем самым конечной массой M2 в такой схеме является только масса спутника и масса пустой последней ракеты, что резко увеличивает соотношение M1/M2 и относительно легко реализуемо. Сейчас «ракетные поезда» известны как многоступенчатые ракеты и активно используются.

Разумеется, для полета к другим звездам понадобятся ракеты, работающие по другим принципам. Сейчас в ракетных двигателях чаще всего используются химические реакции, которые не позволяют достигнуть скоростей больше нескольких десятков километров в секунду. Возможно, внедрение в космонавтику ядерной, термоядерной энергии и энергии аннигиляции вещества и антивещества позволит достичь скоростей вплоть до скорости света и сделать путешествия человека к другим звездам реальными.