Горное небо - для вас!

Часть вторая.

Давайте разберем на живом примере, как именно работают формулы, полученные в предыдущей части статьи.
Возьмем, например, заявленную ракету Н-1. По справочнику: масса ракеты на старте (Н1Ф (форсированная)) 2950 тонн, высота ракеты 105,3 метра, тяга двигателей на старте 5130 тс (тонн силы). Из этих данных можно посчитать коэффициент избытка тяги, который получится k = 5130/2950 ≈ 1,74.   k = 1,74 означает, что тяга двигателей на старте больше весла ракеты на 74%. Давайте посмотрим, какой избыток тяги был у ракеты Сатурн-5: масса ракеты (данные из всё той же Википедии) 2965 тонн, тяга двигателей 34200 кН, что примерно равно 3420 тоннам силы. Коэффициент избытка тяги для ракеты Сатурн-5 составит k = 3420/2965 ≈ 1,15. То есть ракета Сатрун-5 взлетала от Земли с избытком тяги в 15%, что значительно меньше, чем у ракеты Н-1. Что это значит для ракеты Н-1? Это значит то, что ракета была фактически недогружена, что её масса могла быть увеличена за счет увеличения высоты ракеты, без изменения всего, что располагались на днище. Если мы попробуем низвести избыток тяги ракеты Н-1 до 15%, сделав его равным таковому для ракеты Сатурн-5, догрузив её увеличением массы, то какова должна быть высота такой удлиненной ракеты Н-1? Найдем отношение коэффициентов избытка тяги kН-1/kС-5 = 1,74/1,15 ≈ 1,51, то есть избыток тяги ракеты Н-1 в 1,5 раза больше избытка тяги ракеты Сатурн-5. Для приведения  коэффициента избытка тяги ракеты Н-1 к значению 1,15 требуется увеличить массу ракеты в 1,51 раза, что в нашем случае достигается увеличением высоты ракеты в 1,51 раза. То есть удлиненная ракета Н-1 должна иметь высоту 105,3*1,51 = 159 метров. Это мы не меняли поверхностную плотность тяги.

Если взглянуть на фотографию днища ракеты Н-1, то можно заметить, что на днище далеко не вся поверхность заполнена двигателями, еще найдется место разместить один круг двигателей, что позволит (не вдаваясь в поштучные подсчеты) поднять число двигателей примерно раза в 1,5, что увеличит и поверхностную плотность тяги тоже в 1,5 раза. Так как между поверхностной плотностью тяги и высотой ракеты прямая пропорциональная зависимость, то это означает, что после добавления двигателей на днище ракеты, мы смело можем увеличивать её высоту еще в 1,5 раза (а значит и массу ракеты). Тогда высота дважды удлиненной ракеты Н-1 составит 159*1,5 = 238,5 метра.

Это если совсем не касаться кажущейся плотности ракеты, то есть не поднимать вопрос о виде используемого топлива и не пересматривать конструктивное решение. Не будем лезть в эти дебри, просто доверимся великим конструкторам ракет прошлого и примем сделанный ими выбор конструкции ракеты и используемых топлив как оптимальные (или близкие к таковым).
Проведенные подсчеты показывают, что наше ракетостроение еще не достигло своих пиков, даже тех, которые сравнительно легко можно достичь на техническом уровне ракеты Н-1. Ракета может быть и выше 200 метров и тяжелее 3000 тонн.

Насколько больше может быть ракета, насколько тяжелее и грузоподъемнее?  При технических ограничениях на высоту ракеты единственный путь увеличения массы ракеты лежит через увеличение площади основания конического (или пирамидального) корпуса ракеты. Я не силен в аэродинамике, но интуиция подсказывает, что расширять основание конуса можно до тех пор, пока угол при вершине не достигнет 90°, в таком случае боковая сторона конуса (или пирамиды) будет находиться под углом 45° к набегающему потоку воздуха (угол атаки). Дальнейшее увеличение угла атаки должно приводить к быстрому нарастанию сопротивления воздуха.

Таким образом, наиболее реальна конструкция сверхтяжелой ракеты, у которой угол при вершине меньше 90° (либо незначительно больше, если прочие условия требуют максимального расширения площади днища). Если ракета имеет высоту, скажем, в 150 метров (что лежит в пределах современных технических возможностей) и угол при вершине в 90°, то диаметр основания ракеты составит 300 метров! Эта ракета будет поистине колоссальным сооружением! Оценим массу этой ракеты. За основу расчетов примем параметры ракета Н-1. Диаметр днища ракета Н-1 составлял 16,9 метра (данные из Википедии по первой ступени ракеты (блок "А")). Площадь днища ракеты Н-1 (или вернее площадь сечения в области днища, так как днище этой ракеты не есть плоскость) составит 224,3 м2. Площадь днища нашей супер-ракеты при диаметре в 300 метров составит 70686 м2. То есть днище супер-ракеты больше днища ракеты Н-1 в 315 раз. Если бы высота супер-ракеты составляла 105 метров (как у Н-1), то масса супер-ракеты равнялась бы 315*2950 = 929250 тонн, но по нашим условиям суперракета имеет высоту 150 метров, то есть на 43% больше, чем у Н-1, значит и массу суперракеты нужно увеличить на 43% против уже названного числа в 929250 тонн, а именно это будет 1327500 тонн. При этом ракета будет иметь достаточный избыток тяги, чтобы оторваться от Земли и полететь. Какую же массу выведет на низкую околоземную орбиту (НОО) такая ракета? Из опыта ракетостроения и космонавтики известно, что ракета выводит на низкую околоземную орбиту в самом лучшем случае 1/25 своей стартовой массы, чаще всего удается достичь только 1/30. Так ракета Н1Ф при стартовой массе в 2950 тонн должна была выводить на НОО 100 тонн груза. Исходя из этого, найдем одну тридцатую массы суперракеты, это будет 44250 тонн. Это и есть теоретическая грузоподъемность нашей суперракеты.
Зачем нужно выводить на орбиту такой колоссальный груз в 44000тонн? Это может потребоваться, когда на орбите идет какое-то огромное строительство, например, строится огромная орбитальная станция, или нужно во что бы то ни стало поднять какой-то хорошо упакованный и/или неразъемный груз, или снаряжается очень большая межпланетная экспедиция, …а может быть и межзвездная…

На Земле стоит конструкция в виде пирамиды высотой почти 146 метров, ширина квадратного основания 230 метров, угол при вершине 76° – что это? Это пирамида Хеопса в Гизе, самая большая из Великих пирамид. Удивительное сооружение, некогда поставленное на Земле загадочной цивилизацией. Многие ученые со всего мира уже не одно столетие пытаются разгадать загадку египетских пирамид, выдвигая самые различные версии и гипотезы. Среди всего многообразия мнений по поводу Великих пирамид Египта меня больше всего привлекают те из них, которые пытаются объяснить строительство пирамид как результат и свидетельство контакта людей  в глубокой древности с великой инопланетной цивилизацией, совершившей визит на нашу Землю. Только этот "сорт" гипотез, называемых в общем "гипотеза палеоконтакта", наиболее полно объясняет все те особенности Великих пирамид, которые наша современная людская техника не в силах воспроизвести: это и качество и точность позиционирования по сторонам света, и точная подгонка блоков внутренних помещений друг к другу, и перемещение и монтаж огромного количества каменных блоков…

Зачем были поставлены пирамиды? Трудно ответить сейчас на этот вопрос, тем более, что ни одной надписи. проливающей свет на предназначение пирамид, нет внутри самих пирамид. Поверить в то, что это инженерное великолепие, призванное всем своим конструктивным решением стоять тысячелетия, на самом деле предназначено только лишь для того, чтобы вмещать в себе сушеное тело умершего фараона (земного царя простых людей) - крайне трудно! Понятно лишь одно – Великие пирамиды Египта это символ, многогранный и многозначный символ, символ, который должен был, во что бы то ни стало, простоять тысячи лет и не быть ни разрушенным стихиями, ни занесенным песком пустыни. С этой задачей пирамиды прекрасно справились! Не зря же сегодня мы ломаем над ними голову!
Среди множества заложенных в пирамиды смыслов можно прочитать и такой – пирамиды это полноразмерные каменные макеты гигантских космических ракет. На первый взгляд трудно в это поверить, но вспомните – суперракета с параметрами большими (!), чем у пирамиды Хеопса, полностью укладывается в современные технические возможности ракетостроения!

Режет глаз одно – пирамиды имеют форму пирамиды. Мы же привыкли видеть ракеты цилиндрическими или коническими. Форма цилиндра хороша для малых ракет, когда же ракета начинает разрастаться, то лучше подходит форма конуса, где баки расположены в один вертикальный ряд. Если же мы наращиваем массу ракеты, расширяя площадь основания конуса, то получается, что мы в корпусе ракеты должны разместить множество конструктивных элементов: баки, конструкции каркаса (а такая суперракета не может быть выполнена по схеме с несущими баками), множество двигателей на днище. Баки лучше всего брать сферической формы и внутри корпуса в каждой ступени они будут размещаться слоями, один над другим, а не в один вертикальный ряд. Двигатели на днище тоже рационально располагать в каком-то геометрическом порядке. Ракета может быть как конусом, так и пирамидой. У конической формы, кстати, тоже есть недостатки: радиальное расположение конструкций дает неравномерное распределение прочности каркаса – ближе к оси конуса возникает сгущение элементов каркаса, а по периферии – разрежение. Форма баков и их расположение тоже будут разнообразными, также проблематично располагать двигатели на днище концентрическими кругами, элементы конструкции будут иметь разный радиус кривизны в зависимости от расположения по высоте конуса и по удаленности от оси. Всё в мире относительно, и проблемы с конической формой можно преодолеть или смириться с ними, но ведь есть альтернатива – форма пирамиды с квадратом в основании. Приняв форму пирамиды, мы получаем возможность действовать в прямоугольной системе координат, все элементы каркаса становятся одинаковыми и унифицированными, баки тоже располагаются по прямоугольной сетке и получают одинаковую стандартную форму. Обшивка пирамиды становится наборной из плоских одинаковых элементов, двигатели на днище тоже встают ровными рядами. И еще одно преимущество пирамиды перед конусом – если нас в увеличении массы ракеты сдерживает в основном величина угла при вершине, а при прочих равных условиях нам желательнее иметь угол при вершине как можно меньше, то лучший вариант это форма пирамиды, так как при равном угле при вершине конус может быть вписан внутрь соответствующей пирамиды, а значит, будет иметь меньшую площадь основания и меньшую массу. Так что выбор в пользу пирамидальной формы для суперракеты рационален и вполне оправдан.

Если к нам в глубокой древности прилетала межзвездная экспедиция высокоразвитой инопланетной цивилизации, то вполне вероятно, что в обратный путь с Земли они стартовали в гигантских ракетах-пирамидах. Запустить единовременно огромный неразъемный груз значительно легче, чем выводить полезную массу на орбиту маленькими фрагментами и там производить сборку и загрузку материалами экспедиции. Ведь придется устраивать на орбите еще и стройплощадку, понадобится запуск большого количества вспомогательной техники и материалов. А когда пойдет этап загрузки построенной капсулы материалами экспедиции, то на орбиту надо будет выводить еще огромное количество "тары" – небольших транспортных кораблей, которые после разгрузки совершенно бесполезно останутся на орбите. Так что возвращаться на межзвездный корабль, "припаркованный" в ближнем от Земли космосе, лучше всего в хорошо упакованных гигантских капсулах, где все материалы экспедиции и сами путешественники надежно размешены в наземных условиях.

Из египетских мифов мы знаем, что "боги" к конце своего правления улетели на небо на своих небесных лодках…быть может пирамиды и изображают эти самые небесные "лодки" богов, а сами пирамиды посвящены отбытию "богов" на небо… Хотя с первого взгляда в это очень трудно поверить.

обратно

Дмитрий Гусев, 2011 г.