Почему выход на орбиту — это задача скорости, а ракета — это в основном топливо

По материалам 15 источников: NASA Glenn Research Center, Beginner’s Guide to Aeronautics (7), NASA (4), NASA Jet Propulsion Laboratory, NASA Office of Inspector General и ещё 2. Чтение — около 7 минут. Проверено 1 октября 2026 года.

Чтобы удержаться на орбите на высоте 160 км, космический аппарат должен лететь со скоростью около 28 000 км/ч. Подняться высоко — меньшая часть задачи. В Исследовательском центре имени Гленна НАСА последовательность описывают просто: ракета-носитель «как можно быстрее выходит из атмосферы, а затем набирает скорость, необходимую, чтобы остаться на орбите». Орбитальный полёт — это сочетание высоты и горизонтальной скорости. В 2004 году SpaceShipOne поднялся достаточно высоко, чтобы «попасть в космос», но ему не хватило горизонтальной скорости, чтобы «выйти на орбиту».¹

Скорость зависит от высоты. Чем выше круговая орбита, тем меньше скорость на ней, поэтому аппарат на низкой орбите должен двигаться быстрее, чем на более высокой.¹ Часть скорости бесплатно даёт вращение Земли: стартовый стол у экватора уже движется со скоростью более 1600 км/ч, тогда как для орбиты нужно примерно 28 000 км/ч, — поэтому ракеты, нацеленные на орбиты с малым наклонением, запускают на восток.⁹ Всё остальное ракета должна набрать сама, да ещё везя с собой топливо, которое сожжёт через несколько минут. Именно эту задачу и описывает формула Циолковского.

Ракета отталкивается от собственного выхлопа

Инженеры сравнивают двигатели по удельному импульсу — мере того, сколько тяги двигатель создаёт при данном расходе топлива. Двигатель с более высоким удельным импульсом эффективнее, потому что даёт больше тяги на то же количество топлива.³ Жидкий водород и жидкий кислород при сгорании выделяют очень много энергии, но за это приходится платить, отмечается в пособии: оба нужно держать при очень низкой температуре, а жидкий водород настолько лёгок при своём объёме, что для достаточного его запаса нужны очень большие баки.⁸

Скорость из отношения масс

Ракета сжигает топливо, и её масса всё время уменьшается, поэтому простейшая форма второго закона Ньютона её движение не описывает. Если рассмотреть импульс ракеты и её выхлопа, получится так называемое уравнение идеальной ракеты — формула Циолковского. Если сказать словами, изменение скорости, которое может дать ракета, равно эффективной скорости истечения, умноженной на натуральный логарифм отношения масс — массы полностью заправленной ракеты к её массе после того, как топливо израсходовано.⁴

Изменение скорости = скорость истечения × ln(масса с топливом ÷ масса без топлива)

В пособии Центра имени Гленна разобран пример. Возьмём водородно-кислородный двигатель вроде маршевого двигателя шаттла с удельным импульсом около 350 секунд и изменение скорости около 7600 метров в секунду — примерно столько нужно для орбиты высотой 320 км. Уравнение даёт отношение масс 10. Как сказано в пособии, «из уравнения идеальной ракеты следует, что 90% веса ракеты, летящей на орбиту, — это вес топлива. Остальные 10% веса приходятся на конструкцию, двигатели и полезную нагрузку. Поэтому при нынешнем уровне техники полезная нагрузка составляет лишь около 1% стартового веса идеальной ракеты. Ракеты ужасно неэффективны и дороги».⁴

Какую долю ракеты должно составлять топливо⁴

Показать данные

Скорость, км/ч	Доля топлива в стартовой массе
0	0%
4020	27,8%
8050	47,9%
12 070	62,3%
16 090	72,8%
20 120	80,4%
24 140	85,8%
28 160	89,8%
32 190	92,6%
36 210	94,7%
40 230	96,1%

Кривая выполаживается из-за логарифма. Каждая следующая тысяча километров в час стоит больше топлива, чем предыдущая, потому что дополнительное топливо тоже приходится разгонять. В реальных полётах результат хуже идеального: пока работают двигатели, ракета тратит часть тяги на борьбу с силой тяжести, поэтому в более полной версии уравнения из пособия вычитается ускорение свободного падения, умноженное на время работы двигателей.⁴

Конструкторы ракет описывают ту же задачу несколькими отношениями. Конструктивный коэффициент сравнивает массу конструкции ступени — баков, двигателей и каркаса — с массой этой конструкции вместе с топливом; чем он меньше, тем удачнее конструкция. Большое отношение масс означает, что масса пустой конструкции, вмещающей топливо, очень мала.⁵ В пособии НАСА для учителей итог сформулирован прямо: у самых эффективных ракет массовая доля топлива около 0,91, то есть топливо составляет 91% общей массы, а конструкция и полезная нагрузка — остальные 9%.⁸ Кевин Хэнд, планетолог из Лаборатории реактивного движения (JPL), сравнил ракету с автомобилем: «Даже самая хитроумно сконструированная, эффективная ракета всё равно примерно на 85% по массе состоит из топлива». При той же пропорции, подсчитал он, автомобиль, в полном баке которого от 34 до 42 кг бензина, весил бы со всем содержимым лишь на 5,9–7,3 кг больше.⁹

Зачем ракеты избавляются от собственных частей

В пособии Центра имени Гленна описаны два способа разделения. При последовательной схеме меньшая вторая ступень стоит на большей первой; когда топливо первой ступени кончается, она выключается, отделяется, и запускается вторая. «Сатурн-5» был трёхступенчатой ракетой, которая по пути на орбиту разделялась дважды, и её ступени никогда не возвращали. При параллельной, или пакетной, схеме к центральному маршевому блоку крепят несколько первых ступеней, и на старте запускаются все сразу; когда боковые блоки выгорают, их сбрасывают, а центральный продолжает полёт. Так разделялся «Спейс шаттл». Некоторые ракеты сочетают обе схемы.⁶

Ступени даются не бесплатно. Каждой нужны свои двигатели и своя конструкция, а каждое разделение — это событие, которое обязано пройти успешно. Пособие для учителей называет это простым и давно известным приёмом: большая ракета поднимает собственную массу и массу ступеней над ней, отделяется, когда опустеет, и оставляет меньшим ступеням довершать дело с меньшим мёртвым грузом.⁸

Загрузка модели

Одна ракета — это две ракеты

Двухступенчатая ракета вроде Falcon 9 — на самом деле две ракеты, поставленные одна на другую. Первая ступень, где сосредоточена основная часть топлива и большинство двигателей, поднимает весь аппарат, в том числе вторую ступень — полноценную ракету, которая ждёт своей очереди.⁶

Разделение ступеней

Через несколько минут подъёма первая ступень выключается и отделяется. Более лёгкая верхняя ступень запускает собственный двигатель, продолжает разгоняться и постепенно переходит к горизонтальному полёту. На тщательно выбранных высоте и скорости двигатель выключается, и ступень с полезной нагрузкой оказывается на орбите.¹

Возвращение

Отделившаяся первая ступень возвращается на Землю по баллистической траектории. Её могут подобрать, как твердотопливные ускорители шаттла, или бросить, как на лунных ракетах «Аполлона».¹ Первая ступень Falcon 9 сама направляет себя на посадку — на площадку или на судно, — чтобы полететь снова.¹²

Шесть ракет — шесть ответов на одно уравнение

Загрузка техники

Каждая ракета американского парка — свой ответ на одну и ту же арифметическую задачу. У «Сатурна-5» было три последовательные ступени. SLS (Space Launch System) сочетает оба вида разделения: два твердотопливных ускорителя по бокам центральной ступени, а затем верхняя ступень, которая отправляет «Орион» к Луне.^6,11 Falcon 9 и New Glenn — двухступенчатые ракеты, первые ступени которых садятся, чтобы лететь снова.^12,14 Vulcan в зависимости от полезной нагрузки несёт от нуля до шести твердотопливных ускорителей вокруг центральной ступени с двумя двигателями, а завершает работу водородная верхняя ступень Centaur.¹⁵ Starship, самая большая из них, задумана как полностью многоразовая система — и ускоритель, и корабль.¹³

Верхние ступени SLS, Vulcan и New Glenn работают на водороде по причине, которую подсказывают цифры Центра имени Гленна: двигатель с большей скоростью истечения, а значит, с большим удельным импульсом, получает больше скорости из каждого килограмма топлива.^3,4,11,14,15

Дозаправка на орбите: один запуск превращается во множество

В пособии НАСА для учителей отмечается, что ракета должна везти всё топливо с собой, потому что «в космосе нет заправочных станций — ПОКА!»⁸ Теперь план НАСА по высадке астронавтов на Луну зависит от того, удастся ли такую станцию построить.

Посадочному модулю, которому предстоит уйти с околоземной орбиты, затормозить и выйти на окололунную орбиту, спуститься на поверхность и снова подняться, нужно больше приращения скорости, чем может дать один запуск с полезным грузом. Поэтому посадочный модуль Starship компании SpaceX должны вывести на низкую околоземную орбиту и заправить там. По данным Управления генерального инспектора НАСА, SpaceX сначала запустит топливный склад, а затем более десяти танкеров Starship — примерно по одному каждые шесть дней; каждый будет стыковаться со складом и перекачивать в него своё топливо, а когда склад заполнится, посадочный модуль пристыкуется к нему, дозаправится и отправится к Луне.¹⁰

Уравнение от этого не меняется: танкеры просто позволяют посадочному модулю начать путь с полными баками на орбите, а не на Земле. Сработает ли это, зависит от того, чего в уравнении нет: от того, удастся ли месяцами хранить в космосе сверххолодное топливо и перекачивать его между двумя кораблями без больших потерь.¹⁰