Obrazek wyróżniający: NASA

Start rakiety to jedno z najbardziej spektakularnych widowisk, jakie stworzył człowiek. Tysiące ton stali i paliwa w ułamku sekundy unoszą się w niebo, by po kilku minutach zostawić na orbicie zaledwie kilka ton ładunku. Jak to możliwe, że coś tak ogromnego staje się tak lekkie? Odpowiedź kryje się w jednym słowie: stopniowanie.

NASA

Separacja pierwszego stopnia w czasie lotu rakiety Saturn V.

Dlaczego stopniowanie?

Im mniejsza masa, tym większe przyspieszenie. Dlatego warto jak najszybciej pozbyć się zbędnych elementów konstrukcji. Dzielenie rakiet na stopnie pomaga zrealizować ten cel.

Drugi, równie ważny powód, to różnica pomiędzy silnikami zoptymalizowanymi do działania w atmosferze, a tymi pracującymi w próżni. Idealną sytuacją jest, gdy ciśnienie gazów wydobywających się z dyszy jest zbliżone do ciśnienia otoczenia. Jeśli ciśnienie wylotowe jest zbyt niskie, powietrze dostaje się do dyszy, powodując oderwanie strugi, co może uszkodzić silnik lub uniemożliwić jego prawidłowe działanie. Jeśli natomiast ciśnienie to jest zbyt wysokie, oznacza to, że gazy wciąż mają potencjał do dalszego rozpędzenia się w dyszy – tracimy w ten sposób część potencjalnego ciągu.

Z tego powodu wyższe stopnie rakiet zwykle mają jeden silnik z szeroką dyszą, pozwalającą na lepsze rozpędzenie gazów i zmniejszenie ciśnienia wylotowego. Pierwszy stopień natomiast jest zazwyczaj zoptymalizowany pod kątem pracy w atmosferze – gazy są w nim rozpędzane do mniejszych prędkości, a ciąg uzyskuje się dzięki większej liczbie silników. Dodatkowo pierwszy stopień często używa paliwa o większej gęstości (np. nafty), by zmniejszyć rozmiary zbiorników, podczas gdy górne stopnie korzystają z wodoru o wysokim impulsie właściwym. 

Rodzaje stopniowania

Rakiety można podzielić na kilka typów: jednostopniowe, ze stopniowaniem szeregowym, ze stopniowaniem równoległym oraz o konstrukcji półtora stopnia. W niektórych pojazdach kosmicznych stosowane jest więcej niż jedno z tych rozwiązań – rakieta może na przykład mieć jednocześnie stopnie połączone szeregowo i równolegle. Najpopularniejsze jest stopniowanie szeregowe, najmniej popularna jest natomiast konstrukcja typu półtora stopnia.

Przykładem konstrukcji półtora stopnia jest rakieta Atlas D, która wyniosła na orbitę pierwszego Amerykanina, Johna Glenna.  U jej podstawy pracowały trzy silniki na paliwo ciekłe – wszystkie zostały odpalone równocześnie, na starcie. Dwa zewnętrzne (boostery) odrzucono po kilku minutach lotu, a centralny silnik (sustainer) kontynuował pracę aż do osiągnięcia orbity. Co istotne, wszystkie trzy silniki korzystały z tych samych zbiorników na paliwo. To właśnie brak oddzielnych zbiorników dla odrzucanych silników sprawia, że Atlas określa się mianem konstrukcji półtora stopnia.

Wikimedia Commons

Rakieta Atlas D na platformie startowej.

Liczba stopni – kompromis między osiągami a złożonością

Większa liczba stopni zwiększa złożoność konstrukcji i koszty. Zwykle nie projektuje się rakiet z więcej niż trzema stopniami, choć zdarzają się wyjątki – np. amerykański Minotaur V ma pięć stopni.

Dolne stopnie rakiet wymagają znacznie masywniejszej konstrukcji niż ich wyższe odpowiedniki – na starcie muszą utrzymać nie tylko własny ciężar, ale również masę wszystkich kolejnych stopni. Zadaniem pierwszego segmentu jest błyskawiczne przebicie się przez gęste warstwy atmosfery i wyniesienie rakiety na dużą wysokość. Inżynierowie stawiają tu na maksymalną siłę ciągu kosztem wydajności, co przekłada się na niższy impuls właściwy silników pierwszego stopnia.

Optymalne a restrykcyjne stopniowanie

Można wyróżnić dwa podejścia do projektowania stopni rakiet:

1. Optymalne – maksymalizuje stosunek ładunku do masy całkowitej. Obowiązują tu pewne zasady: każdy kolejny stopień jest mniejszy od poprzedniego, ma wyższy impuls właściwy i dostarcza mniejszą delta-v. Podejście to wymaga skomplikowanych obliczeń wspomaganych komputerowo.

2. Restrykcyjne (uproszczone) – zakłada, że każdy stopień ma ten sam impuls właściwy, ten sam stosunek ładunku do masy oraz identyczny stosunek masy struktury do masy całkowitej. Różnią się tylko rozmiarem – każdy wyższy stopień jest mniejszy od poprzedniego. Jest to przydatne na wczesnym etapie projektowania koncepcyjnego, gdzie ważniejsze jest ogólne zrozumienie zachowania systemu niż precyzyjne wyniki.

Mechanizmy separacji stopni

Do rozdzielenia stopni rakiet zwykle stosuje się zapięcia pirotechniczne, nazywane również śrubami wybuchowymi. Ładunek wybuchowy aktywowany prądem łamie śrubę, usuwając połączenie między dwoma stopniami.

NASA/Ken Allen

Śruba pirotechniczna w module statku Orion.

Należy pamiętać, że śruby pirotechniczne pełnią wyłącznie rolę zwolnienia połączenia mechanicznego. Aby odrzucić stopnie od siebie, potrzebny jest dodatkowy mechanizm. W starszych rakietach stosowano między innymi silne sprężyny, które po wybuchu ładunku pirotechnicznego uwalniały zgromadzoną energię, a także silniki wspomagające separację, w tym silniki ulażowe.

W czasie separacji przyspieszenie rakiety spada, co powoduje unoszenie się paliwa w zbiornikach (tzw. efekt ulage – od ang. ullage). Uniemożliwia to prawidłowe kierowanie płynów do wlotów pomp. Problem rozwiązują silniki ulażowe, które nadają rakiecie lekkie przyspieszenie w czasie separacji, wymuszając opadnięcie paliwa na dno zbiorników.

Bardziej optymalnym rozwiązaniem jest hot-staging (separacja na gorąco). W tej metodzie silnik kolejnego stopnia odpala się jeszcze przed odrzuceniem poprzedniego stopnia. Rozpędzone gazy wylotowe pozwalają na odepchnięcie się poprzedniego stopnia bez użycia dodatkowych silników. Hot-staging upraszcza konstrukcję i pozwala zabrać na orbitę większą masę ładunku.

Steve Jurvetson via Wikimedia Commons

Hot-staging Starshipa.

Aby gorące gazy nie gromadziły się w przestrzeni między stopniami, stosuje się tam otwory wentylacyjne. Najlepiej widać je w rakiecie Titan II, która wynosiła astronautów na orbitę w programie Gemini. Titan II miał 16 prostokątnych otworów wentylacyjnych zgrupowanych po cztery w przedniej części pierwszego stopnia i w przestrzeni między stopniami. Było to konieczne, ponieważ Titan II stosował właśnie hot-staging – drugi stopień zapalał się, gdy pierwszy był jeszcze przymocowany.

NASA

Rakieta Titan II podczas lotu Gemini 11 (12 września 1966).

Stopniowanie rakiet to doskonały przykład, jak inżynieria balansuje na granicy fizyki, ekonomii i bezpieczeństwa. Każdy dodatkowy stopień zwiększa złożoność i koszty, ale jednocześnie pozwala wynieść cięższy ładunek na wyższą orbitę. Jak pokazuje historia, od Saturna V po Starshipa, nie ma jednego idealnego rozwiązania. Jest za to ciągłe dążenie do optymalizacji: mniejsza masa, większy ciąg, prostsza separacja.

Korekta – Ania Grzesiak