Rakieta

Rakieta nośna Delta IV Heavy, wynosząca statek kosmiczny Orion w ramach misji Exploration Flight Test 1

Rakieta (od wł. rocchetto) – pojazd wykorzystujący napęd odrzutowy do przyspieszania bez użycia otaczającego powietrza. Silnik rakietowy wytwarza ciąg wskutek reakcji na strumień spalin wyrzucanych z dużą prędkością. Silniki rakietowe działają wyłącznie dzięki materiałowi pędnemu przenoszonym na pokładzie, dzięki czemu rakieta może operować w przestrzeni kosmicznej. Rakiety pracują wydajniej w próżni, ponieważ w atmosferze odczuwają spadek ciągu spowodowany przeciwnym ciśnieniem atmosferycznym.

Rakiety wielostopniowe są zdolne osiągnąć prędkość ucieczki z Ziemi, a tym samym teoretycznie mogą osiągnąć nieograniczoną maksymalną wysokość. W porównaniu z silnikami turboodrzutowymi pobierającymi powietrze z otoczenia, rakiety cechują się dużą mocą przy relatywnie niewielkiej masie i są zdolne generować znaczne przyspieszenia. Do kontroli lotu rakiet wykorzystuje się między innymi: powierzchnie aerodynamiczne, pomocnicze silniki reakcyjne, wektorowanie ciągu, koła reakcyjne oraz manewry grawitacyjne.

Zastosowania rakiet w celach wojskowych i rekreacyjnych sięgają co najmniej XIII-wiecznych Chin. Znaczące użycie rakiet w nauce, lotach międzyplanetarnych i przemyśle kosmicznym nastąpiło dopiero w XX wieku, gdy astronautyka została spopularyzowana poprzez wyścig kosmiczny, w tym lądowanie człowieka na Księżycu. Obecnie rakiety stosuje się między innymi w pokazach pirotechnicznych, pociskach i innej broni, fotelach wyrzucanych, nośnikach satelitarnych, załogowych lotach kosmicznych oraz eksploracji kosmosu.

Historia

Żołnierz rosyjski z rakietą Congreve’a 1826-1828

Rakieta Goddarda (1917)

Rakieta V2

Budowa rakiety V-2:
1. Głowica bojowa;
2. Żyroskopowy system naprowadzający;
3. Odbiornik radiowy systemu naprowadzającego;
4. Mieszanina alkoholu etylowego i wody;
5. Korpus pocisku;
6. Zbiornik ciekłego tlenu;
7. Zbiornik nadtlenku wodoru;
8. Butle ze sprężonym azotem;
9. Komora reakcyjna nadtlenku wodoru;
10. Pompa paliwowa;
11. Zapłonniki mieszaniny wodno-alkoholowej;
12. Rama zespołu napędowego;
13. Komora spalania (zewnętrzne powłoki);
14. Skrzydło;
15. Wtryskiwacze alkoholu;
16. Sterownice strumienia gazów wylotowych;
17. Powierzchnie sterowe (lotki)

Chiński wynalazek prochu strzelniczego i użycie go w różnych formach, jako element broni: płonących strzał, bomb, dział, doprowadził w rezultacie do opanowania technologii pierwszych rakiet. Pierwsze rakiety były w użyciu w Chinach, około roku 970. Rakiety były używane w religijnych obrzędach na cześć bogów chińskich, tak jak dziś są używane „sztuczne ognie”. Jednak po pracach badawczych chińskich uczonych od X wieku do XII wieku używano rakiet jako broni artyleryjskiej (pocisków rakietowych) i jako fajerwerków. Rakiety były instalowane w fortach Wielkiego Muru Chińskiego i obsługiwane przez elitarne oddziały specjalistów rakietowych. Technologia budowy rakiet trafiła do Europy wraz z wojskami Czyngis-chana i jego syna Ugedeja. Mongołowie uzyskali technologię budowy rakiet z podbitej północnej części Chin, zatrudniając chińskich ekspertów rakietowych. Pierwsi Europejczycy mający doświadczenie z rakietami to Rosjanie i narody Europy Wschodniej oraz część Europy Środkowej (Austria) podbite przez Imperium Czyngis-chana. Dodatkowo Europa miała kontakt z rakietami podczas oblężenia Konstantynopola. Imperium osmańskie użyło tej broni, najprawdopodobniej pozyskało ją dzięki kontaktowi z Mongołami dwa wieki wcześniej. Przez następne dwa wieki rakiety stanowiły tajemnicę dla Europy.

Z rakietami eksperymentował polski inżynier wojskowy i artylerzysta Kazimierz Siemienowicz (ok. 1600-1651). W 1650 roku opublikował w Amsterdamie fundamentalne dzieło „Artis Magnae Artilleriae pars prima” („Wielkiej sztuki artylerii część pierwsza”), przez prawie 200 lat podstawowy podręcznik artylerii w Europie. W podręczniku Kazimierz Siemienowicz omawia między innymi technologię wytwarzania rakiet, w tym rakiet wielostopniowych, charakterystyki balistyczne rakiet, użycie wielu rakiet naraz, w tak zwanej baterii rakiet, jak i opisuje stateczniki w kształcie litery delta.

W XIX wieku Anglicy rozwijali technologię rakietową, a główną postacią w badaniach i eksperymentach z rakietami był William Congreve angielski wynalazca, pracujący nad udoskonaleniem celności rakiet. Rakiety używane były szeroko podczas wojen napoleońskich, także w Ameryce, np. w roku 1814 użyto rakiet w bitwie o Baltimore w USA. W 1809 roku William Moore wyprowadził równanie znane obecnie jako równanie Ciołkowskiego

Podczas wojen napoleońskich od 1815 roku polski generał Józef Bem przeprowadzał doświadczenia z rakietami bojowymi tzw. racami kongrewskimi w wojsku polskim. W czasie jednej z takich prób w kwietniu 1819, został poważnie poparzony w wyniku wybuchu masy palnej, która opaliła mu całą twarz. W tym roku sporządził w języku francuskim raport „Notes sur les fusees incendiares” poświęcony swoim eksperymentom, którego niemiecki przekład ogłoszono drukiem w 1820 roku w Weimarze pod tytułem Erfahrungen über die Congrevischen Raketen (Doświadczenia z rakietami kongrewskimi) . W latach 1819–1822 w stopniu kapitana wykładał artylerię oraz nauki fortyfikacyjne w Zimowej Szkole Artylerii. W wyniku prac badawczych nad użyciem rac kongrewskich oraz ich udoskonaleniom utworzono dzięki Bemowi w armii polskiej pierwsze oddziały artylerii rakietowej.

W roku 1903 Konstantin Ciołkowski, rosyjski uczony polskiego pochodzenia w artykule wyłożył teorię lotu rakiety z uwzględnieniem zmiany masy (pierwsza poważna praca z dziedziny astronautyki). W roku 1929 Ciołkowski opracował teorię ruchu rakiet wielostopniowych w ziemskim polu grawitacyjnym. Zaproponował zastosowanie w rakietach stabilizatorów żyroskopowych, chłodzenie komory spalania silnika rakietowego składnikami paliwa. Po raz pierwszy w dziejach podał podstawy teorii silnika rakietowego na paliwo ciekłe. Zaprojektował wiele rakietowych mieszanek paliwowych. Na podkreślenie zasługuje fakt, że Ciołkowski opracował podstawy lotów kosmicznych, zanim jeszcze bracia Wright wykonali pierwszy w świecie lot samolotem. Idee techniczne wysunięte przez Ciołkowskiego także obecnie znajdują zastosowanie przy budowie współczesnych silników rakietowych, rakiet i statków kosmicznych.

W roku 1917 Robert Goddard ze Smithsonian Institution w USA opatentował wynalazek poprawiający w znaczny sposób wydajność rakiety. Dodał on specjalne dysze do komory spalania silnika rakietowego powodujące wypływ gazów z prędkością naddźwiękową (dysza de Lavala). Wynalazek ten podwajał ciąg rakiety i podnosił jej sprawność. Goddard pierwszy zbudował rakiety na paliwo płynne.

Po roku 1920 w wielu krajach prowadzone były badania nad rakietami. Do krajów tych należały Niemcy, Rosja, Stany Zjednoczone, Wielka Brytania, Francja, Czechosłowacja, Austria i Włochy. Około roku 1925, w Niemczech eksperymentowano z rakietą na ciekłe paliwo, która osiągała stosunkowo dużą wysokość i duży zasięg. W roku 1927 i 1931 została odpalona rakieta używająca jako paliwa benzyny i tlenu, dzięki czemu Niemcy wysunęły się na czoło w budowie rakiet i sterowaniu nimi.

Od 1937 roku w Peenemünde na wyspie Uznam w Niemczech istniał ośrodek badawczo-rozwojowy. Od roku 1943 Niemcy prowadziły seryjną produkcję pierwszego rakietowego pocisku balistycznego V-2. Szefem niemieckiego zespołu konstruktorów był niemiecki uczony Wernher von Braun. W okresie II wojny światowej ponadto ZSRR, USA i Wielka Brytania używały broni rakietowej na masową skalę, lecz były to niekierowane pociski znacznie mniej zaawansowane od V-2 (Rosjanie używali wyrzutni rakietowych Katiusza). Rakieta V-2 była największym krokiem do przodu w technologii rakietowej. Z zasięgiem 300 km, masie startowej 12700 kg, masie użytecznej 1000 kg i ciągu silnika 25200 kG posiadała wszystkie elementy współczesnych rakiet. Posiadała turbopompę (wchodzącą w skład pompowego układu zasilania silnika rakietowego), inercyjny system sterowania i wiele innych elementów dzisiejszych rakiet. Celem rakiety była głównie Anglia, ale również Belgia i Francja. Z uwagi na małą celność rakiety V2 były głównie do atakowania miast, szczególnie Londynu. W Londynie 1400 rakiet zabiło 2,754 cywilów i zraniło 6,523. Największą liczbę ofiar stanowili jednak więźniowie obozów koncentracyjnych zatrudnieni przy produkcji rakiet, których zmarło zamęczonych przy produkcji ok. 12 000-20 000. V-2 nie zmieniła biegu wojny, ale zademonstrowała możliwości rakiety balistycznej jako broni, lecz także jako pojazdu kosmicznego.

Po wojnie ZSRR, Anglia i USA prześcigały się w pozyskaniu technologii niemieckiej. Po kapitulacji Niemiec, von Braun wraz ze współpracownikami poddał się wojskom amerykańskim, licząc na możliwość kontynuowania prac nad rakietami do celów cywilnych. Amerykańskie władze, w obliczu rysującej się konfrontacji z państwami komunistycznymi, chętnie przyjęły von Brauna, jak również część jego zespołu i ocalałe części rakiet V-2. Związek Radziecki dla przechwyconych przez siebie niemieckich specjalistów programu V-2 utworzył pierwotnie ośrodek naukowo-badawczy Institut Rabe w Bleicherode, gdzie mieli kontynuować swoją pracę, jednakże 22 października 1946 roku NKWD aresztowało ich wraz z rodzinami oraz specjalistami innych dziedzin techniki wojskowej, i tę grupę około pięciu tysięcy osób wywieziono w głąb ZSRR, gdzie mieli kontynuować swoje prace pod ścisłym nadzorem. W ten sposób zapoczątkowany został zimnowojenny wyścig rakietowy, którego ukoronowaniem była misja Apollo na Księżyc.

Podział rakiet

W zależności od liczby silników, rozróżnia się jedno- lub wielosilnikowe. W zależności od liczby członów rozróżnia się jedno- lub wielostopniowe (2-, 3- stopniowe) – po zużyciu paliwa kolejne człony są odrzucane (najczęściej tracone bezpowrotnie), a pracę podejmuje kolejny, wyższy człon. Do napędu rakiet wynoszących obiekty w przestrzeń kosmiczną używa się silników rakietowych o wielkiej mocy (wielkiej sile ciągu), do rakiet badawczych, czy też militarnych przenoszących mniejsze ciężary, odpowiednio silników rakietowych o mniejszej mocy. Istnieje też grupa rakiet małej mocy, najczęściej jako broń przeciwpancerna. Są też rakiety o bardzo małej mocy np. ognie sztuczne, czy też rakiety manewrowe w satelitach, czy rakiety sygnalizacyjne. Większość rakiet uzyskuje siłę ciągu ze spalania, a więc procesu chemicznego, i te dzielą się na rakiety na paliwo stałe oraz ciekłe. Poczesne miejsce wśród pocisków rakietowych zajmują rakietowe pociski balistyczne, czyli pociski rakietowe wyposażone w układ naprowadzania, których najistotniejszą cechą jest lot po parabolicznej krzywej balistycznej, w trakcie którego lot wznoszący odbywa się dzięki napędowi za pomocą silnika bądź silników rakietowych, dalsze zaś etapy lotu odbywają się dzięki bezwładności oraz grawitacji ziemskiej.

Zobacz też

• silnik rakietowy
• pocisk rakietowy
• rakietowy pocisk balistyczny

Bibliografia

• Józef Bem: Uwagi o rakietach zapalających. Warszawa: MON, 1953.

Linki zewnętrzne

• National Aeronautics and Space Administration (NASA) (ang.)
• Agencja Kosmiczna Federacji Rosyjskiej (ROSKOSMOS) (ros. • ang.)
• Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) (ang.)
• kosmonauta.net
• Astro Gallery. gallery.astronet.pl. [zarchiwizowane z tego adresu (2005-10-25)].