Почему у ракет несколько ступеней?

Почему ракеты состоят из нескольких ступеней? Это же сложнее и наверняка дороже. Разве нельзя сделать ракету единым блоком, с двигателями, которые работаю все время, большими топливными баками и полезной нагрузкой?

Дело в том, что выход в космос, это не столько достижение высоты, сколько набор необходимой скорости.

Для выхода на низкую околоземную орбиту конечная скорость ракеты-носителя должна составить около 8 км/с, меньше нельзя, иначе ракета просто вернется на Землю. Чтобы достичь такой скорости, специалисты конструкторы должны учитывать сразу несколько факторов, среди которых компоновка ракеты, место старта, двигатели и многое многое другое.

Есть среди факторов два наиболее важных.

Первый, это эффективность ракетного топлива. Чем полнее оно сгорает в двигателе и чем больше при этом выделяется энергии, тем меньше потребуется топлива для достижения заданной конечной скорости.

Второй фактор – соотношение начальной и конечной массы ракеты. Чем больше топлива поместится в баки ракеты и чем легче при этом будет сама ракета, тем больше будет её конечная скорость после сгорания этого топлива.

При использовании современных материалов и топлива можно создать ракету-носитель с одной ступенью. Но до орбиты она доведёт фактически только саму себя и очень незначительную полезную нагрузку.

Почему так происходит?

Работающие двигатели ракеты расходуют топливо, общая масса изделия уменьшается. С уменьшением массы тяга дает все большее ускорение, что может привести к перегрузке, которая будет действовать на все элементы ракеты, в том числе на систему управления.

Все эти элементы обычно рассчитаны на определенный уровень перегрузки. Для понимания, например, на тяжёлых «Протоне» или «Ангаре» перегрузка 4-4,5 g, а ракеты лёгкого класса летают с перегрузкой до 7 единиц. Если же тяга двигателей остается постоянной во время всего полета, то значение перегрузки будет значительно выше, чем допускают конструктивные элементы и приборы.

Чтобы увеличить массу выводимой на околоземную орбиту полезной нагрузки, необходимо в процессе полета избавиться от ставшей избыточной массы конструкции ракеты.

Проще всего это сделать, разделив ракету на несколько блоков, которые по мере полета последовательно отбрасываются.

В общем случае, ракетный блок включает в себя приборный отсек, баки горючего и окислителя, отсек с двигательной установкой. Ракетные блоки могут соединяться тандемно (последовательно), как в ракете-носителе «Ангара-1.2» или «Рокот», или пакетно (параллельно), как на первой ступени ракеты-носителя «Ангара-А5».

При старте ракеты работает первая ступень, давая ускорение до определенной высоты. После того как топливо закончится первая ступень отделяется, для дальнейшего ускорения ракеты включаются двигатели второй ступени. Затем, также после выработки топлива, отделяется вторая ступень, и включаются двигатели третьей ступени, выводя космический аппарат на орбиту.

А чтобы вывести космический аппарат на нужную орбиту, требуется выполнение манёвров на орбите.

Чтобы их выполнить, в состав ракеты дополнительно вводится разгонный блок, так как ступень ракеты не приспособлена для совершения точных маневров. Ступени включают двигатели лишь один раз, а разгонный блок может делать это много раз, что позволяет выводить полезную нагрузку точно в назначенную область.