Saturn V — легендарная лунная ракета NASA — развивала тягу около 34 000 кН. Современная SLS, запущенная в 2022 году, мощнее: почти 39 000 кН. Но на Луну SLS доставляет вдвое меньше груза, чем Saturn V полвека назад. Как так?

Тяга ракеты — не единственное, что важно. Но именно с неё всё начинается: без достаточной тяги ракета не сдвинется с места. Это буквально входной билет в космос.

Разберёмся, что такое тяга ракеты, почему она важна — и почему «больше» не всегда значит «лучше».

Реактивная тяга: надутый шарик и третий закон Ньютона

Отпустите надутый шарик, не завязывая. Он полетит в одну сторону, воздух вырвется в другую. Ракета работает по тому же принципу.

Двигатель сжигает топливо, образуются раскалённые газы. Они с огромной скоростью вырываются из сопла назад — и по третьему закону Ньютона ракета летит вперёд. Это реактивная тяга.

Тяга измеряется в ньютонах или килоньютонах. Один килоньютон — примерно сила, с которой давит на пол стокилограммовый человек. Falcon 9 при старте развивает около 7 600 кН — как 750 слонов, тянущих в одну сторону.

Тяговооружённость: главное число перед стартом

Сама по себе тяга ракеты ничего не говорит. Важно другое: насколько она больше веса ракеты. Это тяговооружённость — отношение тяги к стартовому весу.

Меньше единицы — ракета не взлетит. Ровно единица — будет висеть на месте, сжигая топливо. Для нормального старта нужно 1,2–1,5.

Falcon 9 весит около 549 тонн, тяга первой ступени — 7 600 кН. Тяговооружённость: примерно 1,41. Двигатели тянут в полтора раза сильнее веса ракеты — поэтому она уверенно уходит вверх.

Удельный импульс и почему «просто добавить тяги» не работает

Больше тяги — нужны большие двигатели. Большие двигатели — больше топлива. Больше топлива — тяжелее ракета. Тяжелее ракета — снова нужна большая тяга. Замкнутый круг.

Это описал ещё Циолковский: масса топлива растёт экспоненциально с ростом требуемой скорости. Именно поэтому ракеты на 80–90% состоят из топлива, а полезный груз — лишь несколько процентов от общей массы.

Поэтому инженеры смотрят не только на тягу, но и на удельный импульс — топливную эффективность двигателя: сколько тяги получают с каждого килограмма сожжённого топлива. Высокая тяга ракеты нужна при старте, чтобы преодолеть гравитацию. Высокий удельный импульс важен в вакууме — на долгих перелётах. Ионные двигатели развивают тягу меньше веса смартфона, но они настолько экономичны, что отлично подходят для межпланетных зондов — просто разгоняются очень долго.

Гонка за тягой: от Р-7 до Starship

В 1957 году советская Р-7 стала первой ракетой с достаточной тягой для выхода на орбиту — около 3 900 кН. Она вывела Спутник-1 и открыла космическую эру.

Американцам для лунной экспедиции требовалась тяга свыше 30 000 кН. Так появился Saturn V с пятью двигателями F-1 на первой ступени. Один F-1 развивал около 6 770 кН — до сих пор самый мощный однокамерный жидкостный двигатель из когда-либо летавших. Все пять вместе сжигали топливо со скоростью 6 500 кг в секунду — железнодорожная цистерна за полминуты.

Советский ответ — ракета Н-1 — превосходила Saturn V по тяге: около 45 000 кН. Но на первой ступени стояло 30 двигателей НК-15. Синхронизировать их тогдашними технологиями оказалось невозможно. Все четыре пуска закончились авариями. Взрыв при втором пуске в 1971 году до сих пор считается одним из крупнейших неядерных взрывов в истории.

Raptor и Starship: новый рекорд тяги на подходе

Самым технологически продвинутым серийным двигателем сегодня считается SpaceX Raptor — он стоит на Starship. Давление в камере сгорания: около 300 бар. Для сравнения: у легендарного F-1 было 70 бар.

На первой ступени Super Heavy — 33 таких двигателя. Суммарная тяга при полной конфигурации должна достичь около 74 000 кН — вдвое больше Saturn V. Испытательные полёты уже идут.

Тяга ракеты — это физическое ограничение, которое определяет, что вообще возможно: какой груз, на какую орбиту, с каким запасом. Но история с Saturn V и SLS напоминает: грубая сила без умной конструкции — деньги на ветер. Самой мощной окажется не та ракета, у которой больше двигателей, а та, у которой лучше всё вместе. Похоже, мы живём именно в тот момент, когда это «всё вместе» наконец складывается.