Теория:
Принцип реактивного движения находит широкое практическое применение в авиации и космонавтике. В космическом пространстве нет среды, с которой тело могло бы взаимодействовать и тем самым изменять направление и модуль своей скорости. Поэтому для космических полётов могут быть использованы только реактивные летательные аппараты, т. е. ракеты.
Кто же придумал ракету?
Ракета была известна давно. Очевидно, она появилась много веков назад на Востоке, возможно, в Древнем Китае — родине пороха. Ракеты (смотри ниже) использовали во время народных празднеств, устраивали фейерверки, зажигали в небе огненные дожди, фонтаны, колеса.
Древнекитайская ракета:
1 — ствол-направляющая;
2 — пороховой заряд орудия;
3 — пыж;
4 — ракета;
5 — пороховой заряд ракеты.
Ракеты применяли в военном деле. Долгое время ракета была одновременно и оружием, и игрушкой. При Петре I была создана и применялась однофунтовая сигнальная ракета «образца 1717 года» (смотри ниже), остававшаяся на вооружении до конца XIX века. Она поднималась на высоту до одного километра.
Некоторые изобретатели предлагали использовать ракету для воздухоплавания. Научившись подниматься на воздушных шарах, люди были беспомощны в воздухе. Первым, кто предложил использовать ракету как средство передвижения, был российский изобретатель, революционер Николай Иванович Кибальчич, осужденный на казнь за покушение на царя.
За десять дней до смерти в Петропавловской крепости он завершил работу над своим изобретением и передал адвокату не просьбу о помиловании или жалобу, а «Проект воздухоплавательного прибора» (чертежи и математические расчеты ракеты). Именно ракета, считал он, откроет человеку путь в небо.
Про свой аппарат (смотри выше) он написал: «Если цилиндр поставлен закрытым дном кверху, то при известном давлении газов ... цилиндр должен подняться наверх».
Какая же сила применима к воздухоплаванию? — ставит вопрос Н.И. Кибальчич и отвечает. — Такой силой, по моему мнению, является медленно горящие взрывчатые вещества... Применить энергию газов, образующихся при воспламенении взрывчатых веществ к какой-либо продолжительной работе возможно только под тем условием, если та громадная энергия, которая образуется при горении взрывчатых веществ, будет образовываться не сразу, а в течение более или менее продолжительного промежутка времени. Если мы возьмем фунт зернистого пороху, вспыхивающего при зажигании мгновенно, спрессуем его под большим давлением в форму цилиндра, то увидим, что горение не сразу охватит цилиндр, а будет распространяться довольно медленно от одного конца к другому и с определенной скоростью... На этом свойстве прессованного пороха основано устройство боевых ракет.
Конструкцию космической ракеты с жидкостным реактивным двигателем впервые предложил в 1903 году русский ученый Константин Эдуардович Циолковский.
Он разработал теорию движения космических ракет и вывел формулу для расчета их скорости.
Рассмотрим вопрос об устройстве и запуске так называемых ракет-носителей, т. е. ракет, предназначенных для вывода в космос искусственных спутников Земли, космических кораблей, автоматических межпланетных станций и других полезных грузов.
В любой ракете, независимо от её конструкции, всегда имеется оболочка и топливо с окислителем. Оболочка ракеты включает в себя полезный груз (в данном случае это космический корабль), приборный отсек и двигатель (камера сгорания, насосы и пр.).
Основную массу ракеты составляет топливо с окислителем (окислитель нужен для поддержания горения топлива, поскольку в космосе нет кислорода).
Топливо и окислитель с помощью насосов подаются в камеру сгорания. Топливо, сгорая, превращается в газ высокой температуры и высокого давления, который мощной струёй устремляется наружу через раструб специальной формы, называемый соплом. Назначение сопла состоит в том, чтобы повысить скорость струи.
С какой целью увеличивают скорость выхода струи газа? Дело в том, что от этой скорости зависит скорость ракеты. Это можно показать с помощью закона сохранения импульса.
Для простоты рассуждений будем пока считать, что ракета представляет собой замкнутую систему (т. е. не будем учитывать действие на неё силы земного притяжения).
Поскольку до старта импульс ракеты был равен нулю, то по закону сохранения суммарный импульс движущейся оболочки и выбрасываемого из неё газа тоже должен быть равен нулю. Отсюда следует, что импульс оболочки и направленный противоположно ему импульс струи газа должны быть равны по модулю:
или
.
Отсюда:
.
Значит, чем с большей скоростью вырывается газ из сопла, или, чем меньше масса оболочки ракеты, тем больше будет скорость оболочки ракеты.
В практике космических полётов обычно используют многоступенчатые ракеты, развивающие гораздо большие скорости и предназначенные для более дальних полётов, чем одноступенчатые.
На рисунке показана схема трёхступенчатой ракеты. После того, как топливо и окислитель первой ступени будут полностью израсходованы, эта ступень автоматически отбрасывается, и в действие вступает двигатель второй ступени.
Уменьшение общей массы ракеты путем отбрасывания уже ненужной ступени позволяет сэкономить топливо и окислитель и увеличить скорость ракеты (смотри формулы).
Затем таким же образом отбрасывается вторая ступень.
Полет трехступенчатой ракеты:
1 — Двигатель 1-ой ступени работает около 3 мин. За это время ракета пролетает более 50 км.
2 — Израсходовав все топливо, 1-ая ступень отделяется от ракеты, и начинает работать двигатель 2-ой ступени (около 2 мин).
3 — 3-я ступень работает примерно 12 мин и выводит спутник на околоземную орбиту на высоту около 320 км.
2 — Израсходовав все топливо, 1-ая ступень отделяется от ракеты, и начинает работать двигатель 2-ой ступени (около 2 мин).
3 — 3-я ступень работает примерно 12 мин и выводит спутник на околоземную орбиту на высоту около 320 км.
Если возвращение космического корабля на Землю или его посадка на какую-либо другую планету не планируется, то третья ступень, как и две первых, используется для увеличения скорости ракеты. Если же корабль должен совершить посадку, то она используется для торможения корабля перед посадкой. При этом ракету разворачивают на 180°, чтобы сопло оказалось впереди. Тогда вырывающийся из ракеты газ сообщает ей импульс, направленный против скорости её движения, что приводит к уменьшению скорости и даёт возможность осуществить посадку.
Источники:
www.school-collection.edu.ru, Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов
www.poznovatelno.ru, сайт «Невероятно, но факт!»
www.splazma.blogspot.com.by, сайт «GRATIS FYSICA»
www.epizodsspace.airbase.ru, сайт «Эпизоды космонавтики»
www.f.10-bal.ru
www.infourok.ru, образовательный портал «Инфоурок»