А мы знаем, что чтобы происходило движение, необходимо воздействие некоторой силы. Тело либо само должно оттолкнуться от чего-нибудь, либо стороннее тело должно толкнуть данное. Это хорошо известно и понятно нам из жизненного опыта.
От чего оттолкнуться в космосе?
У поверхности Земли можно оттолкнуться от поверхности либо от находящихся на ней предметов. Для передвижения по поверхности используют ноги, колеса, гусеницы и так далее. В воде и воздухе можно отталкиваться от самих воды и воздуха, имеющих определенную плотность, и потому позволяющих взаимодействовать с ними. Природа для этого приспособила плавники и крылья.
Человек создал двигатели на основе пропеллеров, которые во много раз увеличивают площадь контакта со средой за счет вращения и позволяют отталкиваться от воды и воздуха. А как быть в случае безвоздушного пространства? От чего отталкиваться в космосе? Там нет воздуха, там ничего нет. Как осуществлять полеты в космосе? Вот тут-то и приходит на помощь закон сохранения импульса и принцип реактивного движения. Разберем подробнее.
Импульс и принцип реактивного движения
Импульс это произведение массы тела на его скорость. Когда тело неподвижно, его скорость равна нулю. Однако тело обладает некоторой массой. При отсутствии сторонних воздействий, если часть массы отделится от тела с некоторой скоростью, то по закону сохранения импульса, остальная часть тела тоже должна приобрести некоторую скорость, чтобы суммарный импульс остался по-прежнему равным нулю.
Причем скорость оставшейся основной части тела будет зависеть от того, с какой скоростью отделится меньшая часть. Чем эта скорость будет выше, тем выше будет и скорость основного тела. Это понятно, если вспомнить поведение тел на льду или в воде.
Если два человека будут находиться рядом, а потом один из них толкнет другого, то он не только придаст тому ускорение, но и сам отлетит назад. И чем сильнее он толкнет кого-либо, тем с большей скоростью отлетит сам.
Наверняка, вам приходилось бывать в подобной ситуации, и вы можете представить себе, как это происходит. Так вот, именно на этом и основано реактивное движение .
Ракеты, в которых реализован этот принцип, выбрасывают некоторую часть своей массы на большой скорости, вследствие чего сами приобретают некоторое ускорение в противоположном направлении.
Потоки раскаленных газов, возникающие в результате сгорания топлива, выбрасываются через узкие сопла для придания им максимально большой скорости. При этом, на величину массы этих газов уменьшается масса ракеты, и она приобретает некую скорость. Таким образом реализован принцип реактивного движения в физике.
Принцип полета ракеты
В ракетах применяют многоступенчатую систему. Во время полета нижняя ступень, израсходовав весь свой запас топлива, отделяется от ракеты, чтобы уменьшить ее общую массу и облегчить полет.
Количество ступеней уменьшается, пока не остается рабочая часть в виде спутника или иного космического аппарата. Топливо рассчитывают таким образом, чтобы его хватило как раз для выхода на орбиту.
Подробности Категория: Человек и небо Опубликовано 10.06.2014 18:24 Просмотров: 8274«Земля – колыбель человечества. Но нельзя вечно жить в колыбели». Это высказывание принадлежит русскому изобретателю, выдающемуся учёному-самоучке Константину Эдуардовичу Циолковскому.
Циолковского называют отцом космонавтики. Ещё в 1883 г. в своей рукописи "Свободное пространство" он высказывал мысль о том, что в космосе можно передвигаться с помощью ракеты. Но теорию ракетного движения он обосновал гораздо позже. В 1903 г. была опубликована первая часть труда учёного, который назывался «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В этом труде он привёл доказательства того, что ракета является аппаратом, способным совершать космический полёт.
Научными разработками в области воздухоплавания и аэродинамики Циолковский занимался и ранее. В 1892 г. в работе «Теория и опыт аэростата» он описал управляемый дирижабль с оболочкой из металла. В те времена оболочки делали из прорезиненной ткани. Понятно, что дирижабль Циолковского мог служить гораздо дольше. Кроме того, он был оснащён системой подогрева газа и имел переменный объём. А это позволяло сохранять постоянную подъёмную силу при различных температурах окружающей среды и на различной высоте.
В 1894 г. учёный опубликовал статью «Аэростат или птицеподобная (авиационная) летательная машина», в которой описал летательный аппарат тяжелее воздуха – аэроплан с металлическим каркасом. В статье были даны расчёты и чертежи цельнометаллического самолёта с одним изогнутым крылом. К сожалению, в то время идеи Циолковского не были поддержаны в научном мире.
Многие поколения учёных мечтали о полётах за пределы Земли – на Луну, Марс и другие планеты. Но как будет двигаться летательный аппарат в космосе, где абсолютная пустота и нет опоры, оттолкнувшись от которой он получит ускорение? Циолковский предложил использовать для этой цели ракету, приводимую в движение реактивным двигателем.
Как устроен ракетный двигатель
В космическом пространстве нет ни твёрдой, ни жидкой, ни газообразной опоры. И ускорение космическому кораблю может сообщить только реактивная сила . Для появления этой силы внешние воздействия не нужны. Она возникает, когда продукты сгорания вытекают из сопла ракеты с некоторой скоростью относительно самой ракеты.
Основная часть ракетного двигателя – камера сгорания . В ней и происходит процесс сгорания топлива. В одной из стенок этой камеры есть отверстие, называемое реактивным соплом . Вот через это отверстие и выбрасываются газы, образуемые при сгорании.
Продукты сгорания топлива в двигателях называют рабочим телом. Вообще, рабочее тело – это некое условное материальное тело, расширяющееся при нагреве и сжимающееся при охлаждении. В каждом типе двигателя оно разное. Так, в тепловых двигателях, рабочее тело – это продукты сгорания бензина, дизельного топлива и др. В ракетных – продукты сгорания ракетного топлива. А топливо для ракетных двигателей также бывает разным. И в зависимости от его вида различают ядерные ракетные двигатели, электрические ракетные двигатели, химические ракетные двигатели.
В ядерном ракетном двигателе рабочее тело нагревается за счёт энергии, которая выделяется при ядерных реакциях.
В электрических ракетных двигателях источником энергии служит электрическая энергия.
Химические ракетные двигатели , в которых топливо (горючее и окислитель) состоит из веществ, находящихся в твёрдом состоянии, называются твёрдотопливными (РДТТ). А в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) компоненты топлива хранятся в жидком агрегатном состоянии.
Циолковский предложил использовать для полётов в космосе жидкостные ракетные двигатели. Такие двигатели преобразуют химическую энергию топлива в кинетическую энергию выбрасываемой из сопла струи. В камерах сгорания этих двигателей происходит экзотермическая (с выделением теплоты) реакция горючего и окислителя. В результате этой реакции продукты сгорания нагреваются, расширяются и, разгоняясь в сопле, истекают из двигателя с огромной скоростью. А ракета, согласно закону сохранения импульса, получает ускорение, направленное в другую сторону.
И в наше время для полётов в космосе применяют ракетные двигатели. Конечно, существуют и другие проекты двигателей, например, космический лифт или солнечный парус , но все они находятся в стадии разработки.
Первая ракета Циолковского
Люди придумали ракеты очень давно.
В конце III века до нашей эры человечество изобрело порох. А сила, возникающая при взрыве пороха, могла приводить в движение различные предметы. И пиротехнические средства стали использовать для фейерверков. Позже были созданы пушки и мушкеты. Их снаряды могли летать на вполне приличное расстояние. Но ракетами их всё-таки назвать нельзя было, так как они не имели собственного топлива. Но с их появлением возникли предпосылки для создания настоящих ракет.
Китайские «огненные стрелы», к которым прикреплялись трубки из плотной бумаги, заполненные горючим веществом и открытые с заднего конца, вылетавшие из лука при поджигании заряда, уже можно было считать ракетами.
В конце XIX века ракеты уже были на вооружении в артиллерии. Циолковский же предложил ракету – летательный аппарат, который передвигается в космическом пространстве за счёт действия реактивной тяги.
Как же выглядела первая ракета Циолковского? Это был летательный аппарат в виде металлической продолговатой камеры (формы наименьшего сопротивления), внутри которого располагались 2 отсека: жилой и двигательный. Жилой отсек предназначался для экипажа. А в двигательном отсеке находился жидкостный ракетный двигатель, работающий на водородно-кислородном топливе. Жидкий водород служил топливом, а жидкий кислород – окислителем, необходимым для горения водорода. Газы, образующиеся при сгорании топлива, имели очень высокую температуру и текли по трубам, расширяющимся к концу. Разредившись и охладившись, они вырывались из раструбов с огромной относительно ракеты скоростью. На выбрасываемую массу действовала сила со стороны ракеты. А согласно третьему закону Ньютона (закон равенства действия и противодействия) такая же сила, называемая реактивной, действовала и на ракету со стороны выбрасываемой массы. Эта сила сообщала ракете ускорение.
Формула Циолковского
Формула для вычисления скорости ракеты, обнаружена в математических трудах Циолковского, написанных им в 1897 г.
,
V - скорость летательного аппарата после выработки всего топлива:
I – отношение тяги двигателя к расходу топлива в секунду (величина, называемая удельным импульсом ракетного двигателя). Для теплового ракетного двигателя u = I.
M 1 – масса летательного аппарата в начальный момент полёта. Она включает массу самой конструкции ракеты, массу топлива и массу полезной нагрузки (например, космического корабля, который выводится ракетой на орбиту).
M 2 – масса летательного аппарата в конечный момент полёта. Так как топливо к этому времени уже израсходовано, то это будет масса конструкции + масса полезной нагрузки.
С помощью формулы Циолковского можно рассчитать количество топлива, необходимое ракете для получения заданной скорости.
Из формулы Циолковского получаем отношение начальной массы ракеты к её конечной массе:
Обозначим:
M o – масса полезного груза
M k - масса конструкции ракеты
M t - масса топлива
Масса конструкции зависит от массы топлива. Чем больше топлива необходимо ракете, тем больше резервуаров потребуется для его транспортировки, а значит, большей будет и масса конструкции.
Отношение этих масс выражается формулой:
где k – коэффициент, который показывает количество топлива на единицу массы конструкции ракеты.
Этот коэффициент может быть разным в зависимости от того, какие материалы использованы в конструкции ракеты. Чем легче и прочнее эти материалы, тем меньшим будет коэффициент, и легче конструкция. Кроме того, он зависит и от плотности топлива. Чем плотнее топливо, тем меньшие по объёмы ёмкости потребуются для его транспортировки, и тем выше значение k .
Подставив в формулу Циолковского выражения начальной и конечной массы ракеты через массы конструкции, груза и топлива, получим:
Из этого выражения следует, что величина массы топлива равна:
Зная значение удельного импульса топлива и массу полезного груза, можно рассчитать скорость ракеты.
Эта формула имеет смысл только в том случае, если
или 
Если это условие не выполняется, ракета никогда не сможет достигнуть заданной скорости.
Многоступенчатая ракета
Чтобы преодолеть притяжение Земли, летательный аппарат должен развить горизонтальную скорость около 7,9 км/сек. Эта скорость называется первой космической скоростью . Получив такую скорость, он будет двигаться вокруг Земли по концентрической орбите и станет искусственным спутником Земли. При меньшей скорости он упадёт на Землю.
Чтобы покинуть орбиту Земли, аппарат должен обладать скоростью 11,2 км/сек. Эта скорость называется второй космической скоростью . А космический аппарат, получивший такую скорость, становится спутником Солнца.
Каждое небесное тело имеет свои значения космических скоростей. Например, для Солнца вторая космическая скорость равна 617,7 км/сек.
Вес топлива, необходимого для получения даже первой космической скорости, по расчётам превышает вес самой ракеты. А ведь кроме топлива, она должна нести ещё и полезный груз: экипаж, приборы и т.п. Понятно, что такую ракету построить невозможно. Но Циолковский нашёл решение и этой задачи. А что если механически скрепить вместе несколько ракет? Учёный предложил направлять в космическое пространство целый «ракетный поезд». Каждая ракета в таком «поезде» называлась ступенью, а сам «поезд» - многоступенчатой ракетой.
Двигатель первой, самой большой ступени, включается при старте. Она получает ускорение и сообщает его всем остальным ступеням, которые по отношению к ней являются полезной нагрузкой. Когда всё топливо выгорит, эта ступень отделяется от ракеты и сообщает свою скорость второй ступени. Далее таким же образом разгоняется вторая ступень, которая также отделится от ракеты, когда закончится топливо. И так будет до тех пор, пока не закончится топливо в двигателе последней ступени ракеты. Тогда и эта ступень отделится от космического корабля, а он займёт свое место на космической орбите.
мы разбирали важнейший компонент полета в глубокий космос – гравитационный маневр. Но в силу своей сложности такой проект, как космический полет, всегда можно разложить на большой ряд технологий и изобретений, которые делают его возможным. Таблица Менделеева, линейная алгебра, расчеты Циолковского, сопромат и еще целые области науки внесли свою лепту в первый, да и все последующие полеты человека в космос. В сегодняшней статье мы расскажем, как и кому пришла в голову идея космической ракеты, из чего она состоит и как из чертежей и расчетов ракеты превратились в средство доставки людей и грузов в космос.Краткая история ракет
Общий принцип реактивного полета, который лег в основу всех ракет, прост - от тела отделяется какая-то часть, приводящая все остальное в движение.
Кто первым реализовал этот принцип – неизвестно, но различные догадки и домыслы доводят генеалогию ракетостроения аж до Архимеда. Доподлинно о первых подобных изобретениях известно, что ими активно пользовались китайцы, которые заряжали их порохом и за счет взрыва запускали в небо. Таким образом они создали первые твердотопливные ракеты. Большой интерес к ракетам появился у европейских правительств в начале
Второй ракетный бум
Ракеты ждали своего часа и дождались: в 1920-х годах начался второй ракетный бум, и связан он в первую очередь с двумя именами.
Константин Эдуардович Циолковский - ученый-самоучка из Рязанской губернии, невзирая на трудности и препятствия, сам дошел до многих открытий, без которых невозможно было бы даже говорить о космосе. Идея использования жидкого топлива, формула Циолковского, которая рассчитывает необходимую для полета скорость, исходя из соотношения конечной и начальной масс, многоступенчатая ракета - все это его заслуга. Во многом под влиянием его трудов создавалось и оформлялось отечественное ракетостроение. В Советском Союзе начали стихийно возникать общества и кружки по изучению реактивного движения, в числе которых ГИРД - группа изучения реактивного движения, а в 1933 году под патронажем властей появился Реактивный институт.
Константин Эдуардович Циолковский.
Источник: Wikimedia.org
Второй герой ракетной гонки - немецкий физик Вернер фон Браун. Браун имел отличное образование и живой ум, а после знакомства с другим светилом мирового ракетостроения, Генрихом Обертом, он решил приложить все свои силы к созданию и усовершенствованию ракет. В годы Второй Мировой фон Браун фактически стал отцом «оружия возмездия» Рейха - ракеты «Фау-2», которую немцы начали применять на поле боя в 1944 году. «Крылатый ужас», как называли её в прессе, принес разрушение многим английским городам, но, к счастью, на тот момент крах нацизма был уже делом времени. Вернер фон Браун вместе со своим братом решил сдаться в плен к американцам, и, как показала история, это был счастливый билет не только и не столько для ученых, сколько для самих американцев. С 1955 года Браун работает на американское правительство, и его изобретения ложатся в основу космической программы США.
Но вернемся в 1930-е. Советское правительство по достоинству оценило рвение энтузиастов на пути к космосу и решило употребить его в своих интересах. В годы войны себя отлично показала «Катюша» - система залпового огня, которая стреляла реактивными ракетами. Это было во многом инновационное оружие: «Катюша» на базе легкого грузовика «Студебеккер» приезжала, разворачивалась, обстреливала сектор и уезжала, не давая немцам опомниться.
Окончание войны подкинуло нашему руководству новую задачу: американцы продемонстрировали миру всю мощь ядерной бомбы, и стало совершенно очевидно, что на статус сверхдержавы может претендовать только тот, у кого есть нечто похожее. Но здесь была проблема. Дело в том, что, помимо самой бомбы, нам нужны были средства доставки, которые бы смогли обойти ПВО США. Самолеты для этого не годились. И СССР решил сделать ставку на ракеты.
Константин Эдуардович Циолковский умер в 1935 году, но ему на смену пришло целое поколение молодых ученых, которое и отправило человека в космос. Среди этих ученых был Сергей Павлович Королев, которому суждено было стать «козырем» Советов в космической гонке.
СССР принялся за создание своей межконтинентальной ракеты со всем усердием: были организованы институты, собраны лучшие ученые, в подмосковных Подлипках создается НИИ по ракетному вооружению, и работа кипит вовсю.
Только колоссальное напряжение сил, средств и умов позволило Советскому Союзу в кратчайшие сроки построить свою ракету, которую назвали Р-7. Именно её модификации вывели в космос «Спутник» и Юрия Гагарина, именно Сергей Королев и его соратники дали старт космической эре человечества. Но из чего состоит космическая ракета?
4 октября 1957 г. ракета-носитель Р-7 «Спутник» вывела на околоземную орбиту первый искусственный спутник, созданный в СССР. Раздвигая границы доступного пространства, люди вышли за пределы Земли. Этот день стал для человечества началом космической эры, к которой люди последовательно шли от одного технического достижения к другому.
В наше время у большинства людей при слове «ракета» возникают ассоциации с космосом , хотя оно обозначает любой летательный аппарат, который перемещается в пространстве за счет действия реактивной тяги силы, возникающей при взаимодействии тела и исходящего из него вещества с кинетической энергией. Природный аналог реактивной тяги способ передвижения кальмаров и осьминогов, которые выталкивают из себя набранную воду. Маленькая праздничная петарда, баллистическая ракета и космическая ракета по принципу своего действия находятся в близком родстве и имеют общего прародителя.
Первым документально зафиксированным случаем применения реактивной тяги был описанный римским писателем Авлом Геллием «полет» деревянного голубя, изготовленного в 400 г. до н. э. греческим ученым Архитом Тарентским. Голубь двигался вдоль проволоки за счет извержения пара. Появление настоящих ракет, используемых для фейерверков, а затем и в военных целях, историки относят к VIII-IX вв., когда в Китае был изобретен дымный порох . Возникающие при горении пороха газы обладают достаточной энергией, чтобы сообщить движение содержащей его капсуле. В военных целях китайцы использовали «огненные стрелы», прикрепляя обычные стрелы к бумажным трубкам, открытым с одного конца и заполненным горючей смесью. Заряд поджигали, и стрелу выпускали с помощью лука.
От китайцев секрет пороха и ракет узнали арабы, а от них европейцы. В Европе ракеты широкого применения в качестве вооружения не нашли и надолго остались в основном средством развлечения. Впрочем, по некоторым данным, в XVI-XVII вв. ракеты применяли запорожские казаки, а белорусский военный инженер Казимир Семенович даже описал многоступенчатую ракету.
Во время колониальных войн конца XVIII в. с подобным вооружением индийских войск пришлось столкнуться британцам, а в 1805 г. английский изобретатель Уильям Конгрив продемонстрировал пороховую ракету с корпусом из листового железа. Отлично зарекомендовавшие себя в сражениях с французской армией и в англо-американской войне 1812-1815 гг., ракеты стояли на вооружении англичан вплоть до середины XIX в. Ракеты использовались и в российской армии, их усовершенствованием занимались военные инженеры генерал артиллерии Константин Константинов и генерал-лейтенант Александр Засядко, который, в частности, производил расчеты, сколько пороха понадобится для запуска ракеты на Луну.
Во второй половине XIX в., с появлением нарезных орудий, ракетная артиллерия была снята с вооружения. Однако ученые не оставляли попытки математически объяснить реактивное движение и создать более эффективное ракетное вооружение, а также исследовали возможность реактивных двигателей для космических полетов с этого времени военная и космическая ипостаси ракеты выступают «в одной упряжке».
О Запуск ракет-фейерверков. Гравюра начала XVII в.
Ракета (от ит. rocchetto «катушка», «маленькое веретено») летательный аппарат, двигающийся в пространстве за счет действия реактивной тяги, возникающей при сбросе ракетой части собственной массы.
Огромный вклад в теорию реактивного движения внес Константин Эдуардович Циолковский, который занимался ею с 1896 г. и через семь лет спроектировал ракету для межпланетных сообщений. Основоположник современной космонавтики утверждал, что наиболее эффективным топливом для нее было бы сочетание жидких кислорода и водорода либо кислорода с углеводородами. Многие из его идей в дальнейшем нашли применение в ракетостроении, например газовые рули для управления полетом ракеты и изменения траектории движения ее центра масс; использование компонентов топлива для охлаждения внешней оболочки космического аппарата; оптимальные траектории спуска космического аппарата при возвращении из космоса и др. Циолковский также вывел основное уравнение реактивного движения и пришел к выводу о необходимости использования «ракетных поездов» прототипов многоступенчатых ракет.
В Германии принципы межпланетных перелетов разрабатывал ученый и инженер Герман Юлиус Оберт. В 1917 г. он создал проект ракеты, работающей на спирте и жидком кислороде, а в 1923 г. издал книгу «Ракета для межпланетного пространства» первую в мировой научной литературе работу, в которой точно и полно обосновывалась возможность создания ракеты на жидком топливе. В США в 1920-х годах над проблемой жидкостных реактивных двигателей трудился Роберт Годдард.
В 1930-1940-х годах внимание конструкторов снова сместилось в сторону военного применения ракет. В нашей стране исследования вели Московская группа изучения реактивного движения и Ленинградская газодинамическая лаборатория, на базе которых в 1933 г. был создан Реактивный институт (РНИИ). Именно там была завершена начатая еще в 1929 г. разработка нового вида вооружения реактивных снарядов, установка для запуска которых известна во всем мире под именем «Катюша». В Германии аналогичные проекты осуществлялись Немецким обществом межпланетных сообщений (VfR), которое, несмотря на название, работало преимущественно на военную промышленность.
К. Э. Циолковский.
Р. Годдард перед пуском своей ракеты. 1925 г.
В 1932 г. член конструктор Вернер фон Браун занялся проблемой жидкостных реактивных двигателей для ракетного оружия. В 1942 г. в ракетном центре в Пенемюнде была разработана баллистическая ракета А-4 с дальностью полета 320 км, а в 1944 г. ее поставили на боевую службу под названием V-2. Военное применение V-2 продемонстрировало огромные возможности ракетной техники, и наиболее мощные послевоенные державы США и СССР также начали разработку баллистических ракет. В1957 г. в СССР под руководством Сергея Павловича Королева в качестве средства доставки ядерного заряда была создана первая в мире межконтинентальная баллистическая ракета Р-7, которая в том же году была использована для запуска первого в мире искусственного спутника Земли. Так началось применение ракет для космических полетов.
Ракета-носитель является транспортным средством, способным вывести на орбиту и в межпланетное пространство космический аппарат, но сама она космическим аппаратом не является. Однако за автоматическими и пилотируемыми космическими аппаратами в обиходе и в научной фантастике закрепилось все то же название ракета.
Для того чтобы вывести на орбиту Земли космический аппарат, требуется разгон до скорости 7,91 кмс (первая космическая скорость). Однако общий вес снаряженной ракеты настолько велик, что достичь необходимой скорости за приемлемое время невозможно. Для решения этой проблемы используются многоступенчатые ракеты, вес которых равномерно уменьшается при отделении ступеней с отработанным топливом. Конструкторское бюро Королева на базе боевой ракеты разработало семейство трех- и четырехступенчатых космических ракет-носителей, которые могли реализовать пилотируемые полеты и запуск автоматических космических станций.
Р. Небель и В. фон Браун с ракетами «Мирак» на космодроме.
С. П. Королев среди сотрудников Группы изучения реактивного движения (ГИРД). 1932 г.
Первый космический спутник.
В том же 1957 г. был запущен второй спутник с собакой Лайкой на борту. В 1959 г. ракеты-носители «Восток» вывели на траекторию полета три автоматические станции «Луна». В следующем году на орбиту были выведены два корабля-спутника, один из них с собаками на борту. 12 апреля 1961 г. впервые космический корабль с человеком на борту вышел за пределы Земли. Ракета-носитель «Восток» вывела на околоземную орбиту советский космический корабль «Восток», пилотируемый космонавтом Юрием Гагариным. В дальнейшем полеты человека на околоземную орбиту стали регулярными. Ракеты-носители «Молния» запустили автоматические межпланетные станции к Венере и Марсу. В 1965 г. с космодрома «Байконур» был осуществлен запуск ракеты-носителя «Протон», которая в различных модификациях используется и по сей день. В 1988 г. ракета «Энергия-Буран» вывела на орбиту многоразовый космический корабль «Буран».
Главный соперник СССР в освоении космического пространства США буквально наступал нашей стране на пятки. В начале 1958 г. ракета-носитель «Юпитер-С» вывела на околоземную орбиту спутник «Эксплорер-1». В том же году было создано НАСА Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. В 1969 г. американские астронавты с помощью ракеты «Сатурн-5» высадились на поверхность Луны. Десять лет спустя в эксплуатацию была введена многоразовая транспортная ракетная система «Спейс шаттл» (англ. Space Shuttle «космический челнок»). Она включает в себя две твердотопливные ракеты, спускаемые после использования на парашютах.
Собака-космонавт Лайка перед полетом на втором искусственном спутнике Земли.
Работа в космосе: «Мир» и МКС
В 1986 г. на орбиту была выведена российская космическая станция «Мир» своеобразный символ советской космической мощи. Станция представляла собой сложный научно-исследовательский комплекс; в 1986 г. был запущен базовый модуль, в последующие 10 лет к нему были пристыкованы еще шесть модулей: астрофизические, технологические, геофизические... За 15 лет существования «Мира» на нем успели поработать 104 космонавта из 12 стран, было проведено более 20 тыс. разнообразных экспериментов. В 2001 г. из-за многочисленных проблем, связанных с возрастом оборудования, «Мир» был затоплен в Тихом океане.
Другой известный орбитальный проект Международная космическая станция, МКС является «детищем» сразу 15 стран, однако самый весомый вклад в функционирование МКС вносят Россия и США. МКС была запущена на орбиту в 1998 г., а в 2000-м на ее борт был доставлен первый экипаж. Управление полетом МКС осуществляется одновременно из двух центров: российским сегментом из ЦУП-М (г. Королев), американским сегментом из ЦУП-Х (г. Хьюстон). За время существования МКС трижды все управление станцией передавалось в ЦУП-М из-за чрезвычайных обстоятельств в США. У российской стороны еще не было причины передавать управление в ЦУП-Х.
На сегодняшний день самыми мощными ракетами-носителями, которые способны доставить на низкую околоземную орбиту (200 км) до 20 т полезного груза, являются «Протон-М» и «Спейс шаттл». Однако система «Спейс шаттл» не может работать без помощи орбитального челнока. Производство более мощных ракет отечественных «Н-1» и «Энергии», американской «Сатурн-5» в настоящее время прекращено. На стадии проектирования находится альтернативный способ подъема космических аппаратов на орбиту, так называемый космический лифт, однако до его реального появления еще очень далеко, а это значит, что в ближайшее время ракеты без работы не останутся.
Вопросы.
1. Основываясь на законе сохранения импульса, объясните, почему воздушный шарик движется противоположно струей выходящего из него сжатого воздуха.
2. Приведите примеры реактивного движения тел.
В природе в качестве примера можно привести реактивное движение у растений: созревшие плоды бешеного огурца; и животных: кальмары, осьминоги, медузы, каракатицы и др. (животные передвигаются, выбрасывая всасываемую ими воду). В технике простейшим примером реактивного движения является сегнеровое колесо , более сложными примерами являются: движение ракет (космических, пороховых, военных), водных средств передвижения с водометным двигателем (гидромотоциклов, катеров, теплоходов), воздушных средств передвижения с воздушно- реактивным двигателем (реактивных самолётов).
3. Каково назначение ракет?
Ракеты используются в различных областях науки и техники: в военном деле, в научных исследованиях, в космонавтике, в спорте и развлечениях.
4. Пользуясь рисунком 45, перечислите основные части любой космической ракеты.
Космический корабль, приборный отсек, бак с окислителем, бак с горючим, насосы, камера сгорания, сопло.
5. Опишите принцип действия ракеты.
В соответствии с законом сохранения импульса ракета летит за счет того, что из неё выталкиваются с большой скоростью газы, обладающие определенным импульсом, и ракете сообщается импульс такой же величины, но направленный в противоположную сторону. Газы выбрасываются через сопло, в котором сгорает топливо достигая при этом высокой температуры и давления. В сопло поступают топливо и окислитель, нагнетаемые туда насосами.
6. От чего зависит скорость ракеты?
Скорость ракеты зависит в первую очередь от скорости истечения газов и массы ракеты. Скорость истечения газов зависит от типа топлива и типа окислителя. Масса ракеты зависит например от того какую скорость ей хотят сообщить или от того, как далеко она должна улететь.
7. В чем заключается преимущество многоступенчатых ракет перед одноступенчатыми?
Многоступенчатые ракеты способны развивать большую скорость и лететь дальше одноступенчатых.
8. Как осуществляется посадка космического корабля?
Посадка космического корабля осуществляется таким образом, чтобы его скорость по мере приближения к поверхности снижалась. Это достигается использованием тормозной системы, в роли которой может выступать или парашютная система торможения или торможение может быть осуществлено с помощью ракетного двигателя, при этом сопло направляется вниз (к Земле, Луне и т.д.), за счет чего гасится скорость.
Упражнения.
1. С лодки, движущейся со скоростью 2 м/с, человек бросает весло массой 5 кг с горизонтальной скоростью 8 м/с противоположно движению лодки. С какой скоростью стала двигаться лодка после броска, если её масса вместе с массой человека равна 200 кг?
.jpg)
2. Какую скорость получит модель ракеты, если масса её оболочки равна 300 г, масса пороха в ней 100 г, а газы вырываются из сопла со скоростью 100 м/с? (Считайте истечение газа из сопла мгновенным).
.jpg)
3. На каком оборудовании и как проводится опыт, изображенный на рисунке 47? Какое физическое явление в данном случае демонстрируется, в чем оно заключается и какой физический закон лежит в основе этого явления?
Примечание:
резиновая трубка была расположена вертикально до тех пор, пока через неё не начали пропускать воду.
На штатив с помощью держателя прикрепили воронку с присоединенной к ней снизу резиновой трубкой с искревленной насадкой на конце, а снизу разместили лоток. Затем сверху, в воронку из емкости стали лить воду, при этом вода выливалась из трубки в лоток, а сама трубка из вертикального положения сместилась. Этот опыт служит иллюстрацией реактивного движения, основанного на законе сохранения импульса.
4. Проделайте опыт, изображенный на рисунке 47. Когда резиновая трубка максимально отклонится от вертикали, перестаньте лить воду в воронку. Пока оставшаяся в трубке вода вытекает, понаблюдайте, как будет меняться: а) дальность полёта воды в струе (относительно отверстия в стеклянной трубке); б) положение резиновой трубки. Объясните оба изменения.
а) дальность полета воды в струе будет уменьшаться; б) по мере вытекания воды трубка будет приближаться к горизонтальному положению. Эти явления связаны с тем, что давление воды в трубке будет уменьшаться, а следовательно и импульс с которым выбрасывается вода.
