Что такое реактивное движение и как работает реактивный двигатель — доклад про ракеты

В небо взмывают многотонные космические корабли, а в морских водах ловко лавируют прозрачные, студенистые медузы, каракатицы и осьминоги — что между ними общего? Оказывается, в обоих случаях для перемещения используется принцип реактивного движения. Именно этой теме и посвящена наша сегодняшняя статья.

Заглянем в историю

Самые первые достоверные сведения о ракетах относятся к XIII веку. Они применялись индусами, китайцами, арабами и европейцами в боевых действиях как боевое и сигнальное оружие. Затем последовали целые столетия почти полного забвения этих устройств.

В России идея использования реактивного двигателя возродилась благодаря работам революционера-народовольца Николая Кибальчича. Сидя в царских застенках, он разработал российский проект реактивного двигателя и летательный аппарат для людей. Кибальчич был казнен, а его проект долгие годы пылился в архивах царской охранки.

Основные идеи, чертежи и расчеты этого талантливого и мужественного человека получили дальнейшее развитие в трудах К. Э. Циолковского, который предложил использовать их для межпланетных сообщений. С 1903 по1914 год он публикует ряд работ, где убедительно доказывает возможность использования реактивного движения для исследования космического пространства и обосновывает целесообразность использования многоступенчатых ракет.

Многие научные разработки Циолковского и по сей день применяются в ракетостроении.

Биологические ракеты

Как, вообще возникла идея перемещаться, отталкиваясь от собственной реактивной струи? Возможно, пристально наблюдая за морскими обитателями, жители прибрежных зон заметили, как это происходит в животном мире.

Например, морской гребешок перемещается за счет реактивной силы водной струи, выбрасываемой из раковины при быстром сжатии её створок. Но ему никогда не угнаться за самыми быстрыми пловцами — кальмарами.

Их ракетообразные тела мчатся хвостом вперед, выбрасывая из специальной воронки, запасенную воду. Медлительные медузы перемещаются по тому же принципу, выдавливая воду сокращением своего прозрачного купола.

Природа одарила «реактивным двигателем» и растение под названием «бешеный огурец». Когда его плоды полностью созревают, в ответ на самое слабое прикосновение, он выстреливает клейковину с семенами. Сам плод при этом отбрасывается в противоположную сторону на расстояние до 12 м!

Ни морским обитателям, ни растениям неведомы физические законы, лежащие в основе этого способа передвижения. Мы же попробуем в этом разобраться.

Физические основы принципа реактивного движения

Вначале обратимся к простейшему опыту. Надуем резиновый шарик и, не завязывая, отпустим в свободный полёт. Стремительное движение шарика будет продолжаться до тех пор, пока истекающая из него струя воздуха будет достаточно сильной.

Для объяснения результатов этого опыта нам следует обратиться к III закону Ньютона, который утверждает, что

два тела взаимодействуют с силами равными по величине и противоположными по направлению. Следовательно, сила, с которой шарик воздействует на вырывающиеся из него струи воздуха, равна силе, с которой воздух отталкивает от себя шарик.

Перенесем эти рассуждения на ракету. Эти устройства на огромной скорости выбрасывают некоторую часть своей массы, вследствие чего сами получают ускорение в противоположном направлении.

С точки зрения физики этот процесс чётко объясняется законом сохранения импульса. Импульс — это произведение массы тела на его скорость (mv) Пока ракета в покое, её скорость и импульс равны нулю. Если из неё выбрасывается реактивная струя, то оставшаяся часть по закону сохранения импульса должна приобрести такую скорость, чтобы суммарный импульс по-прежнему был равным нулю.

Обратимся к формулам:

m _гv_г+ m _рv_р=0;

отсюда

m _гv_г=- m _рv_р,

где m _гv_г импульс создаваемой струей газов_, m _рv_р импульс, полученный ракетой.

Знак минус показывает, что направление движения ракеты и реактивной струи противоположны.

Устройство и принцип работы реактивного двигателя

В технике реактивные двигатели приводят в движение самолёты, ракеты, выводят на орбиты космические аппараты. В зависимости от назначения они имеют разное устройство. Но каждый из них имеет запас топлива, камеру для его сгорания и сопло, ускоряющее реактивную струю.

На межпланетных автоматических станциях оборудован также приборный отсек и кабины с системой жизнеобеспечения для космонавтов.

Современные космические ракеты это сложные, многоступенчатые летательные аппараты, использующие новейшие достижения инженерной мысли. После старта вначале сгорает топливо в нижней ступени, после чего она отделяется от ракеты, уменьшая её общую массу и увеличивая скорость.

Затем расходуется топливо во второй ступени и т. д. Наконец, летательный аппарат выводится на заданную траекторию и начинает свой самостоятельный полёт.

Немного помечтаем

Великий мечтатель и учёный К. Э. Циолковский подарил будущим поколениям уверенность в том, что реактивные двигатели позволят человечеству вырваться за пределы земной атмосферы и устремиться в космос. Его предвидение сбылось. Луна, Марс и даже далёкие кометы успешно исследуются космическими аппаратами.

В космонавтике используют жидкостные реактивные двигатели. Используя в качестве топлива нефтепродукты, но скорости, которые удается получить с их помощью, недостаточны для очень дальних перелётов.

Возможно, вы, наши дорогие читатели, станете свидетелями полётов землян в другие галактики на аппаратах с ядерными, термоядерными или ионными реактивными двигателями.

Автор: Драчёва Светлана Семёновна

---

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя в группе ВКонтакте. А ещё — спасибо, если ты нажмёшь на одну из кнопочек «лайков»:

---

Вы можете оставить комментарий к докладу.

Реактивное движение.

Реактивное движение.

В течение многих веков человечество мечтало о космических полётах. Писатели-фантасты предлагали самые разные средства для достижения этой цели. В XVII веке появился рассказ французского писателя Сирано де Бержерака о полёте на Луну. Герой этого рассказа добрался до Луны в железной повозке, над которой он всё время подбрасывал сильный магнит. Притягиваясь к нему, повозка всё выше поднималась над Землёй, пока не достигла Луны. А барон Мюнхгаузен рассказывал, что забрался на Луну по стеблю боба.

Но ни один учёный, ни один писатель-фантаст за многие века не смог назвать единственного находящегося в распоряжении человека средства, с помощью которого можно преодолеть силу земного притяжения и улететь в космос. Это смог осуществить русский учёный

Константин Эдуардович Циолковский (1857-1935). Он показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести — это ракета, т.е. аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате.

Реактивный двигатель — это двигатель, преобразующий химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, при этом двигатель приобретает скорость в обратном направлении. На каких же принципах и физических законах основывается его действие?

Каждый знает, что выстрел из ружья сопровождается отдачей. Если бы вес пули равнялся бы весу ружья, они бы разлетелись с одинаковой скоростью. Отдача происходит потому, что отбрасываемая масса газов создаёт реактивную силу, благодаря которой может быть обеспечено движение как в воздухе, так и в безвоздушном пространстве. И чем больше масса и скорость истекающих газов, тем большую силу отдачи ощущает наше плечо, чем сильнее реакция ружья, тем больше реактивная сила.

Это легко объяснить из закона сохранения импульса, который гласит, что геометрическая (т.е. векторная) сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остаётся постоянной при любых движениях и взаимодействиях тел системы.

К. Э. Циолковский вывел формулу, позволяющую рассчитать максимальную скорость, которую может развить ракета.

Максимально достижимая скорость зависит в первую очередь от скорости истечения газов из сопла, которая в свою очередь зависит прежде всего от вида топлива и температуры газовой струи. Чем выше температура, тем больше скорость. Значит, для ракеты нужно подбирать самое калорийное топливо, дающее наибольшее количество теплоты. Отношение массы топлива к массе ракеты в конце работы двигателя (т.е. по существу к весу пустой ракеты) называется числом Циолковского.

Основной вывод состоит в том, что в безвоздушном пространстве ракета разовьёт тем большую скорость, чем больше скорость истечения газов и чем больше число Циолковского.

Движения тел переменной массы.
Знание закона сохранения импульса во многих случаях дает возможность найти результат взаимодействия тел, когда значения действующих сил неизвестны.

Рассмотрим в качестве примера действие реактивного двигателя. При сгорании топлива в камере сгорания ракеты образуются газы, нагретые до высокой температуры. При действии двигателя в течение короткого интервала времени t из сопла ракеты выбрасываются со скоростью u относительно ракеты горячие газы массой m. Ракета и выбрасываемые ее двигателем газы взаимодействуют между собой. На основании закона сохранения импульса при отсутствии внешних сил сумма векторов импульсов взаимодействующих тел остается постоянной.

До начала работы двигателей импульс ракеты и горючего был равен нулю, следовательно, и после включения сумма изменений векторов импульса ракеты и импульса истекающих газов равна нулю:

где m — масса ракеты, V — изменение скорости ракеты, m — масса выброшенных газов, u — скорость истечения газов.

Отсюда для векторов импульса получаем:

Разделим обе части равенства на интервал времени t, в течение которого работали двигатели ракеты:

или

Произведение массы ракеты m на ускорение ее движения a по определению равно силе, вызывающей это ускорение:

Таким образом, мы показали, что реактивная сила тяги Fp равна произведению скорости u движения выбрасываемых газов относительно ракеты на секундный расход топлива m/t.

Реактивная сила тяги Fp

действует со стороны газов на ракету и направлена в сторону, противоположную направлению истечения газов.

Выражение

есть уравнение динамики тела переменной массы для случая, когда внешние силы равны нулю. Если же на ракету, кроме реактивной силы Fp, действует внешняя сила F, то уравнение динамики движения примет вид:

Это уравнение получено профессором Петербургского университета
И. В. Мещерским и носит его имя.

Формула Мещерского представляет собой обобщение второго закона Ньютона для движения тел переменной массы. Ускорение тела переменной массы определяется не только внешними силами F, действующими на тело, но и реактивной силой Fp, обусловленной изменением массы движущегося тела:

Ракета. Система двух тел. Корпус топлива.
Корпус — труба с одним открытым концом для выхода отработанных газов. На хвосте ставят сопла (трубки) для направленного выброса газов с большой скоростью.
Топливо — сложное горючее, которое при сжигании превращается в газ большой температуры и большого движения.

V ракеты зависит от m топлива и самой ракеты, а также от V выбросов газов.

В данной формуле не учитывается сопротивление воздуха и F_пр к Земле.

На самом деле выброс газов происходит не мгновенно, а постепенно. Если учесть все условия, то топлива надо брать во много раз больше.

Чтобы сообщить кораблю первую космическую скорость, то

m_т >m_об= в 55 раз

Реактивное движение или как летит ракета в космосе?

 

Реактивное движение — это все же движение. 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.

При посадках на космические тела рассчитывают количество топлива для посадки и на обратный путь, если он запланирован.

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Импульс тела: закон сохранения импульса: понятия и формулы
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspКолебания: свободные колебания, колебательные системы, маятник

Доклад Реактивное движение 9, 10 класс

Изучение физических законов для человека необходимо с точки зрения их практического использования. Закон сохранения импульса: для системы, состоящей из любого числа тел, суммарный импульс остается постоянным при отсутствии внешних сил. Этот закон является одним из фундаментальных и не имеет исключений. Реактивное движение – пример проявления этого закона в действии. Очень часто мы можем наблюдать это движение в нашей повседневной жизни.

Примеры. Если надеть на водопроводный кран резиновую трубку, то при вытекании воды трубка уйдет в сторону, противоположную струе. Реактивная сила водяного потока заставит развернуться свернутый для полива шланг. Эта же сила вращает ствол дождевального аппарата. Чтобы это произошло, конструкция ствола предусматривает специальный изгиб в горизонтальном направлении.

Реакция струи имеет место всегда, когда струя жидкости или газа встречает препятствие и тогда она меняет направление. Турбины как раз и используют такую идею для получения вращательного движения. Главной деталью любой турбины является колесо с лопатками, которые насажены на обод под углом. Пар, ударяясь о лопатки, отражается от них и изменяет направление движения. Реакция струи, в свою очередь, будет вращать колесо турбины.

Еще примеры. Ветряная мельница. Ветродвигатель. Гребной винт. Гребное колесо. Эти механизмы, приводящие в движение суда, имеют один и тот же принцип действия – реакция отбрасываемой струи. Воздушный винт – пропеллер – работает точно так же. Реакция струи – это и есть тяга винта. Водяной или воздушный винт при вращении отгоняет воду или воздух в одну сторону, а морское или воздушное судно перемещается в другую сторону под действием реакции струи, направленной на винт. Сюда же можно отнести комнатные вентиляторы. Отбрасываемый поток воздуха и создает тот приятный ветер, которого мы ожидаем в сильную жару.
Плавание человека, катание на лодке – тоже примеры реактивного движения. Вы катались на лодке? Вспомните, куда вы направляете весло, а куда движется лодка.

Движение ракеты есть суть реакция струи, но при этом весь запас отбрасываемых газов ракета несет с собой. В древнем Китае изобрели пороховую ракету. В ней оболочка заполняется медленно горящим порохом, выделяющим раскаленный газ. Он вылетает вниз с большой скоростью из дырки в оболочке, а ракета взмывает вверх.

Что такое реактивный двигатель? Это ракета, двигающая какое-либо транспортное средство. Баллистическая ракета состоит из двигателей большой мощности, которые работают при разгоне, и запаса топлива. Такая ракета будет иметь также полезную нагрузку. Если для военных целей – это боеголовка, для мирных – космический корабль. Тяга реактивного двигателя – это сила реакции вытекающего после сгорания топлива газа.

При полете ракеты на околоземное пространство ее ускорение будет тем больше, тем меньше масса оставшегося агрегата. А масса уменьшается по мере расходования запаса топлива. И по второму закону Ньютона приращение скорости будет тем больше, чем меньше масса содержимого корпуса ракеты.

Еще один фактор влияет на скорость движения ракеты – изменение скорости течения частиц газа до огромных значений. А это зависит от вида топлива, формы отверстия, называемого соплом, для отвода сгоревшего вещества топлива.

Таким образом, реактивное движение тела – это то, которое возникает при отделении с какой-либо скоростью некоторой его части.

Вариант №2

Реактивное движение – это способ применения закона сохранения импульса на практике. Реактивным называется вид движения тела с отделением от него части, летящей с определенной скоростью. Такой вид движения наблюдается не только в обыденной жизни, технике, но и в природе.

В быту реактивное движение можно наблюдать, если надуть воздушный шарик, а затем отпустить его. При этом воздух из шарика будет выходить в одну сторону, а шарик полетит в другую. Движение шарика прекратится, когда большая часть воздуха выйдет из него.

В технике самыми яркими примерами реактивного движения являются: ракета, сегнерово колесо. Впервые описание ракеты, как транспортного средства для космических полетов, было сделано Константином Эдуардовичем Циолковским – русским ученым в начале XX века. Но его идеи смог воплотить в жизнь советский конструктор Сергей Павлович Королев только в середине XX века. Во время полета ракеты отделяющейся частью является струя газов, образующаяся при сгорании топлива. Струя газов так же, как и в случае с шариком, устремляется в сторону, противоположную движению ракеты.  Ракеты, применяемые для организации красочных фейерверков, сигнальные ракеты тоже работают по принципу реактивного движения.

Рассмотрим еще один вид реактивного движения – сегнерово колесо. Сегнеровым колесо названо по фамилии венгерского ученого-физика Иоганна Сегнера, который и изобрел его в 1750 году. В качестве отделяющейся части здесь выступает вода, которая выливается из изогнутой на конце трубки  с большой скоростью и заставляет вращаться колесо. Данный метод до сих пор применяется в центробежном фильтре для очистки масла в автомобилях.

В природе реактивное движение используют такие животные, как: кальмар, сальпа, каракатица. Через отверстия у себя в теле они вбирают воду, а затем выбрасывают ее наружу и двигаются в сторону, противоположную вылету струи воды.

Растения также используют реактивное движение для распространения своих семян. Примером такого распространения являются плоды бешеного огурца. Даже небольшое прикосновение к созревшим плодам заставляет их отлетать от плодоножки и раскрываться. При этом семечко, расположенное в специальной клейкой жидкости, отлетает в сторону, противоположную коробочке.

10 класс, 9 класс кратко

Реактивное движение

Популярные темы сообщений

• Полярная сова

  Одним из популярных обитателей лесных массивов на земле, реже — открытых местностей, является сова. Среди нескольких видов этой хищной птицы полярная сова имеет свои характеристики. Проживает она в тундре Северной Америки, Европы, Азии.

• Химия (история возникновения)

  Химия – это наука о веществах и их свойствах, о превращениях веществ и способах управления этими превращениями. В современном мире Химия играет одну из ведущих ролей среди всех наук. И занимает это место по праву.

• Творчество Владимира Короленко

  Владимир Галактионович Короленко – русский писатель и настоящий мастер слова. Творчество этого писателя является неотъемлемой частью художественной литературы.

Реферат на тему: Реактивное движение по физике

У вас нет времени на реферат или вам не удаётся написать реферат? Напишите мне в whatsapp — согласуем сроки и я вам помогу!

В статье «Как научиться правильно писать реферат», я написала о правилах и советах написания лучших рефератов, прочитайте пожалуйста.

Собрала для вас похожие темы рефератов, посмотрите, почитайте:

1. Реферат на тему: Культура
2. Реферат на тему: Джаз
3. Реферат на тему: Воздух
4. Реферат на тему: Вселенная

Введение

Веками человечество мечтало о космических полетах. Писатели-фантасты предлагали различные средства для достижения этой цели. В XVII веке появился рассказ французского писателя Сирано де Бержерака о полете на Луну. Герой этой истории добрался до Луны в железной повозке, над которой он всегда бросал сильный магнит. Привлеченная ею, колесница поднималась над землей, пока не достигла луны. А барон Мюнхгаузен сказал, что он взобрался на луну на стебле фасоли. Но ни один ученый, ни один писатель на протяжении многих веков не мог назвать единственное средство, доступное человеку для того, чтобы преодолеть силу земной гравитации и полететь в космос. Это мог сделать русский ученый Константин Эдуардович Циолковский (1857-1935). Он показал, что единственной машиной, способной преодолевать гравитацию, является ракета, т.е. машина с реактивным двигателем, использующая топливо и окислитель на самой машине. Ракета «Циолковский» — баллистический самолет.

Законы Ньютона

Законы Ньютона объясняют очень важное механическое явление — движение струи. Это имя дается движению тела, которое происходит, когда часть тела отделяется от него с определенной скоростью. Например, возьмите резиновый мяч ребенка, надуйте его и отпустите. Увидим, что сам мяч летит в противоположном направлении, когда воздух выходит из него в одном направлении. Это и есть движение струи.

Согласно принципу реактивного движения, некоторые представители животного мира движутся, например, кальмары и осьминоги. Периодически выбрасывая воду, они достигают скорости 60-70 км/ч. Медузы, кальмары и некоторые другие животные двигаются подобным образом.

Примеры реактивного движения также можно найти в растительном мире. Например, спелый плод «сумасшедшего» огурца при малейшем прикосновении отскакивает от стебля, а горькая жидкость, содержащая семена, насильно выбрасывается из ямы, образовавшейся на месте отрубленного стебля; сами огурцы улетают в обратном направлении.

Реактивное движение, происходящее при выбросе воды, можно увидеть на следующих примерах. Налейте воду в стеклянную воронку, подключенную к резиновому шлангу, который D — образный наконечник (см. рисунок). Мы увидим, что когда вода начинает выходить из трубы, сама труба движется и отклоняется в противоположном направлении.

Ракетные полеты основаны на принципе движения реактивных самолетов. Современная космическая ракета — очень сложный самолет, состоящий из сотен тысяч и миллионов деталей. Масса ракеты огромна. Она состоит из массы рабочего тела (т.е. светящихся газов, образующихся при сгорании топлива и высвобождающихся в виде струи) и конечной или, как говорят, «сухой» массы ракеты, которая остается после того, как из ракеты высвобождается рабочее тело.

Сухая» масса ракеты, в свою очередь, состоит из массы конструкции (т.е. оболочки ракеты, двигателей и системы управления) и массы полезной нагрузки (т.е. научного оборудования, оболочки пульта дистанционного управления) и массы полезной нагрузки (т.е. научного оборудования, оболочки пульта дистанционного управления) на орбиту космического аппарата, экипажа и системы жизнеобеспечения корабля).

Когда рабочий орган заканчивается, пустые резервуары, дополнительные части корпуса и т. д. начинают загружать ракету лишним весом, что затрудняет ее рассеивание. Поэтому для достижения космической скорости используются составные (или многоступенчатые) ракеты (см. рисунок). Первоначально в таких ракетах работает только первая ступень 1. Когда у них заканчивается топливо, они отделяются и активируется вторая ступень 2; когда топливо в них расходуется, они также отделяются и активируется третья ступень 3. Спутник или другой космический аппарат в головной части ракеты прикрывается головным обтекателем 4, обтекаемая форма которого уменьшает сопротивление во время полета ракеты в земной атмосфере.

Когда струя газа выбрасывается из ракеты на большой скорости, сама ракета гонит в обратном направлении. Почему это происходит?

Согласно третьему закону Ньютона, сила F’, с которой ракета действует на рабочий орган, равна и противоположна силе F’, с которой рабочий орган действует на корпус ракеты.

Сила F’ (которая называется лучистая сила) и рассеивает ракету.

Из этого равенства следует, что сообщаемый организму импульс соответствует произведению силы в течение всего времени ее действия. Поэтому одни и те же силы, действующие в один и тот же период времени, дают одни и те же импульсы. В этом случае регистрируемый ракетой импульс mrvr должен быть равен импульсу отработавших газов.

Давайте проанализируем полученное выражение. Мы видим, что чем больше газов выбрасывается и чем больше соотношение между массой рабочего тела (т.е. массой топлива) и конечной («сухой») массой ракеты, тем выше скорость ракеты. Эта формула — аппроксимация. При этом не учитывается тот факт, что масса летящей ракеты уменьшается по мере сгорания топлива. Точная формула скорости ракеты была впервые определена в 1897 году К.Е. Циолковским и поэтому носит его имя. Формула Циолковского позволяет рассчитать запасы топлива, необходимые ракете для передачи заданной скорости. В таблице показано отношение начальной массы ракеты к ее конечной массе t, соответствующее различным скоростям ракеты при скорости газовой струи (относительно ракеты) V = 4 км/с.

Например, чтобы сообщить о ракете со скоростью в 4 раза превышающей скорость потока газа (V p=16 км/с), начальная масса ракеты (вместе с топливом) должна превышать конечную («сухую») массу ракеты в 55 раз (до/т = 55). Это означает, что львиная доля от общей массы ракеты при запуске должна составлять массу топлива. Грузоподъемность, с другой стороны, должна иметь очень малую массу по сравнению с другими. Важный вклад в развитие теории струйного движения внес современник русского ученого К. Е. И. Циолковский. В. Мещерский (1859-1935).

Его имя относится к уравнению движения тела с переменной массой. Реактивный двигатель — это двигатель, преобразующий химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, при этом двигатель получает скорость в обратном направлении. На каких принципах и физических законах основаны ваши действия? Все знают, что дробовик сопровождается отдачей. Если бы вес пули был равен весу дробовика, он бы летал с той же скоростью. Отдача происходит потому, что выделяющаяся масса газа создает реактивную силу, которая может вызвать движение как в воздухе, так и в безвоздушном пространстве. И чем больше масса и скорость выхлопных газов, тем больше сила отдачи, которую чувствует плечо, тем сильнее реакция оружия, тем больше сила реакции. Это можно легко объяснить сохранением теоремы об импульсе, которая гласит, что геометрическая (т.е. векторная) сумма импульса тела, образующая замкнутую систему, остается постоянной для всех движений и взаимодействий тел системы.

К. Е. Циолковский вывел формулу, позволяющую рассчитать максимальную скорость, с которой может развиваться ракета.

Здесь vmax — максимальная скорость ракеты, v0 — скорость старта, vr — скорость потока газа в сопле, m — пусковая масса топлива и M — масса пустой ракеты. Как видно из формулы, эта максимально достижимая скорость зависит, прежде всего, от скорости потока газов из сопла, которая, в свою очередь, зависит, прежде всего, от вида топлива и температуры газовой струи. Чем выше температура, тем выше скорость. Это означает, что для ракеты должно быть выбрано топливо с самыми высокими калориями, выделяющее наибольшее количество тепла. Из формулы также следует, что эта скорость зависит от начальной и конечной массы ракеты, т.е. от того, какая доля ее массы — топливо, а какая — бесполезные (с точки зрения скорости полета) конструкции: фюзеляж, механизмы и др.

Эта формула Циолковского является основой, на которой строится весь расчет современных ракет. Отношение массы топлива к массе ракеты в конце работы двигателя (т.е. по существу к массе пустой ракеты) называется номером Циолковского.

Основной вывод из этой формулы состоит в том, что в безвоздушном пространстве ракета развивает более высокую скорость, чем больше поток газа, тем больше число Циолковского.

Вторая баллистическая ракета

Как вообще выглядит современная ракета сверхвысокой дальности? Во-первых, это многоступенчатая ракета. У него есть боеголовка,  управление, танк и, наконец, двигатель за ним.  В зависимости от топлива взлетная масса ракеты в 100-200 раз превышает полезную нагрузку! Поэтому он весит много десятков тонн и достигает высоты десятиэтажного здания.

Конструкция ракеты должна отвечать ряду требований. Например, очень важно, чтобы сила тяги проходила через центр тяжести ракеты. При несоблюдении этих и ряда других условий ракета может отклониться от заданного курса или даже начать вращение. «Вы можете задать курс, используя рулевые колеса. Пока ракета летит в плотном воздухе, могут работать аэродинамические рули, а в разреженном воздухе — предложенный Циолковским газовый руль, который отклоняет направление газовой струи. Однако теперь конструкторы начинают отказываться от использования газовых рулей и заменять их несколькими дополнительными соплами или поворачивать саму главную насадку. Например, в американской ракете, построенной по проекту «Авангард», двигатель подвешен на петлях, и его можно отклонить на 5-7O. Фактически в начале полета, когда плотность воздуха еще высока, скорость ракеты низкая, поэтому руль плохо управляется. А там, где скорость ракеты высокая, плотность воздуха низкая. Газовый руль хрупкий и хрупкий, потому что он должен быть сделан из графита или керамики.

Каждая ступень ракеты работает в совершенно разных условиях, которые определяют ее устройство. Мощность каждого следующего этапа и время его развертывания короче, что облегчает его проектирование.

В настоящее время двигатели баллистических ракет работают в основном на жидком топливе. В качестве топлива обычно используется керосин, спирт, гидразин, анилин, а в качестве окислителей — азотная и хлорная кислоты, жидкий кислород и перекись водорода. Фтор и жидкий озон являются очень активными оксидантами, но из-за своей исключительной взрывоопасности они все еще имеют ограниченное применение.

Наиболее ответственной частью ракеты является двигатель, а в ней — камера сгорания и сопло. Здесь должны использоваться особо термостойкие материалы и сложные методы охлаждения, так как температура сгорания топлива достигает 2500-3500ОС. Обычные материалы не выдерживают таких температур. Другие подразделения также довольно сложны. Например, насосы, подающие топливо и окислитель в сопла камеры сгорания, уже могли перекачивать 125 кг топлива в секунду в ракете ФАУ-2. В некоторых случаях вместо баллонов со сжатым воздухом или другим газом используются баллоны, которые вытесняют топливо из баллонов и подают его в камеру сгорания.

С специального пускового устройства запускается баллистическая ракета. Часто это пробитая металлическая мачта или даже башня, рядом с которой ракета собирается по частям кранами. Площадки на башне установлены напротив смотровых люков, через которые осуществляется проверка и регулировка оборудования. Затем ракета заполняется топливом и башня отходит.

Ракета стартует вертикально, затем наклоняется и описывает почти строго эллиптическую траекторию. Большая часть траектории таких ракет проходит на высоте более 1000 км над Землей, где практически нет воздушного сопротивления, но по мере приближения атмосферы к цели движение ракеты начинает резко замедляться стремительно нагреваемым оболочкой, и если ее не устранить, то ракета может обрушиться, а ее заряд может преждевременно взорваться.

Заключение

От себя добавлю, что мое описание работы межконтинентальной ракеты устарело и соответствует состоянию развития науки и техники в 1960-х годах, но из-за ограниченного доступа к современным научным материалам я не могу дать точного описания работы современной межконтинентальной ракеты со сверхдальним радиусом действия. Однако я охватил общие характеристики, присущие всем ракетам, поэтому считаю свою задачу выполненной.

Список литературы

1. Дерхабин В. М. законы сохранения в физике. — M. Просвещение, 1985.
2. Гелфер Я. М. Законы сохранения. — M. : Наука, 1964.
3. Тело К. Мир без форм. — М: Мир, 1974.
4. Детская энциклопедия. — М.: Издательство АН СССР, 1955 год.
5. С. В. Громов, Родина НА. Физика — М.: Просвещение, 2004.

Реактивное движение реферат по физике

МОУ СОШ № 21 Реферат на тему «Реактивное движение и баллистические ракеты» Ученика 10 «А» класса Нерсесяна Дениса. Озёрск, 2004 г. Содержание 1. Введение 2. Закон сохранения импульса 3. Реактивное движение 4. Реактивный двигатель 5. Реактивное оружие 6. Межконтинентальная баллистическая ракета 1 7. Исторические справки о баллистических ракетах 8. Заключение 2 F12 = – F21. (6) Сложим теперь два уравнения движения: (7) Это можно переписать в виде (8) В результате получаем закон сохранения импульса системы двух тел p1+p2 = const. (9) Подставляя сюда выражение для импульсов частиц, получаем после следующей цепочки преобразований m1v1+m2v2 = const, или (10) (11) (12) (13) Разделив обе части последнего равенства на суммарную массу, m = m1 + m2, получаем уравнение (14) Введем теперь вектор (15) Точка с координатами Rc называется центром инерции (или центром масс) системы из двух материальных точек. Из уравнения (14) следует, что, каким бы сложным ни казалось движение каждой из масс, пpоизводная dRc /dt = const. Таким обpазом, центр инерции движется с постоянной скоростью (независимо от наличия колебательного и вращательного движения системы). Обозначим эту скорость как Vc: (16) Подставляя сюда выражение для Rc и дифференцируя, получаем (17) 5 Эта формула определяет скорость центра инерции Vc через массы и скорости составляющих систему частиц. К движению именно этой точки относится первый закон Ньютона, и скорость этой точки надо считать скоростью движения системы как целого 1 . Если мы согласимся на такое определение скорости движения системы как целого, то тогда импульс системы как целого должен быть равен произведению суммарной массы системы m1 + m2 на ее скорость Vc, то есть (m1+m2)Vc. С другой стороны, (m1+m2)Vc = m1v1+m2v2 = p1 + p2 (18) и импульс системы оказывается равным сумме импульсов составляющих ее частиц. Таким образом, импульс, как говорят, — величина аддитивная, то же самое можно сказать и о массе тела. Мы показали, что в отсутствие внешних сил этот импульс не меняется со временем, то есть сохраняется. Очевидно, что все вышесказанное можно отнести и к системе с б\’ольшим числом материальных точек. Если на систему теперь действуют внешние силы, например на первое тело F1 внеш и на второе F2 внеш, то уравнения движения для каждой из материальных точек запишутся в виде = F12+ F1 внеш, (19) = F21+ F2 внеш. Складывая эти уравнения, получаем = F1 внеш+F2 внеш, или (20) = F1 внеш+ F2 внеш. Отсюда следует, что центр масс системы движется как материальная точка, масса которой равна суммарной массе всей системы, а действующая сила — геометрической сумме всех внешних сил, действующих на систему. Примером может служить движение снаряда по параболе в безвоздушном пространстве. Если в какой-либо момент времени снаряд разорвется на мелкие осколки, то эти осколки будут далее разлетаться в разные стороны. Однако центр масс осколков и газов, образовавшихся при взрыве, будет продолжать свое движение по параболической траектории, как если бы никакого взрыва не было. 6 Принцип относительности Галилея и закон сохранения импульса Сформулировав принцип относителньости Галилея и законы Ньютона, мы нашли, что они не противоречат друг другу, то есть второй закон Ньютона инвариантен относительно преобразований Галилея. Затем из второго и третьего законов Ньютона мы вывели закон сохранения импульса (этих двух законов, по существу, достаточно: первый закон — частный случай второго, когда сила равна нулю). Таким образом, возникает естественное желание проверить закон сохранения импульса с точки зрения принципа относительности Галилея. А именно: давайте покажем, что если этот закон сохранения верен в одной инерциальной системе, то он верен и во всех остальных системах, движущихся относительно нее с постоянной скоростью. Действительно, рассмотрим две системы координат S и S’ и пусть последняя движется со скоростью V относительно первой. Тогда, если v — это скорость частицы в системе S, а v’ — скорость в системе S’, то, как мы видели, эти скорости связаны соотношением v = v’ + V. (21) Пусть теперь в системе отсчета S происходит столкновение двух частиц m1 и m2 со скоростями v1 и v2, В результате столкновения они разлетаются, но уже с другими скоростями w1 и w2. Закон сохранения импульса в системе отсчета S выглядит тогда следующим образом: m1v1+ m2v2 = m1w1+ m2w2. (22) Подставляя сюда (23) мы получим m1(v1’+V)+ m2(v2’+V) = m1(w1’+V)+ m2(w2’+V), или (24) m1v1’+ m2v2’+ (m1+m2)V = m1w1’+m2 w2’+ (m1+m2)V. Сокращая на (m1+m2)V, мы приходим к выводу, что и в системе S’ выполняется закон сохранения импульса: m1v1’+m2v2′ = m1w1’+ m2w2′. (25) 7 тела разлетятся со скоростями υ в разные стороны. Через небольшой промежуток времени (Δ /υ) второе тело сталкивается с третьим и слипается с ним. Образовавшееся новое тело, как мы уже убедились, будет двигаться вправо со скоростью υ/2 (pис. 7). А что произойдет, если взрыв устроить между телом массы m и телом массы 2m? Ответ очевиден. Для этого надо повторить предыдущий эксперимент с Δ = 0 (см. pис. 8)! Рис. 7. Тpи одинаковых массы: а) ситуация до взpыва, б) чеpез очень коpоткое вpемя после взpыва, в) спустя некотоpое вpемя после взpыва. Рис. 8. Разлет тел массы m и массы 2m. Давайте теперь обратим движение вспять, то есть прокрутим «ленту» в обратную сторону. Что произойдет, если тело массы m летит со скоростью υ навстречу телу массы 2m, скорость которого равна υ/2? Интуитивно кажется, что, когда тела слипнутся, результирующая скорость будет равна нулю. Это действительно так, если уравнения механики инвариантны относительно инверсии времени: t→ –t. Впоследствии мы убедимся, что это действительно так и происходит. А сейчас примем это for granted. Итак, ситуация будет выглядеть так, как изобpажено на pис. 9а. Рис. 9. а) Hеупpугое столкновение двух тел с массами m и 2m. б) То же самое, но в системе отсчета, в котоpой тело массы 2m покоится. Теперь выясним, что произойдет в системе отсчета, которая движется вместе с телом 2m. Как следует из pис. 9б, скоpость тела, обpазовавшегося после столкновения, pавна υ/2. Иными словами (см. pис. 10), после столкновения скорость трех тел будет в три раза меньше скорости налетающего тела. Опять импульс сохраняется! Рис. 10. Окончательный итог. Очевидно, что этот процесс можно было бы продолжать до бесконечности и вывести закон сохранения импульса для любого соотношения масс сталкивающихся и затем слипающихся частиц. Но мы на этом остановимся! 10 1В системе отсчета, движущейся со скоростью Vc, импульс системы материальных точек равен нулю. 11 Реактивное движение. Реактивное движение. Закон сохранения импульса позволяет объяснить и получить основные уравнения, описывающие реактивное движение. Главной особенностью движения ракеты является то, что это движение тела с переменной массой. Выбрасывая ежесекундно определенную часть массы в виде газов сгоревшего топлива, ракета разгоняется. Чтобы учесть переменность массы ракеты, следует воспользоваться уравнением Ньютона в форме: Δp/Δt = 0. Здесь Δp = p2 — p1 — разность конечного и начального импульсов системы, состоящей из ракеты и испущенных за время Δt газов. Предполагается для простоты, что на ракету не действуют внешние силы (конечно, это не так, тяготение Земли очень важно, но в этом случае уравнения сильно усложняются). Введем обозначения :m — масса ракеты вместе с топливом ,vр — скорость ракеты относительно Земли, vг — скорость газов относительно Земли, vгр — скорость газов относительно ракеты, Δmг — масса газа, вытекшего из сопла ракеты за время Δt и равная уменьшению полной массы ракеты за это же время. Начальный импульс ракеты вместе с топливом относительно Земли в произвольный момент времени равен (17.4) Через время Δt масса ракеты становится равной m — Δmг, скорость ракеты относительно Земли получает приращение и становится равной vр + Δvр. Таким образом, суммарный импульс ракеты и выброшенных газов относительно Земли равен Принято выражать скорость газов относительно Земли через их скорость относительно ракеты (скорость истечения) vгр с помощью закона сложения скоростей: vг = vгр + vр. Это векторное равенство, и так как в большинстве случаев скорость истечения газов противоположна скорости ракеты, то |vг| < |vгр|. Подставляя это равенство в выражение для импульса системы, получаем (17.5) Преобразовывая уравнения (17.4) и (17.5) получаем дифференциальное уравнение (17.6) Оно носит имя нашего великого соотечественника К. Э. Циолковского. Интегрируя обе части уравнения в предположении постоянства скорости истечения газов vгр, находим закон возрастания скорости ракеты: 12 Принцип реактивного движения известен очень давно. Родоначальником Р. д. можно считать шар Герона. Твёрдотопливные ракетные двигатели — пороховые ракеты появились в Китае в 10 в. н. э. На протяжении сотен лет такие ракеты применялись сначала на Востоке, а затем в Европе как фейерверочные, сигнальные, боевые. В 1903 К. Э. Циолковский в работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами» впервые в мире выдвинул основные положения теории жидкостных ракетных двигателей и предложил основные элементы устройства РД на жидком топливе. Первые советские жидкостные ракетные двигатели — ОРМ, ОРМ-1, ОРМ-2 были спроектированы В. П. Глушко и под его руководством созданы в 1930-31 в Газодинамической лаборатории (ГДЛ). В 1926 Р. Годдард произвёл запуск ракеты на жидком топливе. Впервые электротермический РД был создан и испытан Глушко в ГДЛ в 1929-33. В 1939 в СССР состоялись испытания ракет с прямоточными воздушно- реактивными двигателями конструкции И. А. Меркулова. Первая схема турбореактивного двигателя была предложена русским инженером Н. Герасимовым в 1909. В 1939 на Кировском заводе в Ленинграде началась постройка турбореактивных двигателей конструкции А. М. Люльки. Испытаниям созданного двигателя помешала Великая Отечественная война 1941-45. В 1941 впервые был установлен на самолёт и испытан турбореактивный двигатель конструкции Ф. Уиттла (Великобритания). Большое значение для создания Р. д. имели теоретические работы русских учёных С. С. Неждановского, И. В. Мещерского, Н. Е. Жуковского, труды французского учёного Р. Эно-Пельтри, немецкого учёного Г. Оберта. Важным вкладом в создание ВРД была работа советского учёного Б. С. Стечкина «Теория воздушно-реактивного двигателя», опубликованная в 1929. Р. д. имеют различное назначение и область их применения постоянно расширяется. Наиболее широко Р. д. используются на летательных аппаратах различных типов. Турбореактивными двигателями и двухконтурными турбореактивными двигателями оснащено большинство военных и гражданских самолётов во всём мире, их применяют на вертолётах. Эти Р. д. пригодны для полётов как с дозвуковыми, так и со сверхзвуковыми скоростями; их устанавливают также на самолётах-снарядах, сверхзвуковые турбореактивные двигатели могут использоваться на первых ступенях воздушно-космических самолётов. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели устанавливают на зенитных управляемых ракетах, крылатых ракетах, сверхзвуковых истребителях-перехватчиках. Дозвуковые прямоточные двигатели применяются на вертолётах (устанавливаются на концах лопастей несущего винта). Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели имеют небольшую тягу и предназначаются лишь для летательных аппаратов с дозвуковой скоростью. Во время 2-й мировой войны 1939-45 этими двигателями были оснащены самолёты-снаряды ФАУ-1. 15 РД в большинстве случаев используются на высокоскоростных летательных аппаратах. Жидкостные ракетные двигатели применяются на ракетах-носителях космических летательных аппаратов и космических аппаратах в качестве маршевых, тормозных и управляющих двигателей, а также на управляемых баллистических ракетах. Твёрдотопливные ракетные двигатели используют в баллистических, зенитных, противотанковых и др. ракетах военного назначения, а также на ракетах- носителях и космических летательных аппаратах. Небольшие твёрдотопливные двигатели применяются в качестве ускорителей при взлёте самолётов. Электрические ракетные двигатели и ядерные ракетные двигатели могут использоваться на космических летательных аппаратах. Основные характеристики Р. д.: реактивная тяга, удельный импульс — отношение тяги двигателя к массе ракетного топлива (рабочего тела), расходуемого в 1 сек, или идентичная характеристика — удельный расход топлива (количество топлива, расходуемого за 1 сек на 1 н развиваемой Р. д. тяги), удельная масса двигателя (масса Р. д. в рабочем состоянии, приходящаяся на единицу развиваемой им тяги). Для многих типов Р. д. важными характеристиками являются габариты и ресурс. Тяга — сила, с которой Р. д. воздействует на аппарат, оснащенный этим Р. д., — определяется по формуле P = mWc+ Fc(pc — pn), где m — массовый расход (расход массы) рабочего тела за 1 сек; Wc — скорость рабочего тела в сечении сопла; Fc — площадь выходного сечения сопла; pc — давление газов в сечении сопла; pn — давление окружающей среды (обычно атмосферное давление). Как видно из формулы, тяга Р. д. зависит от давления окружающей среды. Она больше всего в пустоте и меньше всего в наиболее плотных слоях атмосферы, т. е. изменяется в зависимости от высоты полёта аппарата, оснащенного Р. д., над уровнем моря, если речь идёт о полёте в атмосфере Земли. Удельный импульс Р. д. прямо пропорционален скорости истечения рабочего тела из сопла. Скорость же истечения увеличивается с ростом температуры истекающего рабочего тела и уменьшением молекулярной массы топлива (чем меньше молекулярная масса топлива, тем больше объём газов, образующихся при его сгорании, и, следовательно, скорость их истечения). Тяга существующих Р. д. колеблется в очень широких пределах — от долей гс у электрических до сотен тс у жидкостных и твёрдотопливных ракетных двигателей. Р. д. малой тяги применяются главным образом в системах стабилизации и управления летательных аппаратов. В космосе, где силы тяготения ощущаются слабо и практически нет среды, сопротивление которой приходилось бы преодолевать, они могут использоваться и для разгона. РД с максимальной тягой необходимы для запуска ракет на большие дальность и высоту и особенно для вывода летательных аппаратов в 16 космос, т. е. для разгона их до первой космической скорости. Такие двигатели потребляют очень большое количество топлива; они работают обычно очень короткое время, разгоняя ракеты до заданной скорости. Максимальная тяга ВРД достигает 28 тс (1974). Эти Р. д., использующие в качестве основного компонента рабочего тела окружающий воздух, значительно экономичнее. ВРД могут работать непрерывно в течение многих часов, что делает их удобными для использования в авиации. 17 жидкий озон, но из-за крайней взрывоопасности они пока находят ограниченное применение. Наиболее ответственной частью ракеты является двигатель, а в нём — камера 0 0 1 Fсгорания и сопло. Здесь должны использоваться особо жаропроч ные материалы и сложные методы охлаждения, так как температура сгорания топлива доходит до 2500-3500ОС. Обычные материалы таких температур не выдерживают. Достаточно сложны и остальные агрегаты. Например, насосы, которые подавали горючее и окислитель к форсункам камеры сгорания, уже в ракете ФАУ-2 были способны перекачивать 125 кг топлива в секунду. В ряде случаев вместо баллонов применяют баллоны со сжатым воздухом или каким-нибудь другим газом, который вытесняет 0 0 1 Fго рючее из баков и гонит его в камеру сгорания. 0 0 1 F 0 0 1 F 0 0 1 FЗапускается баллистическая ракета со специального стартового ус т рой ства. Часто это ажурная металлическая мачта или даже башня, около которой ракету собирают по частям подъёмными кранами. Площадки на башне размещаются против смотровых люков, через которые проверяют и налаживают оборудование. Потом ракету заправляют топливом, и башня отъезжает. Стартуя вертикально, ракета затем наклоняется и описывает почти строго эллиптическую траекторию. Значительная часть траектории полёта таких ракет 0 0 1 F 0 0 1 F 0 0 1 Fпроходит на высоте больше 1000 км над Землёй, где сопро тив ле ние воздуха практически отсутствует, однако с приближением к цели атмосфера начинает резко тормозить движение ракеты, при этом оболочка сильно нагревается, и, если не принять меры, ракета может разрушиться, а её заряд — преждевременно взорваться. Исторические справки по баллистическим ракетам. Межконтинентальная баллистическая ракета Р-7 (8К71) / Р-7А (8К74)/SS-6 (Sapwood) Тактико-технические характеристики Стартовая масса, т 283,0 Масса полезной нагрузки, кг до 5400 Масса топлива, т 250 Максимальная дальность стрельбы, км 8000 Длина ракеты, м 31,4 Диаметр ракеты, м 11,2 Тип головной части Моноблочная, ядерная, отделяемая 20 мая 1954 года выходит совместное постановление ЦК КПСС и Правительства о создании баллистической ракеты межконтинентальной дальности. Работы были поручены ЦКБ-1. Возглавлявший это бюро С.П. Королев получил широкие полномочия на привлечение не только специалистов различных отраслей промышленности, но и на использование необходимых материальных ресурсов. Для отработки тактико-технических характеристик МБР, запуска искусственных спутников земли, выполнения научно-исследовательских и экспериментальных работ по тематике ракетно-космической техники, начиная с февраля 1955 года, создается полигон в районе поселка Тюра-Там (Байконур). В начале 1957 года ракета, получившая обозначение Р-7, была готова к 20 испытаниям. В апреле этого же года был подготовлен и стартовый комплекс. Первый старт, назначенный на 19.00 московского времени 15 мая, вызвал большой интерес. Прибыли все Главные конструктора систем ракеты и стартового комплекса, руководители программы и ряда других ответственных организаций. Все надеялись на успех. Однако, почти сразу после прохождения команды на запуск двигательной установки в хвостовом отсеке одного из боковых блоков возник пожар. Ракета взорвалась. Намеченный на 11 июня 1957 года следующий запуск “семерки” не состоялся по причине неисправности двигателей центрального блока. Специалистам под руководством ведущего конструктора Д. Козлова потребовался месяц упорной и кропотливой работы, чтобы устранить причины выявленных неполадок. И вот 12 июля ракета наконец взлетела. Казалось все идет хорошо, но прошло всего несколько десятков секунд полета и ракета стала отклоняться от заданной траектории. Чуть позже ее пришлось подорвать. Как потом удалось выяснить, причиной послужило нарушение с 32 секунды управления ракетой по каналам вращения и тангажа. Первая серия испытаний показала наличие серьезных недостатков в конструкции Р-7. При анализе данных телеметрии было установлено, что в определенный момент при опорожнении баков горючего возникали колебания давления в расходных магистралях, которые приводили к повышенным динамическим нагрузкам и, в конечном счете, к разрушению конструкции (американские конструкторы также столкнулись с этой проблемой). Долгожданный успех пришел 21 августа 1957 года, когда стартовавшая в тот день ракета полностью выполнила намеченный план полета. 27 августа в советских газетах появилось сообщение ТАСС об успешном испытании в СССР сверхдальней многоступенчатой ракеты. Это заявление, естественно, не осталось без внимания и произвело должный эффект. 4 октября и 3 ноября этого же года в Советском Союзе при помощи ракет Р-7 были запущены первые ИСЗ. Эти события произвели колоссальный фурор в мире. Позже американский президент Дж. Кеннеди признался: “Когда мы узнали о запуске русскими искусственного спутника земли, мы пришли в шоковое состояние и в течение недели не могли ни принимать решения, ни разговаривать друг с другом…”. Не эти ли впечатления остановили Дж. Кеннеди от разрешения Карибского кризиса силовым путем? Кто знает. А тем временем испытатели межконтинентальной ракеты столкнулись с новыми трудностями. Так как боевой блок поднимался на высоту нескольких сотен километров, то ко времени обратного входа в плотные слои атмосферы он разгонялся до огромных скоростей. Моноблок круглой формы, разработанный ранее для БРСД, быстро сгорал. В конце концов разработчики боевого оснащения справились с этой проблемой, но какой ценой. Как вспоминал генерал-лейтенант А.С. Калашников (в период испытаний занимал должность начальника управления на полигоне Байконур) летом 1960 года, когда Н.С. Хрущев увидел первую ГЧ ракет Р-7 и модернизированную (вторая была в 4-5 раз меньше и более совершенна по конструкции), то очень разозлился и все допытывался у Главкома РВСН главного маршала артиллерии М.И. Неделина, почему так получилось, кто не доработал и по какой причине такая огромная первая головная часть. Так как Неделин виновных не назвал, то Хрущев решил, что виноват Королев и когда Сергей Павлович докладывал о своих новых МБР Р-9 и РТ-1, выставленных на специальной площадке, Хрущев выслушал его молча. Окружающие даже не смогли понять, разрабатывать эти ракеты дальше или нет. Естественно, что большая масса ГЧ существенно уменьшила дальность полета. На повестку дня встал вопрос о создании модифицированной ракеты с улучшенными тактико-техническими характеристиками. 12 июля 1958 года было выдано задание на разработку более совершенной ракеты — Р-7А. Одновременно велась доводка “семерки”. 20 января 1960 года ее приняли на вооружение только что созданного вида Вооруженных Сил — Ракетных войск стратегическогоназначения. Двухступенчатая ракета Р-7 выполнена по “пакетной ” схеме. Ее первая ступень представляла собой четыре боковых блока, каждый длиной 19 м и наибольшим диаметром 3 м, расположенных симметрично вокруг центрального блока (вторая ступень ракеты) и соединенных с ним верхним и нижним поясами силовых связей. Конструкция всех блоков одинакова и включала опорный конус, топливные баки, 21 силовое кольцо, хвостовой отсек и двигательную установку. На каждом блоке первой ступени устанавливались ЖРД РД-107 конструкции ГДЛ-ОКБ, руководимого академиком В. Глушко, с насосной подачей компонентов топлива. Он был выполнен по открытой схеме и имел шесть камер сгорания. Две из них использовались как рулевые. ЖРД развивал тягу 78т у земли. Центральный блок ракеты состоял из приборного отсека, баков для окислителя и горючего, силового кольца, хвостового отсека, маршевого двигателя и четырех рулевых агрегатов. На второй ступени устанавливался ЖРД РД-108, аналогичный по конструкции с РД-107, но отличавшийся, в основном, большим числом рулевых камер. Он развивал тягу у земли до 71 т и работал дольше, чем ЖРД боковых блоков. Для всех двигателей использовалось двухкомпонентное топливо: окислитель — переохлажденный жидкий кислород, горючее — керосин Т-1. Для обеспечения работы автоматики ракетных двигателей, применялись перекись водорода и жидкий азот. Чтобы достичь заданной дальности полета конструкторы установили автоматическую системы регулирования режимов работы двигателей и систему одновременного опорожнения баков (СОБ), что позволило сократить гарантированный запас топлива. Конструктивно-компоновочная схема Р-7 обеспечивала запуск всех двигателей при старте на земле с помощью специальных пирозажигательных устройств, установленных в каждую из 32 камер сгорания. Маршевые ЖРД ракеты имели высокие энергетические и массовые характеристики, а также высокую надежность. Для своего времени они были выдающимся достижением в области ракетного двигателестроения. Р-7 оснащалась комбинированной системой управления. Ее автономная подсистема обеспечивала угловую стабилизацию и стабилизацию центра масс на активном участке траектории. Радиотехническая подсистема осуществляла коррекцию бокового движения центра масс в конце активного участка траектории и выдачу команды на выключение двигателей, что повышало точность стрельбы. Исполнительными органами системы управления являлись поворотные камеры рулевых двигателей и воздушные рули. Для реализации алгоритмов радиокоррекции были построены два пункта управления (основной и зеркальный), удаленных на 276 км от стартовой позиции и на 552 км друг от друга. Ракета несла моноблочную термоядерную головную часть мощностью 3 Мт. Она крепилась к приборному отсеку центрального блока с помощью трех пирозамков. Характеристики ГЧ позволяли поразить крупную площадную цель, посредством как воздушного, так и наземного ядерного взрыва. Для базирования этих ракет, в 1958 году, было принято решение о строительстве боевой стартовой станции (объект “Ангара”) в районе г. Плесецк. 1 января 1960 года она была готова, а 16 июля впервые в Вооруженных Силах самостоятельно провела два учебно-боевых пуска со стартовой позиции. Перед стартом ракету доставляли с технической позиции на железнодорожном транспортно-установочном лафете и устанавливали на массивное пусковое устройство. Весь процесс предстартовой подготовки длился более двух часов. Ракетный комплекс получился громоздким, уязвимым и очень дорогим и сложным в эксплуатации. К тому же в заправленном состоянии ракета могла находиться не более 30 суток. Для создания и пополнения необходимого запаса кислорода для развернутых ракет нужен был целый завод. Комплекс имел низкую боевую готовность. Недостаточной была и точность стрельбы. БРК данного типа не годился для массового развертывания. Всего было построено четыре стартовых сооружения. 12 сентября 1960 года на вооружение принимается МБР Р-7А. Она имела несколько большую по размерам вторую ступень, что позволило увеличить на 500 км дальность стрельбы, новую головную часть и упрощенную систему радиоуправления. Но добиться заметного улучшения боевых и эксплуатационных характеристик не удалось. Очень быстро стало ясно, что Р-7 и ее модификация не могут быть поставлены на боевое дежурство в массовом количестве. Так все и случилось. К моменту возникновения Карибского кризиса РВСН располагали несколькими десятками таких ракет. К концу 1968 года обе эти ракеты сняли с вооружения. Но еще раньше МБР Р-7А стала широко использоваться для запуска космических аппаратов. В истории развития 22 Несмотря на ряд достоинств, к моменту постановки первого ракетного полка на боевое дежурство, “девятка” уже не в полной мере удовлетворяла комплексу требований к боевым стратегическим ракетам. Это и не удивительно, так как она относилась к МБР первого поколения. Превосходя по боевым, техническим и эксплуатационным характеристикам американские “Титан-1” и “Атлас-F”, которые к этому времени уже снимались с вооружения, и советские Р-7А и Р-16У она уступала новейшим “Минитменам” по показателям живучести, точности стрельбы и времени подготовки к пуску. Последний критерий стал одним из определяющих для МБР. К тому же ракетные комплексы с Р-9А оказались достаточно дорогими в эксплуатации, что не могло сказаться на масштабах их развертывания (всего на боевое дежурство было поставлено 26 единиц). Р-9А стала последней боевой ракетой в группировке РВСН на кислородно-керосиновом топливе. Она состояла на вооружении до середины 70-х годов. Межконтинентальная баллистическая ракета Р-16 (8К64) / Р-16У (8К64У)/SS-7 (Saddler) Тактико-технические характеристики Максимальная дальность стрельбы, км 13000 Стартовая масса, т 140,6 Масса полезной нагрузки, кг до 2175 Масса топлива, т 130 Длина ракеты, м 34,3 Диаметр ракеты, м 3 Тип головной части Моноблочная, ядерная 13 мая 1959 года специальным совместным постановлением ЦК КПСС и Правительства конструкторскому бюро “Южное” академика М.К. Янгеля поручили разработать межконтинентальную ракету на высококипящих компонентах топлива. В последствии она получила обозначение Р-16. Для разработки двигателей и систем ракеты, а также наземной и шахтной стартовых позиций были привлечены конструкторские коллективы, возглавляемые В.П. Глушко, В.И. Кузнецовым, Б.М Коноплевым и др. Необходимость разработки этой ракеты определялась низкими тактико-техническими и эксплуатационными характеристиками первой советской МБР Р-7. Первоначально Р-16 предполагалось запускать только с наземных пусковых установок. На ее проектирование и проведение летно-конструкторских испытаний отводились крайне сжатые сроки. Чтобы уложиться в них, конструкторские коллективы пошли по пути широкого использования наработок по ракетам Р-12 и Р-14. При подготовке к первому пуску на полигоне Байконур 24 октября 1960 года из-за прохождения преждевременной команды от токораспределителя произошел запуск двигательной установки второй ступени, что привело к взрыву. В результате погибли находившиеся на стартовой позиции большая часть боевого расчета, председатель государственной комиссии главком РВСН М.И. Неделин и ряд конструкторов и руководящих работников от министерств. Второй пуск Р-16 состоялся 2 февраля 1961 года. Несмотря на то, что ракета упала на трассе полета из-за потери устойчивости, разработчики убедились в жизнеспособности принятой схемы. Напряженная работа позволила закончить летные испытания ракеты, запускаемой с наземной пусковой установки, к концу 1961 года. 1 ноября три первых ракетных полка в г. Нижний Тагил и п. Юрья Кировской области были подготовлены к заступлению на боевое дежурство. Начиная с мая 1960 года, проводились опытно-конструкторские работы, связанные с реализацией пуска модифицированной ракеты Р-16У из шахтной пусковой установки. 25 В январе 1962 года на полигоне Байконур был проведен первый пуск ракеты из ШПУ. 5 февраля 1963 года началась постановка на боевое дежурство первого ракетного полка (г. Нижний Тагил), вооруженного БРК с этими МБР, а 15 июля этого же года этот комплекс был принят на вооружение РВСН. Ракета Р-16 была выполнена по схеме “тандем” с последовательным разделением ступеней. Первая ступень состояла из переходника, к которому посредством четырех разрывных болтов крепилась вторая ступень, бака окислителя, приборного отсека, бака горючего и хвостового отсека с силовым кольцом. Топливные баки несущей конструкции. Для обеспечения устойчивого режима работы ЖРД все баки имели наддув. При этом бак окислителя наддувался в полете встречным потоком воздуха, а бак горючего — сжатым воздухом из шаровых баллонов, размещенных в приборном отсеке. Двигательная установка состояла из маршевого и рулевого двигателей, укрепленных на одной раме. Маршевый двигатель был собран из трех одинаковых двухкамерных блоков и имел суммарную тягу на земле 227 т. Рулевой двигатель имел четыре поворотные камеры сгорания и развивал тягу на земле 29 т. Система подачи топлива во всех двигателях — турбонасосная с питанием турбин продуктами сгорания основного топлива. Вторая ступень, служившая для разгона ракеты до скорости, соответствовавшей заданной дальности полета, имела аналогичную конструкцию, но была выполнена короче и в меньшем диаметре. Ее ДУ во многом была заимствована от первой ступени, что удешевляло производство, но в качестве маршевого двигателя устанавливался только один блок. Он развивал тягу в пустоте 90 т. Рулевой двигатель отличался от аналогичного двигателя первой ступени меньшими размерами и тягой (5 т). Все ракетные двигатели работали на самовоспламеняющихся при контакте компонентах топлива: окислителе АК-27И и горючем — НДМГ. Р-16 имела защищенную автономную инерциальную систему управления. Она включала автоматы угловой стабилизации, стабилизации центра масс, систему регулирования кажущейся скорости, систему одновременного опорожнения баков, автомат управления дальностью. В качестве чувствительного элемента СУ впервые на советских межконтинентальных ракетах была применена гиростабилизированная платформа на шарикоподшипниковом подвесе. Приборы системы управления располагались в приборных отсеках на первой и второй ступенях. КВО при стрельбе на максимальную дальность 12000 км составило около 2700 м. При подготовке к старту ракета устанавливалась на пусковое устройство так, чтобы плоскость стабилизации находилась в плоскости стрельбы. МБР Р-16У конструктивно почти не отличалась от Р-16. Для обеспечения старта из ШПУ была изменена автоматика работы двигательной установки первой ступени. На корпусе ракеты были сделаны площадки для установки бугелей, фиксирующих ее положение в направляющих шахтной пусковой установки. Баки горючего стали наддуваться азотом. МБР Р-16 оснащалась отделяемой моноблочной головной частью двух типов, отличавшихся мощностью термоядерного заряда (порядка 3 Мт и 6 Мт). ГЧ конической формы с полусферической вершиной крепилась к корпусу второй ступени с помощью трех разрывных болтов. Ее отделение осуществлялось за счет торможения второй ступени при срабатывании тормозных пороховых ракетных двигателей. От мощности головной части зависела максимальная дальность полета, колебавшаяся в пределах от 11000 до 13000 км. МБР Р-16 стала базовой ракетой для создания группировки межконтинентальных ракет РВСН. Наземный стартовый комплекс включал боевую позицию с двумя пусковыми устройствами, одним общим командным пунктом и хранилищем ракетного топлива. Пуск ракеты осуществлялся после ее установки на пусковой стол, заправки компонентами ракетного топлива и сжатыми газами, проведения операций по прицеливанию. Все эти операции занимали довольно много времени. Чтобы его сократить были введены четыре степени технической готовности, характеризовавшиеся определенным временем до возможного старта, которое было необходимо затратить для выполнения ряда операций по предстартовой подготовке и запуску ракеты. В высшей степени готовности МБР Р-16 могла стартовать через 30 26 минут. Р-16У была развернута в гораздо меньших количествах, так как на строительство шахтных комплексов требовалось больше времени, чем для ввода в строй РК с наземными ПУ. На каждой стартовой позиции располагались три ШПУ, размещенные в линию на расстоянии десятков метров друг от друга, подземный командный пункт, хранилища компонентов топлива, а также другие сооружения. В отличии от других БРК с шахтными пусковыми установками ШПУ Р-16У обеспечивала движение ракеты по направляющим. Ракета размещалась внутри на специальном поворотном устройстве с пристыкованными коммуникациями системы заправки. Для БРК с МБР Р-16У устанавливалось три степени боевой готовности. Как и все ракеты первого поколения эти МБР не могли долго находиться в заправленном состоянии. В постоянной готовности они хранились в укрытиях или шахтах с пустыми баками и требовалось значительное время для приведения их в готовность к пуску. По времени приведения в боевую готовность советские МБР уступали американским ракетам и на много. Низкая живучесть советских ракетных комплексов практически исключала возможность нанесения ответного удара. К тому же уже в 1964 году стало ясно, что эта ракета морально устарела. Для своего времени Р-16 была вполне надежной и достаточно совершенной ракетой. До 1965 года было развернуто 186 пусковых установок для Р-16 и Р-16У. На вооружении МБР этого типа состояли до середины 70-х годов. Последние ракеты наземных пусковых установок ликвидировали в 1977 году. Межконтинентальная баллистическая ракета РТ-2 (8К98) / РТ-2П (8К98П)/РС-12/SS-13 (Savage) Тактико-технические характеристики Максимальная дальность стрельбы, км 9400 Стартовая масса, т 51,0 Масса полезной нагрузки, кг 600 Длина ракеты, м 21,1 Диаметр ракеты, м 1,84 Тип головной части моноблочная, ядерная Последней из советских ракет второго поколения, поступившей на вооружение, стала первая боевая твердотопливная МБР РТ-2. Еще задолго до этого, в 1959 году, в конструкторском бюро С.П. Королева началась разработка экспериментальной ракеты РТ-1 с двигателями на твердом топливе. По поводу ее создания развернулась дискуссия между сторонниками и противниками этого проекта. В то время советская технология создания больших смесевых топливных зарядов только зарождалась и, естественно, были сомнения в конечном успехе. Слишком все было ново. К тому же было ясно, что эта ракета не сможет нести тяжелую головную часть. Решение на создание твердотопливной МБР все же было приняли. Не последнюю роль в этом сыграли известия из США о начале испытаний ракет “Минитмен”. 4 апреля 1961 года вышло в свет постановление Правительства, в котором КБ Королева назначалось головным по созданию принципиально нового БРК стационарного типа с межконтинентальной ракетой на твердом топливе, оснащенной моноблочной головной частью. Для испытаний ракет и реализации ряда других программ 2 января 1963 года, на базе объекта “Ангара”, создается новый испытательный полигон Плесецк. В процессе создания ракетного комплекса пришлось решать сложные научно- технические и производственные проблемы. Так были разработаны смесевые твердые топлива, крупногабаритные заряды для двигателей, освоена уникальная технология их промышленного изготовления. Создана принципиально новая система управления. Был разработан новый тип пусковой установки, обеспечивавший старт ракеты при 27 сгорания основных компонентов топлива. На каждой ступени, для уменьшения гарантийных запасов топлива, устанавливалась своя система одновременного опорожнения баков. Еще в ходе летных испытаний от комбинированной системы управления отказались. Инерциальная СУ вполне обеспечивала заданную точность стрельбы. Это позволило значительно снизить затраты на развертывание БРК. Элементы системы управления размещались в приборных отсеках на первой и второй ступенях. Р-36 могла оснащаться двумя типами головных частей: моноблочной термоядерной головной частью с одним из двух возможных зарядов мощностью 18 Мт или 25 Мт и разделяющейся типа “MRV” с простым разбросом боевых блоков. Сочетание мощного заряда с довольно высокой точностью попадания (КВО -1300 м) и надежным комплексом средств преодоления системы ПРО гарантировало выполнение боевой задачи. Пуск ракеты проводился автоматически из ШПУ типа “ОС” после получения пусковой команды с командного пункта. Ракета хранилась в заправленном состоянии в течение нескольких лет. В верхней части стартового сооружения размещались источники электроснабжения, аппаратура технологических и технических систем, обеспечивавшая дистанционные контроль технического состояния систем ракеты и проведение операций по подготовке к пуску и пуск ракеты. Время подготовки и проведение дистанционного пуска МБР Р-36 составляло 5 минут. БРК с шестью пусковыми установками МБР Р-36 обладал уникальными боевыми возможностями и значительно превосходил американский РК аналогичного назначения с ракетой “Титан-2”, прежде всего по мощности термоядерного заряда, точности стрельбы и защищенности. Его появление произвело большое впечатление на зарубежных специалистов. Кроме Р-36 в конце 60-х на боевое дежурство в ограниченном количестве была поставлена ее модификация Р-36орб, отличавшаяся способом наведения головной части на выбранную цель. Всего до 1972 года включительно было развернуто 288 ШПУ для ракет этого типа. Р-36 стояла на боевом дежурстве до конца семидесятых годов, после чего была заменена на более совершенную ракету. Межконтинентальная баллистическая ракета Р-36М (15А14) / Р-36МУ (15А18) / Р-36М2 (15А18У) РС-20А / РС-20Б / РС-20В/SS-18 (Satan) Основные характеристики ракет PC-16, PC-18 и PC-20 Характеристики РС-16Б (МР УР-100У) РС-18Б (УР100НУ) РС-20В (Р36М2) Максимальная дальность, км 10 000 10 000 11 000 Стартовая масса, т 71,1 105,6 211,1 Масса полезной нагрузки, т 2,55 4,35 8,8 Число боевых блоков 4 6 10 Длина ракеты, м 22,5 24,3 34,3 Максимальный диаметр ракеты, м 2,25 2,5 3,0 Относительная масса полезной нагрузки 0,036 0,041 0,042 Мощность заряда боевого блока, Мт 0,55…0,75 0,55…0,75 0,55…0,75 Точность стрельбы (предельное отклонение), км 0,92 0,92 0,5 30 Межконтинентальные баллистические жидкостные ракеты стационарного базирования PC-16, PC-18-и РС-20 разрабатывались с разделяющимися головными частями (РГЧ), обеспечивающими прицельное последовательное разведение неуправляемых ББ (РГЧ типа MIRV). Их создание в СССР в 70-х годах проводилось прежде всего как ответная мера на резкое увеличение числа ББ в группировках МБР и БРПЛ США. Ракеты PC-16 и PC-20 и соответствующие комплексы были созданы кооперацией исполнителей, возглавляемой КБ под руководством В.Ф. Уткина, заменившего М.К. Янгеля. Головной организацией, разрабатывавшей ракету PC-18 и комплекс с этой МБР, было КБ под руководством В.Н.Челомея: летные испытания первых модификаций всех трех типов ракет проводились в 1972-1975 на полигоне Байконур. В 1975-1981 ракетные комплексы принимались на вооружение и ставились на боевое дежурство. В 1977-1979 гг. была проведена модернизация ракет и комплексов, позволившая улучшить ряд их тактико-технических характеристик. МБР PC-16, PC-18 и PC-20 относятся к двухступенчатым ракетам с ЖРД с последовательным расположением ступеней. При разработке ракет соответствующие КБ и организации использовали опыт создания предшествующего поколения ампулизированных жидкостных ракет на компонентах топлива НДМГ + AT, размещенных в шахтных ПУ (в первую очередь, ракет PC-10 и Р-36). Наряду с принципиальным новшеством — применением РГЧ типа MIRV к новым техническим решениям комплексов этого поколения следует отнести применение в ракетах автономной системы управления с БЦВМ, размещение ракет и пункта управления боевым ракетным комплексом в сооружениях высокой защищенности, возможность дистанционного переприцеливания перед пуском, наличие на ракетах более совершенных средств преодоления ПРО, более высокую, боевую готовность, применение более совершенной системы боевого управления, повышенную живучесть комплексов. Были резко повышены характеристики боевой эффективности за счет увеличения точности ракет и общей мощности их боевого оснащения. Каждая из ракет PC-16 и PC-18 имеет две модификации (А и Б), которые отличаются главным образом конструктивно-технологическими решениями и соответствующими характеристиками автономной системы управления. Для ракеты PC-20 различают три модификации: РС-20А, РС-20Б и РС-20В. Эти модификации отличаются типом и конструкцией головных частей, характеристиками системы управления, а для ракеты РС-20В — и рядом конструктивно-схемных решений по ракете в целом и ее ТПК. Для всех трех ракет характерны высокие значения коэффициента энергомассового совершенства (порядка 0,04), что свидетельствует прежде всего о рациональных конструктивно-схемных решениях и высоких удельных параметрах двигательных установок ракет. На всех ракетах в качестве компонентов топлива использовались несимметричный диметилгидразин (НДМГ) и четырехокись азота (AT), ставшие к этому моменту штатными компонентами для жидкостных МБР, размещаемых в ШПУ. Несколько меньшее значение коэффициента энергомассового совершенства для ракеты PC-16 по сравнению с двумя другими рассматриваемыми здесь МБР объясняется в основном особенностями принятых проектных решений. После принятия на вооружение МБР PC-16, PC-18 и PC-20 их число в группировке РВСН быстро росло. В 1991 оно составляло: 47 — для PC-16, 300 — для PC-18 и 308 — для PC-20. Эти ракеты на боевом дежурстве имели более 5000 боевых блоков, т.е. свыше 75% от общего числа боевых блоков в группировке МБР бывшего СССР. Возможности любой техники небеспредельны, вместе с тем, по расчетам наших конструкторов, эти ракеты могут надежно нести боевое дежурство еще несколько лет, не меньше, чем сроки, оговоренные обязательствами России по СНВ, т.е. 2003-2007 годы. 31 Межконтинентальная баллистическая ракета РТ-23У (15Ж60) [для ШПУ] / РТ-23У (15Ж61) [для БЖРК] РС-22А / РС-22В/SS-24 (Scalpel) Тактико-технические характеристики Максимальная дальность стрельбы, км 10000 Стартовая масса, т 104,5 Масса полезной нагрузки, кг 4050 Длина ракеты, м 23,4 Диаметр ракеты, м 2,4 Количество ступеней 3 Количество боевых блоков ГЧ 10 В начале 80-х годов КБ “Южное” было поручено создать новую ракету в противовес американской “МХ”. При этом ее основные массо- габаритные характеристики не должны были выходить за ограничения, накладываемые советско-американским Договором ОСВ-2. После оценки задания стало ясно, что это должна была быть твердотопливная ракета, пригодная для размещения как в шахтной пусковой установке (ШПУ), так и на самоходном шасси. При этом, подвижную пусковую установку целесообразно разместить на базе железнодорожного вагона. Этот способ базирования, несмотря на сложности и недостатки, позволял обеспечить высокую мобильность ракетному комплексу, что было крайне важно для оружия ответного удара. Выследить боевой железнодорожный ракетный комплекс (БЖРК), непрерывно курсирующий на маршрутах по разветвленным, масштабным по размерам и забитым обычными составами железнодорожным магистралям страны, весьма непросто, даже для системы спутниковой разведки. Еще сложнее нанести по нему прицельный удар. 27 февраля 1985 года на полигоне Плесецк начались летно-конструкторские испытания МБР для железнодорожного комплекса, получившей обозначение РС-22В. Несмотря на некоторые трудности на первом этапе, конструкторскому коллективу удалась довести свое детище до требуемых кондиций, что позволило завершить испытания 22 декабря 1987 года. Осенью этого же года на опытную эксплуатацию был поставлен первый ракетный полк в г. Костроме. Позднее на трех ракетных базах было развернуто еще 30 МБР этого типа. Твердотопливная ракета РС-22В выполнена трехступенчатой по схеме “тандем” с учетом новейших технологий (коконная конструкция корпусов) и по конструктивно- компоновочной схеме подобна американской “МХ”. Первая ступень включает хвостовой и соединительные отсеки цилиндрической формы и маршевый РДТТ, снабженный одним неподвижным соплом. Вторая ступень состоит из маршевого РДТТ и соединительного отсека. Сопло двигателя снабжено выдвижным насадком, что позволяет увеличить удельный импульс при работе двигателя на больших высотах при сохранении исходных габаритов ступени. Третья ступень включает в себя маршевый РДТТ, по своей конструкции аналогичному двигателю на второй ступени, и переходной отсек. Ракета несет разделяющуюся головную часть типа “MIRV” с 10 боеголовками мощностью по 500 кт. Ступень разведения выполнена по стандартной схеме и включает двигательную установку и 32 35 Заключение. В настоящее время благодаря многим учёным со всего света, изучение реактивного движения продвинуто, но насколько оно продвинуто и сколько осталось до конца пути никто не знает. Человек уже был в космосе, но он чувствует и знает, что он не увидел и одной миллиардной доли того чего бы хотел увидеть. Значит, нам есть к чему стремиться, а если в жизни есть цель, то значит то, что она небессмысленна 36

Реферат: Реактивное движение в природе и технике. Реактивное движение в технике и природе

Реактивное движение в природе и технике

РЕФЕРАТ ПО ФИЗИКЕ

Реактивное движение — движение, возникающее при отделении от тела с некоторой скоростью какой-либо его части.

Реактивная сила возникает без какого-либо взаимодействия с внешними телами.

Применение реактивного движения в природе

Многие из нас в своей жизни встречались во время купания в море с медузами. Во всяком случае, в Черном море их вполне хватает. Но мало кто задумывался, что и медузы для передвижения пользуются реактивным движением. Кроме того, именно так передвигаются и личинки стрекоз, и некоторые виды морского планктона. И зачастую КПД морских беспозвоночных животных при использовании реактивного движения гораздо выше, чем у техноизобретений.

Реактивное движение используется многими моллюсками – осьминогами, кальмарами, каракатицами. Например, морской моллюск-гребешок движется вперед за счет реактивной силы струи воды, выброшенной из раковины при резком сжатии ее створок.

Осьминог

Каракатица

Каракатица, как и большинство головоногих моллюсков, движется в воде следующим способом. Она забирает воду в жаберную полость через боковую щель и особую воронку впереди тела, а затем энергично выбрасывает струю воды через воронку. Каракатица направляет трубку воронки в бок или назад и стремительно выдавливая из неё воду, может двигаться в разные стороны.

Сальпа — морское животное с прозрачным телом, при движении принимает воду через переднее отверстие, причем вода попадает в широкую полость, внутри которой по диагонали натянуты жабры. Как только животное сделает большой глоток воды, отверстие закрывается. Тогда продольные и поперечные мускулы сальпы сокращаются, все тело сжимается, и вода через заднее отверстие выталкивается наружу. Реакция вытекающей струи толкает сальпу вперед.

Наибольший интерес представляет реактивный двигатель кальмара. Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Кальмары достигли высшего совершенства в реактивной навигации. У них даже тело своими внешними формами копирует ракету (или лучше сказать – ракета копирует кальмара, поскольку ему принадлежит в этом деле бесспорный приоритет). При медленном перемещении кальмар пользуется большим ромбовидным плавником, периодически изгибающимся. Для быстрого броска он использует реактивный двигатель. Мышечная ткань – мантия окружает тело моллюска со всех сторон, объем ее полости составляет почти половину объема тела кальмара. Животное засасывает воду внутрь мантийной полости, а затем резко выбрасывает струю воды через узкое сопло и с большой скоростью двигается толчками назад. При этом все десять щупалец кальмара собираются в узел над головой, и он приобретает обтекаемую форму. Сопло снабжено специальным клапаном, и мышцы могут его поворачивать, изменяя направление движения. Двигатель кальмара очень экономичен, он способен развивать скорость до 60 – 70 км/ч. (Некоторые исследователи считают, что даже до 150 км/ч!) Недаром кальмара называют “живой торпедой”. Изгибая сложенные пучком щупальца вправо, влево, вверх или вниз, кальмар поворачивает в ту или другую сторону. Поскольку такой руль по сравнению с самим животным имеет очень большие размеры, то достаточно его незначительного движения, чтобы кальмар, даже на полном ходу, легко мог увернуться от столкновения с препятствием. Резкий поворот руля – и пловец мчится уже в обратную сторону. Вот изогнул он конец воронки назад и скользит теперь головой вперед. Выгнул ее вправо – и реактивный толчок отбросил его влево. Но когда нужно плыть быстро, воронка всегда торчит прямо между щупальцами, и кальмар мчится хвостом вперед, как бежал бы рак – скороход, наделенный резвостью скакуна.

Если спешить не нужно, кальмары и каракатицы плавают, ундулируя плавниками, – миниатюрные волны пробегают по ним спереди назад, и животное грациозно скользит, изредка подталкивая себя также и струей воды, выброшенной из-под мантии. Тогда хорошо заметны отдельные толчки, которые получает моллюск в момент извержения водяных струй. Некоторые головоногие могут развивать скорость до пятидесяти пяти километров в час. Прямых измерений, кажется, никто не производил, но об этом можно судить по скорости и дальности полета летающих кальмаров. И такие, оказывается, есть таланты в родне у спрутов! Лучший пилот среди моллюсков – кальмар стенотевтис. Английские моряки называют его – флайинг-сквид («летающий кальмар»). Это небольшое животное размером с селедку. Он преследует рыб с такой стремительностью, что нередко выскакивает из воды, стрелой проносясь над ее поверхностью. К этой уловке он прибегает и спасая свою жизнь от хищников – тунцов и макрелей. Развив в воде максимальную реактивную тягу, кальмар-пилот стартует в воздух и пролетает над волнами более пятидесяти метров. Апогей полета живой ракеты лежит так высоко над водой, что летающие кальмары нередко попадают на палубы океанских судов. Четыре-пять метров – не рекордная высота, на которую поднимаются в небо кальмары. Иногда они взлетают еще выше.

Английский исследователь моллюсков доктор Рис описал в научной статье кальмара (длиной всего в 16 сантиметров), который, пролетев по воздуху изрядное расстояние, упал на мостик яхты, возвышавшийся над водой почти на семь метров.

Случается, что на корабль сверкающим каскадом обрушивается множество летающих кальмаров. Античный писатель Требиус Нигер поведал однажды печальную историю о корабле, который будто бы даже затонул под тяжестью летающих кальмаров, упавших на его палубу. Кальмары могут взлетать и без разгона.

Осьминоги тоже умеют летать. Французский натуралист Жан Верани видел, как обычный осьминог разогнался в аквариуме и вдруг задом вперед неожиданно выскочил из воды. Описав в воздухе дугу длиной метров в пять, он плюхнулся обратно в аквариум. Набирая скорость для прыжка, осьминог двигался не только за счет реактивной тяги, но и греб щупальцами.
Мешковатые осьминоги плавают, конечно, хуже кальмаров, но в критические минуты и они могут показать рекордный для лучших спринтеров класс. Сотрудники Калифорнийского аквариума пытались сфотографировать осьминога, атакующего краба. Спрут бросался на добычу с такой быстротой, что на пленке, даже при съемке на самых больших скоростях, всегда оказывались смазки. Значит, бросок длился сотые доли секунды! Обычно же осьминоги плавают сравнительно медленно. Джозеф Сайнл, изучавший миграции спрутов, подсчитал: осьминог размером в полметра плывет по морю со средней скоростью около пятнадцати километров в час. Каждая струя воды, выброшенная из воронки, толкает его вперед (вернее, назад, так как осьминог плывет задом наперед) на два – два с половиной метра.

Реактивное движение можно встретить и в мире растений. Например, созревшие плоды “бешеного огурца” при самом легком прикосновении отскакивают от плодоножки, а из образовавшегося отверстия с силой выбрасывается клейкая жидкость с семенами. Сам огурец при этом отлетает в противоположном направлении до 12 м.

Зная закон сохранения импульса можно изменять собственную скорость перемещения в открытом пространстве. Если вы находитесь в лодке и у вас есть несколько тяжёлых камней, то бросая камни в определённую сторону вы будете двигаться в противоположном направлении. То же самое будет и в космическом пространстве, но там для этого используют реактивные двигатели.

Каждый знает, что выстрел из ружья сопровождается отдачей. Если бы вес пули равнялся бы весу ружья, они бы разлетелись с одинаковой скоростью. Отдача происходит потому, что отбрасываемая масса газов создаёт реактивную силу, благодаря которой может быть обеспечено движение как в воздухе, так и в безвоздушном пространстве. И чем больше масса и скорость истекающих газов, тем большую силу отдачи ощущает наше плечо, чем сильнее реакция ружья, тем больше реактивная сила.

Применение реактивного движения в технике

В течение многих веков человечество мечтало о космических полётах. Писатели-фантасты предлагали самые разные средства для достижения этой цели. В XVII веке появился рассказ французского писателя Сирано де Бержерака о полёте на Луну. Герой этого рассказа добрался до Луны в железной повозке, над которой он всё время подбрасывал сильный магнит. Притягиваясь к нему, повозка всё выше поднималась над Землёй, пока не достигла Луны. А барон Мюнхгаузен рассказывал, что забрался на Луну по стеблю боба.

В конце первого тысячелетия нашей эры в Китае изобрели реактивное движение, которое приводило в действие ракеты — бамбуковые трубки, начиненные порохом, они также использовались как забава. Один из первых проектов автомобилей был также с реактивным двигателем и принадлежал этот проект Ньютону

Автором первого в мире проекта реактивного летательного аппарата, предназначенного для полета человека, был русский революционер – народоволец Н.И. Кибальчич. Его казнили 3 апреля 1881 г. за участие в покушении на императора Александра II. Свой проект он разработал в тюрьме после вынесения смертного приговора. Кибальчич писал: “Находясь в заключении, за несколько дней до своей смерти я пишу этот проект. Я верю в осуществимость моей идеи, и эта вера поддерживает меня в моем ужасном положении…Я спокойно встречу смерть, зная, что моя идея не погибнет вместе со мною”.

Идея использования ракет для космических полётов была предложена ещё в начале нашего столетия русским учёным Константином Эдуардовичем Циолковским. В 1903 году появилась в печати статья преподавателя калужской гимназии К.Э. Циолковского “Исследование мировых пространств реактивными приборами”. В этой работе содержалось важнейшее для космонавтики математическое уравнение, теперь известное как “формула Циолковского”, которое описывало движение тела переменной массы. В дальнейшем он разработал схему ракетного двигателя на жидком топливе, предложил многоступенчатую конструкцию ракеты, высказал идею о возможности создания целых космических городов на околоземной орбите. Он показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести — это ракета, т.е. аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате.

Реактивный двигатель – это двигатель, преобразующий химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, при этом двигатель приобретает скорость в обратном направлении.

Идея К.Э.Циолковского была осуществлена советскими учёными под руководством академика Сергея Павловича Королёва. Первый в истории искусственный спутник Земли с помощью ракеты был запущен в Советском Союзе 4 октября 1957 г.

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 полетов могут быть использованы только реактивные летательные аппараты, т. е. ракеты.

Устройство ракеты

В основе движения ракеты лежит закон сохранения импульса. Если в некоторый момент времени от ракеты будет отброшено какое-либо тело, то она приобретет такой же импульс, но направленный в противоположную сторону

В любой ракете, независимо от ее 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. Благодаря большой разности давлений в камере сгорания и в космическом пространстве, газы из камеры сгорания мощнойструей устремляются наружу через раструб специальной формы, называемый соплом. Назначение сопла состоит в том, чтобы повысить скорость струи.

Перед стартом ракеты её импульс равен нулю. В результате взаимодействия газа в камере сгорания и всех остальных частей ракеты вырывающиёся через сопло газ получает некоторый импульс. Тогда ракета представляет собой замкнутую систему, и её общий импульс должен и после запуска равен нулю. Поэтому и оболочка ракеты совсем, что в ней находится, получает импульс, равный по модулю импульсу газа, но противоположный по направлению.

Наиболее массивную часть ракеты, предназначенную для старта и разгона всей ракеты, называют первой ступенью. Когда первая массивная ступень многоступенчатой ракеты исчерпает при разгоне все запасы топлива, она отделяется. Дальнейший разгон продолжает вторая, менее массивная ступень, и к ранее достигнутой при помощи первой ступени скорости она добавляет ещё некоторую скорость, а затем отделяется. Третья ступень продолжает наращивание скорости до необходимого значения и доставляет полезный груз на орбиту.

Первым человеком, который совершил полёт в космическом пространстве, был гражданин Советского Союза Юрий Алексеевич Гагарин. 12 апреля 1961 г. Он облетел земной шар на корабле-спутнике «Восток»

Советские ракеты первыми достигли Луны, облетели Луну и сфотографировали её невидимую с Земли сторону, первыми достигли планету Венера и доставили на её поверхность научные приборы. В 1986 г. Два советских космических корабля «Вега-1» и «Вега-2» с близкого расстояния исследовали комету Галлея, приближающуюся к Солнцу один раз в 76 лет.

Логика природы есть самая доступная и самая полезная логика для детей.

Константин Дмитриевич Ушинский (03.03.1823–03.01.1871) – русский педагог, основоположник научной педагогики в России.

Предлагаю читателям зелёных страничек заглянуть в увлекательный мир биофизики и познакомиться с основными принципами реактивного движения в живой природе . Сегодня в программе: медуза корнерот – самая крупная медуза Чёрного моря, морские гребешки , предприимчивая личинка стрекозы-коромысла , восхитительный кальмар с его непревзойдённым реактивным двигателем и замечательные иллюстрации в исполнении советского биолога и художника-анималиста Кондакова Николая Николаевича.

По принципу реактивного движения в живой природе передвигается целый ряд животных, например медузы, морские моллюски гребешки, личинки стрекозы-коромысла, кальмары, осьминоги, каракатицы… Познакомимся с некоторыми из них поближе;-)

Реактивный способ движения медуз

Медузы – одни из самых древних и многочисленных хищников на нашей планете! Тело медузы на 98% состоит из воды и в значительной части составлено из обводнённой соединительной ткани – мезоглеи , функционирующей как скелет. Основу мезоглеи составляет белок коллаген. Студенистое и прозрачное тело медузы по форме напоминает колокол или зонтик (в диаметре от нескольких миллиметров до 2,5 м ). Большинство медуз двигаются реактивным способом , выталкивая воду из полости зонтика.

Медузы Корнероты (Rhizostomae), отряд кишечнополостных животных класса сцифоидных. Медузы (до 65 см в диаметре) лишены краевых щупалец. Края рта вытянуты в ротовые лопасти с многочисленными складками, срастающимися между собой с образованием множества вторичных ротовых отверстий. Прикосновение к ротовым лопастям может вызвать болезненные ожоги , обусловленные действием стрекательных клеток. Около 80 видов; обитают преимущественно в тропических, реже в умеренных морях. В России – 2 вида : Rhizostoma pulmo обычен в Чёрном и Азовском морях, Rhopilema asamushi встречается в Японском море.

Реактивное бегство морских моллюсков гребешков

Морские моллюски гребешки , обычно спокойно лежащие на дне, при приближении к ним их главного врага – восхитительно медлительной, но чрезвычайно коварной хищницы – морской звезды – резко сжимают створки своей раковины, с силой выталкивая из неё воду. Используя, таким образом, принцип реактивного движения , они всплывают и, продолжая открывать и захлопывать раковину, могут отплывать на значительное расстояние. Если же гребешок по какой-то причине не успевает спастись своим реактивным бегством , морская звезда обхватывает его своими руками, вскрывает раковину и поедает…

Морской Гребешок (Pecten), род морских беспозвоночных животных класса двустворчатых моллюсков (Bivalvia). Раковина гребешка округлая с прямым замочным краем. Поверхность её покрыта расходящимися от вершины радиальными ребрами. Створки раковины смыкаются одним сильным мускулом. В Чёрном море обитают Pecten maximus, Flexopecten glaber; в Японском и Охотском морях – Mizuhopecten yessoensis (до 17 см в диаметре).

Реактивный насос личинки стрекозы-коромысла

Нрав у личинки стрекозы-коромысла , или эшны (Aeshna sp.) не менее хищный, чем у её крылатых сородичей. Два, а иногда и четыре года живёт она в подводном царстве, ползает по каменистому дну, выслеживая мелких водных обитателей, с удовольствием включая в свой рацион довольно-таки крупнокалиберных головастиков и мальков. В минуты опасности личинка стрекозы-коромысла срывается с места и рывками плывёт вперёд, движимая работой замечательного реактивного насоса . Набирая воду в заднюю кишку, а затем резко выбрасывая её, личинка прыгает вперёд, подгоняемая силой отдачи. Используя, таким образом, принцип реактивного движения , личинка стрекозы-коромысла уверенными толчками-рывками скрывается от преследующей её угрозы.

Реактивные импульсы нервной «автострады» кальмаров

Во всех, приведённых выше случаях (принципах реактивного движения медуз, гребешков, личинок стрекозы-коромысла), толчки и рывки отделены друг от друга значительными промежутками времени, следовательно большая скорость движения не достигается. Чтобы увеличилась скорость движения, иначе говоря, число реактивных импульсов в единицу времени , необходима повышенная проводимость нервов , которые возбуждают сокращение мышц, обслуживающих живой реактивный двигатель . Такая большая проводимость возможна при большом диаметре нерва.

Известно, что у кальмаров самые крупные в животном мире нервные волокна . В среднем они достигают в диаметре 1 мм – в 50 раз больше, чем у большинства млекопитающих – и проводят возбуждение они со скоростью 25 м/с . А у трёхметрового кальмара дозидикуса (он обитает у берегов Чили) толщина нервов фантастически велика – 18 мм . Нервы толстые, как верёвки! Сигналы мозга – возбудители сокращений – мчатся по нервной «автостраде» кальмара со скоростью легкового автомобиля – 90 км/ч .

Благодаря кальмарам, исследования жизнедеятельности нервов ещё в начале 20 века стремительно продвинулись вперёд. «И кто знает , – пишет британский натуралист Фрэнк Лейн, – может быть, есть сейчас люди, обязанные кальмару тем, что их нервная система находится в нормальном состоянии…»

Быстроходность и манёвренность кальмара объясняется также прекрасными гидродинамическими формами тела животного, за что кальмара и прозвали «живой торпедой» .

Кальмары (Teuthoidea), подотряд головоногих моллюсков отряда десятиногих. Размером обычно 0,25-0,5 м, но некоторые виды являются самыми крупными беспозвоночными животными (кальмары рода Architeuthis достигают 18 м , включая длину щупалец).
Тело у кальмаров удлинённое, заострённое сзади, торпедообразное, что определяет большую скорость их движения как в воде (до 70 км/ч ), так и в воздухе (кальмары могут выскакивать из воды на высоту до 7 м ).

Реактивный двигатель кальмара

Реактивное движение , используемое ныне в торпедах, самолётах, ракетах и космических снарядах, свойственно также головоногим моллюскам – осьминогам, каракатицам, кальмарам . Наибольший интерес для техников и биофизиков представляет реактивный двигатель кальмаров . Обратите внимание, как просто, с какой минимальной затратой материала решила природа эту сложную и до сих пор непревзойдённую задачу;-)

В сущности, кальмар располагает двумя принципиально различными двигателями (рис. 1а ). При медленном перемещении он пользуется большим ромбовидным плавником, периодически изгибающимся в виде бегущей волны вдоль корпуса тела. Для быстрого броска кальмар использует реактивный двигатель . Основой этого двигателя является мантия – мышечная ткань. Она окружает тело моллюска со всех сторон, составляя почти половину объёма его тела, и образует своеобразный резервуар – мантийную полость – «камеру сгорания» живой ракеты , в которую периодически засасывается вода. В мантийной полости находятся жабры и внутренние органы кальмара (рис. 1б ).

При реактивном способе плавания животное производит засасывание воды через широко открытую мантийную щель внутрь мантийной полости из пограничного слоя. Мантийная щель плотно «застёгивается» на специальные «запонки-кнопки» после того как «камера сгорания» живого двигателя наполнится забортной водой. Расположена мантийная щель вблизи середины тела кальмара, где оно имеет наибольшую толщину. Сила, вызывающая движение животного, создаётся за счёт выбрасывания струи воды через узкую воронку, которая расположена на брюшной поверхности кальмара. Эта воронка, или сифон, – «сопло» живого реактивного двигателя .

«Сопло» двигателя снабжено специальным клапаном и мышцы могут его поворачивать. Изменяя угол установки воронки-сопла (рис. 1в ), кальмар плывёт одинаково хорошо, как вперёд, так и назад (если он плывет назад, – воронка вытягивается вдоль тела, а клапан прижат к её стенке и не мешает вытекающей из мантийной полости водяной струе; когда кальмару нужно двигаться вперёд, свободный конец воронки несколько удлиняется и изгибается в вертикальной плоскости, её выходное отверстие сворачивается и клапан принимает изогнутое положение). Реактивные толчки и всасывание воды в мантийную полость с неуловимой быстротой следуют одно за другим, и кальмар ракетой проносится в синеве океана.

Кальмар и его реактивный двигатель – рисунок 1

1а) кальмар – живая торпеда; 1б) реактивный двигатель кальмара; 1в) положение сопла и его клапана при движении кальмара назад и вперёд.

На забор воды и её выталкивание животное затрачивает доли секунды. Засасывая воду в мантийную полость в кормовой части тела в периоды замедленных движений по инерции, кальмар тем самым осуществляет отсос пограничного слоя, предотвращая таким образом срыв потока при нестационарном режиме обтекания. Увеличивая порции выбрасываемой воды и учащая сокращения мантии, кальмар легко увеличивает скорость движения.

Реактивный двигатель кальмара очень экономичен , благодаря чему он может достигать скорости 70 км/ч ; некоторые исследователи считают, что даже 150 км/ч !

Инженеры уже создали двигатель, подобный реактивному двигателю кальмара : это водомёт , действующий при помощи обычного бензинового или дизельного двигателя. Почему же реактивный двигатель кальмара по-прежнему привлекает внимание инженеров и является объектом тщательных исследований биофизиков? Для работы под водой удобно иметь устройство, работающее без доступа атмосферного воздуха. Творческие поиски инженеров направлены на создание конструкции гидрореактивного двигателя , подобного воздушно-реактивному …

По материалам замечательных книг:
«Биофизика на уроках физики» Цецилии Бунимовны Кац ,
и «Приматы моря» Игоря Ивановича Акимушкина

Кондаков Николай Николаевич (1908–1999) – советский биолог, художник-анималист , кандидат биологических наук. Основным вкладом в биологическую науку стали выполненные им рисунки различных представителей фауны. Эти иллюстрации вошли во многие издания, такие как Большая Советская Энциклопедия, Красная книга СССР , в атласы животных и в учебные пособия.

Акимушкин Игорь Иванович (01.05.1929–01.01.1993) – советский биолог, писатель – популяризатор биологии , автор научно-популярных книг о жизни животных. Лауреат премии Всесоюзного общества «Знание». Член Союза писателей СССР. Наиболее известной публикацией Игоря Акимушкина является шеститомная книга «Мир Животных» .

Материалы этой статьи полезно будет применить не только на уроках физики и биологии , но и во внеклассной работе.
Биофизический материал является чрезвычайно благодатным для мобилизации внимания учащихся, для превращения абстрактных формулировок в нечто конкретное и близкое, затрагивающее не только интеллектуальную, но и эмоциональную сферу.

Литература:
§ Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики

§ § Акимушкин И.И. Приматы моря
Москва: издательство «Мысль», 1974
§ Тарасов Л.В. Физика в природе
Москва: издательство «Просвещение», 1988

Применение реактивного движения в природе Многие из нас в своей жизни встречались во время купания в море с медузами. Но мало кто задумывался, что и медузы для передвижения пользуются реактивным движением. И зачастую КПД морских беспозвоночных животных при использовании реактивного движения гораздо выше, чем у техно изобретений.

Каракатица Каракатица, как и большинство головоногих моллюсков, движется в воде следующим способом. Она забирает воду в жаберную полость через боковую щель и особую воронку впереди тела, а затем энергично выбрасывает струю воды через воронку. Каракатица направляет трубку воронки в бок или назад и стремительно выдавливая из неё воду, может двигаться в разные стороны.

Кальмар Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Он передвигается по принципу реактивного движения, вбирая в себя воду, а затем с огромной силой проталкивая ее через особое отверстие — «воронку», и с большой скоростью (около 70 км\час) двигается толчками назад. При этом все десять щупалец кальмара собираются в узел над головой и он приобретает обтекаемую форму.

Летающий кальмар Это небольшое животное размером с селедку. Он преследует рыб с такой стремительностью, что нередко выскакивает из воды, стрелой проносясь над ее поверхностью. Развив в воде максимальную реактивную тягу, кальмар-пилот стартует в воздух и пролетает над волнами более пятидесяти метров. Апогей полета живой ракеты лежит так высоко над водой, что летающие кальмары нередко попадают на палубы океанских судов. Четыре-пять метров – не рекордная высота, на которую поднимаются в небо кальмары. Иногда они взлетают еще выше.

Осьминог Осьминоги тоже умеют летать. Французский натуралист Жан Верани видел, как обычный осьминог разогнался в аквариуме и вдруг задом вперед неожиданно выскочил из воды. Описав в воздухе дугу длиной метров в пять, он плюхнулся обратно в аквариум. Набирая скорость для прыжка, осьминог двигался не только за счет реактивной тяги, но и греб щупальцами.

Бешеный огурец В южных странах (и у нас на побережье Черного моря тоже) произрастает растение под названием «бешеный огурец». Стоит только слегка прикоснуться к созревшему плоду, похожему на огурец, как он отскакивает от плодоножки, а через образовавшееся отверстие из плода со скоростью до 10 м/с вылетает жидкость с семенами. Стреляет бешеный огурец (иначе его называют «дамский пистолет») более чем на 12 м.

У многих людей само понятие «реактивного движения» крепко ассоциируется с современными достижениями науки и техники, в особенности физики, а в голове появляются образы реактивных самолетов или даже космических кораблей, летающих на сверхзвуковых скоростях с помощью пресловутых реактивных двигателей. На самом же деле явление реактивного движения намного более древнее, чем даже сам человек, ведь оно появилось задолго до нас, людей. Да, реактивное движение активно представлено в природе: медузы, каракатицы вот уже миллионы лет плавают в морских пучинах по тому же самому принципу, по которому сегодня летают современные сверхзвуковые реактивные самолеты.

История реактивного движения

С древних времен различные ученые наблюдали явления реактивного движения в природе, так раньше всех о нем писал древнегреческий математик и механик Герон, правда, дальше теории он так и не зашел.

Если же говорить о практическом применении реактивного движения, то первыми здесь были изобретательные китайцы. Примерно в XIII веке они догадались позаимствовать принцип движения осьминогов и каракатиц при изобретении первых ракет, которые они начали использовать, как для фейерверков, так и для боевых действий (в качестве боевого и сигнального оружия). Чуть позднее это полезное изобретение китайцев переняли арабы, а от них уже и европейцы.

Разумеется, первые условно реактивные ракеты имели сравнительно примитивную конструкцию и на протяжении нескольких веков они практически никак не развивались, казалось, что история развития реактивного движения замерла. Прорыв в этом деле произошел только в XIX веке.

Кто открыл реактивное движение?

Пожалуй, лавры первооткрывателя реактивного движения в «новом времени» можно присудить Николаю Кибальчичу, не только талантливому российскому изобретателю, но и по совместительству революционеру-народовольцу. Свой проект реактивного двигателя и летательного аппарата для людей он создал сидя в царской тюрьме. Позднее Кибальчич был казнен за свою революционную деятельность, а его проект так и остался пылиться на полках в архивах царской охранки.

Позднее работы Кибальчича в этом направлении были открыты и дополнены трудами еще одного талантливого ученого К. Э. Циолковского. С 1903 по 1914 год им было опубликовано ряд работ, в которых убедительно доказывалась возможность использования реактивного движения при создании космических кораблей для исследования космического пространство. Им же был сформирован принцип использования многоступенчатых ракет. И по сей день многие идеи Циолковского применяются в ракетостроении.

Примеры реактивного движения в природе

Наверняка купаясь в море, Вы видели медуз, но вряд ли задумывались, что передвигаются эти удивительные (и к тому же медлительные) существа как раз таки с благодаря реактивному движению. А именно с помощью сокращения своего прозрачного купола они выдавливают воду, которая служит своего рода «реактивных двигателем» медуз.

Похожий механизм движения имеет и каракатица – через особую воронку впереди тела и через боковую щель она набирает воду в свою жаберную полость, а затем энергично выбрасывает ее через воронку, направленную взад либо в бок (в зависимости от направления движения нужного каракатице).

Но самый интересный реактивный двигатель созданный природой имеется у кальмаров, которых вполне справедливо можно назвать «живыми торпедами». Ведь даже тело этих животных по своей форме напоминает ракету, хотя по правде все как раз с точностью наоборот – это ракета своей конструкцией копирует тело кальмара.

Если кальмару необходимо совершить быстрый бросок, он использует свой природный реактивный двигатель. Тело его окружено мантией, особой мышечной тканью и половина объема всего кальмара приходится на мантийную полость, в которую тот всасывает воду. Потом он резко выбрасывает набранную струю воды через узкое сопло, при этом складывая все свои десть щупалец над головой таким образом, чтобы приобрести обтекаемую форму. Благодаря столь совершенной реактивной навигации кальмары могут достигать впечатляющей скорости – 60-70 км в час.

Среди обладателей реактивного двигателя в природе есть и растения, а именно так званный «бешеный огурец». Когда его плоды созревают, в ответ на самое легкое прикосновение он выстреливает клейковиной с семенами

Закон реактивного движения

Кальмары, «бешеные огурцы», медузы и прочие каракатицы издревле пользуются реактивным движением, не задумываясь о его физической сути, мы же попробуем разобрать, в чем суть реактивного движения, какое движение называют реактивным, дать ему определение.

Для начала можно прибегнуть к простому опыту – если обычный воздушный шарик надуть воздухом и, не завязывая отпустить в полет, он будет стремительно лететь, пока у него не израсходуется запас воздуха. Такое явление поясняет третий закон Ньютона, говорящий, что два тела взаимодействуют с силами равными по величине и противоположными по направлению.

То есть сила воздействия шарика на вырывающиеся из него потоки воздуха равна силе, которой воздух отталкивает от себя шарик. По схожему с шариком принципу работает и ракета, которая на огромной скорости выбрасывает часть своей массы, при этом получая сильное ускорение в противоположном направлении.

Закон сохранения импульса и реактивное движение

Физика поясняет процесс реактивного движения . Импульс это произведение массы тела на его скорость (mv). Когда ракета находится в состоянии покоя ее импульс и скорость равны нулю. Когда же из нее начинает выбрасываться реактивная струя, то остальная часть согласно закону сохранения импульса, должна приобрести такую скорость, при которой суммарный импульс будет по прежнему равен нулю.

Формула реактивного движения

В целом реактивное движение можно описать следующей формулой:
m s v s +m р v р =0
m s v s =-m р v р

где m s v s импульс создаваемой струей газов, m р v р импульс, полученный ракетой.

Знак минус показывает, что направление движения ракеты и сила реактивного движения струи противоположны.

Реактивное движение в технике – принцип работы реактивного двигателя

В современной технике реактивное движение играет очень важную роль, так реактивные двигатели приводят в движение самолеты, космические корабли. Само устройство реактивного двигателя может отличаться в зависимости от его размера и назначения. Но так или иначе в каждом из них есть

• запас топлива,
• камера, для сгорания топлива,
• сопло, задача которого ускорять реактивную струю.

Так выглядит реактивный двигатель.

В небо взмывают многотонные космические корабли, а в морских водах ловко лавируют прозрачные, студенистые медузы, каракатицы и осьминоги — что между ними общего? Оказывается, в обоих случаях для перемещения используется принцип реактивного движения. Именно этой теме и посвящена наша сегодняшняя статья.

Заглянем в историю

Самые первые достоверные сведения о ракетах относятся к XIII веку. Они применялись индусами, китайцами, арабами и европейцами в боевых действиях как боевое и сигнальное оружие. Затем последовали целые столетия почти полного забвения этих устройств.

В России идея использования реактивного двигателя возродилась благодаря работам революционера-народовольца Николая Кибальчича. Сидя в царских застенках, он разработал российский проект реактивного двигателя и летательный аппарат для людей. Кибальчич был казнен, а его проект долгие годы пылился в архивах царской охранки.

Основные идеи, чертежи и расчеты этого талантливого и мужественного человека получили дальнейшее развитие в трудах К. Э. Циолковского, который предложил использовать их для межпланетных сообщений. С 1903 по1914 год он публикует ряд работ, где убедительно доказывает возможность использования реактивного движения для исследования космического пространства и обосновывает целесообразность использования многоступенчатых ракет.

Многие научные разработки Циолковского и по сей день применяются в ракетостроении.

Биологические ракеты

Как, вообще возникла идея перемещаться, отталкиваясь от собственной реактивной струи? Возможно, пристально наблюдая за морскими обитателями, жители прибрежных зон заметили, как это происходит в животном мире.

Например, морской гребешок перемещается за счет реактивной силы водной струи, выбрасываемой из раковины при быстром сжатии её створок. Но ему никогда не угнаться за самыми быстрыми пловцами — кальмарами.

Их ракетообразные тела мчатся хвостом вперед, выбрасывая из специальной воронки, запасенную воду. перемещаются по тому же принципу, выдавливая воду сокращением своего прозрачного купола.

Природа одарила «реактивным двигателем» и растение под названием «бешеный огурец». Когда его плоды полностью созревают, в ответ на самое слабое прикосновение, он выстреливает клейковину с семенами. Сам плод при этом отбрасывается в противоположную сторону на расстояние до 12 м!

Ни морским обитателям, ни растениям неведомы физические законы, лежащие в основе этого способа передвижения. Мы же попробуем в этом разобраться.

Физические основы принципа реактивного движения

Вначале обратимся к простейшему опыту. Надуем резиновый шарик и, не завязывая, отпустим в свободный полёт. Стремительное движение шарика будет продолжаться до тех пор, пока истекающая из него струя воздуха будет достаточно сильной.

Для объяснения результатов этого опыта нам следует обратиться к III закону , который утверждает, что два тела взаимодействуют с силами равными по величине и противоположными по направлению. Следовательно, сила, с которой шарик воздействует на вырывающиеся из него струи воздуха, равна силе, с которой воздух отталкивает от себя шарик.

Перенесем эти рассуждения на ракету. Эти устройства на огромной скорости выбрасывают некоторую часть своей массы, вследствие чего сами получают ускорение в противоположном направлении.

С точки зрения физики этот процесс чётко объясняется законом сохранения импульса. Импульс — это произведение массы тела на его скорость (mv) Пока ракета в покое, её скорость и импульс равны нулю. Если из неё выбрасывается реактивная струя, то оставшаяся часть по закону сохранения импульса должна приобрести такую скорость, чтобы суммарный импульс по-прежнему был равным нулю.

Обратимся к формулам:

m г v г + m р v р =0;

m г v г =- m р v р,

где m г v г импульс создаваемой струей газов, m р v р импульс, полученный ракетой.

Знак минус показывает, что направление движения ракеты и реактивной струи противоположны.

Устройство и принцип работы реактивного двигателя

В технике реактивные двигатели приводят в движение самолёты, ракеты, выводят на орбиты космические аппараты. В зависимости от назначения они имеют разное устройство. Но каждый из них имеет запас топлива, камеру для его сгорания и сопло, ускоряющее реактивную струю.

На межпланетных автоматических станциях оборудован также приборный отсек и кабины с системой жизнеобеспечения для космонавтов.

Современные космические ракеты это сложные, многоступенчатые летательные аппараты, использующие новейшие достижения инженерной мысли. После старта вначале сгорает топливо в нижней ступени, после чего она отделяется от ракеты, уменьшая её общую массу и увеличивая скорость.

Затем расходуется топливо во второй ступени и т. д. Наконец, летательный аппарат выводится на заданную траекторию и начинает свой самостоятельный полёт.

Немного помечтаем

Великий мечтатель и учёный К. Э. Циолковский подарил будущим поколениям уверенность в том, что реактивные двигатели позволят человечеству вырваться за пределы земной атмосферы и устремиться в космос. Его предвидение сбылось. Луна, и даже далёкие кометы успешно исследуются космическими аппаратами.

В космонавтике используют жидкостные реактивные двигатели. Используя в качестве топлива нефтепродукты, но скорости, которые удается получить с их помощью, недостаточны для очень дальних перелётов.

Возможно, вы, наши дорогие читатели, станете свидетелями полётов землян в другие галактики на аппаратах с ядерными, термоядерными или ионными реактивными двигателями.

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя

Введение в ракетное движение — Колледж физики

Цели обучения

• Государство третий закон движения Ньютона.
• Объясните принцип приведения в действие ракет и реактивных двигателей.
• Выведите выражение для ускорения ракеты и обсудите факторы, влияющие на ускорение.
• Опишите функцию космического челнока.

Ракеты

различаются по размеру от фейерверков, настолько маленьких, что обычные люди используют их до огромных ракет «Сатурн V», которые когда-то отправляли огромные полезные грузы к Луне.Движение всех ракет, реактивных двигателей, спускаемых воздушных шаров и даже кальмаров и осьминогов объясняется одним и тем же физическим принципом — третьим законом движения Ньютона. Материя принудительно выбрасывается из системы, вызывая равную и противоположную реакцию на то, что остается. Другой распространенный пример — отдача ружья. Пистолет оказывает на пулю силу, ускоряющую ее, и, следовательно, испытывает равную и противоположную силу, вызывая отдачу или толчок пистолета.

Установление соединений: домашний эксперимент — движение воздушного шара

Возьмите воздушный шар и наполните его воздухом.Затем отпустите воздушный шар. В каком направлении выходит воздух из воздушного шара и в каком направлении он движется? Если вы наполните воздушный шар водой, а затем отпустите его, изменится ли направление воздушного шара? Поясните свой ответ.

(рисунок) показывает ракету, ускоряющуюся вертикально вверх. В части (а) ракета имеет массу и скорость относительно Земли, а значит, и импульс. В части (b) истекло время, в течение которого ракета выбросила массу горячего газа со скоростью относительно ракеты.Остальная часть массы теперь имеет большую скорость. Импульс всей системы (ракета плюс выброшенный газ) фактически уменьшился, потому что сила тяжести действовала какое-то время, создавая отрицательный импульс. (Помните, что импульс — это чистая внешняя сила, действующая на систему, умноженная на время ее действия, и она равна изменению количества движения системы.) Итак, центр масс системы находится в свободном падении, но из-за быстро вытесняемой массы , часть системы может ускоряться вверх. Это широко распространенное заблуждение, что выхлоп ракеты толкает землю.Если рассматривать тягу; то есть сила, действующая на ракету со стороны выхлопных газов, тогда тяга ракеты больше в космическом пространстве, чем в атмосфере или на стартовой площадке. На самом деле газы легче удалить в вакуум.

Рассчитав изменение импульса для всей системы и приравняв это изменение к импульсу, можно показать, что следующее выражение является хорошим приближением для ускорения ракеты.

«Ракета» — это та часть системы, которая остается после выброса газа, и представляет собой ускорение свободного падения.

Ускорение ракеты зависит от трех основных факторов, согласующихся с уравнением ускорения ракеты . Во-первых, чем больше скорость истечения газов относительно ракеты, тем больше ускорение. Практический предел для примерно соответствует обычным (неядерным) двигательным установкам на горячем газе. Второй фактор — это скорость выброса массы из ракеты. Это фактор в уравнении. Величина, выраженная в ньютонах, называется «тягой».«Чем быстрее ракета сжигает топливо, тем больше у нее тяга и больше ускорение. Третий фактор — это масса ракеты. Чем меньше масса (при прочих равных), тем больше ускорение. Масса ракеты , резко уменьшается во время полета, потому что большая часть ракеты изначально является топливом, так что ускорение непрерывно увеличивается, достигая максимума непосредственно перед тем, как топливо будет исчерпано.

Факторы, влияющие на ускорение ракеты

• Чем больше скорость истечения газов относительно ракеты, тем больше ускорение.
• Чем быстрее ракета сжигает топливо, тем больше ее ускорение.
• Чем меньше масса ракеты (при прочих равных), тем больше ускорение.

Чтобы достичь высоких скоростей, необходимых для перемещения по континентам, выхода на орбиту или полного выхода из гравитации Земли, масса ракеты, за исключением топлива, должна быть как можно меньше. Можно показать, что в отсутствие сопротивления воздуха и без учета силы тяжести конечная скорость одноступенчатой ​​ракеты, первоначально находящейся в состоянии покоя, составляет

, где — натуральный логарифм отношения начальной массы ракеты к тому, что остается после того, как все топливо израсходовано.(Обратите внимание, что на самом деле это изменение скорости, поэтому уравнение можно использовать для любого участка полета. Если мы начнем из состояния покоя, изменение скорости будет равно конечной скорости.) Например, давайте вычислим отношение масс, необходимое для избежать гравитации Земли, начиная с состояния покоя, учитывая, что скорость убегания от Земли составляет около, и предполагая скорость истощения.

Решение для дает

Таким образом, масса ракеты составляет

г.

Этот результат означает, что при сгорании топлива осталась только масса, а от первоначальной массы было топливо.В процентах 98,9% ракеты составляет топливо, а полезная нагрузка, двигатели, топливные баки и другие компоненты составляют лишь 1,10%. С учетом сопротивления воздуха и силы тяжести оставшаяся масса может составлять около. Трудно построить ракету, в которой топливо имеет массу в 180 раз больше, чем все остальное. Решение — многоступенчатые ракеты. Каждая ступень должна достичь только части конечной скорости и выбрасывается после сжигания топлива. В результате каждая последующая ступень может иметь двигатели меньшего размера и большую полезную нагрузку относительно топлива.После выхода из атмосферы соотношение полезной нагрузки и топлива также становится более благоприятным.

Космический шаттл был попыткой создания экономичного транспортного средства с некоторыми частями многоразового использования, такими как твердотопливные ускорители и сам корабль. (См. (Рисунок)). Необходимость управления шаттлом для людей, однако, сделала его запуск спутников не менее дорогостоящим, чем одноразовые беспилотные ракеты. В идеале шаттл должен был использоваться только тогда, когда для успеха миссии требовалась человеческая деятельность, например, ремонт космического телескопа Хаббл.Ракеты со спутниками можно запускать и с самолетов. Использование самолетов имеет двойное преимущество: начальная скорость значительно выше нуля, и ракета может избежать большей части сопротивления атмосферы.

Космический шаттл имел несколько частей многоразового использования. Твердотопливные ускорители с обеих сторон восстанавливались и заправлялись топливом после каждого полета, а весь орбитальный аппарат возвращался на Землю для использования в последующих полетах. Израсходовался большой бак жидкого топлива. Космический шаттл представлял собой сложную совокупность технологий, в которых использовалось как твердое, так и жидкое топливо, а также новаторская керамическая плитка в качестве теплозащитных экранов при входе в атмосферу.В результате он позволял запускать несколько раз вместо одноразовых ракет. (Источник: НАСА)

Исследования PhET: Лунный посадочный модуль

Сможете ли вы избежать поля валунов и безопасно приземлиться непосредственно перед тем, как у вас закончится топливо, как это сделал Нил Армстронг в 1969 году? Наша версия этой классической видеоигры точно имитирует реальное движение лунного посадочного модуля с правильной массой, тягой, уровнем расхода топлива и лунной гравитацией. Настоящий лунный посадочный модуль очень сложно контролировать.

Сводка раздела

• Третий закон движения Ньютона гласит, что на каждое действие есть равное и противоположное противодействие.
• Разгон ракеты есть.
• Ускорение ракеты зависит от трех основных факторов. Они есть
  1. Чем больше скорость выхлопа газов, тем больше ускорение.
  2. Чем быстрее ракета сжигает топливо, тем больше ее ускорение.
  3. Чем меньше масса ракеты, тем больше ускорение.

Концептуальные вопросы

Профессиональное приложение

Предположим, что снаряд фейерверка взрывается, разбиваясь на три большие части, сопротивление воздуха которых незначительно.Как взрыв влияет на движение центра масс? Как это повлияет, если части будут испытывать значительно большее сопротивление воздуха, чем неповрежденная оболочка?

Профессиональное приложение

Во время посещения Международной космической станции космонавт неподвижно стоял в центре станции, вне досягаемости любого твердого объекта, на который он мог бы воздействовать. Предложите метод, с помощью которого он мог бы отойти от этой позиции, и объясните, что это за физика.

Профессиональное приложение

Скорость ракеты может быть больше, чем скорость истечения газов, которые она выбрасывает. В этом случае скорость и импульс газа совпадают с направлением движения ракеты. Как ракета все еще может получить тягу, выбрасывая газ?

Задачи и упражнения

Профессиональное приложение

Антибаллистические ракеты (ПРО) разработаны с очень большим ускорением, чтобы они могли перехватывать быстро летящие приближающиеся ракеты в кратчайшие сроки.Каково взлетное ускорение 10000-кг ПРО, выбрасывающего 196 кг газа в секунду при скорости истечения

?

Профессиональное приложение

Каково ускорение ракеты массой 5000 кг, взлетающей с Луны, где ускорение только под действием силы тяжести, если ракета выбрасывает 8,00 кг газа в секунду при скорости истечения

Профессиональное приложение

Рассчитайте увеличение скорости космического зонда массой 4000 кг, который выбрасывает 3500 кг своей массы со скоростью истечения.Вы можете предположить, что гравитационная сила незначительна в месте нахождения зонда.

Профессиональное приложение

Ионно-двигательные ракеты предложены для использования в космосе. Они используют методы атомной ионизации и ядерные источники энергии для получения чрезвычайно высоких скоростей выхлопа, возможно, таких же больших, как. Эти методы позволяют получить гораздо более благоприятное соотношение полезной нагрузки к топливу. Чтобы проиллюстрировать этот факт: (а) Рассчитайте увеличение скорости космического зонда массой 20 000 кг, который выбрасывает только 40 единиц.0 кг его массы при заданной скорости истечения. (б) Эти двигатели обычно предназначены для создания очень небольшой тяги в течение очень долгого времени — например, такого типа двигателя, который может быть полезен при путешествии к внешним планетам. Вычислите ускорение такого двигателя, если он вылетает с заданной скоростью, предполагая, что ускорение свободного падения незначительно.

Выведите уравнение вертикального ускорения ракеты.

Профессиональное приложение

(a) Вычислите максимальную скорость, с которой ракета может выбрасывать газы, если ее ускорение не может превышать в семь раз ускорение силы тяжести.Масса ракеты в момент, когда у нее заканчивается топливо, составляет 75 000 кг, а скорость истечения равна. Предположим, что ускорение свободного падения такое же, как и на поверхности Земли. б) Почему может быть необходимо ограничивать ускорение ракеты?

Рассчитайте среднюю скорость выхлопа газов, выходящих из огнетушителя, с учетом следующих данных для эксперимента с ракетой-огнетушителем и игрушечной вагонеткой. Исходя из состояния покоя конечная скорость составляет 10,0 м / с. Общая масса изначально 75.0 кг и 70,0 кг после срабатывания огнетушителя.

Сколько в одноступенчатой ​​ракете весом 100000 кг может быть что угодно, кроме топлива, если ракета должна иметь конечную скорость, при условии, что она выбрасывает газы со скоростью истечения

Профессиональное приложение

(a) Кальмар массой 5,00 кг первоначально в состоянии покоя выбрасывает 0,250 кг жидкости со скоростью 10,0 м / с. Какова скорость отдачи кальмара, если выброс производится за 0,100 с, а есть 5.00-Н сила трения, препятствующая движению кальмара. б) Сколько энергии тратится на работу против трения?

(а) 0,421 м / с от выбрасываемой жидкости.

(б).

Необоснованные результаты

Сообщается, что кальмары прыгают из океана и путешествуют (измеряется по горизонтали), прежде чем снова войти в воду. (а) Рассчитайте начальную скорость кальмара, если он покидает воду под углом, предполагая незначительную подъемную силу воздуха и незначительное сопротивление воздуха.(б) Кальмар движется вперед, брызгая водой. Какую часть своей массы ему пришлось бы выбросить, чтобы достичь скорости, найденной в предыдущей части? Вода выбрасывается на; гравитационная сила и трение не учитываются. (c) Что неразумного в результатах? (d) Какая посылка необоснованна или какие посылки несовместимы?

Создайте свою проблему

Представьте себе космонавта в глубоком космосе, освобожденного от своего космического корабля и нуждающегося в возвращении на него. У космонавта есть несколько пакетов, которые она может выбросить, чтобы подойти к кораблю.Постройте задачу, в которой вы рассчитываете время, необходимое ей, чтобы вернуться, бросая все пакеты за один раз, а не бросая их по одному. Среди факторов, которые следует учитывать, — задействованные массы, сила, которую она может воздействовать на пакеты на некотором расстоянии, и расстояние до корабля.

Создайте свою проблему

Рассмотрим артиллерийский снаряд, поражающий броню. Постройте задачу, в которой вы найдете силу, прилагаемую снарядом к пластине.Следует учитывать массу и скорость снаряда, а также расстояние, на котором его скорость уменьшается. Ваш инструктор может также пожелать, чтобы вы рассмотрели относительные преимущества обедненного урана по сравнению со свинцовыми снарядами, исходя из большей плотности урана.

Ракетная тяга

| Безграничная физика

Движение ракеты, изменение массы и импульса

В ракетном двигателе материя выталкивается из системы с силой, вызывая равную и противоположную реакцию на то, что остается.

Цели обучения

Определить физические принципы силовой установки ракеты

Основные выводы

Ключевые моменты

• Движение всех ракет объясняется одним и тем же физическим принципом: третьим законом движения Ньютона.
• Ускорение ракеты зависит от трех основных факторов: скорости истечения, скорости выброса выхлопных газов и массы ракеты.
• Чтобы достичь высоких скоростей, необходимых для перемещения по континентам, выхода на орбиту или полного выхода из гравитации Земли, масса ракеты, за исключением топлива, должна быть как можно меньше.

Ключевые термины

• Третий закон движения Ньютона : утверждает, что все силы существуют попарно: если один объект A оказывает силу FA на второй объект B, то B одновременно оказывает силу FB на A, и эти две силы равны и противоположны : FA = −FB.

Движение ракеты, изменение массы и импульса

Ракеты

различаются по размеру от фейерверков, настолько маленьких, что обычные люди используют их до огромных ракет «Сатурн V», которые когда-то отправляли огромные полезные грузы к Луне.Движение всех ракет, реактивных двигателей, спускаемых воздушных шаров и даже кальмаров и осьминогов объясняется одним и тем же физическим принципом: третьим законом движения Ньютона. Материя принудительно выбрасывается из системы, вызывая равную и противоположную реакцию на то, что остается. Другой распространенный пример — отдача ружья. Пистолет оказывает на пулю силу, ускоряющую ее, и, следовательно, испытывает равную и противоположную силу, вызывая отдачу или толчок пистолета.

показывает ракету, ускоряющуюся прямо вверх.В части (а) ракета имеет массу m и скорость v относительно Земли, а значит, и импульс mv. В части (b) истекло время Δt, в течение которого ракета выбросила массу Δm горячего газа со скоростью v _e относительно ракеты. Остальная часть массы (m − m) теперь имеет большую скорость (v + Δv). Импульс всей системы (ракета плюс выброшенный газ) фактически уменьшился, потому что сила тяжести действовала в течение времени Δt, создавая отрицательный импульс Δp = −mgΔt. (Помните, что импульс — это чистая внешняя сила, действующая на систему, умноженная на время ее действия, и она равна изменению количества движения системы.Таким образом, центр масс системы находится в свободном падении, но за счет быстрого вытеснения массы часть системы может ускоряться вверх. Это широко распространенное заблуждение, что выхлоп ракеты толкает землю. Если рассматривать тягу; то есть сила, действующая на ракету со стороны выхлопных газов, тогда тяга ракеты больше в космическом пространстве, чем в атмосфере или на стартовой площадке. На самом деле газы легче удалить в вакуум.

Схема движения ракеты в свободном теле : (a) Эта ракета имеет массу m и скорость движения вверх v.Чистая внешняя сила, действующая на систему, равна −mg, если пренебречь сопротивлением воздуха. (b) Спустя время Δt система состоит из двух основных частей: выбрасываемого газа и остальной части ракеты. Сила реакции на ракету — это то, что преодолевает силу тяжести и ускоряет ее вверх.

Рассчитав изменение количества движения для всей системы в течение Δt и приравняв это изменение к импульсу, можно показать, что следующее выражение является хорошим приближением для ускорения ракеты.

[латекс] \ text {a} = \ frac {\ text {v} _ \ text {e}} {\ text {m}} \ frac {\ Delta \ text {m}} {\ Delta \ text {t }} — \ text {g} [/ latex]

, где a — ускорение ракеты, v _e — скорость убегания, m — масса ракеты, Δm — масса выброшенного газа, а Δt — время выброса газа.

Факторы ускорения

Ускорение ракеты зависит от трех основных факторов, согласующихся с уравнением ускорения ракеты.Во-первых, чем больше скорость истечения газов относительно ракеты, v _e , тем больше ускорение. Практический предел для v _e составляет около 2,5 × 10 ³ м / с для обычных (неядерных) двигательных установок на горячем газе. Второй фактор — это скорость выброса массы из ракеты. Это коэффициент Δm / Δt в уравнении. Величина (Δm / Δt) v _e в единицах ньютонов называется «тягой». Чем быстрее ракета сжигает топливо, тем больше у нее тяга и больше ускорение.Третий фактор — это масса ракеты m. Чем меньше масса (при прочих равных), тем больше ускорение. Масса ракеты m резко уменьшается во время полета, потому что большая часть ракеты изначально является топливом, поэтому ускорение непрерывно увеличивается, достигая максимума непосредственно перед тем, как топливо будет исчерпано.

Чтобы достичь высоких скоростей, необходимых для перемещения по континентам, выхода на орбиту или полного выхода из гравитации Земли, масса ракеты, за исключением топлива, должна быть как можно меньше.Можно показать, что в отсутствие сопротивления воздуха и без учета силы тяжести конечная скорость одноступенчатой ​​ракеты, первоначально находящейся в состоянии покоя, составляет

[латекс] \ text {v} = \ text {v} _ \ text {e} \ ln \ frac {\ text {m} _0} {\ text {m} _ \ text {r}} [/ latex]

, где ln (m ₀ / m _r ) — натуральный логарифм отношения начальной массы ракеты (m ₀ ) к тому, что остается (m _r ) после того, как все топливо измученный. (Обратите внимание, что v на самом деле представляет собой изменение скорости, поэтому уравнение можно использовать для любого участка полета.Если мы начнем из состояния покоя, изменение скорости будет равно конечной скорости. )

Знакомство с ракетным двигателем | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Государство третий закон движения Ньютона.
• Объясните принцип приведения в действие ракет и реактивных двигателей.
• Выведите выражение для ускорения ракеты.
• Обсудите факторы, влияющие на ускорение ракеты.
• Опишите функцию космического челнока.

Ракеты

различаются по размеру от фейерверков, настолько маленьких, что обычные люди используют их до огромных ракет «Сатурн V», которые когда-то отправляли огромные полезные грузы к Луне. Движение всех ракет, реактивных двигателей, спускаемых воздушных шаров и даже кальмаров и осьминогов объясняется одним и тем же физическим принципом — третьим законом движения Ньютона. Материя принудительно выбрасывается из системы, вызывая равную и противоположную реакцию на то, что остается. Другой распространенный пример — отдача ружья.Пистолет оказывает на пулю силу, ускоряющую ее, и, следовательно, испытывает равную и противоположную силу, вызывая отдачу или толчок пистолета.

Установление соединений: домашний эксперимент — движение воздушного шара

Возьмите воздушный шар и наполните его воздухом. Затем отпустите воздушный шар. В каком направлении выходит воздух из воздушного шара и в каком направлении он движется? Если вы наполните воздушный шар водой, а затем отпустите его, изменится ли направление воздушного шара? Поясните свой ответ.

На рисунке 1 показана ракета, ускоряющаяся вертикально вверх. На рисунке 1а ракета имеет массу м и скорость v относительно Земли, и, следовательно, импульс мв . На рисунке 1b истекло время Δ t , за которое ракета выбросила горячий газ массой Δ m со скоростью v _e относительно ракеты. Остальная часть массы ( м — Δ м ) теперь имеет большую скорость ( v + Δ v ).Импульс всей системы (ракета плюс выброшенный газ) фактически уменьшился, потому что сила тяжести действовала в течение времени Δ t , создавая отрицательный импульс Δ p = — мг Δ t . (Помните, что импульс — это чистая внешняя сила, действующая на систему, умноженная на время ее действия, и она равна изменению количества движения системы.) Итак, центр масс системы находится в свободном падении, но из-за быстро вытесняемой массы , часть системы может ускоряться вверх.Это широко распространенное заблуждение, что выхлоп ракеты толкает землю. Если рассматривать тягу; то есть сила, действующая на ракету со стороны выхлопных газов, тогда тяга ракеты больше в космическом пространстве, чем в атмосфере или на стартовой площадке. На самом деле газы легче удалить в вакуум.

Рис. 1. (a) Эта ракета имеет массу m и скорость вверх v . Чистая внешняя сила, действующая на систему, составляет — мг , если пренебречь сопротивлением воздуха.(b) Спустя время Δt система состоит из двух основных частей: выбрасываемого газа и остальной части ракеты. Сила реакции на ракету — это то, что преодолевает силу тяжести и ускоряет ее вверх.

Посредством вычисления изменения количества движения для всей системы за Δ t и приравнивания этого изменения к импульсу, следующее выражение может быть показано как хорошее приближение для ускорения ракеты.

[латекс] \ displaystyle {a} = \ frac {v _ {\ text {e}}} {m} \ frac {\ Delta {m}} {\ Delta {t}} — g \\ [/ latex]

«Ракета» — это часть системы, остающаяся после выброса газа, а g. — ускорение свободного падения.

Разгон ракеты

Ускорение ракеты

[латекс] \ displaystyle {a} = \ frac {v _ {\ text {e}}} {m} \ frac {\ Delta {m}} {\ Delta {t}} — g \\ [/ latex]

, где a — ускорение ракеты, v _e — космическая скорость, м — масса ракеты, Δ м — масса выброшенного газа, а Δ t — время выброса газа.

Ускорение ракеты зависит от трех основных факторов, согласующихся с уравнением ускорения ракеты.Во-первых, чем больше скорость истечения газов относительно ракеты, v _e , тем больше ускорение. Практический предел для v _e составляет около 2,5 × 10 ³ м / с для обычных (неядерных) двигательных установок на горячем газе. Второй фактор — это скорость выброса массы из ракеты. Это коэффициент [латекс] \ frac {\ Delta {m}} {\ Delta {t}} \\ [/ latex] в уравнении. Величина [латекс] \ left (\ frac {\ Delta {m}} {\ Delta {t}} \ right) v _ {\ text {e}} \\ [/ latex] в единицах ньютонов называется « толкать.«Чем быстрее ракета сжигает топливо, тем больше у нее тяга и больше ускорение. Третий фактор — это масса м ракеты. Чем меньше масса (при прочих равных), тем больше ускорение. Масса ракеты m резко уменьшается во время полета, потому что большая часть ракеты изначально является топливом, так что ускорение непрерывно увеличивается, достигая максимума непосредственно перед тем, как топливо будет исчерпано.

Факторы, влияющие на ускорение ракеты

• Чем больше скорость истечения v _e газов относительно ракеты, тем больше ускорение.
• Чем быстрее ракета сжигает топливо, тем больше ее ускорение.
• Чем меньше масса ракеты (при прочих равных), тем больше ускорение.

Пример 1. Расчет ускорения: начальное ускорение при запуске Луны

Масса Сатурна V при взлете составляла 2,80 × 10 ⁶ кг, скорость сжигания топлива составляла 1,40 × 10 ⁴ кг / с, а скорость истечения составляла 2,40 × 10 ³ м / с. Рассчитайте его начальное ускорение.2 \ end {array} \\ [/ latex]

Обсуждение

Это значение довольно мало даже для начального ускорения. Ускорение неуклонно увеличивается по мере того, как ракета сжигает топливо, потому что m уменьшается, а v _e и [latex] \ frac {\ Delta {m}} {\ Delta {t}} \\ [/ latex] остаются постоянный. Зная это ускорение и массу ракеты, можно показать, что тяга двигателей составляла 3,36 × 10 ⁷ Н.

Чтобы достичь высоких скоростей, необходимых для перемещения по континентам, выхода на орбиту или полного выхода из гравитации Земли, масса ракеты, за исключением топлива, должна быть как можно меньше.Можно показать, что в отсутствие сопротивления воздуха и без учета силы тяжести конечная скорость одноступенчатой ​​ракеты, первоначально находящейся в состоянии покоя, равна [латекс] v = v _ {\ text {e}} \ ln \ frac {m_0} { m_ \ text {r}} \\ [/ latex], где [latex] \ ln \ frac {m_0} {m_ \ text {r}} \\ [/ latex] — натуральный логарифм отношения начальной массы ракеты ( м ₀ ) до того, что осталось ( м _r ) после того, как все топливо будет израсходовано. (Обратите внимание, что v — это фактически изменение скорости, поэтому уравнение можно использовать для любого участка полета.{4.48} = 88 \\ [/ латекс]

Таким образом, масса ракеты составляет

г.

[латекс] \ displaystyle {m} _ {\ text {r}} = \ frac {m_0} {88} \\ [/ latex]

Рис. 2. Космический шаттл имел несколько частей многоразового использования. Твердотопливные ускорители с обеих сторон восстанавливались и заправлялись топливом после каждого полета, а весь орбитальный аппарат возвращался на Землю для использования в последующих полетах. Израсходовался большой бак жидкого топлива. Космический шаттл представлял собой сложную совокупность технологий, в которых использовалось как твердое, так и жидкое топливо, а также новаторская керамическая плитка в качестве теплозащитных экранов при входе в атмосферу.В результате он позволял запускать несколько раз вместо одноразовых ракет. (Источник: НАСА)

Этот результат означает, что при сгорании топлива остается только 1/88 массы, а 87/88 первоначальной массы составляло топливо. В процентах 98,9% ракеты составляет топливо, а полезная нагрузка, двигатели, топливные баки и другие компоненты составляют лишь 1,10%. С учетом сопротивления воздуха и силы тяжести масса м _r оставшаяся может быть только около м ₀ /180.Трудно построить ракету, в которой топливо имеет массу в 180 раз больше, чем все остальное. Решение — многоступенчатые ракеты. Каждая ступень должна достичь только части конечной скорости и выбрасывается после сжигания топлива. В результате каждая последующая ступень может иметь двигатели меньшего размера и большую полезную нагрузку относительно топлива. После выхода из атмосферы соотношение полезной нагрузки и топлива также становится более благоприятным.

Космический шаттл был попыткой создания экономичного транспортного средства с некоторыми частями многоразового использования, такими как твердотопливные ускорители и сам корабль.(См. Рис. 2). Потребность в управлении шаттлом, однако, сделала его запуск спутников не менее дорогостоящим, чем беспилотные ракеты одноразового использования. В идеале шаттл должен был использоваться только тогда, когда для успеха миссии требовалась человеческая деятельность, например, ремонт космического телескопа Хаббл. Ракеты со спутниками можно запускать и с самолетов. Использование самолетов имеет двойное преимущество: начальная скорость значительно выше нуля, и ракета может избежать большей части сопротивления атмосферы.

Исследования PhET: Лунный посадочный модуль

Сможете ли вы избежать поля валунов и безопасно приземлиться непосредственно перед тем, как у вас закончится топливо, как это сделал Нил Армстронг в 1969 году? Наша версия этой классической видеоигры точно имитирует реальное движение лунного посадочного модуля с правильной массой, тягой, уровнем расхода топлива и лунной гравитацией. Настоящий лунный посадочный модуль очень сложно контролировать.

Щелкните, чтобы запустить моделирование.

Сводка раздела

• Третий закон движения Ньютона гласит, что на каждое действие есть равное и противоположное противодействие.
• Ускорение ракеты равно [latex] \ displaystyle {a} = \ frac {v _ {\ text {e}}} {m} \ frac {\ Delta {m}} {\ Delta {t}} — g \\ [/латекс].
• Ускорение ракеты зависит от трех основных факторов. Они есть
  • Чем больше скорость выхлопа газов, тем больше ускорение.
  • Чем быстрее ракета сжигает топливо, тем больше ее ускорение.
  • Чем меньше масса ракеты, тем больше ускорение.

Концептуальные вопросы

1. Профессиональное приложение. Предположим, что снаряд фейерверка взрывается, разбиваясь на три больших части, сопротивление воздуха которых незначительно. Как взрыв влияет на движение центра масс? Как это повлияет, если части будут испытывать значительно большее сопротивление воздуха, чем неповрежденная оболочка?
2. Профессиональное приложение. Во время посещения Международной космической станции космонавт неподвижно стоял в центре станции, вне досягаемости любого твердого объекта, на который он мог бы воздействовать.Предложите метод, с помощью которого он мог бы отойти от этой позиции, и объясните, что это за физика.
3. Профессиональное приложение. Скорость ракеты может быть больше, чем скорость истечения газов, которые она выбрасывает. В этом случае скорость и импульс газа совпадают с направлением движения ракеты. Как ракета все еще может получить тягу, выбрасывая газ?

Задачи и упражнения

1. Профессиональное приложение. Антибаллистические ракеты (ПРО) спроектированы так, чтобы иметь очень большое ускорение, чтобы они могли перехватывать быстро движущиеся приближающиеся ракеты в кратчайшие сроки. Каково взлетное ускорение 10 000 кг ПРО, выбрасывающего 196 кг газа в секунду при скорости истечения 2,50 × 10 ³ м / с?
2. Профессиональное приложение. Каково ускорение ракеты массой 5000 кг, взлетающей с Луны, где ускорение свободного падения составляет всего 1,6 м / с ² , если ракета выбрасывает 8.00 кг газа в секунду при скорости истечения 2,20 × 10 ³ м / с?
3. Профессиональное приложение. Рассчитайте увеличение скорости космического зонда массой 4000 кг, который выбрасывает 3500 кг своей массы при скорости истечения 2,00 × 10 ³ м / с. Вы можете предположить, что гравитационная сила незначительна в месте нахождения зонда.
4. Профессиональное приложение. Ионно-двигательные ракеты предложены для использования в космосе. Они используют методы атомной ионизации и ядерные источники энергии для получения чрезвычайно высоких скоростей выхлопа, возможно, до 8.00 × 10 ⁶ м / с. Эти методы позволяют получить гораздо более благоприятное соотношение полезной нагрузки к топливу. Чтобы проиллюстрировать этот факт: (a) Рассчитайте увеличение скорости космического зонда массой 20 000 кг, который выбрасывает только 40,0 кг своей массы при данной скорости истечения. (б) Эти двигатели обычно предназначены для создания очень небольшой тяги в течение очень долгого времени — например, такого типа двигателя, который может быть полезен при путешествии к внешним планетам. Вычислите ускорение такого двигателя, если он выбрасывает 4,50 × 10 902 · 10 −6 кг / с с заданной скоростью, предполагая, что ускорение свободного падения незначительно.
5. Выведите уравнение вертикального ускорения ракеты.
6. Профессиональное приложение. (a) Вычислите максимальную скорость, с которой ракета может выбрасывать газы, если ее ускорение не может превышать в семь раз ускорение силы тяжести. Масса ракеты в момент, когда у нее заканчивается топливо, составляет 75 000 кг, а ее скорость истечения составляет 2,40 × 10 ³ м / с. Предположим, что ускорение свободного падения такое же, как и на поверхности Земли (9,80 м / с ² ). б) Почему может быть необходимо ограничивать ускорение ракеты?
7. Рассчитайте среднюю скорость истечения газов, выходящих из огнетушителя, с учетом следующих данных для эксперимента с ракетой-огнетушителем и игрушечной вагонеткой.Исходя из состояния покоя конечная скорость составляет 10,0 м / с. Общая масса изначально составляет 75,0 кг, а после срабатывания огнетушителя — 70,0 кг.
8. Сколько в одноступенчатой ​​ракете весом 100000 кг может быть что угодно, кроме топлива, если ракета должна иметь конечную скорость 8,00 км / с, учитывая, что она выбрасывает газы со скоростью истечения 2,20 × 10 ³ м / с?
9. Профессиональное приложение. (a) Кальмар массой 5,00 кг первоначально в состоянии покоя выбрасывает 0,250 кг жидкости со скоростью 10.0 м / с. Какова скорость отдачи кальмара, если выброс производится за 0,100 с и существует сила трения 5,00 Н, противодействующая движению кальмара. б) Сколько энергии тратится на работу против трения?
10. Необоснованные результаты. Сообщается, что кальмары прыгают из океана и преодолевают 30,0 м (по горизонтали), прежде чем снова войти в воду. (a) Рассчитайте начальную скорость кальмара, если он покидает воду под углом 20,0 °, принимая пренебрежимо малую подъемную силу воздуха и незначительное сопротивление воздуха.(б) Кальмар движется вперед, брызгая водой. Какую часть своей массы ему пришлось бы выбросить, чтобы достичь скорости, найденной в предыдущей части? Вода выбрасывается со скоростью 12,0 м / с; гравитационная сила и трение не учитываются. (c) Что неразумного в результатах? (d) Какая посылка необоснованна или какие посылки несовместимы?
11. Создайте свою проблему. Представьте космонавта в глубоком космосе, освобожденного от своего космического корабля и нуждающегося в возвращении к нему.У космонавта есть несколько пакетов, которые она может выбросить, чтобы подойти к кораблю. Постройте задачу, в которой вы рассчитываете время, необходимое ей, чтобы вернуться, бросая все пакеты за один раз, а не бросая их по одному. Среди факторов, которые следует учитывать, — задействованные массы, сила, которую она может воздействовать на пакеты на некотором расстоянии, и расстояние до корабля.
12. Создайте свою проблему. Рассмотрим артиллерийский снаряд, поражающий броню.Постройте задачу, в которой вы найдете силу, прилагаемую снарядом к пластине. Следует учитывать массу и скорость снаряда, а также расстояние, на котором его скорость уменьшается. Ваш инструктор может также пожелать, чтобы вы рассмотрели относительные преимущества обедненного урана по сравнению со свинцовыми снарядами, исходя из большей плотности урана.

Избранные решения проблем и упражнения

1. 39,2 м / с2

3. 4,16 × 10 ³ м / с

5.Сила, необходимая для придания небольшой массе Δm ускорения a _{Δ м} составляет F = Δ ma _{Δ м} . Для ускорения этой массы за небольшой промежуток времени Δ t на скорости v _e требуется v _e = a _{Δ m} Δ t , поэтому [латекс] F = v _ {\ text {e}} \ frac {\ Delta {m}} {\ Delta {t}} \\ [/ latex]. По третьему закону Ньютона эта сила равна по величине силе тяги, действующей на ракету, поэтому [latex] F _ {\ text {thust}} = v _ {\ text {e}} \ frac {\ Delta {m}} {\ Delta {t}} \\ [/ latex], где все величины положительны.Применение второго закона Ньютона к ракете дает F _тягу — mg = ma ⇒ [latex] \ displaystyle {a} = \ frac {v _ {\ text {e}}} {m} \ frac {\ Delta {m }} {\ Delta {t}} — г \\ [/ latex], где м, — масса ракеты и несгоревшего топлива.

Ракетная силовая установка

Тяга — это сила, которая перемещает любой самолет по воздуху. Тяга создается силовая установка самолета. Различные двигательные установки развивают тягу в разными способами, но вся тяга создается через некоторые применение третьего закона Ньютона движение.На каждое действие есть равная и противоположная реакция. В любой двигательной установке рабочая жидкость ускоряется системой и реакция на это ускорение создает силу в системе. А общий вывод уравнения тяги показывает, что величина создаваемой тяги зависит от массовый поток через двигатель и скорость на выходе газа.

Во время и после Второй мировой войны было несколько ракетных двигателей. Самолет с двигателем, созданный для исследования высокоскоростной полет.X-1A, использовавшийся для преодолеть «звуковой барьер», и Х-15 оказались реактивные самолеты. В ракетном двигателе топливо и источник кислорода, называемый окислителем, смешивается и взрывается в камере сгорания. В горение производит горячий выхлоп, который проходит через сопло чтобы ускорить поток и производить тягу. Для ракеты ускоренный газ, или рабочая жидкость, — горячий выхлоп, образующийся при сгорании.Это другая рабочая жидкость, чем в газотурбинный двигатель или пропеллер приведенный в действие самолет. Турбинные двигатели и винты используют воздух из атмосферы в качестве рабочего тела, но ракеты используют выхлопные газы сгорания. В космосе нет атмосферы, поэтому турбины и пропеллеры не может там работать. Это объясняет, почему ракета работает в космосе. но газотурбинный двигатель или пропеллер не работают.

Есть две основные категории ракетных двигателей; жидких ракет и твердотопливных ракет .В жидкостная ракета топливо , топливо и окислитель, хранятся отдельно как жидкости и закачиваются в камера сгорания форсунки где происходит горение. В твердотопливная ракета пропелленты смешиваются вместе и упакованы в прочный баллон. В нормальных температурных условиях порох не горит; но они будут гореть при воздействии источник тепла, обеспечиваемый воспламенителем. Как только начнется горение, он продолжается до тех пор, пока не будет исчерпано все топливо.С жидкостной ракетой вы можете остановить тягу, отключив поток пропелленты; а твердотопливной ракетой нужно разрушить корпус, чтобы остановить двигатель. Жидкие ракеты, как правило, тяжелее и больше сложный из-за насосов и резервуаров. Пропелленты загружается в ракету непосредственно перед запуском. Твердотопливная ракета намного проще в обращении и может простоять годами перед стрельбой.

На этом слайде мы показываем картинку с ракетным двигателем Х-15. самолет в верхнем левом углу и фотография испытания ракетного двигателя на нижний правый.На картинке справа мы видим только вне сопла ракеты, при этом горячий газ выходит из Нижний. Х-15 был оснащен жидкостным ракетным двигателем и нес один пилот на высоту более 60 миль над землей. Х-15 летал больше чем в шесть раз быстрее скорости звука почти 40 лет назад. В рекорд скорости только для пилотируемого самолета превышен сегодня на космическом шаттле. Рекорд по высоте стоит только космический челнок. и недавний космический корабль 1, в котором также использовалась ракетная силовая установка.

---

Деятельности:

---

Экскурсии с гидом

• Силовые установки:
• Ракет:

---

Навигация ..

Руководство для начинающих Домашняя страница

ракета | Характеристики, силовая установка, разработка и факты

Общие характеристики и принципы работы

Ракета отличается от турбореактивных и других «дышащих воздухом» двигателей тем, что вся выхлопная струя состоит из газообразных продуктов сгорания «топлива». на борту.Подобно турбореактивному двигателю, ракета развивает тягу за счет выброса массы назад с очень высокой скоростью.

Фундаментальный физический принцип, связанный с движением ракеты, был сформулирован сэром Исааком Ньютоном. Согласно его третьему закону движения, ракета испытывает увеличение количества движения пропорционально количеству импульса, уносимого в выхлопе, где M — масса ракеты, Δ v _R — увеличение скорости ракеты в короткий интервал времени, Δ t , м ° — скорость массового выброса в выхлопе, v _e — эффективная скорость истечения (почти равная скорости струи и принятая относительно ракеты) ), а F — сила.Величина м ° v _e — это движущая сила или тяга, создаваемая на ракете за счет истощения топлива,

Запуск ракеты AC-6 Atlas-Centaur с мыса Канаверал, Флорида, 11 августа 1965 года, когда динамическая модель космического корабля Surveyor была переведена на имитацию переходной лунной орбиты.

NASA

Очевидно, что тягу можно сделать большой, используя высокую скорость выброса массы или высокую скорость истечения. Использование высокого м и ° быстро расходует запас топлива (или требует большого запаса), поэтому предпочтительно искать высокие значения v _e .Значение v _e ограничено практическими соображениями, определяемыми тем, как выхлоп ускоряется в сверхзвуковом сопле и какая энергия доступна для нагрева топлива.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Большинство ракет получают свою энергию в тепловой форме за счет сгорания топлива в конденсированной фазе при повышенном давлении. Газообразные продукты сгорания выводятся через сопло, которое преобразует большую часть тепловой энергии в кинетическую.Максимальное количество доступной энергии ограничено энергией, обеспечиваемой сгоранием, или практическими соображениями, обусловленными высокой температурой. Более высокие энергии возможны, если другие источники энергии (например, электрический или микроволновый нагрев) используются в сочетании с химическим топливом на борту ракет, а чрезвычайно высокие энергии достигаются, когда выхлоп ускоряется с помощью электромагнитных средств.

Эффективная скорость истечения — это показатель качества для ракетной тяги, потому что это мера тяги на единицу массы израсходованного топлива — i.е.,

Значения v _e находятся в диапазоне 2 000–5 000 метров (6 500–16 400 футов) в секунду для химического топлива, в то время как значения в два или три раза выше заявленных для топлива с электрическим подогревом. Значения свыше 40 000 метров (131 000 футов) в секунду прогнозируются для систем, использующих электромагнитное ускорение. В инженерных кругах, особенно в Соединенных Штатах, эффективная скорость истечения широко выражается в секундах, что называется удельным импульсом.Значения в секундах получены путем деления эффективных скоростей выхлопных газов на постоянный коэффициент 9,81 метра в секунду в квадрате (32,2 фута в секунду в квадрате).

В типичном полете с химической ракетой от 50 до 95 процентов или более взлетной массы составляет топливо. Это можно представить в перспективе с помощью уравнения для скорости выгорания (при условии полета без гравитации и без сопротивления),

В этом выражении M _s / M _p — это соотношение от массы двигательной установки и конструкции к массе пороха, с типовым значением 0.09 (символ ln представляет собой натуральный логарифм). M _p / M _o — отношение массы топлива к общей взлетной массе, типичное значение которого составляет 0,90. Типичное значение для v _e для водородно-кислородной системы составляет 3536 метров (11 601 фут) в секунду. Из приведенного выше уравнения можно рассчитать отношение массы полезной нагрузки к взлетной массе ( M _pay / M _o ).Для низкой околоземной орбиты v _b составляет около 7 544 метра (24 751 фут) в секунду, что потребует M _pay / M _o , чтобы было 0,0374. Другими словами, потребуется взлетная система массой 1 337 000 кг (2 948 000 фунтов), чтобы вывести 50 000 кг (110 000 фунтов) на низкую орбиту вокруг Земли. Это оптимистичный расчет, поскольку уравнение (4) не учитывает влияние силы тяжести, сопротивления или поправок направления во время всплытия, которые могут заметно увеличить взлетную массу.Из уравнения (4) очевидно, что существует прямой компромисс между M _s и M _pay , так что прилагаются все усилия для проектирования с низкой структурной массой, и M _s / M _p — второй показатель качества силовой установки. Хотя выбор различных соотношений масс сильно зависит от задачи, полезная нагрузка ракеты обычно составляет небольшую часть взлетной массы.

Техника, называемая многоэтапной постановкой, используется во многих миссиях для минимизации размеров взлетной машины. Ракета-носитель несет вторую ракету в качестве полезной нагрузки, которая запускается после сгорания первой ступени (которая остается позади). Таким образом, инертные компоненты первой ступени не доводятся до конечной скорости, а тяга второй ступени более эффективно применяется к полезной нагрузке. В большинстве космических полетов используется как минимум два этапа. Стратегия распространяется на большее количество этапов миссий, требующих очень высоких скоростей.В пилотируемых лунных миссиях США «Аполлон» в общей сложности использовалось шесть ступеней.

Вторая ступень (справа) ракеты Orbital Sciences Pegasus XL готова к стыковке с первой ступенью (слева) для запуска космического корабля НАСА «Аэрономия льда в мезосфере» (AIM).

NASA

Уникальные особенности ракет, которые делают их полезными, включают следующее:

1. Ракеты могут работать как в космосе, так и в атмосфере Земли.

2. Они могут быть сконструированы для обеспечения очень высокой тяги (современный тяжелый космический ускоритель имеет взлетную тягу 3 800 килоньютон (850 000 фунтов).

3. Двигательная установка может быть относительно простой.

4. Двигательная установка может находиться в готовом к пожару состоянии (важно в военных системах).

5. Малые ракеты могут запускаться с различных стартовых платформ, от упаковочных ящиков до пусковых установок на плече и самолетов (без отдачи).

Эти особенности объясняют не только то, почему все рекорды скорости и дальности устанавливаются ракетными системами (воздух, земля, космос), но и то, почему ракеты являются исключительным выбором для космических полетов.Они также привели к трансформации ведения войны, как стратегической, так и тактической. Действительно, появление и развитие современных ракетных технологий можно проследить до разработки оружия во время и после Второй мировой войны, при этом значительная часть финансируется через инициативы «космического агентства», такие как программы «Ариана», «Аполлон» и шаттлы.

Революционная новая ракетно-двигательная установка — ScienceDaily

Исследователь из Университета Центральной Флориды и его команда разработали передовую новую ракетно-двигательную установку, которая когда-то считалась невозможной.

Система, известная как вращающийся детонационный ракетный двигатель, позволит ракетам-разгонным блокам для космических миссий стать легче, двигаться дальше и гореть более чисто.

Результат был опубликован в этом месяце в журнале Combustion and Flame .

«В исследовании впервые представлены экспериментальные свидетельства безопасного и действующего детонационного взрыва водорода и кислорода во вращающемся детонационном ракетном двигателе», — сказал Карим Ахмед, доцент кафедры механической и аэрокосмической техники UCF, руководивший исследованием. .

Вращающиеся детонации являются непрерывными, взрывы со скоростью 5 Махов вращаются вокруг внутренней части ракетного двигателя, и взрывы поддерживаются за счет подачи в систему водорода и кислорода в необходимом количестве.

Эта система повышает эффективность ракетного двигателя, так что при использовании меньшего количества топлива вырабатывается больше энергии, чем при использовании традиционных ракетных энергоносителей, что снижает нагрузку на ракету и снижает ее затраты и выбросы.

Взрывы со скоростью

Маха 5 создают всплески энергии, которые перемещаются от 4500 до 5600 миль в час, что более чем в пять раз превышает скорость звука.Они заключены в прочный корпус двигателя, изготовленный из меди и латуни.

Технология изучается с 1960-х годов, но не увенчалась успехом из-за используемых химических пропеллентов или способов их смешивания.

Группа Ахмеда заставила это работать, тщательно сбалансировав количество топлива, водорода и кислорода, выбрасываемого в двигатель.

«Мы должны настроить размеры струй, выпускающих пропелленты, чтобы улучшить перемешивание локальной водородно-кислородной смеси», — сказал Ахмед.«Так что, когда вращающийся взрыв происходит для этой свежей смеси, он все еще продолжается. Потому что, если ваша композиция немного отличается от смеси, она будет иметь тенденцию сгорать или медленно гореть, вместо того, чтобы взорваться».

Команда Ахмеда также должна была собрать доказательства своей находки. Они сделали это, введя индикатор в поток водородного топлива и определив количество волн детонации с помощью высокоскоростной камеры.

«Вам нужен трассер, чтобы увидеть взрыв, который происходит внутри, и отследить его движение», — сказал он.«Разработка этого метода для характеристики динамики детонационной волны — еще один вклад в эту статью».

Уильям Харгус, руководитель программы исследовательской лаборатории ВВС США по программе вращающегося детонационного ракетного двигателя, является соавтором исследования и начал работать с Ахмедом над проектом прошлым летом.

«Как продвинутый специалист по спектроскопии силовых установок, я осознал некоторые уникальные проблемы при наблюдении водородно-детонационных структур», — сказал Харгус. «После консультации с профессором Ахмедом мы смогли разработать слегка модифицированный экспериментальный прибор, который значительно увеличил соответствующий уровень сигнала.«

«Эти результаты исследования уже находят отклик в международном исследовательском сообществе», — сказал Харгус. «В настоящее время несколько проектов пересматривают детонационное сгорание водорода во вращающихся детонационных ракетных двигателях из-за этих результатов. Я очень горжусь тем, что участвую в этом высококачественном исследовании».

История Источник:

Материалы предоставлены Университетом Центральной Флориды . Оригинал написан Робертом Х. Уэллсом. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

5 Ракетные двигательные установки для полетов в космос и ракеты | Обзор потребностей ВВС США и Министерства обороны США в авиакосмической двигательной установке

материалов, которые могут более полно использовать возможности DoD для наземных и воздушных ракет. Эти две области обсуждаются ниже.

Новое энергетическое топливо

Перспективы поиска высокоэнергетических, но нечувствительных компонентов топлива в ближайшем будущем кажутся слабыми.Монотопливы с более высокой плотностью I _sp могут появиться первыми, но даже если они будут утверждены, можно ожидать, что на создание надежного промышленного продукта при приемлемой стоимости потребуется много лет.

Материалы камеры и горловины сопла

Основная проблема, ограничивающая будущее использование любого нового энергетического топлива, даже если оно станет доступным, — это отсутствие материалов, устойчивых к химическому воздействию и эрозии при высоких температурах.Высокие температуры, достигаемые с помощью энергетического топлива, будут производить те же молекулы, что и другие виды топлива, включая CO ₂ , H ₂ O, N ₂ и CO. Требование к материалам с низкой эрозией является результатом более высокие температуры, достигаемые этими порохами.

Findi n г 5-7. Если Министерство обороны и ВВС собираются реализовать какие-либо варианты преобразования в конкретных профилях характеристик тактических ракет в долгосрочной перспективе, потребуются хорошо финансируемые, непрерывные усилия в области энергетического топлива и стойких материалов.

Рекомендация 5-7. Министерство обороны и ВВС США должны профинансировать поиск новых высокоэнергетических ракетных топлив и разработку материалов с очень высокой температурой, стойкостью к химическим воздействиям и низкой скоростью эрозии.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНОЕ НАБЛЮДЕНИЕ

Фактический уровень финансирования технологических программ, таких как IHPRPT, а также поддержки и совершенствования инженерных разработок тактических и стратегических ракет, упал намного ниже первоначального запланированного уровня финансирования.Это ограничивает возможности усовершенствования силовой установки и сводит к минимуму возможность обучения следующего поколения конструкторов и специалистов по производству. Демографические данные персонала позволяют прогнозировать выход на пенсию людей с критически важными навыками в разработке и производстве больших ракет и ракет-носителей в те же сроки. Последствия этой ситуации на протяжении многих лет подрывали аэрокосмический потенциал США. Если не будет принято серьезное обязательство обратить вспять эту тенденцию, способность отрасли обеспечить высококачественные инженерные и производственные мощности, необходимые для реализации среднесрочных и долгосрочных целей ВВС в отношении доступа в космос, космических операций и ракеты следует рассматривать как находящиеся под угрозой.

ССЫЛКИ

Опубликованный

Бенсон, С. В., Л. А. Аррингтон, В. А. Хоскинс и Н. Дж. Мекель. 1999 г. Разработка ППН для космического корабля ЭО-1. AIAA-99-2276. Июнь.

Чиен, Куэй-Ру, Уильям Дж. Тайге, Томас А. Бонд и Рафаль Спирс. 2006. Обзор электрического движения в L-3 Communications Electron Technologies, Inc. Бумага AIAA 2006-4322.

Энциклопедия астробиологии, астрономии и космических полетов (без даты).Доступно по адресу http://www.daviddarling.info/encyclopedia/X/XIPS.html. Последний доступ 16 июня 2006 г.

Джеймс, Ларри.

No related posts.