Взлетом космической ракеты сейчас можно полюбоваться и по телевизору, и в кино. Ракета вертикально стоит на бетонном стартовом столе. По команде из пункта управления включаются двигатели, мы видим загорающееся внизу пламя, мы слышим нарастающий рев. И вот ракета в клубах дыма отрывается от Земли и сначала медленно, а потом все быстрее и быстрее устремляется вверх. Через минуту она уже на такой высоте, куда не могут подняться самолеты, а еще через минуту – Космосе, в околоземном безвоздушном пространстве.
Двигатели ракеты называются реактивными. Почему? Потому что в таких двигателях сила тяги является силой реакции (противодействия) силе, которая отбрасывает в противоположную сторону струю раскаленных газов, получаемых от сгорания топлива в специальной камере. Как известно, согласно третьему закону Ньютона сила этого противодействия равна силе действия. То есть, сила, поднимающая ракету в космическое пространство равна силе, которую развивают раскаленные газы, вырывающиеся из сопла ракеты. Если Вам кажется невероятным, что газ, которому положено быть бесплотным, забрасывает на космическую орбиту тяжеленную ракету, вспомните о том, что сжатый в резиновых баллонах воздух успешно поддерживает не только велосипедиста, но и тяжелые самосвалы. Раскаленный добела газ, вырывающийся из сопла ракеты – тоже полон силы и энергии. Настолько, что после каждого старта ракеты стартовый стол ремонтируют, добавляя выбитый огненным вихрем бетон.
Третий закон Ньютона можно сформулировать иначе, как закон сохранения импульса. Импульсом называется произведение массы на скорость. В терминах закона сохранения импульса старт ракеты можно описать так.
Первоначально импульс космической ракеты, покоящейся на стартовой площадке, был равен нулю (Большая масса ракеты, умноженная на нулевую ее скорость). Но вот включен двигатель. Топливо сгорает, образуя огромное количество газообразных продуктов сгорания. Они имеют высокую температуру и с высокой скоростью истекают из сопла ракеты в одну сторону, вниз. Это создает вектор импульса, направленный вниз, величина которого равна массе истекающего газа, умноженного на скорость этого газа. Однако, в силу закона сохранения импульса, суммарный импульс космической ракеты относительно стартовой площадки должен быть по-прежнему равен нулю. Поэтому тут же возникает вектор импульса, направленный вверх, уравновешивающий систему «ракета – отбрасываемые газы». За счет чего возникнет этот вектор? За счет того, что стоящая до тех пор неподвижно ракета начнет движение вверх. Импульс, направленный вверх, будет равен массе ракеты, умноженной на ее скорость.
Если двигатели ракеты мощные, ракета очень быстро набирает скорость, достаточную для того, чтобы вывести космический корабль на околоземную орбиту. Эта скорость называется первой космической скоростью и равна приблизительно 8 километрам в секунду.
Мощность двигателя ракеты определяется в первую очередь тем, какое топливо сгорает в двигателях ракеты. Чем выше температура сгорания топлива, тем мощнее двигатель. В самых ранних советских ракетных двигателях топливом был керосин, а окислителем – азотная кислота. Сейчас в ракетах используется более активные (и более ядовитые) смеси. Топливом в современных американских ракетных двигателях является смесь кислорода и водорода. Кислородно-водородная смесь очень взрывоопасна, но при сгорании выделяет огромное количество энергии.
мы разбирали важнейший компонент полета в глубокий космос – гравитационный маневр. Но в силу своей сложности такой проект, как космический полет, всегда можно разложить на большой ряд технологий и изобретений, которые делают его возможным. Таблица Менделеева, линейная алгебра, расчеты Циолковского, сопромат и еще целые области науки внесли свою лепту в первый, да и все последующие полеты человека в космос. В сегодняшней статье мы расскажем, как и кому пришла в голову идея космической ракеты, из чего она состоит и как из чертежей и расчетов ракеты превратились в средство доставки людей и грузов в космос.Краткая история ракет
Общий принцип реактивного полета, который лег в основу всех ракет, прост - от тела отделяется какая-то часть, приводящая все остальное в движение.
Кто первым реализовал этот принцип – неизвестно, но различные догадки и домыслы доводят генеалогию ракетостроения аж до Архимеда. Доподлинно о первых подобных изобретениях известно, что ими активно пользовались китайцы, которые заряжали их порохом и за счет взрыва запускали в небо. Таким образом они создали первые твердотопливные ракеты. Большой интерес к ракетам появился у европейских правительств в начале
Второй ракетный бум
Ракеты ждали своего часа и дождались: в 1920-х годах начался второй ракетный бум, и связан он в первую очередь с двумя именами.
Константин Эдуардович Циолковский - ученый-самоучка из Рязанской губернии, невзирая на трудности и препятствия, сам дошел до многих открытий, без которых невозможно было бы даже говорить о космосе. Идея использования жидкого топлива, формула Циолковского, которая рассчитывает необходимую для полета скорость, исходя из соотношения конечной и начальной масс, многоступенчатая ракета - все это его заслуга. Во многом под влиянием его трудов создавалось и оформлялось отечественное ракетостроение. В Советском Союзе начали стихийно возникать общества и кружки по изучению реактивного движения, в числе которых ГИРД - группа изучения реактивного движения, а в 1933 году под патронажем властей появился Реактивный институт.
Константин Эдуардович Циолковский.
Источник: Wikimedia.org
Второй герой ракетной гонки - немецкий физик Вернер фон Браун. Браун имел отличное образование и живой ум, а после знакомства с другим светилом мирового ракетостроения, Генрихом Обертом, он решил приложить все свои силы к созданию и усовершенствованию ракет. В годы Второй Мировой фон Браун фактически стал отцом «оружия возмездия» Рейха - ракеты «Фау-2», которую немцы начали применять на поле боя в 1944 году. «Крылатый ужас», как называли её в прессе, принес разрушение многим английским городам, но, к счастью, на тот момент крах нацизма был уже делом времени. Вернер фон Браун вместе со своим братом решил сдаться в плен к американцам, и, как показала история, это был счастливый билет не только и не столько для ученых, сколько для самих американцев. С 1955 года Браун работает на американское правительство, и его изобретения ложатся в основу космической программы США.
Но вернемся в 1930-е. Советское правительство по достоинству оценило рвение энтузиастов на пути к космосу и решило употребить его в своих интересах. В годы войны себя отлично показала «Катюша» - система залпового огня, которая стреляла реактивными ракетами. Это было во многом инновационное оружие: «Катюша» на базе легкого грузовика «Студебеккер» приезжала, разворачивалась, обстреливала сектор и уезжала, не давая немцам опомниться.
Окончание войны подкинуло нашему руководству новую задачу: американцы продемонстрировали миру всю мощь ядерной бомбы, и стало совершенно очевидно, что на статус сверхдержавы может претендовать только тот, у кого есть нечто похожее. Но здесь была проблема. Дело в том, что, помимо самой бомбы, нам нужны были средства доставки, которые бы смогли обойти ПВО США. Самолеты для этого не годились. И СССР решил сделать ставку на ракеты.
Константин Эдуардович Циолковский умер в 1935 году, но ему на смену пришло целое поколение молодых ученых, которое и отправило человека в космос. Среди этих ученых был Сергей Павлович Королев, которому суждено было стать «козырем» Советов в космической гонке.
СССР принялся за создание своей межконтинентальной ракеты со всем усердием: были организованы институты, собраны лучшие ученые, в подмосковных Подлипках создается НИИ по ракетному вооружению, и работа кипит вовсю.
Только колоссальное напряжение сил, средств и умов позволило Советскому Союзу в кратчайшие сроки построить свою ракету, которую назвали Р-7. Именно её модификации вывели в космос «Спутник» и Юрия Гагарина, именно Сергей Королев и его соратники дали старт космической эре человечества. Но из чего состоит космическая ракета?
Конструкция ракеты
Схема двухступенчатой ракеты.
Даже среди людей, изучавших физику, случается нередко слышать совершенно превратное объяснение полета ракеты: она летит потому будто бы, что своими газами, образующимися при горении в ней пороха, отталкивается от воздуха. Так думали в старину (ракеты – давнее изобретение). Однако если бы пустить ракету в безвоздушном пространстве, она полетела бы не хуже, а даже лучше, чем в воздухе. Истинная причина движения ракеты совершенно иная. Очень понятно и просто изложил ее революционер-первомартовец Кибальчич в предсмертной своей записке об изобретенной им летательной машине. Объясняя устройство боевых ракет, он писал:
«В жестяной цилиндр, закрытый с одного основания и открытый с другого, вставляется плотно цилиндр из прессованного пороха, имеющий по оси пустоту в виде канала. Горение пороха начинается с поверхности этого канала и распространяется в течение определенного промежутка времени до наружной поверхности прессованного пороха; образующиеся при горении газы производят давление во все стороны; но боковые давления газов взаимно уравновешиваются, давление же на дно жестяной оболочки пороха, не уравновешенное противоположным давлением (так как в эту сторону газы имеют свободный выход), толкает ракету вперед».
Здесь происходит то же, что и при выстреле из пушки: снаряд летит вперед, а сама пушка отталкивается назад. Вспомните «отдачу» ружья и всякого вообще огнестрельного оружия! Если бы пушка висела в воздухе, ни на что не опираясь, она после выстрела двигалась бы назад с некоторой скоростью, которая во столько же раз меньше скорости снаряда, во сколько раз снаряд легче самой пушки. В фантастическом романе Жюля Верна «Вверх дном» американцы задумали даже воспользоваться силой отдачи исполинской пушки для выполнения грандиозной затеи – «выпрямить земную ось».
Ракета – та же пушка, только извергает она не снаряды, а пороховые газы. По той же причине вертится и так называемое «китайское колесо», которым, вероятно, случалось вам любоваться при устройстве фейерверков: при горении пороха в трубках, прикрепленных к колесу, газы вытекают в одну сторону, сами же трубки (а с ними и колесо) получают обратное движение. В сущности, это лишь видоизменение общеизвестного физического прибора – сегнерова колеса.
Интересно отметить, что до изобретения парохода существовал проект механического судна, основанный на том же начале; запас воды на судне предполагалось выбрасывать с помощью сильного нагнетательного насоса в кормовой части; вследствие этого корабль должен был двигаться вперед, как те плавучие жестянки, которые имеются для доказательства рассматриваемого принципа в школьных физических кабинетах. Проект этот (предложенный Ремзи) не был осуществлен, однако он сыграл известную роль в изобретении парохода, так как натолкнул Фультона на его идею.
Мы знаем также, что самая древняя паровая машина, изобретенная Героном Александрийским еще во II веке до нашей эры, была устроена по тому же принципу: пар из котла поступал по трубке в шар, укрепленный на горизонтальной оси; вытекая затем из коленчато-изогнутых трубок, пар толкал эти трубки в обратном направлении, и шар начинал вращаться.
Самая древняя паровая машина (турбина), приписываемая Герону Александрийскому
(II век до нашей эры).
К сожалению, геронова паровая турбина в древности оставалась только любопытной игрушкой, так как дешевизна труда рабов никого не побуждала к практическому использованию машин. Но самый принцип не заброшен техникой: в наше время он применяется при устройстве реактивных турбин.
Ньютону – автору закона действия и противодействия – приписывают один из самых ранних проектов парового автомобиля, основанный на том же начале: пар из котла, поставленного на колеса, вырывается в одну сторону, а самый котел в силу отдачи катится в противоположную.
Паровой автомобиль, приписываемый Ньютону.
Ракетные автомобили, об опытах с которыми в 1928 г. много писали в газетах и журналах, представляют собой современное видоизменение ньютоновой повозки.
Для любителей мастерить приведен здесь рисунок бумажного пароходика, также очень похожего на ньютонову повозку: в паровом котле из опорожненного яйца, нагреваемом намоченной в спирте ваткой в наперстке, образуется пар; вырываясь струёй в одну сторону, он заставляет весь пароходик двигаться в противоположную сторону. Для сооружения этой поучительной игрушки нужны, однако, очень искусные руки.
Игрушечный пароходик из бумаги и яичной скорлупы. Топливом служит налитый в наперсток спирт.
Пар, выбивающийся из отверстия «парового котла» (выдутое яйцо), заставляет пароходик плыть в противоположном направлении.
Даже среди людей, изучавших физику, случается нередко слышать совершенно превратное объяснение полета ракеты: она летит потому будто бы, что своими газами, образующимися при горении в ней пороха, отталкивается от воздуха. Так думали в старину (ракеты – давнее изобретение). Однако если бы пустить ракету в безвоздушном пространстве, она полетела бы не хуже, а даже лучше, чем в воздухе. Истинная причина движения ракеты совершенно иная. Очень понятно и просто изложил ее революционер‑первомартовец Кибальчич в предсмертной своей записке об изобретенной им летательной машине. Объясняя устройство боевых ракет, он писал:
«В жестяной цилиндр, закрытый с одного основания и открытый с другого, вставляется плотно цилиндр из прессованного пороха, имеющий по оси пустоту в виде канала. Горение пороха начинается с поверхности этого канала и распространяется в течение определенного промежутка времени до наружной поверхности прессованного пороха; образующиеся при горении газы производят давление во все стороны; но боковые давления газов взаимно уравновешиваются, давление же на дно жестяной оболочки пороха, не уравновешенное противоположным давлением (так как в эту сторону газы имеют свободный выход), толкает ракету вперед».
Здесь происходит то же, что и при выстреле из пушки: снаряд летит вперед, а сама пушка отталкивается назад. Вспомните «отдачу» ружья и всякого вообще огнестрельного оружия! Если бы пушка висела в воздухе, ни на что не опираясь, она после выстрела двигалась бы назад с некоторой скоростью, которая во столько же раз меньше скорости снаряда, во сколько раз снаряд легче самой пушки. В фантастическом романе Жюля Верна «Вверх дном» американцы задумали даже воспользоваться силой отдачи исполинской пушки для выполнения грандиозной затеи – «выпрямить земную ось».
Ракета – та же пушка, только извергает она не снаряды, а пороховые газы. По той же причине вертится и так называемое «китайское колесо», которым, вероятно, случалось вам любоваться при устройстве фейерверков: при горении пороха в трубках, прикрепленных к колесу, газы вытекают в одну сторону, сами же трубки (а с ними и колесо) получают обратное движение. В сущности, это лишь видоизменение общеизвестного физического прибора – сегнерова колеса.
Интересно отметить, что до изобретения парохода существовал проект механического судна, основанный на том же начале; запас воды на судне предполагалось выбрасывать с помощью сильного нагнетательного насоса в кормовой части; вследствие этого корабль должен был двигаться вперед, как те плавучие жестянки, которые имеются для доказательства рассматриваемого принципа в школьных физических кабинетах. Проект этот (предложенный Ремзи) не был осуществлен, однако он сыграл известную роль в изобретении парохода, так как натолкнул Фультона на его идею.
Рисунок 7. Самая древняя паровая машина (турбина), приписываемая Герону Александрийскому (II век до нашей эры).
Рисунок 8. Паровой автомобиль, приписываемый Ньютону.
Рисунок 9. Игрушечный пароходик из бумаги и яичной скорлупы. Топливом служит налитый в наперсток спирт. Пар, выбивающийся из отверстия «парового котла» (выдутое яйцо), заставляет пароходик плыть в противоположном направлении.
Мы знаем также, что самая древняя паровая машина, изобретенная Героном Александрийским еще во II веке до нашей эры, была устроена по тому же принципу: пар из котла (рис. 7) поступал по трубке в шар, укрепленный на горизонтальной оси; вытекая затем из коленчато‑изогнутых трубок, пар толкал эти трубки в обратном направлении, и шар начинал вращаться. К сожалению, геронова паровая турбина в древности оставалась только любопытной игрушкой, так как дешевизна труда рабов никого не побуждала к практическому использованию машин. Но самый принцип не заброшен техникой: в наше время он применяется при устройстве реактивных турбин.
Ньютону – автору закона действия и противодействия – приписывают один из самых ранних проектов парового автомобиля, основанный на том же начале: пар из котла, поставленного на колеса, вырывается в одну сторону, а самый котел в силу отдачи катится в противоположную (рис. 8).
Ракетные автомобили, об опытах с которыми в 1928 г. много писали в газетах и журналах, представляют собой современное видоизменение ньютоновой повозки.
Для любителей мастерить приведен здесь Рисунок бумажного пароходика, также очень похожего на ньютонову повозку: в паровом котле из опорожненного яйца, нагреваемом намоченной в спирте ваткой в наперстке, образуется пар; вырываясь струёй в одну сторону, он заставляет весь пароходик двигаться в противоположную сторону. Для сооружения этой поучительной игрушки нужны, однако, очень искусные руки.
Ракеты поднимаются в космическое пространство за счет сжигания жидких или твердых топлив. После воспламенения в высокопрочных камерах сгорания эти топлива, обычно состоящие из горючего и окислителя, выделяют огромное количество тепла, создавая очень высокое давление, под действием которого продукты сгорания движутся в сторону земной поверхности через расширяющиеся сопла.
Так как продукты сгорания истекают из сопел вниз, ракета поднимается вверх. Это явление объясняется третьим законом Ньютона, в соответствии с которым для каждого действия существует равное по величине и противоположное по направлению противодействие. Поскольку двигателями на жидком топливе легче управлять, чем твердотопливными, их обычно используют в космических ракетах, в частности, в показанной на рисунке слева ракете Сатурн-5. Эта трехступенчатая ракета сжигает тысячи тонн жидкого водорода и кислорода для вывода космического корабля на орбиту.
Для быстрого подъема вверх тяга ракеты должна превышать ее вес примерно на 30 процентов. При этом, если космический корабль должен выйти на околоземную орбиту, он должен развить скорость около 8 километров в секунду. Тяга ракет может доходить до нескольких тысяч тонн.
- Пять двигателей первой ступени поднимают ракету на высоту 50-80 километров. После того как топливо первой ступени будет израсходовано, она отделится и включатся двигатели второй ступени.
- Примерно через 12 минут после старта вторая ступень доставляет ракету на высоту более 160 километров, после чего отделяется с пустыми баками. Также отделяется ракета аварийного спасения.
- Разгоняемая единственным двигателем третьей ступени, ракета переводит космический корабль «Аполлон» на временную околоземную орбиту, высотой около 320 километров. После непродолжительного перерыва двигатели включаются снова, увеличивая скорость космического корабля примерно до 11 километров в секунду и направляя его в сторону Луны.
Двигатель F-1 первой ступени сжигает топливо и выводит продукты сгорания в окружающую среду.
После запуска на орбиту космический корабль «Аполлон» получает разгонный импульс в сторону Луны. Затем третья ступень отделяется и космический корабль, состоящий из командного и лунного модулей, выходит на 100-километровую орбиту вокруг Луны, после чего лунный модуль совершает посадку. Доставив побывавших на Луне космонавтов на командный модуль, лунный модуль отделяется и прекращает свое функционирование.
Загрузка...
