Теория:

Принцип реактивного движения находит широкое практическое применение в авиации и космонавтике. В космическом пространстве нет среды, с которой тело могло бы взаимодействовать и тем самым изменять направление и модуль своей скорости. Поэтому для космических полётов могут быть использованы только реактивные летательные аппараты, т. е. ракеты.
Кто же придумал ракету?
Ракета была известна давно. Очевидно, она появилась много веков назад на Востоке, возможно, в Древнем Китае — родине пороха. Ракеты (см. ниже) использовали во время народных празднеств, устраивали фейерверки, зажигали в небе огненные дожди, фонтаны, колёса.
 
Слайд2.PNG
 
Древнекитайская ракета:
1 — ствол-направляющая;
2 — пороховой заряд орудия;
3 — пыж;
4 — ракета;
5 — пороховой заряд ракеты.
 
Ракеты применяли в военном деле. Долгое время ракета была одновременно и оружием, и игрушкой.
При Петре \(I\) была создана и применялась однофунтовая сигнальная ракета образца \(1717\) года (см. ниже), остававшаяся на вооружении до конца \(XIX\) века. Она поднималась на высоту до \(1\) километра.
 
русская.png
 
Некоторые изобретатели предлагали использовать ракету для воздухоплавания. Научившись подниматься на воздушных шарах, люди были беспомощны в воздухе. Первым, кто предложил использовать ракету как средство передвижения, был российский изобретатель, революционер Николай Иванович Кибальчич, осуждённый на казнь за покушение на царя.
 
кибальчич.png
 
За десять дней до смерти в Петропавловской крепости он завершил работу над своим изобретением и передал адвокату не просьбу о помиловании или жалобу, а «Проект воздухоплавательного прибора» (чертежи и математические расчёты ракеты). Именно ракета, считал он, откроет человеку путь в небо.
 
ракета кибальчича.png
 
Про свой аппарат (см. выше) он написал: «Если цилиндр поставлен закрытым дном кверху, то при известном давлении газов <...> цилиндр должен подняться наверх».
Какая же сила применима к воздухоплаванию? — ставит вопрос Н. И. Кибальчич и отвечает: — Такой силой, по моему мнению, являются медленно горящие взрывчатые вещества... Применить энергию газов, образующихся при воспламенении взрывчатых веществ, к какой-либо продолжительной работе возможно только под тем условием, если та громадная энергия, которая образуется при горении взрывчатых веществ, будет образовываться не сразу, а в течение более или менее продолжительного промежутка времени. Если мы возьмём фунт зернистого пороху, вспыхивающего при зажигании мгновенно, спрессуем его под большим давлением в форму цилиндра, то увидим, что горение не сразу охватит цилиндр, а будет распространяться довольно медленно от одного конца к другому и с определённой скоростью... На этом свойстве прессованного пороха основано устройство боевых ракет.
Изобретатель имеет здесь в виду старинные (первой половины \(XIX\) века) ракеты, которые перекидывали \(50\)-килограммовые бомбы на \(2\)–\(3\) километра при заряде в \(20\) кг. Н. И. Кибальчич вполне ясно и совершенно правильно представлял себе механизм действия ракеты.
 
Конструкцию космической ракеты с жидкостным реактивным двигателем впервые предложил в \(1903\) году русский учёный Константин Эдуардович Циолковский.
 
циолковский.png
 
Он разработал теорию движения космических ракет и вывел формулу для расчёта их скорости.
 
циолковский 1903.png
циолковский 1914.png
циолковский 1915.png
 
Рассмотрим вопрос об устройстве и запуске так называемых ракет-носителей, т. е. ракет, предназначенных для вывода в космос искусственных спутников Земли, космических кораблей, автоматических межпланетных станций и других полезных грузов.
 
конструкция ракеты.png
 
В любой ракете, независимо от её конструкции, всегда имеются оболочка и топливо с окислителем. Составные части ракеты можно рассмотреть на рисунке. Большую часть ракеты занимает топливо и окислитель. Для сгорания топлива необходим кислород (как известно в космосе его нет), поэтому для поддержания горения и необходим окислитель.
Насосы подают топливо и окислитель в камеру сгорания. Топливо, сгорая, превращается в газ высокой температуры и высокого давления, который с большой скоростью вырывается из сопла ракеты, увеличивая тем самым её скорость.
 
Это можно показать с помощью закона сохранения импульса.
 
Для упрощения расчёта параметров полёта не учитывают силы земного притяжения. Начальный импульс ракеты до старта равен нулю. Поэтому суммарный импульс движущейся ракеты и испускаемого газа тоже равен нулю. Это возможно только в противоположно направленном движении оболочки ракеты и струи газа:
 
pоболочки=pгаза,
 
или
 
mоболочкиvоболочки=mгазаvгаза.
 
Получим:
Скорость оболочки прямо пропорциональна скорости газа, выходящего из сопла и обратна пропорциональна массе оболочки:
vоболочки=mгазаvгазаmоболочки
Современные ракеты имеют многоступенчатое строение. Для дальних полётов применяется поэтапное использование топлива.
 
трехступенчатая ракета.png
 
Строение трёхступенчатой ракеты изображено на рисунке. При сгорании топлива в первой ступени она оказывается не нужно и отстреливается. После этого начинает работать двигатель второй ступени, расходуя свое топливо и окислитель. Затем отбрасввается и вторая ступень ракеты. Такой процесс позволяет экономить топливо, т.к. масса ракеты при отбрасывании ступени уменьшается. Это, в свою очередь, позволяет увеличить скорость ракеты (см. формулы).
 
Слайд1.PNG
 
Полёт трёхступенчатой ракеты:
1. двигатель \(1\) ступени работает около \(3\) минут. За это время ракета пролетает более \(50\) км.
2. Израсходовав всё топливо, \(1\) ступень отделяется от ракеты, и начинает работать двигатель \(2\) ступени (около \(2\) минут).
3. \(3\) ступень работает примерно \(12\) минут и выводит спутник на околоземную орбиту на высоту около \(320\) км.
 
Если полёт запланирован в один конец, то третья ступень используется для ускорения летательного аппарата.
Для летательных аппаратов с посадкой на Землю последняя ступень сохраняется для торможения в атмосфере планеты. Двигатели разворачивают соплом в направлении падения. Импульс горящего газа, направленный против скорости движения, оказывает тормозящее действие. Скорость посадки снижается.