Многоступенчатая ракета циолковского кратко
Обновлено: 04.07.2024
Циолковский является основоположником современной космонавтики и ракетной техники.
В 10 лет Костя Циолковский переболел скарлатиной и потерял слух. Тогда, наверное, он и услышал музыку небесных сфер, на зов которой шел всю свою жизнь. Из-за глухоты будущий Бетховен космонавтики не смог получить приличного образования и до всего дошел сам — и до своих утопий и до реальных конструкций ракет, на которых можно покорять Вселенную.
Но не это главное. Главное — что он сотворил то, что до него не создавал еще никто — теорию ракет и космонавтику.
Ракеты — древнейшее изобретение человечества, подсмотренное первыми инженерами у каракатиц и медуз, передвигающихся в воде за счет выброса из себя предварительно набираемой жидкости, т.е. с использованием реактивного принципа.
Сегодня ракетами называют петарды, космические ракеты и вообще любое устройство, движущееся в сторону, противоположную истекающей из него под внутренним давлением струе газов или жидкости. Из школьной программы по физике многие должны помнить Сегнерово колесо.
Простой принцип устройства, его эффективность и, что немаловажно, эффектность издавна привлекала военных. Из достоверных источников известно, что ракетами пользовались воины Чингисхана, Яна Гуса, запорожские казаки, индийские войска, боровшиеся с английскими колонизаторами…
В первой половине XVII в. белорусский инженер К. Семенович впервые предложил принцип пороховой многоступенчатой ракеты.
В России в XIX в. математическую теорию и конструкции ракет разрабатывали офицеры и генералы, инженеры и ученые, озабоченные созданием ракетного оружия, — А.Д. Засядько, И.М. Третесский, Н.С. Соковнин, И.В. Мещерский, К.И. Константинов, Н.И. Тихомиров и др.
Революционер Н.И. Кибальчич накануне казни в тюрьме (1881) разработал первый проект ракетного самолета, о котором стало известно только после Октябрьской революции 1917 г.
В своей работе автор впервые доказал, что ракета является тем единственным аппаратом, который способен совершить полет в Космос; рассмотрел схемы ракет дальнего действия и ракет для межпланетных путешествий. Можно сказать, что именно этой статьей был дан старт и самой космонавтике.
Несмотря на то, что космические идеи Циолковского подхватили некоторые ученые и популяризаторы науки (А.Г. Столетов, Н.Е. Жуковский, В.В. Рюмин, Я.И. Перельман, Н.А. Рынин и др.), труды ученого были оценены только после Октябрьской революции. В 1921 г. ему была назначена персональная пенсия, которая спасла Константина Эдуардовича от голодной смерти и дала ему возможность продолжить свои труды.
Практически все идеи исследователя подтвердились практикой современной космонавтики и нашли воплощение во многих космических проектах. Кроме реализованных у Циолковского было много оригинальных идей, не нашедших своего воплощения.
- JLIB_APPLICATION_ERROR_COMPONENT_NOT_LOADING
Теория ракеты Циолковского
Многие поколения учёных мечтали о полётах за пределы Земли – на Луну, Марс и другие планеты. Но как будет двигаться летательный аппарат в космосе, где абсолютная пустота и нет опоры, оттолкнувшись от которой он получит ускорение? Циолковский предложил использовать для этой цели ракету, приводимую в движение реактивным двигателем.
Как устроен ракетный двигатель
В космическом пространстве нет ни твёрдой, ни жидкой, ни газообразной опоры. И ускорение космическому кораблю может сообщить только реактивная сила. Для появления этой силы внешние воздействия не нужны. Она возникает, когда продукты сгорания вытекают из сопла ракеты с некоторой скоростью относительно самой ракеты.
Основная часть ракетного двигателя – камера сгорания. В ней и происходит процесс сгорания топлива. В одной из стенок этой камеры есть отверстие, называемое реактивным соплом. Вот через это отверстие и выбрасываются газы, образуемые при сгорании.
Продукты сгорания топлива в двигателях называют рабочим телом. Вообще, рабочее тело – это некое условное материальное тело, расширяющееся при нагреве и сжимающееся при охлаждении. В каждом типе двигателя оно разное. Так, в тепловых двигателях, рабочее тело – это продукты сгорания бензина, дизельного топлива и др. В ракетных – продукты сгорания ракетного топлива. А топливо для ракетных двигателей также бывает разным. И в зависимости от его вида различают ядерные ракетные двигатели, электрические ракетные двигатели, химические ракетные двигатели.
В ядерном ракетном двигателе рабочее тело нагревается за счёт энергии, которая выделяется при ядерных реакциях.
В электрических ракетных двигателях источником энергии служит электрическая энергия.
Химические ракетные двигатели, в которых топливо (горючее и окислитель) состоит из веществ, находящихся в твёрдом состоянии, называются твёрдотопливными (РДТТ). А в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) компоненты топлива хранятся в жидком агрегатном состоянии.
Циолковский предложил использовать для полётов в космосе жидкостные ракетные двигатели. Такие двигатели преобразуют химическую энергию топлива в кинетическую энергию выбрасываемой из сопла струи. В камерах сгорания этих двигателей происходит экзотермическая (с выделением теплоты) реакция горючего и окислителя. В результате этой реакции продукты сгорания нагреваются, расширяются и, разгоняясь в сопле, истекают из двигателя с огромной скоростью. А ракета, согласно закону сохранения импульса, получает ускорение, направленное в другую сторону.
И в наше время для полётов в космосе применяют ракетные двигатели. Конечно, существуют и другие проекты двигателей, например, космический лифт или солнечный парус, но все они находятся в стадии разработки.
Первая ракета Циолковского
Люди придумали ракеты очень давно.
В конце III века до нашей эры человечество изобрело порох. А сила, возникающая при взрыве пороха, могла приводить в движение различные предметы. И пиротехнические средства стали использовать для фейерверков. Позже были созданы пушки и мушкеты. Их снаряды могли летать на вполне приличное расстояние. Но ракетами их всё-таки назвать нельзя было, так как они не имели собственного топлива. Но с их появлением возникли предпосылки для создания настоящих ракет.
В конце XIX века ракеты уже были на вооружении в артиллерии. Циолковский же предложил ракету – летательный аппарат, который передвигается в космическом пространстве за счёт действия реактивной тяги.
Как же выглядела первая ракета Циолковского? Это был летательный аппарат в виде металлической продолговатой камеры (формы наименьшего сопротивления), внутри которого располагались 2 отсека: жилой и двигательный. Жилой отсек предназначался для экипажа. А в двигательном отсеке находился жидкостный ракетный двигатель, работающий на водородно-кислородном топливе. Жидкий водород служил топливом, а жидкий кислород – окислителем, необходимым для горения водорода. Газы, образующиеся при сгорании топлива, имели очень высокую температуру и текли по трубам, расширяющимся к концу. Разредившись и охладившись, они вырывались из раструбов с огромной относительно ракеты скоростью. На выбрасываемую массу действовала сила со стороны ракеты. А согласно третьему закону Ньютона (закон равенства действия и противодействия) такая же сила, называемая реактивной, действовала и на ракету со стороны выбрасываемой массы. Эта сила сообщала ракете ускорение.
Формула Циолковского
Формула для вычисления скорости ракеты, обнаружена в математических трудах Циолковского, написанных им в 1897 г.
V - скорость летательного аппарата после выработки всего топлива:
I – отношение тяги двигателя к расходу топлива в секунду (величина, называемая удельным импульсом ракетного двигателя). Для теплового ракетного двигателя u = I.
M1 – масса летательного аппарата в начальный момент полёта. Она включает массу самой конструкции ракеты, массу топлива и массу полезной нагрузки (например, космического корабля, который выводится ракетой на орбиту).
M2 – масса летательного аппарата в конечный момент полёта. Так как топливо к этому времени уже израсходовано, то это будет масса конструкции + масса полезной нагрузки.
С помощью формулы Циолковского можно рассчитать количество топлива, необходимое ракете для получения заданной скорости.
Из формулы Циолковского получаем отношение начальной массы ракеты к её конечной массе:
Mo – масса полезного груза
Mk - масса конструкции ракеты
Mt - масса топлива
Масса конструкции зависит от массы топлива. Чем больше топлива необходимо ракете, тем больше резервуаров потребуется для его транспортировки, а значит, большей будет и масса конструкции.
Отношение этих масс выражается формулой:
где k – коэффициент, который показывает количество топлива на единицу массы конструкции ракеты.
Этот коэффициент может быть разным в зависимости от того, какие материалы использованы в конструкции ракеты. Чем легче и прочнее эти материалы, тем меньшим будет коэффициент, и легче конструкция. Кроме того, он зависит и от плотности топлива. Чем плотнее топливо, тем меньшие по объёмы ёмкости потребуются для его транспортировки, и тем выше значение k.
Подставив в формулу Циолковского выражения начальной и конечной массы ракеты через массы конструкции, груза и топлива, получим:
Из этого выражения следует, что величина массы топлива равна:
Зная значение удельного импульса топлива и массу полезного груза, можно рассчитать скорость ракеты.
Эта формула имеет смысл только в том случае, если
Если это условие не выполняется, ракета никогда не сможет достигнуть заданной скорости.
Многоступенчатая ракета
Чтобы преодолеть притяжение Земли, летательный аппарат должен развить горизонтальную скорость около 7,9 км/сек. Эта скорость называется первой космической скоростью. Получив такую скорость, он будет двигаться вокруг Земли по концентрической орбите и станет искусственным спутником Земли. При меньшей скорости он упадёт на Землю.
Чтобы покинуть орбиту Земли, аппарат должен обладать скоростью 11,2 км/сек. Эта скорость называется второй космической скоростью. А космический аппарат, получивший такую скорость, становится спутником Солнца.
Каждое небесное тело имеет свои значения космических скоростей. Например, для Солнца вторая космическая скорость равна 617,7 км/сек.
Двигатель первой, самой большой ступени, включается при старте. Она получает ускорение и сообщает его всем остальным ступеням, которые по отношению к ней являются полезной нагрузкой. Когда всё топливо выгорит, эта ступень отделяется от ракеты и сообщает свою скорость второй ступени. Далее таким же образом разгоняется вторая ступень, которая также отделится от ракеты, когда закончится топливо. И так будет до тех пор, пока не закончится топливо в двигателе последней ступени ракеты. Тогда и эта ступень отделится от космического корабля, а он займёт свое место на космической орбите.
Он предвидел ракеты, искусственные спутники, орбитальные станции и выход в открытый космос задолго до того, как они стали реальностью. Константин Циолковский — основоположник теоретической космонавтики. Мы изучили основные космические предсказания ученого и посчитали, сколько лет отделяло теорию от практики.
До Циолковского ракеты ассоциировались с двумя вещами: фейерверками и войной. Ученый впервые предложил взглянуть на них как на транспорт. Космическая ракета Циолковского — это пилотируемый аппарат с двигателем на жидком топливе и достаточно сложной системой управления и жизнеобеспечения.
В своих работах исследователь не только подробно описал теорию полета ракеты, но и перечислил ее преимущества перед альтернативным космическим транспортом, например гигантской пушкой (по мнению Циолковского, создание ракет было значительно дешевле).
Схематический вид ракеты, 1902–1903 годы
На протяжении нескольких лет Циолковский дорабатывал внешний вид и конструкцию своих ракет.
Первым практическим шагом к воплощению идей Циолковского стала ГИРД-09 — экспериментальная советская ракета на гибридном топливе. В 1933 году Группа исследователей реактивного движения запустила ее с подмосковного полигона в Нахабине. По характеристикам ракета сильно уступала современным: ее стартовая масса составляла 19 кг, а полет продлился 18 секунд, в течение которых ракета поднялась всего на 400 метров. Но даже такие результаты впечатлили Циолковского.
Ракета ГИРД-09 на гибридном топливе, 1933 год
Первый искусственный спутник Земли ПС-1 , 1957 год
С другой стороны, ПС-1 был мало похож на то, что описывал ученый: он был слишком мал и не предполагал наличие пилота. Впрочем, первый космонавт не заставил себя долго ждать.
Циолковский перечислял способы передвижения в свободном пространстве, описывал воздействие невесомости на человека и на другие живые организмы, указывал оптимальную форму космического корабля, предупреждал об изменении восприятия и т. д.
Юрий Гагарин, 1961 год
Так, Циолковский понимал, что космонавту нельзя выйти в безвоздушное пространство без скафандра и специальной подготовки: предварительно необходимо провести некоторое время в шлюзовой камере, чтобы выровнять давление.
Исследователь также подчеркивал, что в космосе нельзя находиться незакрепленным. На эскизах Циолковского присутствует прообраз специальных страховочных тросов (фалов), связывающих космонавтов с космическим кораблем.
Первым человеком, реализовавшим идею Циолковского о выходе в безвоздушное пространство, стал Алексей Леонов. 18 марта 1965 года он успешно вышел в открытый космос и провел в нем 12 минут 9 секунд.
Алексей Леонов, 1965 год
Ученый описывал станции нескольких типов: от простых, состоящих из одного обитаемого отделения, до сложных, представляющих собой связки из нескольких модулей.
Внешний вид космических станций, 1933 год
Ученый также предлагал восполнять запасы кислорода на станции при помощи орбитальных оранжерей.
Редакторы: Кристина Недкова, Сабина Вахитова. Иллюстраторы: Анастасия Зотова, Александр Волков. Ведущий дизайнер: Антон Мизинов.
Технический портал, посвященный Сопромату и истории его создания
В конце XIX века Циолковский возродил научно-технические изыскания по ракетной технике в России и предложил большое число оригинальных схем конструкций ракет. Существенно новым шагом в развитии ракетной техники были разработанные Циолковским схемы ракет дальнего действия и ракет для межпланетных путешествий с реактивными двигателями на жидком топливе. До работ Циолковского исследовались и предлагались для решения различных задач ракеты с пороховыми реактивными двигателями.
Применение жидкого топлива (горючего и окислителя) позволяет дать весьма рациональную конструкцию жидкостного реактивного двигателя с тонкими стенками, охлаждаемыми горючим (или окислителем), легкого и надежного в работе. Для ракет больших размеров такое решение было единственно приемлемым.
Ракета К.Э. Циолковского-проект 1903 г.
На рисунке показаны объемы, занимаемые жидким водородом (горючее) и жидким кислородом (окислитель). Место их смешения — камера сгорания. Стенки сопла окружены кожухом с охлаждающей, быстро циркулирующей в нем жидкостью (одним из компонентов топлива).
Для управления полетом ракеты в верхних разреженных слоях атмосферы Циолковский рекомендовал два способа: графитовые рули, помещаемые в струе газов вблизи среза сопла реактивного двигателя, или поворачивание конца раструба (поворачивание сопла двигателя). Оба приема позволят отклонять направление струи горячих газов от оси ракеты и создавать салу, перпендикулярную к направлению полета (управляющую силу). Следует отметить, что указанные предложения Циолковского нашла широкое применение и развитие в современной ракетной технике. Все известные нам жидкостные реактивные двигатели сконструированы с принудительным охлаждением стенок камеры и сопла одним из компонентов топлива. Такое охлаждение позволяет делать стенки достаточно тонкими и выдерживающими высокие температуры (до 3500—4000º) в течение нескольких минут. Без охлаждения такие камеры прогорают за 2—3 сек.
Газовые руля, предложенные Циолковским, применяются для управления полетом ракет различных классов как в нашей стране, так и за рубежом. Если реактивная сила, развиваемая двигателем, превосходит силу тяжести ракеты в 1,5—3 раза, то в первые секунды полета, когда скорость ракеты невелика, воздушные руля будут неэффективны даже в плотных слоях атмосферы и правильный полет ракеты обеспечивают при помощи газовых рулей. Обычно в струю реактивного двигателя помещают четыре графитовых руля, располагаемых в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Отклонение одной пары позволяет изменять направление полета в вертикальной плоскости, а отклонение второй пары изменяет направление полета в горизонтальной плоскости. Следовательно, действие газовых рулей аналогично действию рулей высоты и направления у самолета или планера, меняющих угол тангажа и курса при полете. Чтобы ракета не вращалась около собственной оси, одна пара газовых рулей может отклоняться в разные стороны, в этом случае их действие аналогично действию элеронов у самолета
Газовые руля, помещаемые в струе горячих газов, уменьшают реактивную силу; поэтому при сравнительно больших временах работы реактивного двигателя иногда оказывается более выгодным или поворачивать соответствующим автоматом весь двигатель, или ставить на ракету дополнительные (меньшего размера) поворачивающиеся двигатели, которые и служат для управления полетом ракеты.
Ракета К.Э. Циолковского-проект 1914 г.
В этой схеме ракеты внешняя оболочка корпуса может охлаждаться жидким кислородом. Циолковский хорошо понимал трудность возвращения ракеты из космического пространства на Землю, имея в виду, что при больших скоростях полета в плотных слоях атмосферы ракета может сгореть или разрушиться, подобно метеориту.
В носовой части ракеты Циолковский располагает: запас газов, необходимых для дыхания и поддержания нормальной жизнедеятельности пассажиров;
приспособления для сохранения живых существ от больших перегрузок, возникающих при ускоренном (или замедленном) движении ракеты;
приспособления для управления полетом; запасы пищи и воды;
вещества, поглощающие углекислый газ, миазмы и вообще все вредные продукты дыхания.
Следует отметить, что для тел, плотность которых различна (тела неоднородные), влияние перегрузки все равно будет проявляться и при погружении тела в жидкость. Так, если в восковую фигуру заделать свинцовые дробинки, то при больших перегрузках все они вылезут из восковой фигуры в жидкость. Но, по-видимому, несомненно, что в жидкости человек может выдержать большие перегрузки, чем, например, в специальном кресле.
Ракета К.Э. Циолковского-проект 1915 г.
Составные ракеты. В работах Циолковского, посвященных составным ракетам, или ракетным поездам, не дано чертежей с общими видами конструкций, но по приведенным в работах описаниям можно утверждать, что Циолковский предлагал к осуществлению два типа ракетных поездов. Первый тип поезда подобен железнодорожному, когда паровоз толкает состав сзади. Представим себе три ракеты, сцепленные последовательно одна за другой. Такой поезд толкается сначала нижней, хвостовой ракетой (работает двигатель первой ступени). После использования запасов ее топлива ракета отцепляется и падает на землю. Далее начинает работать двигатель второй ракеты, которая для поезда из оставшихся двух ракет является хвостовой толкающей. После полного использования топлива второй ракеты она также отцепляется и последняя, третья ракета начинает использовать имеющийся в ней запас топлива, уже имея достаточно высокую скорость, полученную от работы двигателей первых двух ступеней.
Циолковский доказал расчетами наиболее выгодное распределение весов отдельных ракет, входящих в поезд. Некоторые современные расчеты показывают, что при имеющихся в настоящее время горючих и окислителях поезда из пяти ракет достаточно для достижения последней ракетой Луны. Легко понять, что веса последовательных ступеней составной ракеты должны уменьшаться, так как тяга двигателя в значительной мере определяет стартовый вес ракеты.
Мы приведем здесь веса последовательных ступеней составной ракеты, предназначенной для полетов на Луну.
Все вычисления проведены исходя из условия, что на Луну необходимо забросить груз весом 5 кГ. Предполагая, что при работе всех двигателей относительная скорость отбрасывания частиц равна 2230 м/сек, получим следующие данные пятиступенчатой ракеты:
Вес первой ступени 335 000 кг
второй 34 200
третьей 3 480
четвертой 374
пятой (включая полезный 44
груз, равный 5 кг)
Суммарный стартовый вес всей пятиступенчатой ракеты составляет около 373 Т.
Вычисления показывают, что при оптимальном выборе перегрузок тяга, создаваемая первой ступенью, будет около 1360 Т, тяга каждой из последующих ступеней пропорциональна массе соответствующей ступени.
Следует подчеркнуть принципиальное значение для прогресса ракет, предназначенных для межпланетных путешествий, увеличения относительной скорости отброса частиц.
Так, вычисления дают, что если относительную скорость увеличить до 3660 м/сек, то стартовый вес пятиступенчатой лунной ракеты, доставляющей на Луну полезный груз весом 5 кГ, будет всего 3770 кГ при начальной тяге двигателя 18000 кГ. Максимальная скорость, достигаемая пятой ступенью, будет равна 10 400 м/сек на высоте 960 км. Учитывая силу притяжения Луны, такая скорость обеспечивает достижение полезным грузом поверхности Луны.
Второй тип составной ракеты, предложенной Циолковским в 1935 году, назван им эскадрильей ракет. Представьте себе, что в полет отправились восемь ракет, скрепленных параллельно, как скрепляются бревна плота на реке. При старте все восемь реактивных двигателей начинают работать одновременно. Когда каждая из восьми ракет израсходует половину запаса топлива, тогда четыре ракеты (например, две справа и две слева) перельют свой неизрасходованный запас топлива в полупустые емкости остающихся четырех ракет и отделятся от эскадрильи. Дальнейший полет продолжают четыре ракеты с полностью заправленными баками. Когда оставшиеся четыре ракеты израсходуют каждая половину имеющегося запаса топлива, тогда две ракеты (одна справа и одна слева) переливают свое топливо в остающиеся две ракеты и отделяются от эскадрильи. Полет продолжают две ракеты. Израсходовав половину своего топлива, одна из ракет эскадрильи переливает оставшуюся половину в ракету, предназначенную для достижения цели путешествия. Преимущество эскадрильи состоит в том, что все ракеты одинаковы. Переливание компонентов топлива в полете является хотя и трудной, но вполне технически разрешимой задачей.
Создание разумной конструкции ракетного поезда является одной из наиболее актуальных проблем в настоящее время (написано в 1964 г. -прим. ред), и многие научно-технические журналы систематически публикуют статьи ученых и инженеров, посвященные развитию этих грандиозных по замыслу проектов Циолковского .
Камеры взрывания и трубы, составляющие их продолжение, были сооружены из весьма тугоплавких и прочных веществ, вроде вольфрама. Также и инжекторы. Весь взрывной механизм окружался камерой с испаряющейся жидкостью, температура которой была поэтому достаточно низкой. Эта жидкость была одним из элементов взрывания. Другая жидкость помещалась в других изолированных отделениях. Наружная оболочка ракеты состояла из трех слоев. Внутренний слой — прочный металлический с окнами из кварца, прикрытыми еще слоем обыкновенного стекла, с дверями, герметически закрывающимися. Второй — тугоплавкий, но почти не проводящий тепло. Третий — наружный представлял очень тугоплавкую, но довольно тонкую металлическую оболочку. Во время стремительного движения ракеты в атмосфере наружная оболочка накалялась добела, но теплота эта излучалась в пространство, не проникая сильно через другие оболочки внутрь. Этому еще мешал холодный газ, непрерывно циркулирующий между двумя крайними оболочками, проницая рыхлую малотеплопроводную среднюю прокладку. Сила взрывания могла регулироваться с помощью сложных инжекторов, а также прекращаться и возобновляться. Этим и другими способами можно было изменять направление оси снаряда и направление взрывания.
Отопление ракеты производится при помощи солнечных лучей, проникающих через окна, а также за счет нагревания солнцем оболочки ракеты. Для регулирования температуры внутри ракеты Циолковский предусматривает изменение формы и окраски внешней поверхности ракеты. При помощи сферических зеркал можно получать очень высокие температуры и, следовательно, использовать энергию Солнца для производства металлургических работ.
Ракеты, предложенные Циолковским, не были оформлены автором в виде эскизных и предэскизных проектов, привычных современному инженеру-ракетостроителю. В сущности это были заявки на новые идеи. Основное внимание Циолковский уделил научно-техническим расчетам, доказывающим осуществимость этих предложений. Эти расчеты потребовали создания и строгой формулировки основных принципов новой науки — ракетодинамики.
Читайте также: