Как осуществляется запуск и полет многоступенчатых ракет кратко

Обновлено: 05.07.2024

Наблюдая реактивное движение в природе, учёные изобретали реактивные двигатели, которые сначала применялись для развлечения, для использования в военном деле, позже — для водного, воздушного и космического транспорта.

Реактивные двигатели эффективны там, где нет среды, опоры для передвижения. Чтобы изменять своё положение в пространстве, телу необходима точка опоры либо сила, которая придаст импульс. В безвоздушном пространстве импульс можно получить только от энергии реактивного движения.

Ракета (от итал. rocchetta — маленькое веретено, через нем. Rakete или нидерл. raket) — аппарат, двигающийся за счёт реактивной силы вследствие отброса рабочего тела аппарата без использования вещества окружающей среды.

Ракета была известна давно. Очевидно, она появилась много веков назад на Востоке, возможно, в Древнем Китае — родине пороха. Ракеты (рис. 1 ) использовали во время народных празднеств, устраивали фейерверки, зажигали в небе огненные дожди, фонтаны, колёса.

В \(1717\) году на вооружение русской армии принята сигнальная ракета в один фунт, которая поднималась на \(1\) километр.

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. Если же моя идея после тщательного обсуждения учеными специалистами будет признана исполнимой, то я буду счастлив тем, что окажу огромную услугу Родине и человечеству.

Проект (рис. 3 ) датирован \(23\) марта \(1881\) года. На следующий день Николай Кибальчич передал его своему адвокату В.Н. Герарду. Совет учёных не проводил экспертизу проекта. Записи отправили в секретный архив.

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.

В данном тексте описаны старинные ракеты, которые использовали в начале \(XIX\) века для переброски \(50\)-килограммовых бомб на расстояние до трёх километров.

К.Э. Циолковский не только разработал теорию движения космических ракет, но и вывел математическую формулу для расчёта скорости ракеты (рис. 5 ).

Существуют ракеты для вывода в космос искусственных спутников (обеспечивающих мобильную связь, навигацию, мониторинг поверхности Земли и т.п.), автоматических межпланетных станций и т.д.

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.

Горение топлива создаёт горячий газ с большим значением давления и скорости. Сопло ракеты направлено так, что газ вырывается противоположно направления её движения, тем самым придавая импульс ракете (рис. 6 ).

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:

Многоступенчатые ракеты

Об использовании многоступенчатых ракет для освоения космоса впервые заговорил Циолковский. В 1929 г. он выпустил в свет свою новую книгу под заглавием „Космические ракетные поезда".

Современные ракеты, как известно, не разбегаются по земле, а взлетают вертикально. Тем не менее ход мысли Циолковского был абсолютно правильный. В идеале при полете ракеты ее масса непрерывно уменьшается по мере выгорания топлива. Однако , когда часть топлива выгорела, то масса топливных баков становится избыточной. Поэтому логично вместо одного топливного бака для всей ракеты разбить топливный бак на несколько частей , включающихся последовательно – как только в одном из баков все топливо выгорит, его есть надо сбросить, как ненужный балласт.

Принцип работы многоступенчатой ракеты таков. Вначале, при пуске, работает двигатель 1-й ступени, способный поднять и разогнать до определенной скорости всю ракету. После израсходования основной массы топлива двигатель 1-й ступени вместе с конструкцией, включающей опорожненные баки, отбрасывается. Дальнейший полёт продолжается при работающем двигателе 2-й ступени, имеющем меньшую тягу, но способным сообщить облегчённой ракете дополнительную скорость. После выгорания топлива 2-й ступени включается двигатель 3-й ступени, а 2-я ступень сбрасывается. Процесс отделения ступеней теоретически может быть продолжен и далее, однако из-за усложнения конструкции 2-4 ступени практически являются пределом.

Конструктивно многоступенчатые ракеты выполняются с последовательным и параллельным расположением ступеней. При обычном последовательном соединении (тандем) каждая отдельная ступень сначала полностью отрабатывает, затем отделяется, после чего включается двигатель следующей ступени. При параллельном соединении (т. н. пакетные схемы) отдельные ступени (а также двигатели и топливные баки) могут участвовать в работе одновременно. Разница между последовательным (а) и параллельным (б) соединением понятна из прилагаемого рисунка:

Более глубокая математическая проработка была продолжена в 50-е гг., когда вопросы расчёта и конструирования многоступенчатых ракет стали насущными практическими задачами науки и техники.

Всегда ли космические ракеты будут многоступенчатыми? Теоретически понятно, что если удастся сделать ракеты со скоростью истечения рабочего тела намного более высокой, чем у ракет с химическими (жидкостными или твердотопливными) двигателями, то и с земли можно будет запускать не многоступенчатые ракеты (которые по сути своей – одноразовые), а многоразовые аппараты. Известны реактивные двигатели со значительно более высокой скоростью истечения рабочего тела – это электрореактивные или ядернореактивные двигатели (возможен, например, и их гибрид – например, хорошо разработанные ракеты, в которых рабочим телом служат ионы ксенона, разгоняемые до нужной скорости ядерной энергетической установкой). Однако у электрореактивных ракет пока очень малая тяга, чтобы стартовать с Земли, запускать же ракеты с ядерным двигателем прямо с Земли опасно с точки зрения экологии. Поэтому их пока можно запускать только с орбиты, а на орбиту их надо выводить все теми же многоступенчатыми жидкостными ракетами. Возможно, прогресс здесь наступит после внедрения электронно-импульсных двигателей, которые будут обладать достаточной силой тяги для старта с Земли.

Самостоятельная работа по физике Реактивное движение. Ракеты 9 класс с ответами. Самостоятельная работа по физике включает 2 варианта, в каждом по 4 задания.

Вариант 1

1. Какой закон лежит в основе реактивного движения?

2. Как осуществляется запуск и полет многоступенчатых ракет?

3. Между двумя тележками, стоящими на гладкой горизонтальной поверхности, находится изогнутая пластина. Нить, стягивающую пластину, пережигают.

Какую массу имеет вторая тележка (см. рис.)?

4. Ракета, состоящая из двух ступеней, двигалась со скоростью v = 6 км/с (рис. а).

Первая ступень после отделения двигалась со скоростью v₁ = 2 км/с (рис. б). Масса первой ступени m₁ = 1 т, а масса второй m₂ = 2 т. Определите скорость v₂ второй ступени после отделения первой.

Вариант 2

1. Кто впервые разработал теорию движения ракет?

2. Какое преимущество имеет реактивное движение перед другими видами движения?

Какую массу имеет первая тележка (см. рис.)?

4. Игрок в кёрлинг скользит с игровым камнем по льду со скоростью 4 м/с. В некоторый момент он аккуратно толкает камень в направлении своего движения. Скорость камня при этом возрастает до 6 м/с. Масса камня 20 кг, а игрока 80 кг. Какова скорость игрока после толчка? Трение коньков о лед не учитывайте.

Ответы на самостоятельную работа по физике Реактивное движение. Ракеты 9 класс
Вариант 1
1. Закон сохранения импульса.
2. При запуске работает двигатель первой ступени, когда топливо расходуется пустой бак и 1-я ступень отбрасываются, дальнейший полет осуществляется при работе 2-го двигателя на второй ступени, и так далее. Обычно максимум 4 ступени.
3. 0,3 кг
4. 8 км/с
Вариант 2
1. Константин Циолковский.
2. Реактивное движение может происходить в безвоздушном пространстве. Благодаря топливу он может менять скорость и направление, без взаимодействия с другими телами.
3. 0,4 кг
4. 3,5 м/с

Принцип действия многоступенчатой ракеты

Составная ракета позволяет более рационально использовать ресурсы за счёт того, что в полёте ступень, выработавшая своё топливо, отделяется, и остальное топливо ракеты не тратится на ускорение конструкции отработавшей ступени, ставшей ненужной для продолжения полёта. Пример расчёта, подтверждающего эти соображения, приводится в статье Формула Циолковского.

Варианты компоновки ракет. Слева направо:
1. одноступенчатая ракета;
2. двухступенчатая ракета с поперечным разделением;
3. двухступенчатая ракета с продольным разделением.
4. Ракета с внешними топливными ёмкостями, отделяемыми после исчерпания топлива в них.

Конструктивно многоступенчатые ракеты выполняются c поперечным или продольным разделением ступеней.
При поперечном разделении ступени размещаются одна над другой и работают последовательно друг за другом, включаясь только после отделения предыдущей ступени. Такая схема даёт возможность создавать системы, в принципе, с любым количеством ступеней. Недостаток её заключается в том, что ресурсы последующих ступеней не могут быть использованы при работе предыдущей, являясь для неё пассивным грузом.

Компоновка Спейс Шаттла.
Первая ступень — боковые твёрдотопливные ускорители.
Вторая ступень — орбитер с отделяемым внешним топливным баком. При старте запускаются двигатели обеих ступеней.

Уникальную схему двухступенчатой ракеты с продольным разделением имеет космический корабль Спейс Шаттл,

первая ступень которого состоит из двух боковых твёрдотопливных ускорителей, а на второй ступени часть топлива содержится в баках орбитера (собственно многоразового корабля), а большая часть — в отделяемом внешнем топливном баке. Сначала двигательная установка орбитера расходует топливо из внешнего бака, а когда оно будет исчерпано, внешний бак сбрасывается и двигатели продолжают работу на том топливе, которое содержится в баках орбитера. Такая схема позволяет максимально использовать двигательную установку орбитера, которая работает на всём протяжении вывода корабля на орбиту.

Увеличение числа ступеней даёт положительный эффект только до определённого предела. Чем больше ступеней — тем больше суммарная масса переходников, а также двигателей, работающих лишь на одном участке полёта, и, в какой-то момент, дальнейшее увеличение числа ступеней становится контрпродуктивным. В современной практике ракетостроения более четырёх ступеней, как правило, не делается.

Трёхступенчатая ракета-носительс продольно-поперечным разделением Союз-2.

При выборе числа ступеней важное значение имеют также вопросы надёжности. Пироболты и вспомогательные РДТТ — элементы одноразового действия, проверить функционирование которых до старта ракеты невозможно. Между тем, отказ только одного пироболта может привести к аварийному завершению полёта ракеты. Увеличение числа одноразовых элементов, не подлежащих проверке функционирования, снижает надёжность всей ракеты в целом. Это также заставляет конструкторов воздерживаться от слишком большого количества ступеней.

Читайте также: