Почему в космическом пространстве можно использовать только реактивные двигатели кратко

Обновлено: 02.07.2024

Плазменные реактивные двигатели – двигатели, работающие на основе разгона заряженных частиц электромагнитным полем. Газ в рабочей камере ионизируется (его атомы теряют электроны), превращаясь в плазму.

Активный участок полёта (активный участок траектории) — участок полёта летательного аппарата, на котором работает маршевый двигатель аппарата, как правило — ракетный.

Многоступенчатая ракета — летательный аппарат, состоящий из двух или более механически соединённых ракет, называемых ступенями, разделяющихся в полёте. Многоступенчатая ракета позволяет достигнуть скорости большей, чем каждая из её ступеней в отдельности.

Движение, при котором тело изменяет свою скорость, отбрасывая свою часть, называют реактивным.

Закон сохранения импульса — векторная сумма импульсов двух тел до взаимодействия равна векторной сумме их импульсов после взаимодействия

Формула Циолковского определяет скорость, которую развивает летательный аппарат под воздействием тяги ракетного двигателя, неизменной по направлению, при отсутствии всех других сил. Эта скорость называется характеристической:

• V — конечная скорость летательного аппарата, которая для случая маневра в космосе при орбитальных манёврах и межпланетных перелетах часто обозначается ΔV, также именуется характеристической скоростью.

• I — удельный импульс ракетного двигателя (отношение тяги двигателя к секундному расходу массы топлива);

• M₁ — начальная масса летательного аппарата (полезная нагрузка + конструкция аппарата + топливо);

• M₂ — конечная масса летательного аппарата (полезная нагрузка + конструкция аппарата).

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

Обязательная литература:

Громов С. В., Родина Н. А.. Физика – М. : Просвещение, 2001.
Дерябин В. М. Законы сохранения в физике. – М.: Просвещение, 1982.
Уманский С.П. Космические орбиты. М., Просвещение, 1996.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Некоторые средства передвижения, созданные человеком, основаны на законах и принципах реактивного движения. Но многие средства передвижения на Земле основаны на других принципах. И только в XX веке при выходе человека в космос реактивный двигатель оказался единственно возможным (и по настоящее время) для целенаправленного перемещения в безвоздушном пространстве. Покорить космические просторы без реактивного двигателя пока не представляется возможным.

Идея использования реактивного движения в космосе была впервые выдвинута К.Э. Циолковским задолго до реального выхода человека за пределы воздушного пространства.

Причина движения тел-взаимодействие между ними. Чтобы осуществлять целенаправленные движения живые организмы и созданные человеком устройства должны взаимодействовать с какими-то другими телами, помимо гравитационного взаимодействия с Землей. Движущиеся по поверхности Земли тела, организмы и механизмы осуществляют движения, взаимодействуя с поверхностью Земли (вспомните роль силы трения при движении транспорта). Организмы и механизмы, движущиеся в воде, взаимодействуют с водой. Наконец, летающие организмы и механизмы взаимодействуют с воздухом. Если же тело оказывается за пределами земной атмосферы, то ни одно из перечисленных движений оказывается невозможным, поскольку на тело действует лишь сила тяжести.

При реактивном движении тело массы M взаимодействует с другим телом массы m, отталкивая его от себя. В результате закона сохранения импульса тело массы M приобретает дополнительный импульс в направлении, противоположном движению тела массы m. Если до столкновения скорость тел была равна нулю (можно всегда выбрать такую систему отсчета), то, как следует из закона сохранения импульса, тело массы M приобретет скорость , где υ - скорость, с которой отброшено тело массы m. Реактивный двигатель, действующий на космический корабль с некоторой силой, должен непрерывно отбрасывать вещество. Как видно из приведенной формулы реактивная сила будет тем больше, чем с большей скоростью отбрасывается вещество и чем больше вещества в единицу времени отбрасывается. Из закона сохранения импульса получим следующее выражение для реактивной силы: F=Qυ, где через Q обозначена масса вещества, которое отбрасывается двигателем в единицу времени.

Рис.1 модель ракетоносителя

Можно и самим сделать простейшую модель ракеты – для этого достаточно взять обыкновенный воздушный шарик.

Рис.2 опыт с шариком

Поставим опыт: надуйте шарик и, не завязывая его, отпустите. Воздух будет выходить из шарика, и он полетит в сторону, противоположную направлению струи воздуха. Движение шарика объясняется законом сохранения импульса. В начальный момент шарик с содержащимся в нем воздухом покоился относительно земли. Согласно закону сохранения импульса суммарный импульс шарика и вышедшего из него воздуха должен оставаться равным нулю. Поэтому выходящий из шарика воздух и шарик должны двигаться в противоположных направлениях.

Известно, что первые реактивные двигатели были пороховыми и использовались в качестве метательных военных снарядов. В результате сжигания пороха образовывались быстро расширяющиеся газы, которые выбрасывались из ракеты в определенном направлении. (В настоящее время есть похожие пиротехнические игрушки, скорее всего, вы имели с ними дело). Подобные пороховые реактивные двигатели используются в военной технике и в настоящее время. В других реактивных двигателях, которые в частности применяются на самолетах, в качестве горючего используются жидкости (в простейшем случае – керосин). Такие двигатели называются жидкостными реактивными двигателями.

Все перечисленные двигатели используют в качестве одной из компонент химической реакции воздух, находящийся в атмосфере. Принципиальное отличие космического реактивного двигателя состоит в том, что для химической реакции должно использоваться только вещество, находящееся в баках самого двигателя. Поэтому конструкция двигателя включает два бака – один с горючим веществом (например, с водородом), а другой с окислителем (например, с кислородом) для осуществления реакции окисления (горения) (см. Рис. 1).

Такие двигатели, работающие на основе химических реакций, называют химическими реактивными двигателями.

Ракеты используют для запуска искусственных спутников Земли, обслуживания орбитальных станций, межпланетных полетов. В головной части ракеты расположена кабина космонавтов. В начале полета на эту часть приходится всего несколько процентов от общей массы ракеты. Основную же массу ракеты в начале полета составляет запас топлива. В современных ракетах скорость вылетающего газа (относительно ракеты) составляет несколько километров в секунду (в несколько раз больше скорости пули). Как следует из закона сохранения импульса, для того чтобы даже при такой огромной скорости вылетающего газа ракета приобрела первую космическую скорость (около 8 км/с), необходимо, чтобы масса топлива в несколько раз превышала массу полезного груза.

Увеличение массы топлива неизбежно влечет увеличение массы топливных баков, в которых хранится топливо, и связанных с ними устройств. Эта масса оказывается ненужной в конце разгона ракеты и уменьшает массу полезного груза, выводимую в космос. Идея отбрасывать лишнюю массу топливных баков по мере сгорания топлива привела к созданию многоступенчатых ракет.

Первая и вторая ступени ракеты представляют собой емкости с топливом, камерами сгорания и соплами. Когда топливо, содержащееся в первой ступени, сгорает, она отделяется от ракеты, в результате чего масса ракеты значительно уменьшается. Затем тоже происходит со второй ступенью, после чего включаются двигатели третьей ступени, завершающие разгон ракеты до расчетной скорости.

Помимо таких мощных двигателей для маневрирования используются маломощные плазменные реактивные двигатели. В таких двигателях отбрасываемое вещество получает скорость не в результате химической реакции, а в результате разгона заряженных частиц электромагнитным полем. Подобные двигатели являются более экономичными и легко управляемыми.

Количественно низкая эффективность реактивного двигателя может быть понята на основе формулы Циолковского. Из нее, в частности, следует, что, если скорость истечения газов в ракете достигает даже 4 км/с, то для вывода космического корабля на орбиту Земли (достижения первой космической скорости – около 8 км/с) необходимо иметь массу горючего, более чем в 6 раз превосходящую массу самого космического корабля.

Первый искусственный спутник Земли был запущен в СССР 4 октября 1957 года. Первым космонавтом Земли стал Юрий Алексеевич Гагарин. Его космический полет состоялся 12 апреля 1961 года. Со времени первых космических полетов ракеты были значительно усовершенствованы, и сегодня на околоземные орбиты с их помощью выводятся большие космические станции, на которых постоянно работают космонавты.

Реактивное движение подчиняется физическим законам и закономерностям.
Каждый вид реактивного двигателя обладает своими достоинствами и недостатками.
Реактивный двигатель, несмотря на его низкую эффективность, является в настоящее время единственным двигателем, позволяющим осуществить целенаправленное перемещение в космическом пространстве.
Изучение перспектив космических исследований показывает, что уже в ближайшие десятилетия станут реальными космические путешествия человека на другие планеты

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Правильный вариант: И только в XX веке при выходе человека в космос реактивный двигатель оказался единственно возможным (в настоящее время) для целенаправленного перемещения в безвоздушном пространстве.

Подсказка: вспомните, какой тип двигателя может вывести корабль в космическое пространство.

Задание 2. Разгадайте ребус. Ракета, предназначенная для выведения полезной нагрузки в космическое пространство

Закон сохранения импульса является следствием второго и третьего законов Ньютона. Он справедлив для тел, составляющих замкнутую систему, т.е. взаимодействующих только друг с другом.
Для простоты будем считать, что система состоит всего из двух тел. Это могут быть две звезды, два бильярдных шара или два других тела.
Силы, которые возникают в результате взаимодействия тела, принадлежащего системе, с телом, не принадлежащим ей, называются внешними силами. В качестве примера рассмотрим систему, которая включает в себя два бильярдных шара. Сила взаимодействия шаров с краем стола при ударе о него, сила трения шара о поверхность стола – все это внешние силы. Пусть на тела системы действуют внешние силы F1 и F2.
Силы, возникающие в результате взаимодействия тел, принадлежащих системе, называются внутренними силами. Обозначим через F1,2 силу, с которой второй шар действует на первый и через F2,1 силу, с которой первый шар действует на второй.
По третьему закону Ньютона эти силы равны по модулю и противоположны по направлению. Отсюда следует, что сумма внутренних сил всегда равна нулю.
Вследствие действия сил на тела системы их импульсы изменяются. Если взаимодействие рассматривается за малый промежуток времени, то для тел системы можно записать второй закон Ньютона в виде: изменение импульса тела равно произведению суммы действующих на него сил и интервала времени, в течение которого произошло это изменение. Тогда изменение импульса первого шара равно произведению суммы внешних сил и силы действия второго шара на первый на промежуток времени. А изменение импульса второго шара равно произведению суммы внешних сил и силы действия первого шара на второй на тот же промежуток времени.
Сложив эти равенства, получим, что сумма изменений импульсов двух шаров равна произведению суммы внешних сил, действующих на систему шаров на время действия.
В левой части равенства стоит сумма изменений импульсов всех тел системы, т. е. изменение импульса самой системы. Импульсом системы называют геометрическую сумму импульсов всех тел системы.
Т. е. для нашего случая можно записать, что изменение импульса системы шаров равно геометрической сумме всех внешних сил, действующих на шары системы.
Мы доказали весьма важное положение: импульс системы тел могут изменить только внешние силы, причем изменение импульса системы совпадает по направлению с суммарной внешней силой. Внутренние силы изменяют импульсы отдельных тел системы, но изменить суммарный импульс системы они не могут.
Полученное уравнение справедливо для любого интервала времени, если сумма внешних сил остается постоянной.
Из этого уравнения вытекает закон сохранения импульса. Если сумма внешних сил равна нулю, то импульс системы тел сохраняется.
В этом случае тела могут только обмениваться импульсами, суммарное же значение импульса не изменяется.
Полученный результат справедлив для системы, содержащей произвольное число тел.
Большое значение закон сохранения импульса имеет для исследования реактивного движения. Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно него, например, при истечении продуктов сгорания из сопла реактивного летательного аппарата. При этом появляется так называемая реактивная сила, толкающая тело.

На сегодняшний день космонавтика является наиболее изучаемым вопросом. Но, речь идет не просто о полетах в космос, на самом деле, все куда сложнее, так ученые размышляют о существовании других планет и других крупных космических явлениях. Но, всего этого не было б, если бы не открытие реактивного движения. Так, реактивное движение и космонавтика очень тесно связаны между собой, и в этом можно убедиться на самых простых примерах.

В чем заключается связь реактивного движения и космоса?

Сейчас полет человека в космос является довольно обыденным явлением, но относительно недавно, эти мысли сравнивались с нереальной фантастикой. Благодаря труду известного ученого К. Циолковского эта нереальная задумка воплотилась в жизнь. Уже сегодня ракетные летательные аппараты используются очень часто.

Если говорить более детально, то ракеты используются в таких отраслях:

космонавтика. Считается наиболее важной сферой по их использованию. Благодаря современным исследованиям в этой сфере, ученым удалось запустить несколько исследовательских аппаратов на такие планеты, как Венера, Марс, а также на другие отдаленные планеты Солнечной системы. А на спутниках специально устанавливают самые мощные телескопы, благодаря которым можно изучать Вселенную;
в военном деле. К большому сожалению, такие аппараты часто бывают носителями боевых зарядов.
научная деятельность. Их используют в метеорологической сфере, а точнее для исследований все шаров атмосферы.

Таким образом, единственным методом добраться в космос, является полет на летательном аппарате, который функционирует на реактивной тяге. Другими словами, это сила, которая возникает во время отделения от тела какой-то его части, что и вызывает огромное ускорение.

Смотрите видео о применении реактивного движения.

Главные успехи в освоении космоса и реактивного движения

Когда вы смотрите на современные достижения ни в коем случае нельзя забывать, о том, что предшествовало этим же достижениям. В данном случае, успехи в освоении космического пространства и реактивное движение, связаны со многими учеными, и лишь некоторым удалось сделать самые большие открытия.

К главным событиям по освоению космоса можно отнести:

Запуск самого первого искусственного спутника. Это событие состоялось 4 октября 1957 года.
Полет в космос первого человека, гражданина Советского Союза Юрия Гагарина. Это знаменательное событие произошло 12 апреля 1961 года.

Самый первый полет, а также многие другие были совершены на ракетах, которые сконструировал Советский ученый и инженер С. Королев. А немного позже в 1969 году двум американским космонавтам удалось первыми совершить посадку на спутник Земли – Луну.

Благодаря возможности совершать полеты в космос человечество может:

изучать другие планеты;
изучать природные явления Земли;
благодаря снимкам с орбиты, можно увидеть миллионы квадратных километров земной поверхности;
возможность осваивать солнечную систему.

Благодаря этим возможностям ученым в своей работе удается экономить массу сил, средств и самое главное – времени. Касательно вопроса, реактивного движения и авиации, то это два тесно связанных между собой понятия, что дали огромной толчок к развитию человечества.

Ракета, как средство изучения космической среды

Не секрет, что освоение космоса и реактивное движение – это два понятия, которые напрямую связаны с ракетой. Если говорить точнее, то ракета представляет собой летательный аппарат, который может двигаться в пространстве благодаря действию реактивной тяги, что возникает как результат отброса определенной части аппарата и без воздействия средств окружающей среды. Так как, для полета ракеты совсем не обязателен факт присутствия окружающей среды, то она может летать не только в шарах атмосферы, но и в вакууме, другими словами в космосе.

Во время полета на аппарат действует несколько сил:

тяга от двигателя – другими словами реактивная тяга;
лобовое сопротивление, которое возникает во время движения в атмосфере;
подъемная сила.

Касательно вопросов по строению ракеты, то самая простая включает в себя два обязательных элемента:

Корпус, что по форме сильно напоминает трубку, в которой находится отверстие для истечения газов.
Топливо, которое сжигается, чтобы получить ракетную тягу.

При создании современных ракет, очень много внимания уделяют ступенчатости. Так, именно в ступенях ракеты и содержится топливо для полета. Как только топливо сгорает, ступень, в которой оно находилось, автоматически отделяется от ракеты. Ракеты бывают двух видов:

Обычные модели. Конструкция, которых состоит из одной ступени. Так, для них совсем не обязательно много топлива, одного топливного бака для них вполне хватает. Таким образом, конструируются боевые ракеты.
Космические аппараты. В таком случае конструкторы используют многоступенчатую схему, поскольку нужно иметь много топлива, чтобы поднять ее в космос. С особым интересом можно изучать реактивное движение моллюсков. Поскольку строение их тела позволяет им развивать большую скорость за короткий промежуток времени.

Как вы считаете, многое ли дало открытие реактивного движения человечеству? Делитесь своим мнением в комментариях! А также смотрите видео о том, как работает двигатель реактивной ракеты.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Описание презентации по отдельным слайдам:

Реактивное движение. Реактивные двигатели. Успехи в освоении космического пространства. Автор: Кисиленко Ксения, 10класс ноябрь 2013г. Руководитель: Рязанцева В.А.

Реактивное движение. Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно тела, например при истечении продуктов сгорания из сопла реактивного летательного аппарата. При этом появляется так называемая реактивная сила, сообщающая телу ускорение.

Наблюдать реактивное движение очень просто. Если надуть детский резиновый шарик и отпустить его. Шарик стремительно взовьется вверх (рис. 2). Движение, правда, будет кратковременным. Реактивная сила действует лишь до тех пор, пока продолжается истечение воздуха. Рис. 2

Главная особенность реактивной силы состоит в том, что она возникает без какого-либо взаимодействия с внешними телами. Происходит лишь взаимодействие между ракетой и вытекающей из нее струей вещества. Сила же, сообщающая ускорение автомобилю или пешеходу на земле, пароходу на воде или винтовому самолету в воздухе, возникает только за счет взаимодействия этих тел с землей, водой или воздухом. При истечении продуктов сгорания топлива они за счет давления в камере сгорания приобретают некоторую скорость относительно ракеты и, следовательно, некоторый импульс. Поэтому в соответствии с законом сохранения импульса сама ракета получает такой же по модулю импульс, но направленный в противоположную сторону. Масса ракеты с течением времени убывает. Ракета в полете является телом переменной массы. Для расчета ее движения удобно применить закон сохранения импульса.

Реактивные двигатели. Широкое применение реактивные двигатели в настоящее время получили в связи с освоением космического пространства. Применяются они также для метеорологических и военных ракет различного радиуса действия. Кроме того, все современные скоростные самолеты оснащены воздушно-реактивными двигателями. В космическом пространстве использовать какие-либо другие двигатели, кроме реактивных, невозможно: нет опоры (твердой, жидкой или газообразной), отталкиваясь от которой космический корабль мог бы получить ускорение. Применение же реактивных двигателей для самолетов и ракет, не выходящих за пределы атмосферы, связано с тем, что именно реактивные двигатели способны обеспечить максимальную скорость полета.

Реактивные двигатели делятся на два класса: ракетные и воздушно-реактивные. ракетный двигатель на твёрдом топливе жидкостно-реактивный двигатель ракетного класса

Успехи в освоении космического пространства. Автором первого в мире проекта реактивного летательного аппарата для полета людей был русский революционер-народоволец Н.И. Кибальчич (1853—1881).

Впервые в нашей стране 12 апреля 1961 г. был осуществлен полет космического корабля с космонавтом Ю.А. Гагариным на борту.

Эти полеты были совершены на ракетах, сконструированных отечественными учеными и инженерами под руководством С.П. Королева.

С выходом человека в космос не только открылись возможности исследования других планет, но и представились поистине фантастические возможности изучения природных явлений и ресурсов Земли, о которых можно было только мечтать. Возникло космическое природоведение. Раньше общая карта Земли составлялась по крупицам, как мозаичное панно. Теперь снимки с орбиты, охватывающие миллионы квадратных километров, позволяют выбирать для исследования наиболее интересные участки земной поверхности, экономя тем самым силы и средства- Из космоса лучше различаются крупные геологические структуры: плиты, глубинные разломы земной коры — места наиболее вероятного залегания полезных ископаемых. Из космоса удалось обнаружить новый тип геологических образований кольцевые структуры, подобные кратерам Луны и Марса, Сейчас на орбитальных комплексах разработаны технологии получения материалов, которые нельзя изготовить на Земле, а только в состоянии длительной невесомости в космосе. Стоимость этих материалов (сверхчистые монокристаллы и др.) близка к затратам на запуск космических аппаратов .

Спасибо за внимание. Литература: Физика: Механика. 10 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики / М.М. Балашов, А.И. Гомонова, А.Б. Долицкий и др.; Под ред. Г.Я. Мякишева. — М.: Дрофа, 2002. — 496 с.

Читайте также: