Реактивное движение — движение тела, обусловленное отделением от него с некоторой скоростью какой-то его части. Реактивное движение описывается, исходя из закона сохранения импульса. Оно широко используется в ракетостроении.
Изучение космоса началось еще с самых древних времен, когда человек только учился считать по звездам, выделяя созвездия. И только всего четыреста лет назад, после изобретения телескопа, астрономия начала стремительно развиваться, принося в науку все новые открытия.
XVII век стал переходным веком для астрономии, тогда начали применять научный метод в исследовании космоса, благодаря которому был открыт Млечный путь, другие звездные скопления и туманности.
Начиная с конца XIX века астрономия вступила в фазу многочисленных открытий и достижений, главным прорывом науки в XX веке стало запуск первого спутника в космос, первый полет человека в космос, выход в открытое космическое пространство, высадка на луне и космические миссии к планетам Солнечной системы.
Цель работы: изучит реактивное движение и освоение космоса.
Задачи:
- дать определение и раскрыть принципы реактивного движения;
- затронуть предпосылки изобретения ракеты;
- изучить историю освоения космоса.
Глава 1. Реактивное движение
1.1 Определение реактивного движения
Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении от тела его части с некоторой относительно тела скоростью.
При этом появляется так называемая реактивная сила, толкающая тело в сторону, противоположную направлению движения отделяющейся от него части тела.
Реактивное движение совершает ракета (рис. 1).
Основной частью реактивного двигателя является камера сгорания. В одной из ее стенок имеется отверстие — реактивное сопло, предназначенное для выхода газа, образующегося при сгорании топлива. Высокая температура и давление газа определяют большую скорость истечения его из сопла.
Реактивные двигатели
... на 2 основных класса - воздушно-реактивные двигатели (ВРД) и ракетные двигатели (РД). Все ВРД - тепловые двигатели, рабочее тело ... больше единицы. 3. История возникновения реактивных двигателей, А)Первые представления о реактивном движении Еще в первом веке до нашей ... тела на борту аппарата делают РД единственно пригодным для работы в космосе. Существуют также комбинированные ракетные двигатели, ...
Рис.1.
До работы двигателя импульс ракеты и горючего был равен нулю, следовательно, и после включения двигателей геометрическая сумма импульсов ракеты и истекающих газов равна нулю:
где — масса и скорость выбрасываемых газов, — масса и скорость ракеты.
В проекции на ось Oy
скорость ракеты.
Эта формула справедлива при условии небольшого изменения массы ракеты.
Главная особенность реактивного движения состоит в том, что ракета может, как ускоряться, так и тормозиться и поворачиваться без какого-либо взаимодействия с другими телами в отличие от всех других транспортных средств.
По принципу реактивного движения передвигаются осьминоги, кальмары, каракатицы, медузы.
Большая заслуга в развитии теории реактивного движения принадлежит К. Э. Циолковскому. Он разработал теорию полета тела переменной массы (ракеты) в однородном поле тяготения и рассчитал запасы топлива, необходимые для преодоления силы земного притяжения, основы теории жидкостного реактивного двигателя, а также элементы его конструкции, теорию многоступенчатых ракет, причем предложил два варианта: параллельный (несколько реактивных двигателей работает одновременно) и последовательный (реактивные двигатели работают друг за другом).
К. Э. Циолковский строго научно доказал возможность полета в космос с помощью ракет с жидкостным реактивным двигателем, предложил специальные траектории посадки космических аппаратов на Землю, выдвинул идею создания межпланетных орбитальных станций, предложил идею автоматического управления ракетой.
Труды К. Э. Циолковского явились теоретической базой для развития современной ракетной техники.
1.2 Принцип реактивного движения
Для перемещения и разгона какого-либо аппарата в среде с сопротивлением к нему необходимо прикладывать определенную силу, а для обеспечения управляемого движения — еще и регулировать направление этой силы в течение заданного времени.
В авиации и космонавтике для перемещения летательных аппаратов (ЛА) используют принцип реактивного движения. Движущей силой является реактивная сила, создаваемая при истечении из ЛА реактивной струи. Реактивная сила R, действующая на ЛА, пропорциональна скорости истечения Wa реактивной струи и секундному расходу ? массы выбрасываемого вещества m ?:
R =m ?Wa.
Для создания реактивной силы в течение определенного времени необходимо иметь запасы выбрасываемой массы и энергии, преобразуемой в кинетическую энергию реактивной струи. Двигательная система (Дв) включает в себя источник энергии (Иэ), источник рабочего тела (ИРТ) и движитель (Дж) — устройство, создающее тяговые усилия. Совокупность этих элементов называется двигателем:
Дв = Иэ + ИРТ + Дж.
Различают две схемы соединения этих двух составляющих:
а) двигатель реакции непрямого действия, когда между источником энергии и отбрасываемой массой имеется промежуточный элемент, например, для парохода реализуется схема:
двигатель (Иэ) гребной винт струя воды
Аналогично в турбовинтовом самолете:
двигатель (Иэ) воздушный винт струя воздуха
б) двигатель реакции прямого действия, которая реализуется у любого ракетного двигателя; в этом случае между Иэ и массой отбрасываемых газов нет промежуточных элементов.
Ракеты прошлого и будущего
... моего реферата - углубленно изучить физическую и историческую составляющую знания о ракетах, двигателях прямой реакции (ракетных двигателях) и о реактивном движении. При выполнении работы мне предстоит решить следующие задачи : 1) Изучить устройство ракетного двигателя ...
По способу использования источника энергии различают двигатели реактивные и ракетные. Оба класса этих двигателей используют для перемещения реактивную силу. Однако ракетные двигатели работают автономно, так как имеют на борту весь запас ресурсов массы 6 и энергии. Работа реактивных двигателей связана с окружающей средой. Так, воздушно-реактивные двигатели используют кислород атмосферного воздуха для сжигания горючего. С учетом этого только ракетные двигатели могут использоваться для космических полетов в безвоздушном пространстве.
ГЛАВА 2. ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ РАКЕТЫ
Большинство историков считает, что изобретение ракеты относится к временам китайской династии Хань (206 год до н. э.—220 н. э.), к открытию пороха и началу его использования для фейерверков и развлечений. При взрыве порохового снаряда возникала сила, которая могла двигать различные предметы. Позже по этому принципу были созданы первые пушки и мушкеты. Снаряды порохового оружия могли летать на далёкие расстояния, однако не были ракетами, поскольку не имели собственных запасов топлива, но именно изобретение пороха стало основной предпосылкой возникновения настоящих ракет. Описание летающих «огненных стрел», применявшихся китайцами, показывает, что эти стрелы были ракетами. К ним прикреплялась трубка из уплотненной бумаги, открытая только с заднего конца и заполненная горючим составом. Этот заряд поджигался, и затем стрела выпускалась с помощью лука. Такие стрелы применялись в ряде случаев при осаде укреплений, против судов, кавалерии.
В XIII веке вместе с монгольскими завоевателями ракеты попали в Европу. Известно, что ракеты применялись запорожскими казаками в XVI—XVII вв. В XVII веке литовский военный инженер Казимир Семенович описал многоступенчатую ракету.
В конце XVIII века в Индии ракетное оружие применялось в сражениях с британскими войсками.
В начале XIX века армия также приняла на вооружение боевые ракеты, производство которых наладил Уильям Конгрив (Ракета Конгрива).
В то же время российский офицер Александр Засядко разрабатывал теорию ракет. Большого успеха в совершенствовании ракет достиг в середине позапрошлого века российский генерал артиллерии Константин Константинов. Попытки математически объяснить реактивное движение и создать более эффективное ракетное вооружение делал в России Николай Тихомиров в 1894 году.
Теорию реактивного движения создал Константин Циолковский. Он выдвигал идею использования ракет для космических полетов и утверждал, что наиболее эффективным топливом для них было бы сочетание жидких кислорода и водорода. Ракету для межпланетных сообщений он спроектировал в 1903 г.
Немецкий учёный Герман Оберт в 1920-е годы также изложил принципы межпланетного полёта. Кроме того, он проводил стендовые испытания ракетных двигателей.
Американский учёный Роберт Годдард в 1926 г. осуществил запуск первой жидкостной ракеты, в качестве топлива для которой использовались бензин и жидкий кислород.
Первая отечественная ракета называлась ГИРД-90 (аббревиатура «Группы изучения реактивного движения»).
Ее начали строить в 1931 году, а испытали 17 августа 1933 года. ГИРДом в то время руководил С.П. Королев. Ракета взлетела на 400 метров и находилась в полете 18 секунд. Вес ракеты на старте был 18 килограммов.
В 1933 г. в СССР в Реактивном институте было завершено создание принципиально нового оружия — реактивных снарядов, установка для запуска которых позднее получила прозвище «Катюша».
Классификация ракет-носителей по массе выводимого полезного груза ...
... он не оказал[1]. Первой в мире настоящей ракетой-носителем, доставившей в 1957 году груз на орбиту, была советская Р-7 («Спутник»). Далее США и ещё несколько стран стали ... т. н. космическими державами, начав использовать собственные ракеты-носители, а три ...
В ракетном центре в Пенемюнде (Германия) была разработана баллистическая ракета А-4 с дальностью полёта 320 км. Во время Второй мировой войны 3 октября 1942 г. состоялся первый успешный запуск этой ракеты, а в 1944 г. началось её боевое применение под названием V-2.
Военное применение V-2 показало огромные возможности ракетной техники, и наиболее мощные послевоенные державы — США и СССР — также начали разработку баллистических ракет.
В 1957 г. в СССР под руководством Сергея Королёва как средство доставки ядерного оружия была создана первая в мире межконтинентальная баллистическая ракета Р-7, которая в том же году была использована для запуска первого в мире искусственного спутника Земли. Так началось применение ракет для космических полётов.
Проект Н. Кибальчича
В связи с этим невозможно не вспомнить Николая Кибальчича, русского революционера, народовольца, изобретателя. Он был участником покушений на Александра II, именно он изобрел и изготовил метательные снаряды с «гремучим студнем», которые были использованы И.И. Гриневицким и Н. И. Рысаковым во время покушения на Екатерининском канале. Приговорён к смертной казни.
Кибальчич выдвинул идею ракетного летательного аппарата с качающейся камерой сгорания для управления вектором тяги. За несколько дней до казни Кибальчич разработал оригинальный проект летательного аппарата, способного совершать космические перелёты. В проекте было описано устройство порохового ракетного двигателя, управление полетом путем изменения угла наклона двигателя, программный режим горения и многое другое. Его просьба о передаче рукописи в Академию наук следственной комиссией удовлетворена не была, проект был впервые опубликован лишь в 1918 г.
Современные ракетные двигатели
Большинство современных ракет оснащаются химическими ракетными двигателями. Такой двигатель может использовать твёрдое, жидкое или гибридное ракетное топливо. Химическая реакция между топливом и окислителем начинается в камере сгорания, получающиеся в результате горячие газы образуют истекающую реактивную струю, ускоряются в реактивном сопле (или соплах) и выбрасываются из ракеты. Ускорение этих газов в двигателе создаёт тягу — толкающую силу, заставляющую ракету двигаться. Принцип реактивного движения описывается третьим законом Ньютона.
Но не всегда для движения ракет используются химические реакции. Существуют паровые ракеты, в них перенагретая вода, вытекающая через сопло, превращается в высокоскоростную паровую струю, которая служит движителем. Эффективность паровых ракет относительно низка, однако это окупается их простотой и безопасностью, а также дешевизной и доступностью воды. Работа небольшой паровой ракеты в 2004 году была проверена в космосе на борту спутника UK-DMC. Существуют проекты использования паровых ракет для межпланетной транспортировки грузов, с нагревом воды за счёт ядерной или солнечной энергии.
Ракеты наподобие паровой, в которых нагрев рабочего тела происходит вне рабочей зоны двигателя, иногда описывают как системы с двигателями внешнего сгорания. Примерами ракетных двигателей внешнего сгорания может служить большинство конструкций ядерных ракетных двигателей.
Сейчас разрабатываются альтернативные способы поднимать космические аппараты на орбиту. Среди них «космический лифт», электромагнитные и обычные пушки, но пока они находятся на стадии проектирования.
Союз-2 (ракета-носитель)
... ракеты-носителя «Союз-2.1а» создаётся модифицированная ракета-носитель «Союз-СТ» (Союз-СТА). Основные отличия ракеты от базового варианта — доработка системы управления под приём телекоманд с земли ... к увеличению выводимой полезной нагрузки (на низкую орбиту) примерно на 300 кг . Конструкция третьей ступени ... стартового комплекса можно только Союз-2). Байконур, площадка 31 (на 2011 год в МИК и на ...
ГЛАВА 3. ОСВОЕНИЕ КОСМОСА
3.1 Первые искусственные спутники с планеты Земля
реактивный движение орбита спутник
Изучение космоса началось еще с самых древних времен, когда человек только учился считать по звездам, выделяя созвездия. И только всего четыреста лет назад, после изобретения телескопа, астрономия начала стремительно развиваться, принося в науку все новые открытия.
XVII век стал переходным веком для астрономии, тогда начали применять научный метод в исследовании космоса, благодаря которому был открыт Млечный путь, другие звездные скопления и туманности. А с созданием спектроскопа, который способен разложить через призму свет, излучаемый небесным объектом, ученые научились измерять данные небесных тел, такие, как температура, химический состав, масса и другие измерения.
Начиная с конца XIX века астрономия вступила в фазу многочисленных открытий и достижений, главным прорывом науки в XX веке стало запуск первого спутника в космос, первый полет человека в космос, выход в открытое космическое пространство, высадка на луне и космические миссии к планетам Солнечной системы. Изобретения сверхмощных квантовых компьютеров в XIX веке также обещают многие новые изучения, как уже известных планет и звезд, так и открытия новых далеких уголков вселенной.
Летательные аппараты, которые выводятся на орбиту Земли, называются искусственными спутниками (ИСЗ).
Они предназначены для решения прикладных и научных задач. Согласно международной договоренности, спутником называется космический аппарат, совершивший минимум один полный виток по орбите Земли. Если же нет, то его считают ракетным зондом, который проводит измерения на баллистической траектории. Зонд не регистрируют как спутник.
Первый искусственный спутник
Искусственный спутник нашей планеты, ставший первым рукотворным небесным телом, которое создал человек, был выведен на орбиту в 1957 году (4 октября) в Советском Союзе. Это результат достижений страны в сфере ракетной техники, автоматического управления, электроники, небесной механики, вычислительной техники и других отраслей науки. Благодаря этому ИСЗ были впервые произведены измерения плотности верхней атмосферы, исследования особенностей распространения в ионосфере радиосигналов. Были проверены основные технические и теоретические решения и расчеты по выведению искусственного спутника Земли на орбиту. Это был фантастический прорыв человечества в освоении космического пространства, и он положил начало великой Космической Эре всего человечества. И пальма первенства по праву принадлежит СССР.
Достижения разных стран
США совсем немного отстали от СССР и уже через четыре месяца, в 1958 году 1 февраля, вывели на орбиту Земли свой первый рукотворный спутник с названием «Эксплорер-1». Несколько отстали от первопроходцев другие страны мира. Впоследствии самостоятельно запустили на орбиту искусственные спутники, следующие государства:
Франция в 1965 году 26 ноября (спутник «А-1»),
Австралия в 1967 году 29 ноября (спутник «ВРЕСАТ-1»),
Япония в 1970 году 11 февраля (спутник «Осуми»),
Китайская Народная Республика в 1970 году 24 апреля (спутник «Китай-1»),
Великобритания в 1971 году 28 октября (спутник «Просперо»).
Международное сотрудничество
Некоторые искусственные спутники, которые изготавливались в Италии, Канаде, Великобритании, Франции и других странах, начиная с 1962 года, выводились на орбиту Земли при помощи американских ракетоносителей. Международное сотрудничество довольно широко используется в практике космических исследований. Таким образом, в результате научно-технического сотрудничества между странами соцлагеря осуществлены запуски ряда ИСЗ. Первым из них стал «Интеркосмос-1», который вывели на орбиту в 1969 году 14 октября. К 1973 году были запущены свыше 1300 ИСЗ различных типов и назначений. Из них около 600 спутников советских и более 700 американских и других стран мира, включая пилотируемые корабли-спутники и космические орбитальные станции, управляемые экипажами.
Успехи в освоении космоса
... года. В этот памятный день на орбиту вышел первый запущенный в СССР искусственный спутник Земли. Он весил 86,3 кг. Прорвавшись через атмосферу Земли, первая космическая ласточка переместила научные инструменты и радиопередатчики в околоземное пространство. ... каждым годом растет. Научное оборудование становится все сложнее и разнообразнее: в космос отправляются целые лаборатории. Орбиты спутников, как ...
Сложно переоценить достижения науки в сфере освоения космического пространства Земли. Ведь при помощи искусственных спутников производятся всевозможные научно-исследовательские работы. В зависимости от поставленных задач, которые способны решать ИСЗ, их подразделяют на прикладные и научно-исследовательские. Также спутники бывают пилотируемые и непилотируемые. И те и другие служат для многочисленных исследований самой планеты, небесных тел и бесконечного космического пространства.
3.2 Покорение космоса человеком
После запуска на орбиту советского искусственного спутника в 1957 году было положено начало великой задачи покорения космоса. Пробные запуски, когда в спутники помещались различные живые организмы, такие как бактерии и грибки, позволили усовершенствовать космические корабли. А полеты в космос знаменитых собак Белки и Стрелки привели к стабилизации обратного спуска. Все шло к подготовке знаменательного события — отправки человека в космос.
Полет человека в космос
В 1961 году (12 апреля) «Восток» унес на орбиту первого в истории космонавта — Юрия Гагарина. Пилот по каналам связи через несколько минут вращения сообщил, что все процессы в норме. Полет длился 108 минут, за это время Гагарин принимал сообщения с Земли, вел радиорепортаж и бортжурнал, контролировал показания бортовых систем, осуществлял ручное управление (первые пробные попытки).
Аппарат с космонавтом приземлился недалеко от Саратова, причиной посадки в незапланированном месте стали неполадки в процессе разделения отсеков и отказ тормозной системы. Вся страна, замерев перед телевизорами, следила за этим полетом.
Успехи советской космонавтики
В августе 1961 года был осуществлен запуск корабля «Восток-2», которым управлял Герман Титов. Аппарат пробыл в открытом космосе более 25 часов, за время полета он совершил 17,5 оборотов вокруг планеты. После тщательного изучения полученных данных ровно через год стартовали два корабля — «Восток-3» и «Восток-4». Запущенные на орбиту с разницей в сутки, аппараты, управляемые Николаевым и Поповичем, осуществили первый в истории групповой полет. «Восток-3» сделал 64 оборота за 95 часов, «Восток-4» — 48 оборотов за 71 час.
Валентина Терешкова — женщина в космосе
В июне 1963 года «Восток-6» совершил старт с шестым советским космонавтом — Валентиной Терешковой. В это же время находился на орбите и «Восток-5», управляемый Валерием Быковским. Терешкова в общей сложности провела на орбите около 3-х суток, за это время корабль сделал 48 оборотов. За время пролета Валентина тщательно фиксировала все наблюдения в бортовом журнале, а с помощью сделанных ею фотографий горизонта ученые смогли обнаружить в атмосфере аэрозольные слои.
Восток (ракета-носитель)
... [1] 2. Технические характеристики Максимальная масса (расчётная) полезного груза РН «Восток» (при выводе на орбиту) — 4730 кг; Стартовая масса РН — 287 т; Общая длина (с ... 2 Байконур ПУ №1/5 Авария РН на СК 11 18 октября 1963 Космос-20 (Зенит-2) Байконур ПУ №1/5 Успех 12 28 ноября 1963 ... П. Королева. Третьей ступенью ракеты стал блок «Е». Жидкостные ракетные двигатели для блока «Е» были разработаны ...
Выход в открытый космос Алексея Леонова
18 марта 1965 года стартовал «Восход-2» с новым экипажем на борту, одним из членов которого стал Алексей Леонов. Космический корабль был оснащен камерой для вывода космонавта в открытое пространство. Специально разработанный скафандр, укрепленный многослойной герметичной оболочкой, позволил Леонову выйти из камеры шлюза на всю длину фала (5,35 м).
За всеми операциями с помощью телекамеры следил Павел Беляев — другой член экипажа «Восхода-2». Эти знаменательные события навсегда вошли в историю развития советской космонавтики, являясь венцом развития науки и техники того времени.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе мы рассмотрели тему «Реактивное движение и освоение космоса.
В первой главе были даны определения реактивного движения его принципы. Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении от тела его части с некоторой относительно тела скоростью.
Во второй главе мы рассмотрели предпосылки изобретения ракеты. Как было отмечено в главе, об изобретении ракеты упоминалось еще 206 год до н. э.—220 н. э и относилось к временам китайской династии Хань. А теорию реактивного движения создал Константин Циолковский. Он выдвигал идею использования ракет для космических полетов и утверждал, что наиболее эффективным топливом для них было бы сочетание жидких кислорода и водорода. Ракету для межпланетных сообщений он спроектировал в 1903 г.
В третьей, заключительной главе, была затронута история освоения космоса. Искусственный спутник нашей планеты, ставший первым рукотворным небесным телом, которое создал человек, был выведен на орбиту в 1957 году (4 октября) в Советском Союзе, а в 1961 году (12 апреля) «Восток» унес на орбиту первого в истории космонавта — Юрия Гагарина.
1. Физика. Реактивное движение [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://tepka.ru/fizika/3.3.html , свободный.
2. Козлов, С.Н. Основы реактивного движения: конспект лекций по дисциплине «Основы ракетной техники» для студентов специальности 160700.65 «Проектирование авиационных и ракетных двигателей» / С.Н. Козлов, Ю.Б. Жаринов; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. — Бийск, Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2014. — 101 с.
3. История изобретения ракеты [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://ency.info/earth/vstrecha/69-kto-izobrel-pervuyu-kosmicheskuyu-raketu, свободный.
