Как работает ракета

Как работает ракета?

ВВЕДЕНИЕ

«Невозможное сегодня станет возможным завтра»

К.Э. Циолковский

Люди всегда хотели летать, душа человека рвётся в небо. Но только самые святые существа – ангелы – могут летать.… У них за спинами два белоснежных крыла. А обычный человек не может летать сам, его физические особенности не позволяют ему иметь крыльев. Остается только мечтать о полете.

В XVIII веке мечта человечества осуществилась, братья Монгольфье сделали первый воздушный шар, способный поднять человека, братья Райт, а за ними и другие авиаторы поднялись в воздух на стрекочущих фанерно-полотняных этажерках. Стремительность, с которой авиация влетела в нашу жизнь, и скорость прогресса в конструировании летательных аппаратов сравнить попросту не с чем. Люди настолько освоили физику, что их мечты унесли их сначала в ближайшее околоземное пространство, а затем и в самый космос, и даже на Луну! Для этого был нужен очень мощный и достаточно простой двигатель.

Для решения этой сложнейшей задачи человек обратился к природе, которая подсказала решение – реактивное движение.

Сегодня ракетой называют летательный аппарат, двигающийся в пространстве за счет действия реактивной тяги. Полет ракеты не требует обязательного наличия окружающей воздушной или газовой среды, и, следовательно, он возможен не только в атмосфере, но и в вакууме. Ракетная техника позволила человеку выйти за пределы земной атмосферы и заняться исследованием космического пространства.

Актуальность. Мы живем в век научно – технического прогресса и задача освоения космоса является актуальной для всего человечества. Это необходимо для научных исследований, которые проводятся для того, чтобы узнать устройство нашего мира, изучить влияние космоса на него. В не очень далёкой перспективе возможно освоение других планет. А без изобретения реактивного двигателя это было бы невозможно.

Цель нашего исследования: изучить принцип работы ракеты.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1.                 Погрузиться в историю и познакомиться с учёными, которые стояли у истоков развития ракетостроения.

2.                 Выяснить сущность реактивного движения, назначение и принцип действия ракет;

3.                 Познакомиться с конструкцией ракеты, многоступенчатыми ракетами.

ГЛАВА 1. История создания ракеты

На принципе прямой реакции основаны и полеты ракет. Ракетой  называется любой летательный аппарат тяжелее воздуха, движущийся отдачей или реакцией вырывающихся из него газов и вообще материальных частей. Таким образом, ракета является реактивным аппаратом. Слово «ракета» происходит от итальянского «rocchetto» (цевка, веретено, стержень).

Современная космическая ракета представляет собой очень сложный летательный аппарат, состоящий из сотен тысяч и миллионов деталей. Масса ракеты огромна. Она складывается из массы рабочего тела (т. е. раскаленных газов, образующихся в результате сгорания топлива и выбрасываемых в виде реактивной струи) и конечной или, как говорят, «сухой» массы ракеты, остающейся после выброса из ракеты рабочего тела.

Начало появления ракет относится к глубокой древности. Первые упоминания о них появились за 3000 лет до Рождества Христова в Китае. Так как состав пороха был китайцам известен еще задолго до открытия его в Европе, то они и применяли его для набивки ракет и метали их в неприятеля в виде «огненных стрел». Пробовали в Китае применять ракеты и для переноски тяжестей и людей. Так в одной из китайских легенд говорится, что китайский мандарин Ван-Гу приказал сделать двух больших воздушных змеев, скрепить их сиденьем и поместить под ним 47 ракет. По приказу мандарина эти ракеты были подожжены одновременно 47 слугами. К сожалению, ракета под сиденьем мандарина взорвалась неудачно, и от происшедшего пожара сгорел и сам изобретатель. Первые упоминания о практическом использовании принципа прямой реакции для полета ракеты относятся к X в. (Марк Грек). Более достоверными являются сведения о применении ракет китайцами в XIII в. при обороне Китая против монголов. Но в Европе в это время появилось ручное огнестрельное оружие, которое оказалось более эффективным, чем китайская ракета и поэтому интерес к ракете был не велик.

Это не значит, что ракеты были только в Китае, а в Европе не интересовались ракетным делом. Так, например, в конце XVIII в. английскому полковнику Конгреву удалось сконструировать работающую ракетную установку, которая с 1804 года успешно применялась в боевых операциях английского флота и позже получила довольно широкое распространение по всей Европе. Но в 1885 году ракетные бригады в английской армии были расформированы, так как появились артиллерийские нарезные орудия с очень большой точностью стрельбы.

В России тоже интерес к ракетному делу был не значительный. Хотя отечественная военная ракетная техника пережила в XIX веке период бурного расцвета и именно в России была сконструирована крупнейшим специалистом ракетного дела К. И. Константиновым (1818—1871) одна из лучших ракет того времени, имевшая дальность полета до 4 км. Но в это время стала набирать силу классическая артиллерия с нарезными стволами, которые резко увеличили точность стрельбы. Поэтому заказы на производство и поставку боевых ракет в вооруженные силы России практически прекратились.

Но в конце XIX в. в России возникает идея использования реактивного движения в авиации. После появления в 1881 г. проекта известного народовольца Н. И. Кибальчича, эта идея получила дальнейшее развитие в трудах К. Э. Циолковского, который уже в 1903 г. предложил использовать реактивное движение для межпланетных сообщений. Еще в начале 20 века этот великий русский ученый предложил идею использования ракет в целях космических полетов.

Его статья, посвященная этому вопросу, появилась в 1903 году. В ней было представлено математическое уравнение, известное в наше время как "формула Циолковского". Это уравнение описывает движение тела, имеющего переменную массу. В своих дальнейших трудах он представил схему ракетного двигателя, работающего на жидком топливе. Циолковский, изучая использование реактивного движения в природе и технике, разработал многоступенчатую конструкцию ракеты. Ему также принадлежит идея о возможности создания на околоземной орбите целых космических городов. Вот к каким открытиям пришел ученый, изучая реактивное движение в природе и технике. Ракеты, как показал Циолковский, – это единственные аппараты, которые могут преодолеть силу тяжести.

В 1930-1931 гг. в СССР был создан первый реактивный двигатель на жидком топливе, и 17 августа 1933г. была запущена ракета «ГИРД 9», которую можно считать первой советской зенитной ракетой. Она достигла высоты 1,5 км. А следующая ракета «ГИРД 10», запущенная 25 ноября 1933 года, достигла уже высоты в 5 км.

Циолковскому не довелось дождаться первого космического полёта: он скончался 19 сентября 1935г. в Калуге, где на протяжении срока с лишним лет занимался исследованиями в области реактивного движения.

В Германии подобные работы вело Общество межпланетных сообщений. 14 марта 1931 Иоганн Винклер осуществил первый в Европе удачный запуск жидкостной ракеты.

В VfR работал Вернер фон Браун, который с декабря 1932 года начал разработку ракетных двигателей на артиллерийском полигоне германской армии в Куммерсдорфе. Созданный им двигатель был использован на опытной ракете А-2, успешно запущенной с острова Боркум 19 декабря 1934 года.

После прихода нацистов к власти в Германии были выделены средства на разработку ракетного оружия, и весной 1936 года была одобрена программа строительства ракетного центра в Пенемюнде, руководителем которого был назначен Вальтер Дорнбергер, а техническим директором — фон Браун.

В нём была разработана баллистическая ракета А-4 с дальностью полёта 320 км. Во время Второй мировой войны 3 октября 1942 года состоялся первый успешный запуск этой ракеты, а в 1944 году началось её боевое применение под названием «Фау-2» (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 году в СССР под руководством Сергея Павловича 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.

ГЛАВА 2. Принцип работы ракеты

В наши дни практически все ракеты многоступенчатые. Конструктивно каждая ступень представляет собой отдельную ракету с собственными двигателями и запасом топлива. Первая ступень производит отрыв ракеты от Земли. Как только топливо в ее баках заканчивается, она отбрасывается, а поскольку вес ракеты после освобождения от первой ступени уменьшается, дальнейший полет продолжается с ускорением. После этого включаются двигатели второй ступени.

Этот процесс повторяется столько раз, сколько ступеней содержит ракета. А последняя ступень доставляет космический аппарат к месту назначения. Так как в космическом пространстве нет ни твердой, ни жидкой, ни газообразной опоры, ускорение ракете может сообщить только реактивная сила двигателя. В камере сгорания происходят смешивание и сгорание ракетного топлива. В результате образуются газы, которые с огромной скоростью выбрасываются через сопло. При этом ракета, согласно закону сохранения импульса, получает ускорение, направленное в обратную сторону.

Ракетное топливо: горючее (например, жидкий водород) и окислитель (жидкий кислород) — находится в топливных баках, изолированных друг от друга.

Рис.1. Устройство ракеты

В военной терминологии слово «ракета» обозначает класс, как правило, беспилотных летательных аппаратов, применяемых для поражения удаленных целей и использующих для полета принцип реактивного движения. Ракета проектируется с учетом следующих факторов: цели поражения, траектории полета, несомой боеголовки, дальности и скорости полета и платформы базирования.

На рис.2 представлены основные технические и технологические средства, используемые в ракетах (двигатель ракеты; система управления и наведения; аэродинамические элементы: корпус ракеты, крылья, стабилизаторы, хвост; наведение на конечном участке траектории (если это относится к точному управляемому оружию); боеголовка).

Рис.2. Основные технические и технологические средства, используемые в ракетах

Двигательная установка в ракете необходима для обеспечения конечных характеристик: дальности полета, скорости, способности нести боеголовку. Ракета приводится в движение при помощи ракетного или реактивного двигателей с использованием твердого или жидкого топлива. В некоторых ракетах для выведения их на заданный уровень используются технологии гибридных видов топлива.

Функция системы наведения заключается в том, чтобы поддержать выбранную траекторию движения ракеты, используя механизм контроля высоты. Это осуществляется через управление ее тангажем (поперечное вращение), креном (вращение по вертикальной оси) и рысканием (вращение по продольной оси). Система наведения работает по автопилотному принципу, уменьшая колебания, способные отклонить ракету от заданного курса.

В некоторых ракетах команды наведения генерируются изнутри – бортовым компьютером. В других ракетах команды ракете передаются от внешних источников.

Для управления полетом ракеты используются аэродинамические элементы ракеты, которые также называют «управляющими поверхностями». Стабилизаторы, крылья и хвост являются тремя основными поверхностями, посредством которых осуществляется управление ракетой. Направление полета ракеты можно изменить, приводя в движение эти поверхности управления.

В случае высокоточного оружия, когда ракета начинает поиск цели, включается в действие головка самонаведения. Это устройство определяет также время активации боеголовки. После обнаружения цели устройство посылает электрический импульс для срабатывания пускового механизма и активации боеголовки. Головка самонаведения имеет в своей основе радар или устройства инфракрасного или лазерного излучения.

Боеголовка ракеты выбирается с учетом цели, которую нужно поразить. Она наносит удар по цели, тем самым задействуя поражающую способность ракетного оружия. Чтобы достичь желаемого эффекта в зоне поражения, выбирается оптимальная точка удара – чем ближе к цели производится удар, тем меньшая требуется боеголовка. В других случаях, когда требуется нанесение удара ракетой по укрепленным объектам, перед детонацией боеголовки применяются различного рода технологии, увеличивающие глубину проникновения ракетного удара.

Основной принцип действия ракеты основан на законе сохранения импульса и применении реактивной силы.

Ракета работает по принципу реактивного двигателя. Она выделяет газы или другие реакционные массы с высокой скоростью в одном направлении, что создает противоположную реактивную силу, отталкивающую ракету в противоположном направлении. Это основано на третьем законе Ньютона, который гласит: «Для каждого действия существует равное и противоположное противодействие».

Когда топливо или реакционные массы сгорают внутри двигателя ракеты, выделяются газы с высокой скоростью через сопло. По закону сохранения импульса, сумма импульсов системы (ракеты) и выброшенных газов остается постоянной. Таким образом, при отталкивании газов в одном направлении, ракета получает противоположный импульс и начинает движение в противоположном направлении.

Для управления полетом ракеты, можно изменять направление выброса газов, используя управляемые сопла или рулевые поверхности. Это позволяет ракете изменять свое направление, скорость и маневренность.

Таким образом, основной принцип действия ракеты заключается в применении реактивной силы, созданной выбросом газов с высокой скоростью, и использовании закона сохранения импульса для обеспечения движения ракеты в противоположном направлении.