Красота реактивного движения

ЩИГРОВСКИЙ ФИЛИАЛ ОБЛАСТНОГО БЮДЖЕТНОГО                    ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ                                     «СОВЕТСКИЙ СОЦИАЛЬНО-АГРАРНЫЙ ТЕХНИКУМ ИМЕНИ В. М.КЛЫКОВА»

 

 

 

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ  ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПРЕКТ

 

ТЕМА:  «КРАСОТА РЕАКТИВНОГО ДВИЖЕНИЯ: ЧТО ЗА НЕЙ СТОИТ?»

 

 (научно-техническое направление)

 

 

 

УЧЕБНЫЙ ПРЕДМЕТ ОУП. 10  Физика

 

 

 

 

 

15.01.05 «Сварщик (ручной и частично механизированной сварки (наплавки))»

 

Выполнил:

студент II курса 2 С/Щ

Шеховцов Даниил Владимирович

Руководитель:

Петрищева И. Е.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

        Стр.

Введение                                                                                                             3

1. Реактивное движение в истории                                                                        4

2. Физические основы работы реактивного двигателя                                         9

3. Экспериментальное доказательство формулы Циолковского                            12

4. Ему была ясна звездная книга                                                                            14

5. Классификация реактивных двигателей и особенности их использования        16

6. Примеры реактивного движения в природе                                                       16

Заключение                                                                                                      21

Список литературы                                                                                          22

 

 

Введение

Во все времена человек мечтал летать как птицы. И вот его мечта путем проб и ошибок, постоянного и тщательного изучения окружающего мира осуществилась – он построил самолет. Но человеку свойственно мечтать. И теперь его мечты связаны с тем, как полететь к звездам, к планетам, которые кажутся такими близкими, но оказываются далекими, к другим галактикам.

Чтобы осуществить космические полеты писатели-фантасты предлагали самые разные средства для достижения этой цели. В XVII веке появился рассказ французского писателя Сирано де Бержерака о полёте на Луну. Герой этого рассказа добрался до Луны в железной повозке, над которой он всё время подбрасывал сильный магнит. Притягиваясь к нему, повозка всё выше поднималась над Землёй, пока не достигла Луны. А барон Мюнхгаузен рассказывал, что забрался на Луну по стеблю боба.

Но все предложенные способы не позволяли человеку преодолеть силу земного притяжения, двигаться в безвоздушном пространстве. И как всегда для решения этой сложнейшей задачи человек обращается к природе, которая подсказывает решение – реактивное движение. Именно реактивное движение является основой современной авиации гражданской и военной, космической техники.

При работе над проектом я ставил перед собой цель: рассмотреть принцип реактивного движения и подтвердить экспериментально формулу Циолковского.

Для себя я выделил следующие задачи:

- познакомиться с историей развития реактивного движения;

- выяснить физические основы работы реактивного двигателя;

- экспериментально доказать формулу Циолковского;

-рассмотреть классификацию реактивных двигателей и особенности их использования;

1. Реактивное движение в истории

Знакомство человечества с реактивным движением состоялось достаточно давно, в 1 тысячелетии до нашей эры. Согласно письменным источникам, в 360 году до нашей эры грек Архитос Тарентийский, основатель механики и сторонник математики Пифагора, впервые продемонстрировал возможности реактивного движения.

Глиняная птица, заполненная водой, подвешивалась на специальной планке над огнём. Вода закипала, а вырывающийся через отверстие пар вращал птицу вокруг оси. Греческие механики ещё около 200 лет ставили подобные опыты, пытаясь использовать энергию воды, огня, масляных и других смесей, но технологии того времени не позволяли создать достаточно прочных материалов для изготовления корпуса для таких механизмов. Поэтому дальнейшие исследования в этом направлении практически прекратились.

Первые управляемые ракеты представляли собой простейшие снаряды, использующие энергию сгорания пороха. Это были знаменитые китайские «огненные стрелы», которые стали применяться в период 200-300 годов нашей эры. К стреле привязывался реактивный снаряд в виде бумажной трубки, заполненной порохом. Стрела выпускалась с зажженной ракетой из обычного воинского лука, а ее оперение из плотного шёлка обеспечивало устойчивость в полете. Дальность полета составляла около 300 метров, то есть почти в два раза превышала дистанцию обычной стрелы. При этом точность поражения цели зависела только от подготовки лучника, которому кроме обычных факторов нужно было учитывать ещё и очень высокую скорость полёта стрелы со снарядом. Иногда в головной части бумажной ракеты размещался зажигательный состав, который взрывался после того, как сгорит весь порох.

В течение следующих 10 веков древнее «ракетное» оружие активно совершенствовалось в локальных военных конфликтах китайцами и индусами, а также греческими и арабскими учёными. Исследовались разные зажигательные смеси, носители (средние и тяжёлые стрелы, копья, дротики), изучалось поведение ракеты в воздухе. Значение ракетного оружия в военном деле возросло настолько, что в 1250 году появился первый учебник по подготовке ракетчиков – «Огненная книга или книга об огне, служащем для сжигания врагов», изданная неизвестным учёным под псевдонимом Марк Грек. В этом фолианте описывались различные огненные смеси, методы их использования в военном деле и давались основы реактивного движения. Однако в Европе развитие ракетостроения долго сдерживалось церковным запретом на использование пороха, а также разгулом инквизиции, которая могла объявить еретиком и сжечь любого учёного.

С середины 13 века ракеты появляются в Аравии, где получают название «воздушные кальмары». Монгольские армии также начинают использовать зажигательные стрелы на порохе. В 1258 году монголы применили их при осаде Багдада, а в 1274 и 1281 годах реактивное оружие широко применялось ими во время нападений на Японию. К концу 13 века Япония, Корея, Индия и остров Ява (Индонезия) тоже осваивают технологию изготовления пороха и военного применения «самоходных стрел», после чего новое оружие начинает быстро распространяться по Азии и Восточной Европе.

Упоминания о первом варианте стационарной ракетной установки встречается в китайских хрониках 1259 года. Она называлась «Копье яростного огня» и представляла собой ракету достаточно большой мощности, привязанную к шесту и располагавшуюся на подставках из бамбука.

Несмотря на приоритет китайских военных в использовании реактивного движения, понятие «ракета» (rochetta) впервые употребляется при описании пороховых зажигательных стрел европейцем, итальянским учёным Маратори в 1379 году. А итальянцы, в свою очередь, узнали о ракетах от своего путешественника Марко Поло, познакомившего Европу с жизнью и бытом Китая, в том числе с порохом, зажигательными смесями и «огненными стрелами». Первые ракеты в Европе появились в 1400 году и сначала использовались только для фейерверков на итальянских праздниках.

В книге другого итальянца, Фонтана, написанной в 1420 году, имеются не только описания боевых ракет, но и рационализаторские предложения, как использовать реактивную струю от выстрела для передвижения на «самобеглой» коляске.

Первенство в массовом использовании ракет во время военных действий в Европе принадлежит французским войскам Жанны д'Арк, применивших их при защите Орлеана в 1429 году. Впоследствии реактивное оружие завоёвывало всё большую популярность, однако оставалось достаточно сложным и ненадёжным в употреблении по сравнению с традиционными методами ведения войн.

Тем не менее, исследования продолжались, и в 1561 году во Франции вышла анонимная публикация «Несколько способов военного применения фейерверков», где впервые был обобщён и проанализирован опыт применения ракет в сражениях. В этом труде давалось также множество рекомендаций, в частности по замене бумажных и бамбуковых ракетных корпусов на кожаные.

Ещё через 30 лет, в 1591 году бельгиец Ян Бив описал и сделал приблизительный чертёж многоступенчатой ракеты, предназначенной для преодоления притяжения земли.

С 1600 года ракеты становятся действенным средством борьбы против кавалерии, которая с древних времён являлась самым эффективным видом войск. С этого периода начался очередной пересмотр тактики ведения сражений в пользу артиллерии и ракетного оружия.

Опыт сражений с применением артиллерии показал, что для нанесения наибольшего урона противнику необходимо всё больше увеличивать калибр орудий, одновременно совершенствуя материалы для их изготовления. Та же тенденция наблюдается и в развитии ракетного оружия, которое по мере повышения надёжности требовало увеличения его разрушительной мощи. В 17 веке такие работы проводились многими странами. В частности в 1668 году немецкий полковник артиллерии Кристоф Фридрих начал экспериментировать с ракетами калибров до 50 кг и с массой пороховой боеголовки до 7 кг.

Значительный вклад в формирование ракетного оружия, сам того не ведая, внёс великий английский учёный, сэр Исаак Ньютон. В 1687 году он опубликовал свою знаменитую книгу «Математические принципы естественной философии», где сформулировал «Универсальные законы движения». Третий закон – «Для каждого действия имеется равная и противоположная реакция», является фундаментальным принципом работы реактивного двигателя. Он и сегодня лежит в основе расчета реактивной тяги. Именно Ньютон впервые определил скорость и высоту подъема, необходимые для вывода ракеты на геостационарную орбиту.

Англичанам пришлось познакомиться с разрушительным действием ракетного оружия и в Азии, и в Северной Америке. В 1792 году, в сражении при Саренгепте, индийские солдаты обстреляли ракетами хорошо подготовленных британских солдат. Несмотря на то, что индийское «секретное оружие» было изготовлено по весьма примитивным технологиям, количество и необычность его воздействия полностью деморализовали английскую армию. То же повторилось и при осаде крупного индийского города Серингапатама в 1799 году. Правитель города Типу-Сагиб имел в рядах своей армии корпус «ракетных стрелков» численностью 1200 человек, который создал его отец, князь Гайдар-Али. Ракеты, за несколько минут практически полностью уничтожившие первые ряды британцев, представляли собой уже достаточно правильные трубки из бамбука с порохом весом 3-6 кг и привязывались к палкам длиной 2,5 метра для стабилизации полёта. Тогда же в качестве корпуса индусы начали применять железную гильзу длиной 30 см, крепившейся на шесте из бамбука длиной 2,5-3 метра.

Во время колонизации англичанами Канады североамериканские индейцы применяли против королевских войск прототипы переносных зенитно-ракетных комплексов – незатейливые ракеты, запускаемые с плеча. Как подтверждают хроники, подвижные краснокожие стрелки поначалу наносили значительно больший урон британцам, чем громоздкая артиллерия европейцев.

Однако Великобритания всегда славилась тем, что не повторяла однажды допущенных ошибок. В 1804 году, чтобы предотвратить наполеоновское вторжение, английское правительство приступило к реализации программы поддержки учёных и изобретателей, работающих в области вооружений. Создавались первые субмарины, новые системы огнестрельного оружия. Тогда же, благодаря полковнику британской армии и военному инженеру, сэру Уильяму Конгреву, появились и первые серьёзные боевые ракеты. После многочисленных экспериментов с реактивными снарядами, захваченными во время индийской кампании, английский изобретатель сформировал теорию проектирования и строительства твердотопливных ракет, включающую технологию поддержания устойчивого процесса горения топлива и методику использования хвостовых стабилизаторов для управления её полетом. Секретная «адская машина» Конгрева представляла собой фугасно-зажигательный заряд на реактивной тяге, который летел на расстояние до 2,7 километров. Боевое применение этого оружия состоялось в 1806 году, когда более 2000 ракет были использованы при обстреле Болоньи. А затем уже индийская армия и североамериканские индейцы испытали на себе боевые качества технологически более совершенных английских ракет.

Примерно в то же время, в 1807 году, состоялось и одно из первых мирных применений ракет. Англичанин Генри Тренгроус предложил закреплять на ракете фал для доставки спасательного троса на терпящее бедствие судно. Этот способ используется и сейчас.

Россия также не осталась в стороне от общемировых тенденций. Первая в Европе отдельная армейская ракетная бригада была сформирована в 1817 году русским артиллерийским офицером, талантливым изобретателем Александром Засядко. Формирование таких же подразделений в Британии и Австрии началось только через год. И вплоть до появления в 1860 году нарезной артиллерии ракеты становятся обязательной и равноправной частью армий всех держав.

Стоит отметить ещё одного русского офицера, «отца русской боевой пороховой ракеты» Константина Константинова, который ознакомился с ракетным делом на Западе, уделив особое внимание производству этого оружия на заводе Конгрева, находящегося в окрестностях Лондона. Заслугой русского учёного, кроме усовершенствования самих ракет и станков для их запуска, является значительное улучшение условий производства ракет, а также создание первого в мире испытательного стенда с баллистическим маятником, с помощью которого определялась реактивная (движущая) сила ракет. В результате этого пороховые ракеты Константинова стали летать дальше, точнее и были намного безопаснее при транспортировке и запуске.

Первый пуск твердотопливной баллистической ракеты длиной 3,7 м с пороховым зарядом массой 4,5 кг состоялся в 1863 году в США. Войска конфедератов собрали и запустили её из Ричмонда на Вашингтон. Ракета успешно стартовала, но куда полетела и где оказалась, так и осталось неизвестным.

После начала перевооружения армий нарезным оружием ракеты потеряли свое военное значение. Почти 40 лет проводились эксперименты по использованию реактивного движения в мирных целях. Так, в начале 20-го века европейские исследователи провели несколько безуспешных опытов по рассеиванию дождевых облаков с помощью метеорологических ракет.

Наиболее успешным можно считать опыт немецкого инженера Альфреда Маула, который в 1906 году запустил твердотопливную ракету с аппаратурой для фотосъемки. Это было сразу оценено картографами всего мира, которые безуспешно пытались составить подробные карты труднодоступных регионов, в которых отсутствовали не только аэродромы, но и дороги.

Незадолго до Первой мировой войны офицер французской артиллерии Рене Лорин сформулировал концепцию конструкции и назначения крылатой ракеты (КР). Однако во время военных действий ракеты использовались в основном для постановки дымовых завес и ночного освещения поля боя. Единственным исключением стали небольшие авиационные твердотопливные ракеты, разработанные лейтенантом ВМФ Франции Ле Приером. Их устанавливали на французские и британские бипланы для уничтожения аэростатов наблюдения противника.

В 1914 году основоположник современного реактивного двигателестроения - американский инженер Роберт Годдард получил два патента, предопределившие историю ракетостроения. Он разработал двигатель для ракеты, работающий на жидком топливе, а также для двух-трехступенчатой твердотопливной ракеты. В 1915 году Годдард запустил свою первую ракету на твердом топливе. Этот талантливый учёный является автором 200 патентов в области ракетостроения, его работы легли в основу программы ракетостроения Германии, а многие из открытых им принципов используются и сегодня.

Несмотря на подавляющее превосходство нарезной артиллерии, исследования в области реактивного оружия продолжались. При этом Россия вновь оказалась «впереди планеты всей». В разгар гражданской войны, 3 мая 1919 года, ученый-химик Николай Тихомиров изложил руководству РСФСР идею создания «самодвижущейся мины реактивного действия». К началу 1921 года в Москве уже действовала государственная механическая мастерская по разработке ракет на бездымном порохе, где кроме самого Тихомирова работал талантливый изобретатель Владимир Артемьев. В 1925 году мастерская переехала в Ленинград, где на Главном артиллерийском полигоне можно было проводить испытания. А 3 марта 1928 года был произведён успешный запуск первой в мире ракеты на бездымном порохе, которая стала фундаментом для дальнейших разработок реактивных снарядов.

27 сентября 1933 года приказом маршала Михаила Тухачевского в Москве образован первый в мире «Реактивный научно-исследовательский институт» (РНИИ, в дальнейшем НИИ-3), занимавшийся разработкой и конструированием реактивных снарядов на твёрдом топливе и пусковых установок к ним. Уже в 1935 году проводились опытные стрельбы ракетами с истребителей И-15, которые дали положительные результаты. Благодаря коллективу этого института к концу 1939 года только советская авиация была вооружена ракетным оружием, опередив США и Великобританию на 3, а Германию — на 4 года. Успехи с авиационными ракетами подтолкнули руководство НИИ-3 к созданию аналогичного оружия для сухопутных войск.

К концу Второй мировой войны (1939-1945 гг.) реактивные снаряды РС-82 и РС-132 на пироксилиновых порохах уже стали штатным оружием советской фронтовой авиации, а также реактивного миномета БМ-13 («Катюша»). Такой же принцип использовали в Германии при создании достаточно эффективного аналога «Катюши» - самоходной реактивной установки «Panzerwerfer» 42 auf Sf «Maultier». К концу войны была создана экспериментальная ракета на твёрдом топливе и в США. Разработанная группой учёных Калифорнийского технологического института во главе с доктором Теодором Корманом, она запускалась с танков, самолётов, кораблей-ракетоносцев. Более 40 000 таких ракет были применены во время высадки американцев во Франции в 1944 году, что, однако не очень помогло союзникам при прорыве мощнейшей линии обороны гитлеровских войск.

После окончания Второй Мировой войны и разделения мира на две политические системы началось существенное ускорение научно-технического прогресса, особое внимание уделялось наукоемким технологиям. Научные, конструкторские и производственные ресурсы использовались державами-победителями, которые получили доступ к уникальным военным разработкам гитлеровской Германии, чтобы выиграть пресловутую «гонку вооружений». Стремительно совершенствовались все виды вооружений, в том числе и твердотопливные ракеты, которые сегодня почти полностью вытеснили ствольную артиллерию и находятся на вооружении всех родов войск, начиная от переносных ракетных установок до ракетных комплексов и межконтинентальных баллистических ракет. К наиболее успешными в мире можно отнести переносной зенитный ракетный комплекс (ПЗРК) «Stinger» (1981, США), реактивная система залпового огня (РСЗО) 9К58 «Смерч» (1987, Россия), межконтинентальная баллистическая ракета «Тополь» (МБР РС-12М, 1988, Россия), ракетный комплекс «Искандер-Э» (1999, Россия), зенитный ракетный комплекс (ЗРК) RBS-23 BAMSE (2002, Швеция), противотанковый ракетный комплекс (ПТРК) «Хризантема» (2002, Россия).

Одним из наиболее «продвинутых» видов современного оружия считаются высокоточные тактические управляемые (крылатые) ракеты, входящие в состав авиационных, корабельных и береговых ракетных комплексов. Они сочетают высокую точность наведения и разрушительную мощь. В оснащении современных крылатых ракет используются различные типы двигателей, но до начала космической эры и стремительного развития жидкостных реактивных двигателей, боевые ракеты в основном использовали твердое топливо.

Первые отечественные ракеты с ТРД относились к классу «воздух-воздух». В 1951 году началось создание первой советской крылатой ракеты РС-1У (реактивный снаряд первый, управляемый) для оснащения истребителей МиГ-15, МиГ-17ПФУ и Як-25П. Она была разработана известным конструктором Дмитрием Томашевичем в ОКБ-2, и запущена в серийное производство на заводе №455 (в настоящее время ОАО «Корпорация «Тактическое ракетное вооружение») в 1956 году. В дальнейшем ракета была усовершенствована и получила индекс РС-2-УС. На её базе вскоре появилась Р-55 (КБ завода №455) с тепловой головкой самонаведения, которой оснащались истребители МиГ-21 бис, Су-9 и Су-15.

В период активных военных действий во Вьетнаме в 1965 году поступил запрос от правительства этой страны на разработку и поставку ракет класса «воздух-поверхность». Этот проект был сначала поручен ОКБ им. Микояна и ГосНИИАС, а затем ОКБ завода № 455. Образец с индексом Х-66 был готов к 1967 году и принят на вооружение в 1968 году.

В конце 1978 года на том же предприятии, которое тогда уже получило название «КПО «Стрела», начались практические работы по созданию первой в мире модульной крылатой ракеты. В конечном счёте, это позволило уменьшить количество типов ракет «воздух-поверхность», просто заменяя боевую часть и головку самонаведения, а также повысить надёжность и упростить их эксплуатацию. На вооружение Х-25М была принята в 1981 году и до сих пор остаётся одной из лучших сверхзвуковых тактических управляемых ракет в мире.

Несмотря на общемировую тенденцию применения в ракетной технике ЖРД, продолжается совершенствование и ракетного оружия с твердотопливным двигателем. Из наиболее известных разработок последнего времени можно отметить противокорабельный ракетный комплекс SLSS (Ship Launched Sea Skua, 1981, Великобритания), а также авиационную ракету средней дальности класса «воздух-воздух» Р-77 (1992, Россия).

2. Физические основы работы реактивного двигателя

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

Примером реактивного движения является движение воздушного шарика, из которого вытекает воздух. Оно будет кратковременным, так как реактивная сила действует лишь до тех пор, пока продолжается истечение воздуха.

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 неё струёй вещества.

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.

Получим уравнение движения ракеты и найдём выражение для реактивной силы. Будем считать, что скорость вытекающих из ракеты газов относительно ракеты постоянна и равна . Внешние силы на ракету не действуют: она находится в космическом пространстве вдали от звезд и планет.

Пусть в некоторый момент времени скорость относительно инерциальной системы, связанной со звездами, равна , а масса ракеты равна . Через малый интервал времени масса ракеты станет равной

, где  - расход топлива (отношение массы сгоревшего топлива ко времени его сгорания).

За этот промежуток времени скорость ракеты изменится на  и станет равной . Скорость истечения газов относительно выбранной инерциальной системы отсчета равна , так как до начала сгорания  топливо имело ту же скорость, что и ракета.

Тогда закон сохранения импульса для системы ракета-газ:

Раскрыв скобки, получим:

Слагаемым можно пренебречь по сравнению с остальными, так как оно содержит произведение двух малых величин (это величина, как говорят, второго порядка малости). После приведения подобных членов будем иметь: , или

Это одно из уравнений Мещерского для движения тела переменной массы, полученное им в 1987 г.

Если ввести обозначение , то уравнение совпадёт по форме со вторым законом ньютона. Однако масса тела здесь не постоянна, а убывает со временем из-за потери вещества.

Величина  носит название реактивной силы. Она появляется вследствие истечения газов из ракеты, приложена к ракете и направлена противоположно скорости газов относительно ракеты. Реактивная сила определяется лишь скоростью истечения газов относительно ракеты и расходом топлива. Существенно, что она не зависит от деталей устройства двигателя. Важно лишь, что бы двигатель обеспечивал истечения газов из ракеты со скоростью при расходе топлива . Реактивная сила космических ракет достигает 1000 кН.

Если на ракету действуют внешние силы, то её движение определяется реактивной силой и суммой внешних сил. В этом случае уравнение запишется так: .

Решил уравнение Мещерского, то есть получил в явном виде формулу, позволяющую в любой момент времени полета ракеты определить ее скорость по известным начальным условиям, великий русский ученый, основоположник отечественной космонавтики К.Э. Циолковский в 1903 году. Выведенная им формула получила название формулы Циолковского:

Здесь  - скорость ракеты, когда ее масса стала равна m,  - скорость ракеты на старте,  - скорость продуктов сгорания относительно ракеты, ln – символ натурального логарифма, m_{0 –} масса ракеты на старте, m – масса ракеты в момент, когда ее скорость стала равна .

Из формулы Циолковского следует, что чем больше топлива сгорит, то есть чем меньше будет оставшаяся масса m, тем большую скорость разовьет ракета. Для увеличения полезной массы ракеты увеличивают скорость истечения газов, подбирая соответствующие виды топлива. Газы, выходящие из ракеты, должны иметь по возможности меньшую молекулярную массу (чем меньше молекулярная масса топлива, тем больше объём газов, образующихся при его сгорании, и, следовательно, скорость их истечения) и быть нагреты до возможно более высокой температуры.

Кроме того, используют несколько последовательно работающих, а затем отбрасываемых ступеней, входящих в состав многоступенчатой ракеты, что позволяет наращивать скорость ракеты в полете. Идея многоступенчатой ракеты была высказана Циолковским.

Для того, чтобы определить от чего сила тяги ракеты, я провел серию опытов с пластиковой бутылкой, подвешенной на нитях, в которой сделаны отверстия. Я попробовал повторить опыт венгерского физика Я.А.Сегнера, который в 1750 году продемонстрировал свой прибор - "сегнерово колесо". В литровой бутылке я менял количество отверстий и температуру налитой воды (холодная вода имела температуру         21 ⁰С, горячая вода 95 ⁰С). В результате проделанных мною опытов я получил следующие результаты.

№ опыта	Количество отверстий	Холодная вода	Горячая вода
		Количество оборотов	Количество оборотов
1	3	1	2,5
2	6	2,5	3,5
3	9	3,5	4,5

 

Я убедился, что сила тяги увеличивается с ростом внутренней энергии топлива (воды), с увеличением скорости истечения топлива.

 

3. Экспериментальное доказательство формулы Циолковского

При реактивном движении горячие газы, образующиеся при сгорании топлива в двигателе ракеты, с большой скоростью выбрасываются через сопло в хвосте ракеты. Сила реакции вытекающей струи газов сообщает ракете ускорение. Поскольку масса ракеты постепенно уменьшается (выгорает топливо), модуль ускорения ракеты со временем изменяется. Циолковский теоретически вывел формулу, по которой можно определить скорость ракеты в любой момент работы ее двигателей.

Например, к моменту полного сгорания топлива модуль скорости  ракеты вычисляется по формуле

 

где  - скорость вытекания продуктов сгорания относительно ракеты, m₁ – масса самой ракеты (без топлива), m₂ – масса сгоревшего топлива, ln – символ натурального логарифма.

Экспериментальную проверку этой формулы я проводил с помощью модели ракеты. Для пуска ракеты мною было изготовлено пусковое устройство. В качестве стартовой площадки был использован деревянный брусок, на котором жестко закреплены непосредственно пусковое устройство и система нагнетания воздуха, состоящая из сантехнического шланга и ввернутого в него автомобильного золотника, через который посредством ножного насоса нагнетался воздух в корпус ракеты.

Рисунок 1.

Опыт производился несколько раз для достижения максимально вертикального взлета ракеты, с целью получения более точных результатов при проведении расчетов.

Начальную скорость ракеты при строго вертикальном полете находим по высоте подъема ракеты, которая была определена способом масштабирования, по кадрам видеосъемки. . Максимальная высота вертикального полета ракеты составила 7 метров.

Подставив, значения я получил:

Так как запуск ракеты, производился при низких температурах (-25⁰С) я использовал в качестве топлива смесь чистой воды и спирта, плотность смеси составила 900 кг/м³.

Для определения скорости  истечения воды относительно ракеты найдём сначала объём воды, потом массу и выразим скорость. Скорость воды относительно ракеты я возьму постоянной, как и Циолковский, и рассчитаю её через всю массу воды и время её вытекания из ракеты.

Здесь  - плотность воды, S – площадь сечения сопла, m₂ – масса выброшенной воды,  - время выброса воды (вычислено по видеозаписи). 

                

Подставив числовые значения, получим:

Проверю формулу Циолковского:

Подставлю числовые значения, получим:

Относительная погрешность измерений вычислена по формуле:

Погрешность измерения составила:

 

Таким образом я доказал формулу Циолковского.

4. Ему была ясна звездная книга

Константин Эдуардович Циолковский родился 17 сентября 1857г. В селе Ижевском Спасского уезда Рязанской губернии в семье лесничего. О своих родителях Циолковский писал: «Отец всегда был холоден, сдержан. Среди знакомых он слыл умным человеком и оратором. Среди чиновников – красным и нетерпимым по своей идеальной честности…У него была страсть к изобретательству и строительству. Меня ещё не было на свете, когда он придумал  и устроил молотилку. Увы, неудачно! Мать была же совсем другого характера – натура сангвиническая, горячка, хохотунья, насмешница и даровитая. В отце преобладал характер, сила воли, в матери – талантливость».

Циолковскому было восемь лет, когда мать подарила ему игрушечный воздушный шар (аэростат), выдутый из коллодиума и наполненный водородом. Будущий создатель теории цельнометаллического дирижабля с удовольствием занимался этой игрушкой.

На десятом году жизни – в начале зимы – Циолковский, катаясь на санках, простудился и заболел скарлатиной. Болезнь была тяжелой, и вследствие ее осложнения мальчик почти совершенно, но потерял слух. Глухота не позволила продолжать учебу в школе. «Глухота делает мою биографию малоинтересной, - пишет позднее Циолковский, - ибо лишает меня общения с людьми, наблюдения и заимствования. Моя биография бедная лицами и столкновениями». С 10 до 14 лет жизнь Циолковского была «самым грустным, самым темным временем… Я стараюсь восстановить его в памяти, но ничего сейчас не могу вспомнить. Нечем помянуть это время.

С 14 лет Константин Эдуардович начал заниматься самостоятельно, пользуясь небольшой библиотекой своего отца, в которой были книги по естественным наукам и по математике. Тогда же в нем пробуждается страсть к изобретательству. Он строит воздушные шары из тонкой папиросной бумаги, делает маленький токарный станок и конструирует коляску, которая должна была двигаться при помощи ветра. Модель коляски прекрасно удалась и двигалась на крыше дома по доске, даже против ветра.

Исследователь творчества К.Э. Циолковского Сергей Иванович Самойлович (1891-1974) пишет об этом периоде жизни ученого следующее: «Эдуард Игнатьевич (отец К.Э. Циолковского), заметив большие изобретательские наклонности сына, решил дать ему техническое образование и снарядил в Москву для поступления в техническое училище, которое готовило ремесленников. Это было в 1873 г. Но к этому времени технические училище преобразовали в выше учебное заведение (известное нам как МВТУ), чего не знал отец».  Константин Эдуардович не мог, конечно, поступить в Высшее техническое училище и решил заниматься самообразованием.

Из дома Циолковский получал 10-15 рублей в месяц. Питался одним черным хлебом, не имел даже картошки и чая. Зато покупал книги, реторты, ртуть, серную кислоту и прочее для различных опытов и самодельных приборов. «Я помню, - пишет Циолковский в своей биографии, - что, кроме воды и черного хлеба, у меня тогда ничего не было. Каждые три дня я ходил в булочную и покупал там на 9 копеек хлеба. Таким образом я проживал в месяц 90 копеек… Все же я был счастлив своими идеями, и черный хлеб меня нисколько не огорчал».

Тяжёлая жизнь в Москве подорвала здоровье юноши. Пришлось возвратиться домой и, чтобы заработать средства на жизнь, заняться частными уроками Огромная сила воли и выдающиеся способности Циолковского привели к цели − экстерном он сдал экзамены на звание учителя. С 1880 г. началась его многолетняя педагогическая работа в училищах небольших городов Центральной России − сначала Боровска, потом Калуги.

Одновременно К. Э. Циолковский с увлечением отдался научной и изобретательской деятельности, которая продолжалась более полувека. Ученый внес ощутимый вклад в решение многих задач науки и техники. Но важнейшим делом его жизни стали труды в области ракетно-космической техники, подчиненные целям исследования и освоения межпланетного пространства. Решение этих проблем красной нитью проходит через все его полувековое научное творчество.

Идея использования ракет в космосе зародилась в сознании Циолковского еще в самом начале его научной деятельности. В работе «Свободное пространство», относящейся к 1883 г., отчетливо сформулирована мысль об использовании реакции истекающей струи для механического движения. В последние годы XIX в. К. Э. Циолковский создает математическую теорию реактивного движения, а в 1903 г. выходит в свет его знаменитая статья «Исследование мировых пространств реактивными приборами». «Эта классическая работа, − сказал С. П. Королев, − по праву считается первой в мире научной работой, посвященной вопросам теории реактивного движения и ряду важнейших технических предложений в области ракетной техники». Каждое последующее издание своего замечательного труда (1911 − 1912, 1914 и 1926 гг.) ученый дополнял новыми разработками не только теоретического, но уже и практического характера. Обладая в высокой мере чувством научного предвидения, он ощущал приближение космической эры и как бы готовил человечество достойно встретить новый период в истории общества.

В указанной работе и в других трудах послеоктябрьского периода, посвященных ракетно-космической технике, К. Э. Циолковский разработал важнейшие проблемы, относящиеся к организации полетов человека за пределы земной атмосферы. К  их числу относятся вопросы создания теории многоступенчатых ракет («ракетных поездов», по выражению Циолковского), достижения космических скоростей летательным аппаратом, определения условий посадки космических аппаратов на поверхность планет, лишенных атмосферы, и т. д. Циолковский был первым среди тех ученых, кто поставил задачу создания искусственных спутников Земли, а также орбитальных космических станций, обеспечивающих длительную работу человека в космическом пространстве. Он рассмотрел и основные медико-биологические проблемы космического полета.

Я рассмотрю более подробно два важнейших результата Циолковского, полученные им в теории ракет. При исследовании законов движения ракет Циолковский идет последовательно строго научным путем, вводя в рассмотрение («шаг за шагом») основные силы, от которых зависит движение ракеты. Сначала он желает выяснить, какие максимальные возможности заключает в себе реактивный принцип создания механического движения, и ставит простейшую задачу о прямолинейном движении ракеты в предположении, что сила тяжести я сопротивление воздуха отсутствуют. Эту задачу называют сейчас первой задачей Циолковского.

С качественной стороны эта задача была рассмотрена Циолковским еще в 1883 г. в работе «Свободное пространство». Движение ракеты в этом простейшем случае обусловлено только процессом отбрасывания (истечения) частиц вещества из камеры реактивного двигателя. При математических расчетах Циолковский вводит предположение о постоянстве относительной скорости отброса частиц, которое до настоящего времени используется многими авторами теоретических работ по ракетодинамике. Это предположение называют гипотезой Циолковского.

Вот как обосновывает эту гипотезу Циолковский в своей работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами»: «Чтобы снаряд получил наибольшую скорость, надо, чтобы каждая частица продуктов горения или иного отброса получила наибольшую относительную скорость. Она же постоянна для определенных веществ отброса... Экономия энергии тут не имеет места: невозможна и невыгодна. Другими словами: в основу теории ракеты надо принять постоянную относительную скорость частиц отброса.

Циолковский весьма простыми рассуждениями получает основное уравнение движения ракеты в среде без действия внешних сил и выводит простую формулу для максимальной скорости ракеты в виде:,где m − масса топлива, Мк − масса ракеты без топлива, Z = m/Mк т. е. отношение массы (веса) топлива к массе (весу) ракеты без топлива (его называют числом Циолковского), а v_r − есть относительная скорость истечения продуктов сгорания из реактивного двигателя.

По современной терминологии участок траектории, пройденный ракетой за время работы двигателя (время, когда происходит отброс частиц), называют активным участком полета. Из формулы (1) следует, что

а) скорость движения в конце горения (в конце активного участка) будет тем больше, чем больше относительная скорость отбрасываемых частиц (если относительная скорость истечения удваивается, то и максимальная скорость ракеты возрастает в два раза);

б) скорость ракеты в конце активного участка увеличивается с увеличением отношения начальной массы ракеты к массе ракеты в конце горения.

Однако в последнем случае зависимость более сложная, она дается следующей теоремой Циолковского: «Когда масса ракеты плюс масса взрывчатых веществ, имеющихся при реактивном приборе, возрастает в геометрической прогрессии, то скорость «ракеты» увеличивается в прогрессии арифметической» (доказательство следует из формулы (1).

«Положим, например, − пишет Циолковский, − что масса ракеты и взрывчатых веществ составляет 8 единиц. Я отбрасываю 4 единицы взрывчатых веществ и получаю скорость, которую мы примем за единицу. Затем я отбрасываю 2 единицы взрывчатого материала и получаю еще единицу скорости; наконец, отбрасываю последнюю единицу массы взрывчатых веществ и получаю еще единицу скорости; всего 3 единицы скорости. Из этой теоремы видно, что «скорость ракеты далеко не пропорциональна массе взрывчатого материала: она растет весьма медленно, но беспредельно».

Из формулы Циолковского следует весьма важный практический результат: для получения возможно больших скоростей ракеты в конце процесса горения гораздо выгоднее идти по пути увеличения относительных скоростей отбрасываемых частиц, чем по пути увеличения относительного запаса горючего.

Заметим, что Циолковский решил задачу о прямолинейном движении ракеты в поле тяготения и ему удалось (приближенно) учесть и влияние сил сопротивления воздуха. Он открыл весьма интересный и очень простой (математически) класс движений ракет, когда ее масса уменьшается по показательному закону. Циолковский впервые (что почему-то не освещается в литературе) решил задачу о возможности мягкой посадки ракеты на астероид и планету, практически не имеющую атмосферы (например, Меркурий).

Получив исходные расчетные формулы для исследования прямолинейных движений ракет, Циолковский намечает обширную программу последовательных усовершенствований реактивных летательных аппаратов и завоевания космоса. Вот основные моменты этой грандиозной программы:

1. «Устраивается ракетный самолет с крыльями и обыкновенными органами управления». Цель − научиться управлять аэропланом с ракетным двигателем, регулировать тягу и планировать при выключенном двигателе.

2. Крылья последующих самолетов надо понемногу уменьшать, силу тяги и скорость − увеличивать.

3. Проникновение в очень разреженные слои атмосферы.

4. Полет за пределы атмосферы и спуск планированием.

5. Основание подвижных станций вне атмосферы (искусственные спутники Земли).

6. Использование космонавтами энергии Солнца для дыхания, питания и других целей.

7. «Устраиваются» эфирные скафандры (герметичная одежда) для безопасного выхода из ракеты в эфир.

8. Вокруг Земли «устраивают» обширные поселения.

9. «Используют солнечную энергию не только для питания и удобства жизни (комфорта), но и для перемещения по всей Солнечной системе».

10. «Основывают колонии в поясе астероидов и других местах Солнечной системы, где только находят небольшие небесные тела».

11. Развивается промышленность в космосе. Число космических станций невообразимо множится.

12. «Достигается индивидуальное (личности, отдельного человека) и общественное (социалистическое) совершенство».

13. «Население Солнечной системы делается в сто тысяч миллионов раз больше теперешнего земного. Достигается предел, после которого неизбежно расселение по всему Млечному Пути».

14. «Начинается угасание Солнца. Оставшееся население Солнечной системы удаляется от нее к другим солнцам, к ранее улетевшим братьям».

Детальные исследования прямолинейных движений ракет и расчеты скоростей истечения при сгорании различных топлив привели Циолковского к выводу о том, что достижение больших космических скоростей для одноступенчатой ракеты является очень трудной технической проблемой. Для того чтобы при известных и доступных топливах можно было сообщить полезному грузу космические скорости, Циолковский в 1929 г. разработал теорию движения составных ракет3, или, как он их называл, «ракетных поездов».

3 Теория полета двухступенчатой ракеты была разработала Циолковским в 1926 г.

Исходя из описаний, приводившихся в его работах, можно утверждать, что он предлагал два типа составных ракет. Первый тип подобен железнодорожному поезду, в котором паровоз толкает состав сзади. Например, в случае трех ракет, скрепленных последовательно одна за другой, «ракетный поезд» толкается сначала нижней (хвостовой) ракетой. После израсходования топлива хвостовой ракетой она отцепляется от поезда и падает на Землю. Далее начинает работать двигатель второй (средней) ракеты, которая опять же для «поезда» из двух ракет является «толкающей». Наконец, израсходовав свое топливо, отцепляется вторая ракета, и начинает работать двигатель последней (третьей) ракеты. Естественно, третья ракета в таком «поезде» может достигнуть гораздо большей скорости, чем одиночная ракета, так как отброшенные в процессе движения две ракеты уже сообщили ей дополнительную скорость.

Второй тип составной ракеты был назван Циолковским эскадрой ракет. Например, в случае четырех одинаковых ракет они скрепляются параллельно и при израсходовании половины топлива каждой из ракет неизрасходованный запас топлива двух из них переливается в полупустые емкости других двух ракет. Первые две ракеты отделяются от «эскадрильи», и полет продолжают полностью заправленные две ракеты. По израсходовании половины топлива оставшееся топливо одной из ракет вновь переливается в другую ракету, которая и достигает цели путешествия.

Если не учитывать сил сопротивления воздуха, то все летные характеристики «ракетных поездов» первого и второго типов можно найти путем последовательного применения формул Циолковского.

В последние годы своей жизни в статьях «Реактивный аэроплан» (1930 г.) и «Стратоплан полуреактивный» (1932 г.) Циолковский излагает теорию движения самолета с жидкостным реактивным двигателем и подробно развивает идею турбокомпрессорного винтового реактивного самолета.

Я кратко указал здесь основные направления глубоких теоретических исследований Циолковского в области ракетодинамики. Его заслуга заключается в том, что он сделал подвластными точному математическому анализу и инженерному расчету совершенно новые отрасли техники. Тысячи и миллионы людей наблюдали пороховые ракеты на фейерверках и иллюминациях, однако никто до Циолковского не дал количественного анализа законов движения ракет. Этот строгий математический анализ, проведенный Циолковским для задач ракетной техники, выявил количественные закономерности прямолинейных движений ракет и дал основы для оценки летных параметров создаваемых конструкций ракет. Он доказал, что ракета − реальное техническое решение задачи о космических полетах человека.

Отметим некоторые прогрессивные предложения Циолковского, касающиеся особенностей конструкций ракет дальнего действия и отдельных агрегатов (узлов) этих ракет.

1. Для управления полетом ракеты, т. е. для изменения траектории ее центра масс, он рекомендовал применять тугоплавкие газовые рули из графита, которые размещаются вблизи среза сопла реактивного двигателя и лежат парами в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. При отклонении горизонтальной пары вверх или вниз изменяется угол наклона оси ракеты с плоскостью горизонта. При отклонении вертикальной пары изменяется угол рыскания, или азимутальный угол. Дифференциальное отклонение любой пары рулей дает эффект, аналогичный действию элеронов у самолета, т. е. позволяет изменять угол крена или вращение около продольной оси ракеты.

2. Для тех же целей Циолковский рекомендовал закреплять реактивный двигатель в кардановом подвесе и добиваться изменений углов тангажа, рыскания и крена соответственными отклонениями (покачиваниями) всего двигателя. Поскольку реактивная сила обычно по своей величине больше веса ракеты, то отклонения корпуса двигателя невелики. Следует отметить, что и газовые пули, и покачивания всего двигателя нашли широкое применение в современном ракетостроении. Газовые пули обычно применяются для управления полетом ракет па малые и средние дальности, а отклонения всего двигателя используются на межконтинентальных ракетах и ракетах-носителях.

3. Для охлаждения стенок реактивного двигателя он предложил использовать компоненты топлива. Стенки камеры и сопла реактивного двигателя делать двухслойными, и чтобы между ними протекал один из жидких компонентов топлива, прежде чем попасть в камеру сгорания. Протекающее жидкое вещество (например, керосин или спирт) охлаждает горячую стенку двигателя. Чтобы отбор тепла был более эффективным, Циолковский рекомендовал делать внутренние поверхности камеры и сопла из материалов с высокой теплопроводностью. Такое принудительное охлаждение позволяет обеспечить длительную (минуты) работу ракетного двигателя. Камеры ракетных двигателей без охлаждения обычно прогорают за первые же секунды. Отметим, что способ принудительного охлаждения горячих стенок компонентами топлива применяется в большинстве современных конструкций ракетных двигателей.

4. После выхода космического корабля на расчетную орбиту при длительных полетах необходимо регулировать в разумных пределах температуру среды внутри корабля. Циолковский предложил поверхность корабля делать из пластинок (наподобие жалюзей на окнах): изменяя положение этих пластинок, можно в широких пределах менять коэффициенты отражения и поглощения солнечного света освещенной поверхностью корабля и изменять температуру в кабинах по желанию космонавта. Варианты этого предложения применяются в наши дни в конструкции космических аппаратов многих стран.

5. Для охлаждения наружной оболочки космического корабля, возвращающегося на Землю, Циолковский предложил использовать жидкие компоненты ракетного топлива аналогично охлаждению стенок двигателя (выдавливая жидкость в пограничный тепловой слой оболочки) .

6. Для уменьшения массы жидкостных ракетных двигателей он рекомендовал насосную подачу компонентов топлива в камеру сгорания. Это предложение принято в наши дни всеми конструкторами крупных ракетных двигателей.

7. Циолковский проявил себя и как химик по топливам для ракетных двигателей. В частности, он первым предложил весьма современные и высокоэффективные (по энергетике) пары окислителей и горючих:

жидкий кислород (окислитель) + жидкий водород (горючее);

жидкий кислород (окислитель) + спирт (горючее);

жидкий озон (окислитель) + углеводороды (например, керосин, бензин − горючее).

8. Циолковский рассчитал теоретически максимально возможные скорости истечения продуктов горения, получающиеся на срезе сопла камеры сгорания ракетного двигателя.

Циолковскому принадлежит также и прогрессивная идея постройки цельнометаллического аэроплана. В работе «Аэроплан или птицеподобная (авиационная) летательная машина» (1894 г.) даны описания и схема самолета, очень близкая к современной: моноплан с обтекаемым фюзеляжем, свободнонесущие крылья толстого профиля, колесное шасси, двигатель внутреннего сгорания. Циолковским предсказывался и весь путь пройденный современной авиацией: достижение все больших и больших скоростей и высот благодаря применению и развитию реактивных двигателей.

Изобретательская мысль ученого непрерывно работала над совершенствованием многого из того, что окружает человека в его жизни, в трудовой деятельности. В научном наследии Циолковского есть десятки трудов, посвященных самым разнообразным вопросам астрономии, физики, биологии, геохимии, техники. Многие из этих работ не потеряли своей актуальности и сейчас. Они разнообразны по теме, по стилю изложения, по степени популярности. Однако их объединяет горячее стремление автора лучше познать окружающий мир, приоткрыть завесу неизвестного, поставить новые силы природы на службу людям, облегчить труд и украсить жизнь человека.

Циолковский глубоко верил в могущество науки, в грядущий прогресс техники. В серии статей, начатой еще в 1915 г. и посвященной прогнозу будущего Земли и человечества, ученый убежденно доказывает всевозрастающую роль науки и техники в подчинении человеку стихийных сил природы, в совершенствовании самого человеческого общества.

В статье «Будущее Земли и человека (Технический и научный прогресс будущего)», относящейся к 1915 г., Циолковский писал: «Параллельно, или одновременно, будут развиваться: человек, наука и техника. От того, другого и третьего преобразуется вид Земли. Начнем с технического прогресса. Прежде всего достигнут совершенства того, что сейчас производят. Увеличат с. помощью машин в сотни раз производительность рабочего. Сделают труд его во всех отраслях совершенно безопасным, безвредным для здоровья, даже приятным и интересным. Сократится время поденной работы до 4 − б часов. Остальное отдадут свободному, необязательному труду, творчеству, развлечению, науке, мечтам...»

Ученый говорит о глубоких шахтах, об использовании внутреннего тепла Земли, о новых материалах − сверхтвердых, легких, неокисляющихся, жароупорных. Он мечтает о новых способах достижения весьма высоких и необыкновенно низких температур, которые найдут повсеместное применение в народном хозяйстве. Циолковский предсказывает все более широкое использование человеком природных ресурсов морей и океанов, и многое другое.

Циолковского увлекали вопросы скоростного наземного транспорта. Этой теме он посвятил несколько детально разработанных статей. В годы, когда эксплуатационные скорости железнодорожного транспорта порядка 50 − 60 км/ч считались чуть ли не предельными, а полет аэроплана со скоростью в 250 − 300 км/ч выглядел как огромный успех техники, Циолковский мечтал о сверхзвуковых скоростях не только в космосе, но и в атмосфере Земли. Он предвидел также возможности резкого увеличения скорости наземного транспорта. Недаром его вычисления, сведенные в локальные таблицы, доведены до скоростей в тысячу метров в секунду, т. е. до 3600 км/ч. Это утроенная скорость звука в воздухе!

Какими же путями можно добиться многократного увеличения скорости средств передвижения на Земле? Циолковский дает точный ответ на этот вопрос: только применением принципиально нового метода, новых технических устройств. Ими должны явиться средства транспорта, не катящиеся по дороге, а парящие над ней. Упругая и эластичная воздушная подушка − вот что должно отделять скоростной вагон от дороги.

Принцип движения транспортных средств на воздушной подушке был наиболее полно сформулирован К. Э. Циолковским в его брошюре «Сопротивление воздуха и скорый поезд» (1927 г.). В этой работе ученый дает подробный теоретический расчет параметров движения скоростного поезда на воздушной подушке. Он убежденно говорит о поезде будущего, который, используя силу инерции, «будет перескакивать через все реки, пропасти и горы любых размеров», при этом «не нужно будет мостов, тоннелей и больших земляных и горных работ». Ученый мечтает о том времени, когда лишь полчаса езды в поезде будут отделять Москву от Ленинграда и всего 10 ч займет путь от полюса до экватора и не на самолете (это осуществимо уже в наши дни), а в купе скоростного наземного экспресса.

К той же идее воздушной подушки ученый возвращается и в последующих статьях, посвященных скоростному наземному транспорту. В интересной работе «Общие условия транспорта», написанной в январе 1934 г. и впервые опубликованной 30 лет спустя в 4-м томе собрания сочинений ученого, Циолковский практически рассматривает такие частные детали предлагаемых им аппаратов, как характер двигателя, форма и конструкция вагона, устройство закраин, профиль пути и т. д.

5. Классификация реактивных двигателей и особенности их использования

Русское слово "ракета" произошло от немецкого слова "ракет". А это немецкое слово - уменьшительное от итальянского слова "рокка", что значит "веретено". То есть, "ракета" означает "маленькое веретено", "веретёнце". Связано это, конечно, с формой ракеты: она похожа на веретено - длинная, обтекаемая, с острым носом. И форма эта не случайна, так как именно она способна обеспечить максимальную скорость полета.

В основе современных мощных реактивных двигателях различных типов лежит принцип прямой реакции, т.е. принцип создания движущей силы (или тяги) в виде реакции (отдачи) струи вытекающего из двигателя "рабочего вещества", обычно - раскалённых газов.

Во всех двигателях существует два процесса преобразования энергии. Сначала химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, а затем тепловая энергия используется для совершения механической работы. Рассмотрим этот процесс применительно к реактивным двигателям. В камере сгорания создается тем или иным способом, зависящим от типа двигателя и рода топлива горючая смесь. Это может быть, например, смесь воздуха с керосином, как в турбореактивном двигателе современного реактивного самолёта, или же смесь жидкого кислорода со спиртом, как в некоторых жидкостных ракетных двигателях, или, наконец, какое-нибудь твёрдое топливо пороховых ракет. Горючая смесь может сгорать, т.е. вступать в химическую реакцию с бурным выделением энергии в виде тепла. Способность выделять энергию при химической реакции, и есть потенциальная химическая энергия молекул смеси. Химическая энергия молекул связана с особенностями их строения, точнее, строения их электронных оболочек, т.е. того электронного облака, которое окружает ядра атомов, составляющих молекулу. В результате химической реакции, при которой одни молекулы разрушаются, а другие возникают, происходит, естественно, перестройка электронных оболочек. В этой перестройке - источник выделяющейся химической энергии. Видно, что топливами реактивных двигателей могут служить лишь такие вещества, которые при химической реакции в двигателе (сгорании) выделяют достаточно много тепла, а также образуют при этом большое количество газов.

 Пока сгорание не началось, смесь обладает большим запасом потенциальной химической энергии. Но вот пламя охватило смесь, ещё мгновение - и химическая реакция закончена. Теперь уже вместо молекул горючей смеси камеру заполняют молекулы продуктов горения, более плотно "упакованные". Избыток энергии связи, представляющей собой химическую энергию прошедшей реакции сгорания, выделился. Обладающие этой избыточной энергией молекулы почти мгновенно передали её другим молекулам и атомам в результате частых столкновений с ними. Все молекулы и атомы в камере сгорания стали беспорядочно, хаотично двигаться со значительно более высокой скоростью, температура газов возросла. Так произошел переход потенциальной химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания.

Назначение реактивного двигателя - создавать реактивную тягу, а для этого необходимо, чтобы из двигателя вытекала наружу с большой скоростью струя газов - продуктов сгорания: сила реакции этой струи и есть тяга двигателя. Следовательно, работа расширения газообразных продуктов сгорания топлива в двигателе должна быть затрачена на разгон самих же газов. Это значит, что тепловая энергия газов в реактивном двигателе должна быть преобразована в их кинетическую энергию - беспорядочное хаотическое тепловое движение молекул должно замениться организованным их течением в одном, общем для всех направлении.

Для этой цели служит одна из важнейших частей двигателя, так называемое реактивное сопло. К какому бы типу не принадлежал тот или иной реактивный двигатель, он обязательно снабжен соплом, через которое из двигателя наружу с огромной скоростью вытекают раскалённые газы - продукты сгорания топлива в двигателе. В одних двигателях газы попадают в сопло сразу же после камеры сгорания, например, в ракетных или прямоточных двигателях. В других, турбореактивных, - газы сначала проходят через турбину, которой отдают часть своей тепловой энергии. Она расходует в этом случае для приведения в движение компрессора, служащего для сжатия воздуха перед камерой сгорания. Но, так или иначе, сопло является последней частью двигателя - через него текут газы, перед тем как покинуть двигатель.

Реактивное сопло может иметь различные формы, и, тем более, разную конструкцию в зависимости от типа двигателя. Главное заключается в той скорости, с которой газы вытекают из двигателя. Если эта скорость истечения не превосходит скорости, с которой в вытекающих газах распространяются звуковые волны, то сопло представляет собой простой цилиндрический или суживающий отрезок трубы. Если же скорость истечения должна превосходить скорость звука, то соплу придается форма расширяющейся трубы или же сначала суживающейся, а за тем расширяющейся (сопло Лавля). Только в трубе такой формы, как показывает теория и опыт, можно разогнать газ до сверхзвуковых скоростей, перешагнуть через "звуковой барьер".

Принцип прямой реакции, дал жизнь огромной кроне "генеалогического дерева" семьи реактивных двигателей. Все "химические" реактивные двигатели делятся на два класса в зависимости от того, используют они для своей работы окружающий воздух или нет.

                                    Таблица 1. Классификация реактивных двигателей

Класс воздушно-реактивных двигателей (ВРД) как показывает само название, они не могут работать вне атмосферы. Вот почему эти двигатели - основа современной авиации, как пилотируемой, так и беспилотной. ВРД используют атмосферный кислород для сгорания топлива, без него реакция сгорания в двигателе не пойдет. Но все же в настоящее время наиболее широко применяются турбореактивные двигатели (ТРД), устанавливаемые почти на всех без исключения современных самолётах. Как и все двигатели, использующие атмосферный воздух, ТРД нуждаются в специальном устройстве для сжатия воздуха перед его подачей в камеру сгорания. Ведь если давление в камере сгорания не будет значительно превышать атмосферное, то газы не станут вытекать из двигателя с большей скоростью - именно давление выталкивает их наружу. Но при малой скорости истечения тяга двигателя будет малой, а топлива двигатель будет расходовать много, такой двигатель не найдёт применения. В ТРД для сжатия воздуха служит компрессор, и конструкция двигателя во многом зависит от типа компрессора. Для приведения во вращение компрессора ТРД имеет газовую турбину, которая и дала название двигателю. Из-за компрессора и турбины конструкция двигателя оказывается весьма сложной.

Значительно проще по конструкции безкомпрессорные воздушно-реактивные двигатели, в которых необходимое повышение давления осуществляется другими способами, которые имеют названия: пульсирующие и прямоточные двигатели.

В пульсирующем двигателе для этого служит обычно клапанная решётка, установленная на входе в двигатель, когда новая порция топливно-воздушной смеси заполняет камеру сгорания и в ней происходит вспышка, клапаны закрываются, изолируя камеру сгорания от входного отверстия двигателя. Вследствие того давление в камере повышается, и газы устремляются через реактивное сопло наружу, после чего весь процесс повторяется.

В безкомпрессорном двигателе другого типа, прямоточном, нет даже и этой клапанной решётки и давление в камере сгорания повышается, в результате скоростного напора, т.е. торможения встречного потока воздуха, поступающего в двигатель в полёте. Понятно, что такой двигатель способен работать только тогда, когда летательный аппарат уже летит с достаточно большой скоростью, на стоянке он тяги не разовьет. Но зато при весьма большой скорости, в 4-5 раз большей скорости звука, прямоточный двигатель развивает очень большую тягу и расходует меньше топлива, чем любой другой "химический" реактивный двигатель при этих условиях.

Второй класс – ракетные двигатели отличен тем, что топливо и необходимый для его горения окислитель находятся непосредственно внутри двигателя или в его топливных баках. На рисунке 1 показана схема ракетного двигателя на твёрдом топливе. Порох или какое либо другое топливо, способное к горению в отсутствие воздуха, помещают внутрь камеры сгорания двигателя.

 

 

 

                                    Рис.2. Схема ракетного двигателя на твердом топливе

При горении топлива образуются газы, имеющие очень высокую температуру и оказывающие давление на стенки камеры. Сила давления на переднюю стенку камеры больше, чем на заднюю, где расположено сопло. Вытекающие через сопло газы не встречают на своём пути стенку, на которую могли бы оказывать давление. В результате появляется сила, толкающая ракету вперед.

Суженная часть камеры - сопло служит для увеличения скорости истечения продуктов  сгорания, что в свою очередь повышает реактивную силу. Сужение струи газа вызывает увеличение его скорости, так как при этом через меньшее поперечное сечение в единицу времени должна пройти такая же масса газа, что и при большем поперечном сечении.

Применяются также ракетные двигатели, работающие на жидком топливе.

В жидкостно-реактивных двигателях (ЖРД) в качестве горючего используют керосин, бензин, спирт, анилин, жидкий водород и т.д., а в качестве окислителя, необходимого для горения, - жидкий кислород, азотную кислоту, жидкий фтор, пероксид водорода и др. Горючее и окислитель хранятся отдельно в специальных баках и с помощью насосов подаются в камеру, где при сгорании топлива развивается температура до 3000 ⁰С и давление до 50 атм. В остальном двигатель работает так же, как и двигатель на твердом топливе.

Жидкостно-реактивные двигатели используются для запуска космических кораблей.

6. Примеры реактивного движения в природе

Реактивное движение технических устройств – копирование движения, встречающегося в природе. Морской моллюск-гребешок, резко сжимая створки раковины, рывками может двигаться вперед за счет реактивной струи воды, выброшенной из раковины. Приблизительно также передвигаются и некоторые другие моллюски. Личинки стрекоз набирают воду в заднюю кишку, а затем выбрасывают ее и прыгают вперед за счет силы отдачи. Так как в этих случаях толчки отделены друг от друга значительными промежутками времени, то большая скорость движения не достигается. Чтобы увеличить скорость движения, иначе говоря, число реактивных импульсов в единицу времени, необходима повышенная проводимость нервов, которые возбуждают сокращение мышц, обслуживающих «реактивный двигатель». Такая большая проводимость возможна при большом диаметре нерва. Известно, что у кальмаров самые крупные в животном мире нервные волокна. Они достигают в диаметре 1 мм – в 50 раз больше, чем у большинства млекопитающих, и проводят возбуждение со скоростью 25 м/с. Этим и объясняется большая скорость движения кальмаров (до 70 км/ч). Быстроходность и маневренность кальмара объясняется также прекрасными гидродинамическими формами тела животного, за что его прозвали «живой торпедой».

Инженеры уже создали двигатель, подобный двигателю кальмара. Его называют водометом. В нем вода засасывается в камеру. А затем выбрасывается из нее через сопло; судно движется в сторону, противоположную направлению выброса струи. Вода засасывается при помощи обычного бензинового или дизельного двигателя.

Осьминог, так же как и кальмар, движется реактивным образом. Всасывая и с силой выталкивая воду, он скользит в волнах, точно живая ракета.

Сальпа - морское животное с прозрачным телом, при движении принимает воду через переднее отверстие, причем вода попадает в широкую полость, внутри которой по диагонали натянуты жабры. Как только животное сделает большой глоток воды, отверстие закрывается. Тогда продольные и поперечные мускулы сальпы сокращаются, все тело сжимается, и вода через заднее отверстие выталкивается наружу. Реакция вытекающей струи толкает сальпу вперед.

Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире растений. Созревшие плоды “бешеного” огурца при лёгком прикосновении отскакивают от плодоножки, и из образовавшегося отверстия с силой выбрасывается горькая жидкость с семенами; сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении. Стреляет бешеный огурец более чем на 12 метров: так он распространяет свои семена. М. Метерлинг замечал: «Это действие столько же необычно, как если бы нам удалось сохраняя те же пропорции тела, выбросить одним спазматическим движением все наши органы, внутренности и кровь на полкилометра от нашей кожи или нашего скелета». Его еще называют взрывающийся огурец. Каждое семечко достигает скорости 100 километров в час. Бешеный огурец растет на побережье Черного моря.

Заключение

Когда смотришь по телевизору очередной запуск ракетной установки, гордишься тем, насколько человек умен и изобретателен, робеешь перед мощью созданной человеком и удивляешься красоте ее старта. Красота и практичность уживаются вместе в человеке, в природе, и в том, что создано им.

В настоящее время благодаря многим учёным со всего света, изучение реактивного движения продвинуто, но насколько оно продвинуто и сколько осталось до конца пути никто не знает. Человек уже был в космосе, но он понимает, что не увидел и одной миллиардной доли того, что бы хотел увидеть. Значит, и сегодня человеческая мысль направлена на решение задач, связанных с космическими полетами.

Работа над проектом мне дала многое. Хотя бы начать с того, что мне пришлось изучить много теоретического материала, а значит, полагаю, научился извлекать информацию с бумажных носителей – книг, работать с электронными библиотеками, посредством сети интернет. Я научился проектировать и ставить небольшие эксперименты, в зависимости от выдвинутых мною гипотез и предположений, работая над определенной задачей.

При выполнении собственного эксперимента я понял, как тяжел путь первооткрывателей, исследователей, людей, занимающихся наукой. Оказывается не всегда можно получить положительный результат эксперимента или объяснить полученный, так как у меня еще недостаточно знаний для полного объяснения.

Я думаю, что умение анализировать имеющие факты, умение сопоставлять и прогнозировать, умение находить пути решения возникающих ситуаций – все это приходит с опытом, с практикой. Чтобы приобрести все эти навыки и снова получить удовлетворение от своих маленьких открытий, даже если они уже известны, я в следующем году продолжу работать над своим новым исследовательским проектом.

 

Список литературы.

 

1. Е. Пономарев. Опыты для изучения реактивного движения. Лаборатория кванта http://kvant.mccme.ru/

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики: Учеб. пособие для вузов. В 5 т. Е.1. Механика. – 5-е изд., стереот. – М.:ФИЗМАТЛИТ, 2006.

2. Физика: Механика. 9 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики/М.М.Балашов; Под ред. Г.Я.Мякишева. – 3-е изд. – М.:Дрофа, 2001.

3. http://goldref.ru/

4. www.ktrv.ru/

5. http:www.ourkids.ru

6. http:www.college.ru/phusics

7. http:home-edu.ru

8. http:class-fizika.ru

Скачано с www.znanio.ru