Движение ракеты. Кто и когда изобрел первую ракету в мире

Эту вертушку можно назвать первой в мире паровой реактивной турбиной.

Китайская ракета

Еще раньше, за много лет до Герона Александрийского, в Китае тоже изобрели реактивный двигатель несколько иного устройства, называемый ныне фейерверочной ракетой . Фейерверочные ракеты не следует смешивать с их тезками - сигнальными ракетами, которые применяют в армии и флоте, а также пускают в дни всенародных праздников под грохот артиллерийского салюта. Сигнальные ракеты - это просто пули, спрессованные из вещества, горящего цветным пламенем. Ими выстреливают из крупнокалиберных пистолетов - ракетниц.

Китайская ракета представляет собой картонную или металлическую трубку, закрытую с одного конца и наполненную пороховым составом. Когда эту смесь поджигают, струя газов, вырываясь с большой скоростью из открытого конца трубки, заставляет ракету лететь в сторону, противоположную направлению газовой струи. Взлетать такая ракета может без помощи пистолета-ракетницы. Палочка, привязанная к корпусу ракеты, делает ее полет более устойчивым и прямолинейным.

Обитатели моря

В мире животных:

Здесь также встречается реактивное движение. Каракатицы, осьминоги и некоторые другие головоногие моллюски не имеют ни плавников, ни мощного хвоста, а плавают не хуже прочих обитателей моря . У этих мягкотелых существ в теле имеется довольно вместительный мешок или полость. В полость набирается вода, а затем животное с большой силой выталкивает эту воду наружу. Реакция выброшенной воды заставляет животное плыть в сторону, противоположную направлению струи.

Падающая кошка

Но самый интересный способ движения продемонстрировала обыкновенная кошка .

Лет сто пятьдесят назад известный французский физик Марсель Депре заявил:

А знаете ли, законы Ньютона не совсем верны. Тело может двигаться с помощью внутренних сил, ни на что не опираясь и ни от чего не отталкиваясь.

Где доказательства, где примеры? - протестовали слушатели.

Хотите доказательств? Извольте. Кошка, нечаянно сорвавшаяся с крыши, - вот доказательство! Как бы кошка ни падала, хоть головой вниз, на землю она обязательно встанет всеми четырьмя лапками. Но ведь падающая кошка ни на что не опирается и ни от чего не отталкивается, а переворачивается быстро и ловко. (Сопротивлением воздуха можно пренебречь - оно слишком ничтожно.)

Действительно, это знают все: кошки, падая; ухитряются всегда становиться на ноги.

Кошки это делают инстинктивно, а человек может сделать то же самое сознательно. Пловцы, прыгающие с вышки в воду, умеют выполнять сложную фигуру - тройное сальто, то есть трижды перевернуться в воздухе, а потом вдруг выпрямиться, приостановить вращение своего тела и уже по прямой линии нырнуть в воду.

Такие же движения, - без взаимодействия с каким-либо посторонним предметом, случается наблюдать в цирке во время выступления акробатов - воздушных гимнастов.

Падающую кошку сфотографировали киносъемочным аппаратом и потом на экране рассматривали кадр за кадром, что делает кошка, когда летит в воздухе. Оказалось, что кошка быстро вертит лапкой. Вращение лапки вызывает ответное движение- реакцию всего туловища, и оно поворачивается в сторону, противоположную движению лапки. Все происходит в строгом соответствии с законами Ньютона, и именно благодаря им кошка становится на ноги.

То же самое происходит во всех случаях, когда живое существо без всякой видимой причины изменяет свое движение в воздухе.

Водометный катер

У изобретателей появилась мысль, а почему бы не перенять у каракатиц их способ плавания. Они решили построить самоходное судно с водно-реактивным двигателем . Идея безусловно осуществимая. Правда, уверенности в удаче не было: изобретатели сомневались, получится ли такой водометный катер лучше обычного винтового. Надо было сделать опыт.

Выбрали старый буксирный пароход, починили его корпус, сняли гребные винты, а в машинном отделении поставили насос-водомет. Этот насос качал забортную воду и через трубу выталкивал ее за корму сильной струей. Пароход плыл, но двигался он все же медленнее винтового парохода. И это объясняется просто: обычный гребной винт вращается за кормой ничем не стесненный, вокруг него только вода; воду в водометном насосе приводил в движение почти точно такой же винт, но вращался он уже не на воде, а в тесной трубе. Возникало трение водяной струи о стенки. Трение ослабляло напор струи. Пароход с водометным движителем плыл медленнее винтового и топлива расходовал больше.

Однако от постройки таких пароходов не отказались: у них нашлись важные преимущества. Судно, снабженное гребным винтом, должно сидеть в воде глубоко, иначе винт будет без толку пенить воду или вертеться в воздухе. Поэтому винтовые пароходы боятся отмелей и перекатов, они не могут плавать по мелководью. А водометные пароходы можно строить мелкосидящими и плоскодонными: им глубина не нужна - где пройдет лодка, там пройдет и водометный пароход.

Первые водометные катера в Советском Союзе построены в 1953 году на Красноярской судостроительной верфи. Они предназначены для малых рек, где обычные пароходы не могут плавать.

Особенно прилежно инженеры, изобретатели и ученые занялись исследованием реактивного движения при появлении огнестрельного оружия . Первые ружья - всевозможные пистоли, мушкеты и самопалы - при каждом выстреле сильно ударяли человека в плечо. После нескольких десятков выстрелов плечо начинало так болеть, что солдат уже не мог целиться. Первые пушки - пищали, единороги, кулеврины и бомбарды - при выстреле отпрыгивали назад, так что, случалось, калечили пушкарей-артиллеристов, если они не успевали увернуться и отскочить в сторону.

Отдача орудия мешала меткой стрельбе, потому что пушка вздрагивала раньше, чем ядро или граната вылетали из ствола. Это сбивало наводку. Стрельба получалась неприцельной.

Инженеры-артиллеристы начали борьбу с отдачей более четырехсот пятидесяти лет назад. Сначала лафет снабдили сошником, который врезался в землю и служил прочным упором для пушки. Тогда думали, что если хорошенько подпереть пушку сзади, так чтобы ей некуда было откатываться, то отдача исчезнет. Но это была ошибка. Не был принят во внимание закон сохранения количества движения. Пушки ломали все подпорки, а лафеты так расшатывались, что орудие становилось непригодным для боевой работы. Тогда изобретатели поняли, что законы движения, как и всякие законы природы, нельзя переделать по-своему, их можно только «перехитрить» с помощью науки - механики.

У лафета они оставили сравнительно небольшой сошник для упора, а ствол пушки положили на «салазки» так, чтобы откатывался только один ствол, а не все орудие целиком. Ствол соединили с поршнем компрессора, который ходит в своем цилиндре точно так же, как поршень паровой машины. Но в цилиндре паровой машины - пар, а в орудийном компрессоре - масло и пружина (или сжатый воздух).

Когда ствол пушки откатывается назад, поршень сжимает пружину. Масло же в это время сквозь мелкие отверстия в поршне продавливается по другую сторону поршня. Возникает сильное трение, которое частично поглощает движение откатывающегося ствола, делает его более медленным и плавным. Потом сжатая пружина расправляется и возвращает поршень, а вместе с ним и ствол орудия на прежнее место. Масло нажимает на клапан, открывает его и свободно перетекает снова под поршень. Во время беглого огня ствол орудия почти непрерывно движется вперед и назад.

В орудийном компрессоре отдача поглощается трением.

Дульный тормоз

Когда мощность и дальнобойность пушек возросла, компрессора оказалось недостаточно, чтобы обезвредить отдачу. В помощь ему был изобретен дульный тормоз .

Дульный тормоз - это всего лишь короткая стальная труба, укрепленная на срезе ствола и служащая как бы его продолжением. Диаметр ее больше диаметра канала ствола, и поэтому она нисколько не мешает снаряду вылетать из дула. В стенках трубки по окружности прорезано несколько продолговатых отверстий.

Пороховые газы, вылетающие из ствола орудия вслед за снарядом, сразу же расходятся в стороны, и часть их попадает в отверстия дульного тормоза. Эти газы с большой силой ударяются о стенки отверстий, отталкиваются от них и вылетают наружу, но уже не вперед, а немного вкось и назад. При этом они давят на стенки вперед и толкают их, а вместе с ними и весь ствол орудия. Они помогают лафетной пружине потому, что стремятся вызвать откат ствола вперед. А в то время, пока они находились в стволе, они толкали орудие назад. Дульный тормоз значительно уменьшает и ослабляет отдачу.

Другие изобретатели пошли иным путем. Вместо того чтобы бороться с реактивным движением ствола и стараться его погасить, они решили применить откат орудия с пользой для дела. Эти изобретатели создали много образцов автоматического оружия: винтовок, пистолетов, пулеметов и пушек, в которых отдача служит для того, чтобы выбрасывать использованную гильзу и перезаряжать оружие.

Реактивная артиллерия

Можно совсем не бороться с отдачей, а использовать ее: ведь действие и реакция (отдача) равносильны, равноправны, равновелики, так пусть же реактивное действие пороховых газов , вместо того чтобы отталкивать назад ствол орудия, посылает снаряд вперед в цель. Так была создана реактивная артиллерия . В ней струя газов бьет не вперед, а назад, создавая в снаряде направленную вперед реакцию.

Для реактивного орудия оказывается ненужным дорогой и тяжелый ствол. Для направления полета снаряда прекрасно служит более дешевая, простая железная труба. Можно обойтись вовсе без трубы, а заставить снаряд скользить по двум металлическим рейкам.

По своему устройству реактивный снаряд подобен фейерверочной ракете, он только размерами побольше. В его головной части вместо состава для цветного бенгальского огня помещается разрывной заряд большой разрушительной силы. Середина снаряда наполняется порохом, который при горении создает мощную струю горячих газов, толкающих снаряд вперед. При этом сгорание пороха может длиться значительную часть времени полета, а не только тот короткий промежуток времени, пока обычный снаряд продвигается в стволе обычной пушки. Выстрел не сопровождается таким громким звуком.

Реактивная артиллерия не моложе обыкновенной артиллерии, а может быть, даже старше ее: о боевом применении ракет сообщают старинные китайские и арабские книги, написанные более тысячи лет назад.

В описаниях сражений более поздних времен нет-нет, да и промелькнет упоминание о боевых ракетах. Когда английские войска покоряли Индию, индийские воины-ракетчики своими огнехвостыми стрелами наводили ужас на захватчиков-англичан, порабощавших их родину. Для англичан в то время реактивное оружие было в диковинку.

Ракетными гранатами, изобретенными генералом К. И. Константиновым , мужественные защитники Севастополя в 1854-1855 годах отбивали атаки англо-французских войск.

Ракета

Огромное преимущество перед обыкновенной артиллерией - отпадала необходимость возить за собой тяжелые пушки - привлекло к реактивной артиллерии внимание военачальников. Но столь же крупный недостаток мешал ее усовершенствованию.

Дело в том, что метательный, или, как раньше говорили, форсовый, заряд умели делать только из черного пороха. А черный порох опасен в обращении. Случалось, что при изготовлении ракет метательный заряд взрывался, и гибли рабочие. Иногда ракета взрывалась при запуске, и гибли артиллеристы. Изготовлять и употреблять такое оружие было опасно. Поэтому оно и не получило широкого распространения.

Начатые успешно работы, однако, не привели к постройке межпланетного корабля. Немецкие фашисты подготовили и развязали кровопролитную мировую войну.

Реактивный снаряд

Недостаток при изготовлении ракет устранили советские конструкторы и изобретатели. В годы Великой Отечественной войны они дали нашей армии превосходное реактивное оружие. Были построены гвардейские минометы - «катюши» и изобретены РС («эрэс») - реактивные снаряды .

По своему качеству советская реактивная артиллерия превзошла все иностранные образцы и причиняла врагам громадный урон.

Защищая Родину, советский народ был вынужден поставить все достижения ракетной техники на службу обороны.

В фашистских государствах многие ученые и инженеры еще до войны усиленно разрабатывали проекты бесчеловечных орудий разрушения и массовых убийств. Это они считали целью науки.

Самоуправляющиеся самолеты

Во время войны гитлеровские инженеры построили несколько сот самоуправляющихся самолетов : снарядов «ФАУ-1» и реактивных снарядов «ФАУ-2». То были сигарообразные снаряды, имевшие в длину 14 метров и в диаметре 165 сантиметров. Весила смертоносная сигара 12 тонн; из них 9 тонн - топливо, 2 тонны - корпус и 1 тонна - взрывчатое вещество. «ФАУ-2» летели со скоростью до 5500 километров в час и могли подниматься в высоту на 170-180 километров.

Точностью попадания эти средства разрушения не отличались и были пригодны только для обстрела таких крупных мишеней, как большие и густонаселенные города. Немецкие фашисты выпускали «ФАУ-2» за 200-300 километров от Лондона в расчете, что город велик, - куда-нибудь да попадет!

Вряд ли Ньютон мог предполагать, что его остроумный опыт и открытые им законы движения лягут в основу оружия, созданного звериной злобой к людям, и целые кварталы Лондона обратятся в развалины и станут могилами людей, захваченных налетом слепых «ФАУ».

Космический корабль

Уже много веков люди лелеяли мечту о полетах в межпланетном пространстве, о посещении Луны, загадочного Марса и облачной Венеры. На эту тему было написано множество научно-фантастических романов, повестей и рассказов. Писатели отправляли своих героев в заоблачные дали на дрессированных лебедях, на воздушных шарах, в пушечных снарядах или еще каким-нибудь невероятным образом. Однако все эти способы полета основывались на выдумках, не имевших опоры в науке. Люди только верили, что они когда-нибудь сумеют покинуть нашу планету, но не знали, как это им удастся осуществить.

Замечательный ученый Константин Эдуардович Циолковский в 1903 году впервые дал научную основу идее космических путешествий . Он доказал, что люди могут покинуть земной шар и транспортным средством для этого послужит ракета, потому что ракета - единственный двигатель, который не нуждается для своего движения в какой-либо внешней опоре. Поэтому ракета способна летать в безвоздушном пространстве.

По своему устройству космический корабль должен быть подобен реактивному снаряду, только в его головной части поместится кабина для пассажиров и приборов, а все остальное пространство будет занято запасом горючей смеси и двигателем.

Чтобы придать кораблю нужную скорость, требуется подходящее топливо. Порох и другие взрывчатые вещества ни в коем случае не пригодны: они и опасны и слишком быстро сгорают, не обеспечивая длительного движения. К. Э. Циолковский рекомендовал применять жидкое топливо: спирт, бензин или сжиженный водород, горящие в струе чистого кислорода или какого-либо другого окислителя. Правильность этого совета признали все, потому что лучшего топлива тогда не знали.

Первая ракета с жидким горючим, весившая шестнадцать килограммов, была испытана в Германии 10 апреля 1929 года. Опытная ракета взлетела в воздух и скрылась из вида раньше, чем изобретатель и все присутствующие сумели проследить, куда она полетела. Найти ракету после опыта не удалось. На следующий раз изобретатель решил «перехитрить» ракету и привязал к ней веревку длиной четыре километра. Ракета взвилась, волоча за собой веревочный хвост. Она вытянула два километра веревки, оборвала ее и последовала за своей предшественницей в неизвестном направлении. И эту беглянку также не удалось найти.

Среди великих технических и научных достижений XX столетия одно из первых мест, несомненно, принадлежит ракетам и теории реактивного движения . Годы второй мировой войны (1941-1945) привели к необычайно быстрому совершенствованию конструкций реактивных аппаратов. На полях сражений вновь появились пороховые ракеты, но уже на более калорийном бездымном тротилпироксилиновом порохе («катюши»). Были созданы самолеты с воздушно-реактивными двигателями, беспилотные самолеты с пульсирующими воздушно-реактивными двигателями («ФАУ-1») и баллистические ракеты с дальностью полета до 300 км («ФАУ-2»).

Ракетная-техника становится сейчас очень важной и быстрорастущей отраслью промышленности. Развитие теории полета реактивных аппаратов - одна из насущных проблем современного научно-технического развития.

К. Э. Циолковский много сделал для познания основ теории движения ракет . Он был первым в истории науки, кто формулировал и исследовал проблему изучения прямолинейных движений ракет, исходя из законов теоретической механики. Как мы указывали, принцип сообщения движения, при помощи сил реакции отбрасываемых частиц был осознан Циолковским еще в 1883 году, однако создание им математически строгой теории реактивного движения относится к концу XIX столетия.

В одной из своих работ Циолковский писал: «Долго на ракету я смотрел, как и все: с точки зрения увеселений и маленьких применений. Не помню хорошо, как мне пришло в голову сделать вычисления, относящиеся к ракете. Мне кажется, первые семена мысли были заронены известным фантазером Жюлем Верном; он пробудил работу моего мозга в известном направлении. Явились желания, за желаниями возникла деятельность ума. ...Старый листок с окончательными формулами, относящимися к реактивному прибору, помечен датою 25 августа 1898 года».

«...Никогда я не претендовал на полное решение вопроса. Сначала неизбежно идут: мысль, фантазия, сказка. За ними шествует научный расчет. И уже в конце концов исполнение венчает мысль. Мои работы о космических путешествиях относятся к средней фазе творчества. Более, чем кто-нибудь, я понимаю бездну, разделяющую идею от ее осуществления, так как в течение моей жизни я не только мыслил и вычислял, но и исполнял, работая также руками. Однако нельзя не быть идее: исполнению предшествует мысль, точному расчету - фантазия».

В 1903 году в журнале «Научное обозрение» появилась первая статья Константина Эдуардовича по ракетной технике, которая называлась «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В этом труде на основании простейших законов теоретической механики (закона сохранения количества движения и закона независимого действия сил) была дана теория полета ракеты и обоснована возможность применения реактивных аппаратов для межпланетных сообщений (Создание общей теории движения тел, масса которых изменяется в процессе движения, принадлежит профессору И. В. Мещерскому (1859-1935)).

Идея применения ракеты для решения научных проблем, использование реактивных двигателей для создания движения грандиозных межпланетных кораблей целиком принадлежат Циолковскому. Он родоначальник современных жидкостных ракет дальнего действия, один из создателей новой главы теоретической механики.

Классическая механика, изучающая законы движения и равновесия материальных тел, базируется на трех законах движения , отчетливо и строго сформулированных английским ученым еще в 1687 году. Эти законы применялись многими исследователями для изучения движения тел, масса которых не изменялась во время движения. Были рассмотрены очень важные случаи движения и создалась большая наука - механика тел постоянной массы. Аксиомы механики тел постоянной массы, или законы движения Ньютона, явились обобщением всего предыдущего развития механики. В настоящее время основные законы механического движения излагаются во всех учебниках физики для средней школы. Мы дадим здесь краткое изложение законов движения Ньютона, так как последующий шаг в науке, позволивший изучать движение ракет, был дальнейшим развитием методов классической механики.

Закон сохранения импульса во многих случаях позволяет находить скорости взаимодействующих тел даже тогда, когда значения действующих сил неизвестны. Примером может служить реактивное движение.
На принципе отдачи основано реактивное движение. В ракете при сгорании топлива газы, нагретые до высокой температуры, выбрасываются из сопла с большой скоростью относительно ракеты. Обозначим массу выброшенных газов через m, а массу ракеты после истечения газов через M. Тогда для замкнутой системы «ракета + газы» на основании закона сохранения импульса (по аналогии с задачей о выстреле из орудия) можно записать:

где V – скорость ракеты после истечения газов. В данном случае предполагается, что начальная скорость ракеты равнялась нулю.
Полученная формула для скорости ракеты справедлива лишь при условии, что вся масса сгоревшего топлива выбрасывается из ракеты одновременно. На самом деле истечение происходит постепенно в течение всего времени ускоренного движения ракеты. Каждая последующая порция газа выбрасывается из ракеты, которая уже приобрела некоторую скорость.
Для получения точной формулы процесс истечения газа из сопла ракеты нужно рассмотреть более детально. Пусть ракета в момент времени t имеет массу M и движется со скоростью (рис. 1.17.3 (1)). В течение малого промежутка времени Δt из ракеты будет выброшена некоторая порция газа с относительной скоростью Ракета в момент t + Δt будет иметь скорость а ее масса станет равной M + ΔM, где ΔM < 0 (рис. 1.17.3 (2)). Масса выброшенных газов будет, очевидно, равна –ΔM > 0. Скорость газов в инерциальной системе OX будет равна Применим закон сохранения импульса. В момент времени t + Δt импульс ракеты равен а импульс испущенных газов равен В момент времени t импульс всей системы был равен Предполагая систему «ракета + газы» замкнутой, можно записать:

Величиной можно пренебречь, так как |ΔM| << M. Разделив обе части последнего соотношения на Δt и перейдя к пределу при Δt → 0, получим

Рисунок 1.17.3.
Ракета, движущаяся в свободном пространстве (без гравитации). 1 – в момент времени t. Масса ракеты М, ее скорость 2 – Ракета в момент времени t + Δt. Масса ракеты M + ΔM, где ΔM < 0, ее скорость масса выброшенных газов –ΔM > 0, относительная скорость газов скорость газов в инерциальной системе
Величина есть расход топлива в единицу времени. Величина называется реактивной силой тяги Реактивная сила тяги действует на ракету со стороны истекающих газов, она направлена в сторону, противоположную относительной скорости. Соотношение

выражает второй закон Ньютона для тела переменной массы. Если газы выбрасываются из сопла ракеты строго назад (рис. 1.17.3), то в скалярной форме это соотношение принимает вид:
Ma = μu,
где u – модуль относительной скорости. С помощью математической операции интегрирования из этого соотношения можно получить формулу для конечной скорости υ ракеты:

где – отношение начальной и конечной масс ракеты. Эта формула называется формулой Циолковского. Из нее следует, что конечная скорость ракеты может превышать относительную скорость истечения газов. Следовательно, ракета может быть разогнана до больших скоростей, необходимых для космических полетов. Но это может быть достигнуто только путем расхода значительной массы топлива, составляющей большую долю первоначальной массы ракеты. Например, для достижения первой космической скорости υ = υ1 = 7,9·103 м/с при u = 3·103 м/с (скорости истечения газов при сгорании топлива бывают порядка 2–4 км/с) стартовая масса одноступенчатой ракеты должна примерно в 14 раз превышать конечную массу. Для достижения конечной скорости υ = 4u отношение должно быть равно 50.

Модель. Реактивное движение
Значительное снижение стартовой массы ракеты может быть достигнуто при использовании многоступенчатых ракет, когда ступени ракеты отделяются по мере выгорания топлива. Из процесса последующего разгона ракеты исключаются массы контейнеров, в которых находилось топливо, отработавшие двигатели, системы управления и т. д. Именно по пути создания экономичных многоступенчатых ракет развивается современное ракетостроение.

«Земля – колыбель человечества. Но нельзя вечно жить в колыбели». Это высказывание принадлежит русскому изобретателю, выдающемуся учёному-самоучке Константину Эдуардовичу Циолковскому.

Циолковского называют отцом космонавтики. Ещё в 1883 г. в своей рукописи "Свободное пространство" он высказывал мысль о том, что в космосе можно передвигаться с помощью ракеты. Но теорию ракетного движения он обосновал гораздо позже. В 1903 г. была опубликована первая часть труда учёного, который назывался «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В этом труде он привёл доказательства того, что ракета является аппаратом, способным совершать космический полёт.

Научными разработками в области воздухоплавания и аэродинамики Циолковский занимался и ранее. В 1892 г. в работе «Теория и опыт аэростата» он описал управляемый дирижабль с оболочкой из металла. В те времена оболочки делали из прорезиненной ткани. Понятно, что дирижабль Циолковского мог служить гораздо дольше. Кроме того, он был оснащён системой подогрева газа и имел переменный объём. А это позволяло сохранять постоянную подъёмную силу при различных температурах окружающей среды и на различной высоте.

В 1894 г. учёный опубликовал статью «Аэростат или птицеподобная (авиационная) летательная машина», в которой описал летательный аппарат тяжелее воздуха – аэроплан с металлическим каркасом. В статье были даны расчёты и чертежи цельнометаллического самолёта с одним изогнутым крылом. К сожалению, в то время идеи Циолковского не были поддержаны в научном мире.

Многие поколения учёных мечтали о полётах за пределы Земли – на Луну, Марс и другие планеты. Но как будет двигаться летательный аппарат в космосе, где абсолютная пустота и нет опоры, оттолкнувшись от которой он получит ускорение? Циолковский предложил использовать для этой цели ракету, приводимую в движение реактивным двигателем.

Как устроен ракетный двигатель

В космическом пространстве нет ни твёрдой, ни жидкой, ни газообразной опоры. И ускорение космическому кораблю может сообщить только реактивная сила . Для появления этой силы внешние воздействия не нужны. Она возникает, когда продукты сгорания вытекают из сопла ракеты с некоторой скоростью относительно самой ракеты.

Основная часть ракетного двигателя – камера сгорания . В ней и происходит процесс сгорания топлива. В одной из стенок этой камеры есть отверстие, называемое реактивным соплом . Вот через это отверстие и выбрасываются газы, образуемые при сгорании.

Продукты сгорания топлива в двигателях называют рабочим телом. Вообще, рабочее тело – это некое условное материальное тело, расширяющееся при нагреве и сжимающееся при охлаждении. В каждом типе двигателя оно разное. Так, в тепловых двигателях, рабочее тело – это продукты сгорания бензина, дизельного топлива и др. В ракетных – продукты сгорания ракетного топлива. А топливо для ракетных двигателей также бывает разным. И в зависимости от его вида различают ядерные ракетные двигатели, электрические ракетные двигатели, химические ракетные двигатели.

В ядерном ракетном двигателе рабочее тело нагревается за счёт энергии, которая выделяется при ядерных реакциях.

В электрических ракетных двигателях источником энергии служит электрическая энергия.

Химические ракетные двигатели , в которых топливо (горючее и окислитель) состоит из веществ, находящихся в твёрдом состоянии, называются твёрдотопливными (РДТТ). А в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) компоненты топлива хранятся в жидком агрегатном состоянии.

Циолковский предложил использовать для полётов в космосе жидкостные ракетные двигатели. Такие двигатели преобразуют химическую энергию топлива в кинетическую энергию выбрасываемой из сопла струи. В камерах сгорания этих двигателей происходит экзотермическая (с выделением теплоты) реакция горючего и окислителя. В результате этой реакции продукты сгорания нагреваются, расширяются и, разгоняясь в сопле, истекают из двигателя с огромной скоростью. А ракета, согласно закону сохранения импульса, получает ускорение, направленное в другую сторону.

И в наше время для полётов в космосе применяют ракетные двигатели. Конечно, существуют и другие проекты двигателей, например, космический лифт или солнечный парус , но все они находятся в стадии разработки.

Первая ракета Циолковского

Люди придумали ракеты очень давно.

В конце III века до нашей эры человечество изобрело порох. А сила, возникающая при взрыве пороха, могла приводить в движение различные предметы. И пиротехнические средства стали использовать для фейерверков. Позже были созданы пушки и мушкеты. Их снаряды могли летать на вполне приличное расстояние. Но ракетами их всё-таки назвать нельзя было, так как они не имели собственного топлива. Но с их появлением возникли предпосылки для создания настоящих ракет.

Китайские «огненные стрелы», к которым прикреплялись трубки из плотной бумаги, заполненные горючим веществом и открытые с заднего конца, вылетавшие из лука при поджигании заряда, уже можно было считать ракетами.

В конце XIX века ракеты уже были на вооружении в артиллерии. Циолковский же предложил ракету – летательный аппарат, который передвигается в космическом пространстве за счёт действия реактивной тяги.

Как же выглядела первая ракета Циолковского? Это был летательный аппарат в виде металлической продолговатой камеры (формы наименьшего сопротивления), внутри которого располагались 2 отсека: жилой и двигательный. Жилой отсек предназначался для экипажа. А в двигательном отсеке находился жидкостный ракетный двигатель, работающий на водородно-кислородном топливе. Жидкий водород служил топливом, а жидкий кислород – окислителем, необходимым для горения водорода. Газы, образующиеся при сгорании топлива, имели очень высокую температуру и текли по трубам, расширяющимся к концу. Разредившись и охладившись, они вырывались из раструбов с огромной относительно ракеты скоростью. На выбрасываемую массу действовала сила со стороны ракеты. А согласно третьему закону Ньютона (закон равенства действия и противодействия) такая же сила, называемая реактивной, действовала и на ракету со стороны выбрасываемой массы. Эта сила сообщала ракете ускорение.

Формула Циолковского

Формула для вычисления скорости ракеты, обнаружена в математических трудах Циолковского, написанных им в 1897 г.

,

V - скорость летательного аппарата после выработки всего топлива:

I – отношение тяги двигателя к расходу топлива в секунду (величина, называемая удельным импульсом ракетного двигателя). Для теплового ракетного двигателя u = I.

M 1 – масса летательного аппарата в начальный момент полёта. Она включает массу самой конструкции ракеты, массу топлива и массу полезной нагрузки (например, космического корабля, который выводится ракетой на орбиту).

M 2 – масса летательного аппарата в конечный момент полёта. Так как топливо к этому времени уже израсходовано, то это будет масса конструкции + масса полезной нагрузки.

С помощью формулы Циолковского можно рассчитать количество топлива, необходимое ракете для получения заданной скорости.

Из формулы Циолковского получаем отношение начальной массы ракеты к её конечной массе:

Обозначим:

M o – масса полезного груза

M k - масса конструкции ракеты

M t - масса топлива

Масса конструкции зависит от массы топлива. Чем больше топлива необходимо ракете, тем больше резервуаров потребуется для его транспортировки, а значит, большей будет и масса конструкции.

Отношение этих масс выражается формулой:

где k – коэффициент, который показывает количество топлива на единицу массы конструкции ракеты.

Этот коэффициент может быть разным в зависимости от того, какие материалы использованы в конструкции ракеты. Чем легче и прочнее эти материалы, тем меньшим будет коэффициент, и легче конструкция. Кроме того, он зависит и от плотности топлива. Чем плотнее топливо, тем меньшие по объёмы ёмкости потребуются для его транспортировки, и тем выше значение k .

Подставив в формулу Циолковского выражения начальной и конечной массы ракеты через массы конструкции, груза и топлива, получим:

Из этого выражения следует, что величина массы топлива равна:

Зная значение удельного импульса топлива и массу полезного груза, можно рассчитать скорость ракеты.

Эта формула имеет смысл только в том случае, если

или

Если это условие не выполняется, ракета никогда не сможет достигнуть заданной скорости.

Многоступенчатая ракета

Чтобы преодолеть притяжение Земли, летательный аппарат должен развить горизонтальную скорость около 7,9 км/сек. Эта скорость называется первой космической скоростью . Получив такую скорость, он будет двигаться вокруг Земли по концентрической орбите и станет искусственным спутником Земли. При меньшей скорости он упадёт на Землю.

Чтобы покинуть орбиту Земли, аппарат должен обладать скоростью 11,2 км/сек. Эта скорость называется второй космической скоростью . А космический аппарат, получивший такую скорость, становится спутником Солнца.

Каждое небесное тело имеет свои значения космических скоростей. Например, для Солнца вторая космическая скорость равна 617,7 км/сек.

Вес топлива, необходимого для получения даже первой космической скорости, по расчётам превышает вес самой ракеты. А ведь кроме топлива, она должна нести ещё и полезный груз: экипаж, приборы и т.п. Понятно, что такую ракету построить невозможно. Но Циолковский нашёл решение и этой задачи. А что если механически скрепить вместе несколько ракет? Учёный предложил направлять в космическое пространство целый «ракетный поезд». Каждая ракета в таком «поезде» называлась ступенью, а сам «поезд» - многоступенчатой ракетой.

Двигатель первой, самой большой ступени, включается при старте. Она получает ускорение и сообщает его всем остальным ступеням, которые по отношению к ней являются полезной нагрузкой. Когда всё топливо выгорит, эта ступень отделяется от ракеты и сообщает свою скорость второй ступени. Далее таким же образом разгоняется вторая ступень, которая также отделится от ракеты, когда закончится топливо. И так будет до тех пор, пока не закончится топливо в двигателе последней ступени ракеты. Тогда и эта ступень отделится от космического корабля, а он займёт свое место на космической орбите.

Ракетодинамика - это наука о движении летательных аппаратов, снабжённых реактивными двигателями.

Наиболее важная особенность полёта ракеты с работающим (развивающим тягу) двигателем - существенное изменение её массы во время движения вследствие сгорания топлива. Так, одноступенчатые ракеты в процессе разгона (набора скорости) теряют до 90% первоначальной (стартовой) массы.

Большинство современных ракет оснащаются химическими ракетными двигателями . Такие двигатели могут использовать жидкое, твёрдое или гибридное ракетное топливо. В камере сгорания начинается химическая реакция между топливом и окислителем, в результате получаются горячие газы, которые образуют истекающую реактивную струю, ускоряющуюся в реактивном сопле (или соплах) и выбрасывающуюся из ракеты. В двигателе ускорение этих газов создаёт тягу - толкающую силу, заставляющую ракету двигаться. Принцип реактивного движения описывается третьим законом Ньютона.

Но для движения ракет не всегда используются химические реакции . В паровых ракетах перенагретая вода, вытекающая через сопло, превращается в высокоскоростную паровую струю, которая служит для движения ракеты. Эффективность паровых ракет относительно низка, однако это окупается их простотой и безопасностью, а также дешевизной и доступностью воды. Так в 2004 году была проверена работа небольшой паровой ракеты в космосе на борту спутника UK-DMC. Также 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. Другими примерами ракетных двигателей внешнего сгорания может служить большинство конструкций ядерных ракетных двигателей.

Сама по себе ракета является «затратным» транспортным средством. Ракеты-носители космических аппаратов занимаются в основном «транспортировкой» топлива, необходимого для работы их двигателей, и собственной конструкции, состоящей в основном из топливных контейнеров и двигательной установки. На долю полезной нагрузки приходится лишь малая часть (1,5-2,0%) стартовой массы ракеты.

Более рационально использовать ресурсы позволяет составная ракета за счёт того, что в полёте ступень, выработавшая своё топливо, отделяется, и остальное топливо ракеты не тратится на ускорение конструкции отработавшей ступени, ставшей ненужной для продолжения полёта.

Многоступенчатые ракеты выполняются c поперечным или продольным разделением ступеней.

Ступени при поперечном разделении размещаются одна над другой и работают последовательно друг за другом, включаясь только после отделения предыдущей ступени. Эта схема даёт возможность создавать системы, в принципе, с любым количеством ступеней. Недостатком является лишь то, что ресурсы последующих ступеней не могут быть использованы при работе предыдущей, являясь для неё пассивным грузом.

При продольном разделении первая ступень состоит из нескольких одинаковых ракет (на практике, от 2 до 8), работающих одновременно и располагающихся вокруг корпуса второй ступени симметрично, чтобы равнодействующая сила тяги двигателей первой ступени была направлена по оси симметрии второй. Такая схема позволяет работать двигателю второй ступени одновременно с двигателями первой, увеличивая, таким образом, суммарную тягу, что особенно нужно во время работы первой ступени, когда масса ракеты максимальна. Но ракета с продольным разделением ступеней может быть только двухступенчатой.

Есть ещё и комбинированная схема разделения - это продольно-поперечная схема . В ней совмещены преимущества обеих схем, при которой первая ступень разделяется со второй продольно, а разделение всех последующих ступеней происходит поперечно. Примером служит отечественный носитель "Союз".

При разделении ступеней в атмосфере для их разведения может быть использована аэродинамическая сила встречного потока воздуха, а при разделении в пустоте иногда используются вспомогательные небольшие твёрдотопливные ракетные двигатели.