Работы Константина Эдуардовича Циолковского
Благодаря своим особенностям пороховые ракетные двигатели и жидкостно-реактивные двигатели (ЖРД) как бы взаимно дополняют друг друга в отношении своего применения. Пороховые двигатели обычно применяются в тех случаях, когда требуется двигатель одноразового действия с малой продолжительностью работы (секунды), чем и объясняется сравнительная простота их устройства. Жидкостно-реактивные двигатели имеют гораздо большую продолжительность работы (минуты и часы) и в случае надобности (например в авиации) их тяга может регулироваться, т. е. изменяться от нуля (выключение двигателя), до максимума. Они сложнее и дороже, чем пороховые двигатели.
Жидкостно-реактивные двигатели благодаря этим своим свойствам применяются главным образом как двигатели для самолетов и мощных дальнобойных ракет. Именно этим двигателям, очевидно, суждено быть двигателями космических кораблей, на которых в будущем, может быть не столь отдаленном, люди отправятся для исследования окружающей нас вселенной.
Кто из нас не мечтал, глядя на Луну и звезды, рассматривая в телескоп планеты, слушая лекции и читая книги о возможности жизни на других небесных телах, о том времени, когда человеческий гений сделает невозможное возможным, и нога человека, победителя природы, впервые вступит на почву Марса или Венеры? Кто не зачитывался фантастическими романами о межпланетных путешествиях? Кто не испытывал чувства зависти к выдуманным героям, совершающим межпланетное путешествие в фантастическом космическом корабле?
Однако только с тех пор, как проблема космических путешествий стала не только излюбленной, с легкой руки Жюль-Верна, темой романистов, но и предметом глубокого исследования ученых, она превратилась из мечты в реальную возможность и, вероятно, не за горами то время, когда эти путешествия станут реальной действительностью.
Мы говорим об этом так сейчас, опираясь на глубоко разработанную теорию, на разносторонние труды многочисленных талантливых ученых и исследователей, на многие достижения современной нам науки и техники. При этом мы с горячей признательностью вспоминаем имена людей, кому мы этим обязаны, имена ученых, заложивших основы этой теории, создавших, по существу, целую новую отрасль науки, проторивших новые пути в неизведанной области знания.
Впереди этой славной плеяды ученых золотыми буквами в истории науки вписано имя родоначальника ракетоплавания, создателя научной космонавтики, замечательного русского ученого Константина Эдуардовича Циолковского.
Более 50 лет тому назад Циолковский, тогда скромный калужский учитель, впервые в мире глазами ученого взглянул на то, что ранее казалось только несбыточной, безудержной фантазией. Строгим языком науки Циолковский в своих многочисленных, ставших теперь классическими и известными всему цивилизованному миру, трудах изложил основы теории межпланетных путешествий, раскрыл лежащие в основе этой теории законы, неопровержимо доказал, что будущий космический корабль будет несомненно ракетным, что двигателем этого корабля будет жидкостно-реактивный двигатель. Циолковский разработал первые проекты этих двигателей, принципиальные схемы которых легли в основу современных двигателей этого типа.
Всю свою жизнь Циолковский посвятил науке, но только в годы советской власти его гений раскрылся в полной мере: Циолковскому были созданы должные условия и он смог полностью отдаться любимому делу — ракетной технике. «Лишь Октябрь — писал Циолковский в письме к товарищу Сталину — принес признание трудам самоучки». Не удивительно поэтому, что перед смертью (Циолковский умер в 1935 г.) великий русский ученый-патриот передал «все свои труды по авиации, ракетоплаванию и межпланетным сообщениям партии большевиков и советской власти — подлинным руководителям человеческой культуры».
В 1903 г. Циолковский опубликовал работу «Исследование мировых пространств реактивными приборами»[9] — первую в мире научную работу о космических путешествиях с помощью ракетных кораблей. В этой работе он подробно описал проект разработанного им ракетного корабля с установленным на нем жидкостно-реактивным двигателем. Двигатель должен был работать на жидком углеводороде (бензин, керосин и т. д.) в качестве горючего и жидком кислороде — в качестве окислителя (фиг. 25). Эта схема двигателя предвосхищает проекты, осуществленные только через 40 лет после выхода в свет книжки Циолковского.
Следует отметить, что Циолковский разрабатывал не только проблемы далекого будущего, связанные с космическими кораблями, но и написал ряд работ, посвященных применению ракетных и воздушно-реактивных двигателей на самолетах. Ему принадлежит пророческое заявление, сбывающееся у нас на глазах: «За эрой аэропланов винтовых должна следовать эра аэропланов реактивных». Это проникновенное утверждение ученого было сделано тогда, когда еще ни один реактивный самолет не поднимался в небо, мало того, когда в большинстве стран к самой идее создания реактивного самолета относились как к утопической затее.
Фиг. 25. Космический ракетный корабль Циолковского (1903 г.).
Циолковский, являвшийся пионером в области ракетоплавания, родоначальником ракетной авиации, стал главой советской школы, идейным вдохновителем большой группы советских ученых в области ракетной техники.
Несколько позже, и вначале независимо, от Циолковского, над проблемами ракетоплавания работал талантливый ученый-самоучка изобретатель Ю. В. Кондратюк, ряд новых вопросов разрешил рано умерший энтузиаст ракетного дела инженер Ф. А. Цандер, много сделал проф. В. П. Ветчинкин и другие русские исследователи, конструкторы, инженеры, посвятившие себя работе в области ракетной техники. Именно благодаря их самоотверженному труду советская наука и техника в этой новой и столь многообещающей области занимает ведущее место.
Вопреки официальной буржуазной науке, замалчивающей и извращающей истинную роль русских ученых, ученые всего мира неоднократно признавали приоритет русской науки в области ракетоплавания и ведущую роль в ней Циолковского. Вот, например, что писал Циолковскому в свое время видный немецкий ученый Оберт, руководивший там работами по ракетной технике: «Вы зажгли огонь… и мы приложим все усилия, чтобы исполнилась величайшая мечта человечества».
Все работы Циолковского, и в первую голову его работы по космонавтике, были проникнуты высокими идеями гуманизма. Хорошо сказал о Циолковском академик Ферсман: «Борьба за космическую ракету была для него лишь одним из путей к созданию нового человеческого общества и нового человека».
Неудивительно, что немецко-фашистские захватчики, временно заняв Калугу, город, где жил и трудился Циолковский, варварски разрушили дом-музей великого ученого, с любовью сохранявшийся после его смерти советским народом.
Поделитесь на страничкеСледующая глава >
Выполнила учащаяся:
МОУ «СОШ С. Зубовка»
Масаева Алисат (9класс),
Руководитель: Мельшина В.Г
2011 год
Оглавление:
На пороге космической эры
Реактивное движение
Уравнения Мещерского и Циолковского
Реактивный двигатель. Классы реактивных двигателей
Применение реактивных двигателей
Реактивные двигатели и окружающая среда
Заключение
На пороге космической эры
Принцип реактивного движения известен давно. Родоначальником Р. д. можно считать шар Герона. Твёрдотопливные ракетные двигатели — пороховые ракеты появились в Китае в 10 в. н. э. На протяжении сотен лет такие ракеты применялись сначала на Востоке, а затем в Европе как фейерверочные, сигнальные, боевые.
Сегнерово колесо — двигатель, основанный на реактивном действии вытекающей воды. Было изобретено венгерским учёным Я. А. Сегнером в 1750. Первая в истории гидравлическая турбина. Расположенное в горизонтальной плоскости колесо без обода, у которого спицы заменены трубками с отогнутыми концами так, что вытекающая из них вода приводит сегнерово колесо во вращение.
Идея ракетного летания, многим представляющаяся в наши дни такой смелой и новой, на самом деле имеет за собою уже полувековую историю, добрых три четверти которой протекло целиком в нашем отечестве.
Первая мысль о ракетном самолете родилась в светлой голове молодого революционера-первомартовца Николая Ивановича Кибальчича.
В 1903 К. Э. Циолковский в работе "Исследование мировых пространств реактивными приборами" впервые в мире выдвинул основные положения теории жидкостных ракетных двигателей и предложил основные элементы устройства РД на жидком топливе.
Реактивное движение
Закон сохранения импульса во многих случаях позволяет находить скорости взаимодействующих тел даже тогда, когда значения действующих сил неизвестны. Примером может служить реактивное движение. При стрельбе из орудия возникает отдача – снаряд движется вперед, а орудие – откатывается назад. Снаряд и орудие – два взаимодействующих тела. Скорость, которую приобретает орудие при отдаче, зависит только от скорости снаряда и отношения масс
Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно тела,
например, при истечении продуктов сгорания из сопла реактивного летательного аппарата. При этом появляется так называемая реактивная сила, сообщающая телу ускорение.
Наблюдать реактивное движение очень просто. Надуйте детский резиновый шарик и отпустите его. Шарик стремительно взовьется вверх. Движение, правда, будет кратковременным. Реактивная сила действует лишь до тех пор, пока продолжается истечение воздуха.
Уравнения Мещерского и Циолковского
Если нет внешних сил, то ракета вместе с выброшенным веществом является замкнутой системой. Импульс такой системы не может меняться во времени.
, где
— масса ракеты
— её ускорение
— скорость истечения газов
— расход массы топлива в единицу времени
Поскольку скорость истечения продуктов сгорания (рабочего тела) определяется физико-химическими свойствами компонентов топлива и конструктивными особенностями двигателя, являясь постоянной величиной при не очень больших изменениях режима работы реактивного двигателя, то величина реактивной силы определяется в основном массовым секундным расходом топлива.
До начала работы двигателей импульс ракеты и горючего был равен нулю, следовательно, и после включения сумма изменений векторов импульса ракеты и импульса истекающих газов равна нулю: 
— изменение скорости ракеты
Разделим обе части равенства на интервал времени t, в течение которого работали двигатели ракеты:
Произведение массы ракеты m на ускорение ее движения a по определению равно силе, вызывающей это ускорение:
Если же на ракету, кроме реактивной силы 
, то уравнение динамики движения примет вид: 
Формула Мещерского представляет собой обобщение второго закона Ньютона для движения тел переменной массы. Ускорение тела переменной массы определяется не только внешними силами , действующими на тело, но и реактивной силой , обусловленной изменением массы движущегося тела:
Применив уравнение Мещерского к движению ракеты, на которую не действуют внешние силы, и, проинтегрировав уравнение, получим формулу Циолковского
Релятивистское обобщение этой формулы имеет вид:
, где 
— скорость света.
Выводы из законов:
Проанализируем полученное выражение. Мы видим, что скорость ракеты тем больше, чем больше скорость выбрасываемых газов и чем больше отношение массы рабочего тела (т. е. массы топлива) к конечной ("сухой") массе ракеты.
Формула Мещерского является приближенной. В ней не учитывается, что по мере сгорания топлива масса летящей ракеты становится все меньше и меньше. Точная формула для скорости ракеты впервые была получена в 1897 г. К. Э. Циолковским и потому носит его имя.
Формула Циолковского позволяет рассчитать запасы топлива, необходимые для сообщения ракете заданной скорости.
Для сообщения ракете скорости, превышающей скорость истечения газов в 4 раза (Vp=16 км/с), необходимо, чтобы начальная масса ракеты (вместе с топливом) превосходила конечную ("сухую") массу ракеты в 55 раз (m0/m = 55). Это означает, что львиную долю от всей массы ракеты на старте должна составлять именно масса топлива. Полезная же нагрузка по сравнению с ней должна иметь очень малую массу.
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.
Реактивный двигатель. Классы реактивных двигателей
Реактивный двигатель — двигатель-движитель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования потенциальной энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.
Составные части реактивного двигателя:
Камера сгорания («химический реактор») — в нем происходит освобождение химической энергии топлива и её преобразование в тепловую энергию газов.
Реактивное сопло («газовый туннель») — в котором тепловая энергия газов переходит в их кинетическую энергию, когда из сопла газы вытекают наружу с большой скоростью, тем создавая реактивную тягу.
Реактивные двигатели делятся на два класса:
В ракетных двигателях топливо и необходимый для его горения окислитель находятся непосредственно внутри двигателя или в его топливных баках.
Ракетные двигатели, работающие на твердом топливе
На рисунке показана схема ракетного двигателя на твердом топливе. Порох или какое-либо другое твердое топливо, способное к горению в отсутствие воздуха, помещают внутрь камеры сгорания двигателя.
Реактивная сила
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 своем 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.
Схема воздушно - реактивного двигателя турбокомпрессорного типа.
Раскаленные газы (продукты сгорания), выходя через сопло, вращают газовую турбину, приводящую в движение компрессор. Турбокомпрессорные двигатели установлены в наших лайнерах Ту-134, Ил-62, Ил-86 и др. Реактивными двигателями оснащены не только ракеты, но и большая часть современных самолетов.
Первые советские жидкостные ракетные двигатели — ОРМ, ОРМ-1, ОРМ-2 были спроектированы В. П. Глушко и под его руководством созданы в 1930—31 в Газодинамической лаборатории. Впервые электротермический двигатель был создан и испытан Глушко в ГДЛ в 1929-1933. В 1939 в СССР состоялись испытания ракет с прямоточными воздушно-реактивными двигателями конструкции И. А. Меркулова.
Ядерные ракетные двигатели
Ядерные ракетные двигатели позволяют достичь значительно более высокого (по сравнению с химическими ракетными двигателями) значения удельного импульса благодаря большой скорости истечения рабочего тела (от 8 000 м/с до 50 км/с и более). Вместе с тем, общая тяга ЯРД может быть сравнима с тягой химических ракетных двигателей, что создает предпосылки для замены в будущем химических ракетных двигателей ядерными. Основной проблемой при использовании ЯРД является радиоактивное загрязнение окружающей среды факелом выхлопа двигателя, что затрудняет использование ЯРД (кроме, возможно, газофазных), на ступенях ракет-носителей, работающих в пределах земной атмосферы. Впрочем, конструктивно совершенный ГФЯРД, исходя из его расчётных тяговых характеристик, может легко решить проблему создания полностью многоразовой одноступенчатой ракеты-носителя.
Применение реактивных двигателей
Турбореактивными двигателями и двухконтурными турбореактивными двигателями оснащено большинство военных и гражданских самолётов во всём мире, их применяют на вертолётах. Эти Р. д. пригодны для полетов, как с дозвуковыми, так и со сверхзвуковыми скоростями; их устанавливают также на самолётах-снарядах, сверхзвуковые турбореактивные двигатели могут использоваться на первых ступенях воздушно-космических самолётов. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели устанавливают на зенитных управляемых ракетах, крылатых ракетах, сверхзвуковых истребителях-перехватчиках. Дозвуковые прямоточные двигатели применяются на вертолётах (устанавливаются на концах лопастей несущего винта). Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели имеют небольшую тягу и предназначаются лишь для летательных аппаратов с дозвуковой скоростью. Во время 2-й мировой войны 1939-45 этими двигателями были оснащены самолёты-снаряды ФАУ-1.
Жидкостные ракетные двигатели применяются на ракетах-носителях космических летательных аппаратов и космических аппаратах в
качестве маршевых, тормозных и управляющих двигателей, а также на управляемых баллистических ракетах. Твёрдотопливные ракетные двигатели используют в баллистических, зенитных, противотанковых и др. ракетах военного назначения, а также на ракетах-носителях и космических летательных аппаратах. Небольшие твёрдотопливные двигатели применяются в качестве ускорителей при взлёте самолётов. Электрические ракетные двигатели и ядерные ракетные двигатели могут использоваться на космических летательных аппаратах.
Реактивный двигатель кальмара
Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Наибольший интерес представляет реактивный двигатель кальмара. При медленном перемещении кальмар пользуется большим ромбовидным плавником, периодически изгибающимся. Для быстрого броска он использует реактивный двигатель. Животное засасывает воду внутрь мантийной полости, а затем резко выбрасывает струю воды через узкое сопло. Это сопло снабжено специальным клапаном, и мышцы могут его поворачивать, изменяя направление движения. При этом все десять щупалец кальмара собираются в узел над головой, и он приобретает обтекаемую форму
Двигатель кальмара очень экономичен, он способен развивать скорость до 60 – 70 км/ч. (Некоторые исследователи считают, что даже до 150 км/ч!) Недаром кальмара называют “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.
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.
Личинка стрекозы
Задняя кишка личинки стрекозы, помимо своей основной функции, выполняет еще и роль органа движения. Вода заполняет заднюю кишку, затем с силой выбрасывается, и личинка перемещается по принципу реактивного движения на 6-8 см. Для дыхания нимфам также служит задняя кишка, которая как насос постоянно закачивает через анальное отверстие богатую кислородом воду.
Билимович Б.Ф. "Физические викторины"
Бешеный огурец
Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире растений.
В южных странах (и у нас на побережье Черного моря тоже) произрастает растение под названием "бешеный огурец". Стоит только слегка прикоснуться к созревшему плоду, похожему на огурец, как он отскакивает от плодоножки, а через образовавшееся отверстие из плода фонтаном со скоростью до 10 м/с вылетает жидкость с семенами.
Сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении. Стреляет бешеный огурец (иначе его называют «дамский пистолет») более чем на 12 м.
ДОМАШНИЙ ОПЫТ
"Реактивная банка"
Возьмите пустую консервную банку без верхней крышки. На равных расстояниях по верхнему ободу банки проделайте три маленьких отверстия и вставьте в них прочные нити, с помощью которых можно будет подвесить банку к водопроводному крану. У донышка на боковой стенке банки проделайте пару отверстий напротив друг друга диаметром около 5 см. Подвесьте банку на водопроводный кран и откройте кран с водой, чтобы банка наполнилась.
Окружающая среда
Тепловые двигатели (в том числе и реактивный) – необходимый атрибут современной цивилизации. С их помощью вырабатывается ≈ 80% электроэнергии. Без тепловых двигателей невозможно представить себе современный транспорт. В тоже время повсеместное использование тепловых двигателей связано с отрицательным воздействием на окружающую среду.
Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа, способного поглощать тепловое инфракрасное (ИК) излучение поверхности Земли. Рост концентрации углекислого газа в атмосфере, увеличивая поглощение ИК – излучения, приводит к повышению её температуры (парниковый эффект). Ежегодно температура атмосферы Земли повышается на 0,05 єС. Этот эффект может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня Мирового океана.
Углеводороды, вступая в реакцию с озоном, находящимся в атмосфере, образуют химические соединения, неблагоприятно воздействующие на жизнедеятельность растений, животных и человека.
Потребление кислорода при горении топлива уменьшает его содержание в атмосфере.
Для охраны окружающей среды широко использует очистные сооружения, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, резко ограничивают использование соединений тяжелых металлов, добавляемых в топливо.
Заключение:
В основе реактивного движения лежит закон сохранения импульса тела, который выполняется только для замкнутой системы тел.
Скорость движения реактивного устройства тем больше, чем больше масса вещества, отделяется от тела за 1 с.
Простейшие модели реактивных двигателей и устройств можно сделать самим.
Проявлением реактивного движения является отдача, которую надо учитывать на практике (при стрельбе, спрыгивании с лодки, скейта и т.д.).
Результат отдачи зависит от массы и скорости отделяющегося тела или вещества.
Реактивное движение нашло широкое применение в технике
Литература
http://class-fizika.narod.ru/9_19.htm
Космодемьянский А.А. Циолковский К.Э. (М., “Наука”, 1976)
Арлазоров А. Циолковский К.Э. (М., “Молодая гвардия”, 1963)
Мякишев Г.Я. Физика: [Текст]: учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений / Г.Я Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н.Сотский . – 11-е изд. – М.: Просвещение, 2003. – 306 с.
Г.С.Лансберг Элементарный учебник физики [Текст]: Г.С.Лансберг, – М.: Наука, 1985 г. – 460 с.
Кирик Л.А.Физика-9: [Текст]: Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы. – Харьков: Гимназия, 2001. – 160 с.
Полный курс физики ХХI века [Электронный ресурс]: Компьютерная программа для изучения физики. – Режим доступа:
gigabaza.ru
***
Я получаю от взрослых и детей сотни проектов реактивных средств передвижения. Всем им можно ответить следующее.
Сущность двигателя прямого действия состоит в том, что одна материя отбрасывается направо, а снаряд от этого в силу отдачи двигается налево. Чтобы запас взрывчатого вещества был наименьшим и не обременял экипаж, нужно, чтобы скорость отбрасываемой запасной материи была наибольшей, так как скорость отброса соответствует скорости экипажа. Взрывчатые вещества или горючее, соединяясь с запасным кислородным составом, дают скорость газового отброса от 1000 до 5000 м в секунду Они и должны быть употребляемы.
Когда происходит взрыв, то одна часть его энергии передаётся прибору, а другая идёт на быстрое движение газового отброса. Дабы произошло приличное использование химической энергии, нужно, чтобы скорость снаряда не очень отличалась от скорости вылетающих газов. Допустим эту секундную скорость газовой струи в 2000 м. Тогда для высокого использования взрывчатого вещества или элементов, образующих взрыв, требуется для экипажа скорость, близкая к двум километрам в секунду. Достаточно, пожалуй, и одного километра.
Но возможны ли такие скорости по нашим дорогам и в воздухе?
При секундной скорости в 1000 м давление встречного потока на квадратный метр площади будет более 100 тонн. На самом деле условия движения ещё хуже.
Действительно, при скорости, большей скорости звука, воздух перед плоскостью сгущается и представляет непреодолимую преграду (как бы твёрдую стену). Кроме того, все колеса от такой скорости разрываются на части, а дороги становятся невозможными: при небольшой скорости их неровности терпимы, а при большой невыносимы.
Если же в воздухе сопротивление неодолимо, то в воде ещё более. Следовательно, и глиссеры не выручат.
Как же быть? Неужели реактивные двигатели прямого действия ни к чему не применимы?
Мы этого не говорим. Горю можно помочь, если придать экипажу удлинённую хорошую форму птицы или рыбы, и двигаться не по твёрдым или жидким дорогам, а по воздуху.
Таким образом, мы невольно приходим к мысли о реактивном быстро движущемся аэроплане. Но и последний, как бы ни была прекрасна его форма, не может в нижних плотных слоях воздуха приобрести секундную скорость в несколько километров. Арену действия нашего аэроплана мы должны перенести в разреженные слои атмосферы, в стратосферу.
Наш реактивный аэроплан, или ракетоплан, превращается в ракетный стратоплан. Задача сложная и непосильная для детских знаний, сил и эрудиции. Этим специально занимается исследовательский институт реактивного движения. Предоставим же ему эту работу и возможные достижения.
Что же можем делать мы — ребята? Мы можем устраивать очень интересные детские игрушки. К сожалению, их все уже делали и даже патентовали, якобы серьёзные изобретения. Нам остаётся их только повторять. Однако они поучительны для взрослых и детей.
Перечислим же их.
Кроме забавы, эти игрушки могут служить переходной ступенью к устройству реактивных стратопланов.
Continue reading →
tsiolkovsky.org
|
Ракеты Циолковского "Практические дела делаются только исходя из общих начал, только при знакомстве с абстрактами, до них относящимися". (Д. И. Менделеев) 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 тротил - пироксилиновом 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 быстро растущей 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 сформулировал и исследовал проблему изучения прямолинейных движений ракет, исходя из законов теоретической механики. Простейший реактивный двигатель на жидком топливе (рис. 1) представляет собой камеру, похожую по форме на горшок, в котором жители сельских местностей хранят молоко. Через форсунки, расположенные на днище этого горшка, происходит подача жидкого горючего и окислителя в камеру горения. Подача компонентов топлива рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить полное сгорание. В камере сгорания (рис. 1) происходит воспламенение топлива, и продукты горения - горячие газы - с большой скоростью выбрасываются через специально профилированное сопло. Окислитель и горючее помещаются в специальных баках, располагающихся на ракете или самолете. Для подачи окислителя и горючего в камеру сгорания применяют турбонасосы или выдавливают их сжатым нейтральным газом (например, азотом). На рис. 2 приведена фотография реактивного двигателя немецкой ракеты Фау-2.Струя горячих газов, выбрасываемая из сопла реактивного двигателя, создает реактивную силу, действующую на ракету в сторону, противоположную скорости частиц струи. Величина реактивной силы равняется произведению массы отбрасываемых в одну секунду газов на относительную скорость. Если скорость измерять в метрах в секунду, а массу секундного расхода через вес частиц в килограммах, разделенных на ускорение силы тяжести, то реактивная сила будет получаться в килограммах. Возьмем, например, реактивный двигатель, в котором каждую секунду сгорает 4,9 кг топлива. Пусть относительная скорость отбрасываемых частиц (продуктов сгорания) будет 2000 м/с, тогда реактивная сила, которую обозначим через Ф, будет равна У немецкой ракеты Фау-2 весовой секундный расход составляет в среднем 127,4 кг. Скорость истечения продуктов сгорания из сопла двигателя равна 2000 м/с. Реактивная сила в этом случае равна Приведенные примеры показывают, что реактивная сила тем больше, чем больше секундный расход топлива и чем больше относительная скорость отбрасывания частиц. В некоторых случаях для сжигания горючего в камере реактивного двигателя приходится забирать воздух из атмосферы. Тогда в процессе движения реактивного аппарата происходит присоединение частиц воздуха и выбрасывание нагретых газов. Мы получаем так называемый воздушно - реактивный двигатель. Простейшим примером воздушно - реактивного двигателя будет обыкновенная трубка, открытая с обоих концов, внутри которой помещен вентилятор. Если заставить вентилятор работать, то он будет засасывать воздух с одного конца трубки и выбрасывать его через другой конец. Если в трубку, в пространство за вентилятором, впрыснуть бензин и поджечь его, то скорость выходящих из трубки горячих газов будет значительно больше, чем входящих, и трубка получит тягу в сторону, противоположную струе выбрасываемых из нее газов. Делая поперечное сечение трубки (радиус трубки) переменным, можно соответствующим подбором этих сечений по длине трубки достигнуть весьма больших скоростей истечения выбрасываемых газов. Чтобы не возить с собой двигатель для вращения вентилятора, можно заставить струю текущих по трубке газов вращать его с нужным числом оборотов. Некоторые трудности будут возникать только при запуске такого двигателя. Простейшая схема воздушнореактивного двигателя была предложена еще в 1887 году русским инженером Гешвендом. Идея использования воздушно-реактивного двигателя для современных типов самолетов была с большой тщательностью самостоятельно разработана К. Э. Циолковским. Он дал первые в мире расчеты самолета с воздушно-реактивным двигателем и турбокомпрессорным винтовым двигателем. На рис. 3 дана схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя, у которого движение частиц воздуха по оси трубы создается за счет начальной скорости, полученной ракетой от какого-либо другого двигателя, а дальнейшее движение поддерживается за счет реактивной силы, обусловленной увеличенной скоростью отброса частиц по сравнению со скоростью входящих частиц. Энергия движения воздушного реактивного двигателя получается за счет сжигания горючего, так же как и в простой ракете. Таким образом, источником движения любого реактивного аппарата является запасенная в этом аппарате энергия, которую можно преобразовать в механическое движение выбрасываемых из аппарата с большой скоростью частиц вещества. Как только будет создано выбрасывание таких частиц из аппарата, он получает движение в сторону, противоположную струе извергающихся частиц. Направленная соответствующим образом струя выбрасываемых частиц - основное в конструкциях всех реактивных аппаратов. Методы получения мощных потоков извергающихся частиц очень разнообразны. Проблема получения потоков отбрасываемых частиц простейшим и наиболее экономичным способом, разработка методов регулирования таких потоков - важная задача изобретателей и конструкторов. Если рассмотреть движение простейшей ракеты, то легко понять, что ее вес изменяется, так как часть массы ракеты сгорает и отбрасывается с течением времени. Ракета представляет собой тело переменной массы. Теория движения тел переменной массы создана в конце XIX века у нас в России И. В. Мещерским и К. Э. Циолковским. Замечательные работы Мещерского и Циолковского прекрасно дополняют друг друга. Изучение прямолинейных движений ракет, проведенное Циолковским, существенно обогатило теорию движения тел переменной массы благодаря постановке совершенно новых проблем. К сожалению, работы Мещерского не были известны Циолковскому, и он в ряде случаев повторял в своих работах более ранние результаты Мещерского. Изучение движения реактивных аппаратов представляет большие трудности, так как во время движения вес любого реактивного аппарата значительно изменяется. Уже сейчас существуют ракеты, у которых во время работы двигателя вес уменьшается в 8-10 раз. Изменение веса ракеты в процессе движения не позволяет использовать непосредственно те формулы и выводы, которые получены в классической механике, являющейся теоретической базой расчетов движения тел, вес которых постоянен во время движения. Известно также, что в тех задачах техники, где проходилось иметь дело с движением тел переменного веса (например, у самолетов с большими запасами горючего), всегда предполагалось, что траекторию движения можно разделить на участки и считать на каждом отдельном участке вес движущегося тела постоянным. Таким приемом трудную задачу изучения движения тела переменной массы заменяли более простой и уже изученной задачей о движении тела постоянной массы. Изучение движения ракет как тел переменной массы было поставлено на твердую научную почву К. Э. Циолковским. Мы называем теперь теорию полета ракет ракетодинамикой. Циолковский является основоположником современной ракетодинамики. Опубликованные труды К. Э. Циолковского по ракетодинамике позволяют установить последовательное развитие его идей в этой новой области человеческого знания. Каковы же основные законы, управляющие движением тел переменной массы? Как рассчитывать скорость полета реактивного аппарата? Как найти высоту полета ракеты, выпущенной вертикально? Как выбраться на реактивном приборе за пределы атмосферы - пробить "панцирь" атмосферы? Как преодолеть притяжение земли - пробить "панцирь" тяготения? Вот некоторые из вопросов, рассмотренных и решенных Циолковским. С нашей точки зрения, самой драгоценной идеей Циолковского в теории ракет является добавление к классической механике Ньютона нового раздела механики тел переменной массы. Сделать подвластной человеческому разуму новую большую группу явлений, объяснить то, что видели многие, но не понимали, дать человечеству новое мощное орудие технических преобразований - вот те задачи, которые ставил перед собой гениальный Циолковский. Весь талант исследователя, вся оригинальность, творческая самобытность и необычайный взлет фантазии с особой силой и продуктивностью выявились в его работах по реактивному движению. Он на десятилетия вперед предсказал пути развития реактивных аппаратов. Он рассмотрел те изменения, которым должна была подвергнуться обыкновенная фейерверочная ракета, чтобы стать мощным орудием технического прогресса в новой области человеческого знания. В одной из своих работ (1911 г.) Циолковский высказал глубокую мысль о простейших применениях ракет, которые были известны людям очень давно. "Такие жалкие реактивные явления мы обыкновенно и наблюдаем на земле. Вот почему они никого не могли поощрить к мечтам и исследованиям. Только разум и наука могли указать на преобразование этих явлений в грандиозные, почти непостижимые чувству". При полете ракеты на сравнительно небольших высотах на нее будут действовать три основные силы: сила тяжести (сила ньютоновского тяготения), сила аэродинамическая, обусловленная наличием атмосферы (обычно эту силу разлагают на две: подъемную и лобового сопротивления), и реактивная сила, обусловленная процессом отбрасывания частиц из сопла реактивного двигателя. Если учитывать все указанные силы, то задача изучения движения ракеты получается достаточно сложной. Естественно поэтому начать теорию полета ракеты с простейших случаев, когда некоторыми из сил можно пренебречь. Циолковский в своей работе 1903 года прежде всего исследовал, какие возможности заключает в себе реактивный принцип создания механического движения, не учитывая действия аэродинамической силы и силы тяжести. Такой случай движения ракеты может быть при межзвездных перелетах, когда силами притяжения планет солнечной системы и звезд можно пренебречь (ракета находится достаточно далеко и от солнечной системы и от звезд - в "свободном пространстве" - по терминологии Циолковского). Эту задачу называют сейчас первой задачей Циолковского. Движение ракеты в этом случае обусловлено только реактивной силой. При математической формулировке задачи Циолковский вводит предположение о постоянстве относительной скорости отброса частиц. При полете в пустоте это предположение означает, что реактивный двигатель работает при установившемся режиме и скорости истекающих частиц в выходном сечении сопла не зависят от закона движения ракеты. Вот как обосновывает эту гипотезу Константин Эдуардович 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 должна иметь места: она невозможна и невыгодна. Другими словами: в основу теории ракеты надо принять постоянную относительную скорость частиц отброса". Циолковский составляет и подробно исследует уравнение движения ракеты при постоянной скорости частиц отброса и получает весьма важный математический результат, известный сейчас как формула Циолковского. Если обозначить буквой v скорость ракеты в момент, когда ее масса равна M, а через V1 обозначить постоянную скорость отбрасываемых из сопла двигателя частиц, то формула Циолковского будет иметь следующий вид: где - масса ракеты в момент старта, когда ее скорость равна нулю. Участок полета ракеты при работающем двигателе называют активным участком полета. Скорость ракеты в конце активного участка будет наибольшей. Если масса ракеты при полностью израсходованном топливе будет равна , а наибольшая скорость , то из формулы Циолковского следует, что Пусть отношение начальной массы (веса) ракеты к массе (весу) в конце горения равно 10 и пусть относительная скорость отбрасываемых частиц равна 3000 м/с, тогда максимальная скорость ракеты будет равна Из формулы Циолковского для максимальной скорости следует, что: а). Скорость движения ракеты в конце работы двигателя (в конце активного участка полета) будет тем больше, чем больше относительная скорость отбрасываемых частиц. Если относительная скорость истечения удваивается, то и скорость ракеты возрастает в два раза. б). Скорость ракеты в конце активного участка возрастает, если увеличивается отношение начальной массы (веса) ракеты к массе (весу) ракеты в конце горения. Однако здесь зависимость более сложная, она дается следующей теоремой Циолковского: "Когда масса ракеты плюс масса взрывчатых веществ, имеющихся в реактивном приборе, возрастает в геометрической прогрессии, то скорость ракеты увеличивается в прогрессии арифметической". Этот закон можно выразить двумя рядами чисел: "Положим, например, - пишет Циолковский, - что масса ракеты и взрывчатых веществ составляет 8 единиц. Я отбрасываю четыре единицы и получаю скорость, которую мы примем за единицу. Затем я отбрасываю две 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 теоремы и пояснений Циолковского 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 работы двигателя нужно увеличивать относительные скорости отбрасываемых частиц и увеличивать относительный запас топлива. Так, например, если бы захотели в 2 раза увеличить скорость в конце активного участка для современной ракеты, имеющей отношение начального веса к весу пустой (без горючего) ракеты, приблизительно равное 3, и относительную скорость истечения газов, равную 2 км/с, то можно идти двумя путями: или увеличить относительную скорость истечения частиц из сопла реактивного двигателя в 2 раза, т. е. до 4 км/с, или увеличить относительный запас топлива настолько, чтобы отношение начального веса к весу пустой ракеты стало равным 3^2=9. Следует заметить, что увеличение относительных скоростей истечения частиц требует совершенствования реактивного двигателя и разумного выбора составных частей (компонентов) применяющихся топлив. Второй путь, связанный с увеличением относительного запаса топлива, требует значительного улучшения (облегчения) конструкции корпуса ракеты, вспомогательных механизмов и приборов управления полетом. Строгий математический анализ, проведенный Циолковским, выявил основные закономерности движения ракет и дал возможность количественной оценки совершенства реальных конструкций ракет. Простая формула Циолковского позволяет путем элементарных вычислений устанавливать исполнимость того или другого задания. В самом деле, пусть, например, вы хотите создать одноступенчатую ракету для полета на Марс. Вы располагаете двигателем, имеющим относительную скорость отброса частиц, равную 2500 м/с. Тогда, зная, что для преодоления поля тяготения Земли нужна скорость 11,2 км/с, можно найти необходимый относительный запас топлива в ракете. Из формулы Циолковского имеем или По таблицам десятичных логарифмов находим, что т. е. суммарный вес конструкции ракеты, двигателя, вспомогательных механизмов и приборов управления должен составлять немногим больше 1% стартового веса. Такую ракету сделать невозможно. Если бы удалось увеличить относительную скорость истечения до 4850 м/с то из формулы Циолковского легко найти, что в этом случае а следовательно, т.е. вес ракеты без топлива должен составлять 10% ее стартового веса. Такую ракету можно создать. Формулой Циолковского можно пользоваться для приближенных оценок скорости ракеты в тех случаях, когда сила аэродинамическая и сила тяжести сравнительно невелеки по отношению к реактивной силе. Подобного рода задачи возникают для пороховых ракет с небольшими временами горения и большими секундными расходами. Реактивная сила у таких пороховых ракет превосходит силу тяжести в 40 - 120 раз и силу лобового сопротивления в 20 - 60 раз. Максимальная скорость такой пороховой ракеты, подсчитанная по формуле Циолковского, будет отличаться от истинной на 1 - 4%; такая точность определения летных характеристик на первоначальных стадиях проектирования вполне достаточна. Формула Циолковского позволила количественно оценить максимальные возможности реактивного способа сообщения движения. После работы Циолковского 1903 года началась новая эпоха развития ракетной техники. Эта эпоха знаменуется тем, что летные характеристики ракет можно заранее определить путем вычислений, следовательно, с работы Циолковского начинается создание научного проектирования ракет. Предвидение К. И. Константинова - конструктора пороховых ракет XIX века - о возможности создания новой науки - баллистики ракет (или ракетодинамики) - получило реальное осуществление в работах Циолковского. Ракеты В конце XIX века Циолковский возродил научно-технические изыскания по ракетной технике в России и в дальнейшем предложил большое число оригинальных схем конструкций ракет. Существенно новым шагом в развитии ракетной техники были разработанные Циолковским схемы ракет дальнего действия и ракет для межпланетных путешествий с реактивными двигателями на жидком топливе. До работ Циолковского исследовались и предлагались для решения различных задач ракеты с пороховыми реактивными двигателями. Применение жидкого топлива (горючего и окислителя) позволяет дать весьма рациональную конструкцию жидкостного реактивного двигателя с тонкими стенками, охлаждаемыми горючим (или окислителем), легкого и надежного в работе. Для ракет больших размеров такое решение было единственно приемлемым.Ракета 1903 года. Первый тип ракеты дальнего действия был описан Циолковским в его работе "Исследование мировых пространств реактивными приборами", опубликованной в 1903 году. Ракета представляет собой продолговатую металлическую камеру, очень похожую по форме на дирижабль или большое веретено. "Представим себе, пишет Циолковский, - такой снаряд: продолговатая металлическая камера (формы наименьшего, сопротивления), снабженная светом, кислородом, поглотителями углекислоты, миазмов и других животных выделений, предназначенная не только для хранения разных физических приборов, но и для человека, управляющего камерой... Камера имеет большой запас веществ, которые при своем смешении тотчас же образуют взрывчатую массу. Вещества эти, правильно и... равномерно взрываясь в определенном для того месте, текут в виде горячих газов по расширяющимся к концу трубам вроде рупора или духового музыкального инструмента... В одном узком конце трубы совершается смешение взрывчатых веществ: тут получаются сгущенные и пламенные газы. В другом расширенном ее конце они, сильно разредившись и охладившись от этого, вырываются наружу через раструбы с громадной относительной скоростью".На рис. 4 показаны объемы, занимаемые жидким водородом (горючее) и жидким кислородом (окислитель). Место их смешения (камера сгорания) обозначено на рис. 4 буквой А. Стенки сопла окружены кожухом с охлаждающей, быстро циркулирующей в нем жидкостью (одним из компонентов топлива). Для управления полетом ракеты в верхних разреженных слоях атмосферы Циолковский рекомендовал два способа: графитовые рули, помещаемые в струе газов вблизи среза сопла реактивного двигателя, или поворачивание конца раструба (поворачивание сопла двигателя). Оба приема позволяют отклонять направление струи горячих газов от оси ракеты и создавать силу, перпендикулярную направлению полета (управляющую силу). Следует отметить, что указанные предложения Циолковского нашли широкое применение и развитие в современной ракетной технике. Все известные лам из иностранной печати жидкостные реактивные двигатели сконструированы с принудительным охлаждением стенок камеры и сопла одним из компонентов топлива. Такое охлаждение позволяет делать стенки достаточно тонкими и выдерживающими высокие температуры (до 3500-4000°) в течение нескольких минут. Без охлаждения такие камеры прогорают за 2-3 секунды. Газовые рули, предложенные Циолковским, применяются для управления полетом ракет различных классов за рубежом. Если реактивная сила, развиваемая двигателем, превосходит силу тяжести ракеты в 1,5-3 раза, то в первые секунды полета, когда скорость ракеты невелика, воздушные рули будут неэффективны даже в плотных слоях атмосферы и правильный полет ракеты обеспечивают при помощи газовых рулей. Обычно в струю реактивного. двигателя помещают четыре графитовых руля, располагаемых в двух взаимноперпендикулярных плоскостях. Отклонение одной пары позволяет изменять направление полета в вертикальной плоскости, а отклонение второй пары изменяет направление полета в горизонтальной плоскости. Следовательно, действие газовых рулей аналогично действию рулей высоты и направления у самолета или планера, меняющих угол тангажа и курса при полете. Чтобы ракета не вращалась вокруг собственной оси, одна пара газовых рулей может отклоняться в разные стороны; в этом случае их действие аналогично действию элеронов у самолета.Газовые рули, помещаемые в струе горячих газов, уменьшают реактивную силу, поэтому при сравнительно большом времени работы реактивного двигателя (более 2-3 минут) иногда оказывается более выгодным или поворачивать соответствующим автоматом весь двигатель, или ставить на ракету дополнительные (меньшего размера) поворачивающиеся двигатели, которые и служат для управления полетом ракеты. На рис. 5 показаны три случая полета шара с поворачивающимся реактивным двигателем. Рис. 5, а соответствует прямолинейному горизонтальному полету шара; струя выбрасываемых частиц параллельна горизонту, и реактивная сила Ф направлена также горизонтально. Рис. 5, б соответствует отклонению струи (оси двигателя) вверх; реактивная сила Ф отклонится вниз, и траектория центра тяжести шара начнет также отклоняться вниз. Рис. 5, в соответствует отклонению струи (оси двигателя) вниз; реактивная сила будет отклонена вверх, и траектория центра тяжести шара будет также отклоняться вверх.Ракета 1914 года. Внешние очертания ракеты 1914 года близки к очертаниям ракеты 1903 года, но устройство взрывной трубы (т. е. сопла) реактивного двигателя усложнено. В качестве горючего Циолковский рекомендует использовать углеводороды (например, керосин, бензин). Вот как описывается устройство этой ракеты (рис. 6): "Левая задняя кормовая часть ракеты состоит из двух камер, разделенных не обозначенной на чертеже перегородкой. Первая камера содержит жидкий, свободно испаряющийся кислород. Он имеет очень низкую температуру и окружает часть взрывной трубы и другие детали, подверженные высокой температуре. Другое отделение содержит углеводороды в жидком виде. Две черные точки внизу (почти посредине) означают поперечное сечение труб, доставляющих взрывной трубе взрывчатые материалы. От устья взрывной трубы (см. кругом двух точек) отходят две ветки с быстро мчащимися газами, которые увлекают и вталкивают жидкие элементы взрывания в устье, подобно инжектору Жиффара или пароструйному насосу". "...Взрывная труба делает несколько оборотов вдоль ракеты параллельно ее продольной оси и затем несколько оборотов перпендикулярно к этой оси. Цель - уменьшить вертлявость ракеты или облегчить ее управляемость". В этой схеме ракеты внешняя оболочка корпуса может охлаждаться жидким кислородом. Циолковский хорошо понимал трудность возвращения ракеты из космического пространства на землю, имея в виду, что при больших скоростях полета в плотных слоях атмосферы ракета может сгореть или разрушиться подобно метеориту.В носовой части ракеты Циолковский располагает: запас газов, необходимых для дыхания и поддержания нормальной жизнедеятельности пассажиров; приспособления для сохранения живых существ от больших перегрузок, возникающих при ускоренном (или замедленном) движении ракеты; приспособления для управления полетом; запасы пищи и воды; вещества, поглощающие углекислый газ, миазмы и вообще все вредные продукты дыхания. Очень интересна идея Циолковского о предохранении живых существ и человека от больших перегрузок ("уси-ленной тяжести" - по терминологии Циолковского) при помощи погружения их в жидкость равной плотности. Впервые эта идея встречается в работе Циолковского 1891 года. Вот краткое описание простого опыта, убеждающего нас в правильности предложения Циолковского для однородных тел (тел одинаковой плотности). Возьмем 'нежную восковую фигуру, которая едва выдерживает собственный вес. Нальем в крепкий сосуд жидкость такой же плотности, как и воск, и погрузим в эту жидкость фигуру. Теперь посредством центробежной машины вызовем перегрузки, превышающие силу тяжести во много раз. Сосуд, если недостаточна крепок, может разрушиться, но восковая фигура в жидкости будет сохраняться целой. "Природа давно пользуется этим приемом,-пишет Циолковский, - погружая зародыш животных, их мозги и другие слабые части в жидкость. Так она предохраняет их от всяких повреждений. Человек же пока мало использовал эту мысль". Следует отметить, что для тел, плотность которых различна (тела неоднородные), влияние перегрузки все равно будет проявляться и при погружении тела в жидкость. Так, если в восковую фигуру заделать свинцовые дробинки, то при больших перегрузках все они вылезут из восковой фигуры в жидкость. Но, повидимому, несомненно, что в жидкости человек сможет выдержать большие перегрузки, чем, например, в специальном кресле.Ракета 1915 года. В книжке Перельмана "Межпланетные путешествия", изданной в 1915 году в Петрограде, помещены чертеж и описание ракеты, выполненные Циолковским. "Труба А и камера В из прочного тугоплавкого металла покрыты внутри еще более тугоплавким материалом, например вольфрамом. С и Д насосы, накачивающие жидкий кислород и водород в камеру взрывания. Ракета имеет еще вторую тугоплавкую наружную оболочку. Между обеими оболочками есть промежуток, в который устремляется испаряющийся жидкий кислород в виде очень холодного газа, он препятствует чрезмерному нагреванию обеих оболочек от трения при быстром движении ракеты в атмосфере. Жидкий кислород и такой же водород разделены друг от друга непроницаемой оболочкой (не изображенной на рис. 7). Е - труба, отводящая испаренный холодный кислород в промежуток между двумя оболочками, он вытекает наружу через отверстие К. У отверстия трубы имеется (не изображенный на рис. 7) руль из двух взаимноперпендикулярных плоскостей для управления ракетой. Вырывающиеся разреженные и охлажденные газы благодаря этим рулям изменяют направление своего движения и, таким образом, поворачивают ракету".Составные ракеты. В работах Циолковского, посвященных составным ракетам, или ракетным поездам, не дано чертежей с общими видами конструкций, но по приведенным в работах описаниям можно утверждать, что Циолковский предлагал к осуществлению два типа ракетных поездов. Первый тип поезда подобен железнодорожному, когда паровоз толкает состав сзади. Представим себе четыре ракеты, сцепленные последовательно одна с другой (рис. 8). Такой поезд толкается сначала нижней-хвостовой ракетой (работает двигатель первой ступени). После использования запасов ее топлива ракета отцепляется и падает на землю. Далее начинает работать двигатель второй ракеты, которая для поезда из оставшихся трех ракет является хвостовой толкающей. После полного использования топлива второй ракеты она также отцепляется и т. д. Последняя, четвертая, ракета начинает использовать имеющийся в ней запас топлива, уже имея достаточно высокую скорость, полученную от работы двигателей первых трех ступеней. Циолковский доказал расчетами наиболее выгодное распределение весов отдельных ракет, входящих в поезд. Второй тип составной ракеты, предложенной Циолковским в 1935 году, назван им эскадрильей ракет. Представьте себе, что в полет отправилось 8 ракет, скрепленных параллельно, как скрепляются бревна плота на реке. При старте все восемь реактивных двигателей начинают работать одновременно. Когда каждая из восьми ракет израсходует половину запаса топлива, тогда 4 ракеты (например, две справа и две слева) перельют свой неизрасходованный запас топлива в полупустые емкости остающихся 4 ракет (рис. 9) и отделятся от эскадрильи. Дальнейший полет продолжают 4 ракеты с полностью заправленными баками. Когда оставшиеся 4 ракеты израсходуют каждая половину имеющегося запаса топлива, тогда 2 ракеты (одна справа и одна слева) перельют свое топливо в остающиеся две ракеты и отделятся от эскадрильи. Полет продолжат 2 ракеты. Израсходовав половину своего топлива, одна из ракет эскадрильи перельет оставшуюся половину в ракету, предназначенную для достижения цели путешествия. Преимущество эскадрильи состоит в том, что все ракеты одинаковы. Переливание компонентов топлива в полете является хотя и трудной, но вполне технически разрешимой задачей. Создание разумной конструкции ракетного поезда является одной из наиболее актуальных проблем в настоящее время. В последние годы своей жизни К. Э. Циолковский много работал над созданием теории полета реактивных самолетов его статье "Реактивный аэроплан" (1930 г.) подробно выясняются преимущества и недостатки реактивного самолета по сравнению с самолетом, снабженным воздушным винтом. Указывая на большие секундные расходы горючего в реактивных двигателях как на один из самых существенных недостатков, Циолковский пишет: "...Наш реактивный аэроплан убыточнее обыкновенного в пять раз. Но вот он летит вдвое скорее там, где плотность атмосферы в 4 раза меньше. Тут он будет убыточнее только в 2,5 раза. Еще выше, где воздух в 25 раз реже, он летит в пять раз скорее и уже использует энергию так же успешно, как винтовой самолет. На высоте, где среда в 100 раз реже, его скорость в 10 раз больше и он будет выгоднее обыкновенного аэроплана в 2 раза". Эту статью Циолковский заканчивает замечательными словами, показывающими глубокое понимание законов техники. "За эрой аэропланов винтовых должна следовать эра аэропланов реактивных, или аэропланов стратосферы". Следует отметить, что эти строки написаны за 10 лет до того, как первый реактивный самолет, построенный в Советском Союзе, поднялся в воздух. В статьях "Ракетоплан" и "Стратоплан полуреактивный" Циолковский дает теорию движения самолета с жидкостным реактивным двигателем и подробно развивает идею турбокомпрессорного винтового реактивного самолета. |
arier.narod.ru
***
Я получаю от взрослых и детей сотни проектов реактивных средств передвижения. Всем им можно ответить следующее.
Сущность двигателя прямого действия состоит в том, что одна материя отбрасывается направо, а снаряд от этого в силу отдачи двигается налево. Чтобы запас взрывчатого вещества был наименьшим и не обременял экипаж, нужно, чтобы скорость отбрасываемой запасной материи была наибольшей, так как скорость отброса соответствует скорости экипажа. Взрывчатые вещества или горючее, соединяясь с запасным кислородным составом, дают скорость газового отброса от 1000 до 5000 м в секунду Они и должны быть употребляемы.
Когда происходит взрыв, то одна часть его энергии передаётся прибору, а другая идёт на быстрое движение газового отброса. Дабы произошло приличное использование химической энергии, нужно, чтобы скорость снаряда не очень отличалась от скорости вылетающих газов. Допустим эту секундную скорость газовой струи в 2000 м. Тогда для высокого использования взрывчатого вещества или элементов, образующих взрыв, требуется для экипажа скорость, близкая к двум километрам в секунду. Достаточно, пожалуй, и одного километра.
Но возможны ли такие скорости по нашим дорогам и в воздухе?
При секундной скорости в 1000 м давление встречного потока на квадратный метр площади будет более 100 тонн. На самом деле условия движения ещё хуже.
Действительно, при скорости, большей скорости звука, воздух перед плоскостью сгущается и представляет непреодолимую преграду (как бы твёрдую стену). Кроме того, все колеса от такой скорости разрываются на части, а дороги становятся невозможными: при небольшой скорости их неровности терпимы, а при большой невыносимы.
Если же в воздухе сопротивление неодолимо, то в воде ещё более. Следовательно, и глиссеры не выручат.
Как же быть? Неужели реактивные двигатели прямого действия ни к чему не применимы?
Мы этого не говорим. Горю можно помочь, если придать экипажу удлинённую хорошую форму птицы или рыбы, и двигаться не по твёрдым или жидким дорогам, а по воздуху.
Таким образом, мы невольно приходим к мысли о реактивном быстро движущемся аэроплане. Но и последний, как бы ни была прекрасна его форма, не может в нижних плотных слоях воздуха приобрести секундную скорость в несколько километров. Арену действия нашего аэроплана мы должны перенести в разреженные слои атмосферы, в стратосферу.
Наш реактивный аэроплан, или ракетоплан, превращается в ракетный стратоплан. Задача сложная и непосильная для детских знаний, сил и эрудиции. Этим специально занимается исследовательский институт реактивного движения. Предоставим же ему эту работу и возможные достижения.
Что же можем делать мы — ребята? Мы можем устраивать очень интересные детские игрушки. К сожалению, их все уже делали и даже патентовали, якобы серьёзные изобретения. Нам остаётся их только повторять. Однако они поучительны для взрослых и детей.
Перечислим же их.
Кроме забавы, эти игрушки могут служить переходной ступенью к устройству реактивных стратопланов.
Вы прочитали только начало статьи К.Э. Циолковского.
Хотите прочитать всю статью целиком? Во фрейме, расположенном в верхней части данной страницы, вы найдёте полный текст этой статьи.
Приятного прочтения!
tsiolkovsky.org
Работы К.Э. Циолковского по авиации занимают значительное место в научном творчестве ученого.
Первый в мире самолет, на котором была установлена паровая машина, был построен в России Александром Федоровичем Можайским в 1881 году. Затем к созданию самолётов приступил целый ряд энтузиастов в России, Франции, США, Англии и других странах. Уже в первые десятилетия XX века были созданы самолёты, способные летать благодаря мощности собственного мотора и выполнять полёт в течение минут, а затем и часов.
Циолковский внимательно следил за достижениями авиаконструкторов и летчиков. Совершенствование двигателей внутреннего сгорания сделало возможным создание легкого и достаточно мощного авиационного двигателя. Первыми поставили на самолет двигатель внутреннего сгорания американские механики братья Райт. Первый полет был совершен ими в 1903 году.
В 1894 году Циолковский опубликовал свой труд "Аэроплан или птицеподобная (авиационная) летательная машина". Знаменательно не только то, что Циолковский предложил схему моноплана со свободнонесущими крыльями, близкую современной, но и то, что он подробно ее исследовал, проанализировал как с точки зрения прочности конструкции, так и с точки зрения аэродинамики.
В изданной в 1929 году работе "Новый аэроплан" Циолковский дал описание конструкции самолета, состоящей из нескольких веретенообразных полых тел, образующих крыло. В этой, как и в последующих работах по авиации, Циолковский обосновал неизбежность замены поршневых двигателей с воздушным винтом реактивными двигателями. В работе "Реактивный аэроплан" (1930) он дал критическое сравнение самолетов поршневых с реактивными самолетами и доказал возможность создания реактивного самолета с неизмеримо большими скоростями.
Схема и расчёт стратосферного самолета с двигателем, который мы сейчас относим к воздушно-реактивным, даны учёным в работе "Стратоплан полуреактивный" (1932). "За эрой аэропланов винтовых должна следовать эра аэропланов реактивных или аэропланов стратосферы", - писал Циолковский.
Целый ряд работ Циолковского посвящен проблеме создания двигателя и высококалорийного горючего для реактивного самолета: "Реактивный двигатель" (1929), "Как увеличить энергию взрывных тепловых двигателей" (1931) и "Сжиматель газа" (1931).
Профессор В.А. Семенов, исследователь трудов Циолковского в области авиации, писал: "В своих трудах К.Э. Циолковский на основе развитой научной интуиции и чисто теоретических соображений предвидел конкретные формы на обозримом пути развития авиации".
К.Э. Циолковский начал заниматься вопросами аэродинамики ещё с середины 80-х годов XIX века, когда методы экспериментального исследования были несовершенны.
Работы Циолковского по теоретической и экспериментальной аэродинамике были, несомненно, обусловлены необходимостью дать более точное понимание подъемной силы и лобового сопротивления и, следовательно, более строго обосновать аэродинамические расчеты дирижабля и аэроплана.
После многочисленных экспериментов в естественных условиях Циолковский пришёл к идее испытания моделей в искусственном потоке воздуха. Для этого в 1897 году Циолковский построил первую в России аэродинамическую трубу с открытой рабочей частью ("воздуходувку", по терминологии учёного). "Воздуходувка" Циолковского отличалась равномерным потоком воздуха, что достигалось впервые примененной, ориентируемой по воздушному потоку решеткой и чувствительным прибором для измерения сил сопротивления.
Цикл экспериментов, проведенных ученым в аэродинамической трубе, дал огромный исследовательский материал, обработка которого позволила выявить важнейшие закономерности в аэродинамике дозвуковых скоростей. Результаты исследования Циолковский опубликовал в 1898 году в статье "Давление воздуха на поверхности, введенные в искусственный воздушный поток", которая явилась первой публикацией по вопросам аэродинамики. Предвидение учёного о значении аэродинамических труб, его программа работ по экспериментальной аэродинамике получили полное подтверждение в дальнейшем развитии авиации и воздухоплавания.
Еще в конце XIX века Циолковский писал: "Я мечтаю о построении обсерватории по сопротивлению воздуха... В ней было бы удобно хранить модели и производить опыты неопределенное число лет, потому что дело это великое, чрезвычайно великое, как океан". (Центральный аэрогидродинамический институт - ЦАГИ - был создан в 1918 году, в настоящее время является одним из крупнейших в мире центров аэрогидродинамических исследований.)
Исследователь творчества Циолковского А.А. Космодемьянский писал: "С горечью приходится отмечать, что большинство результатов по экспериментальной аэродинамике не было опубликовано в дореволюционной России, поэтому многие его выводы о законах сопротивления воздуха были повторены в XX веке другими исследователями".
znaniya-sila.narod.ru
---- Человек «преодолевший» силу притяжения ----
Будущий ученый родился в 1857 году в глухой российской провинции, в Рязанской губернии, и, по его собственным словам, “соединил в себе русскую, польскую, татарскую украинскую кровь”.
В 1883 году Циолковский пишет работу “Свободное пространство”, в которой анализирует физические процессы и поведение человека в среде без действия сил – без сомнения, она предвосхищает начало космонавтики. Но конец XIX века – это период бурного развития авиации, и молодой ученый на время оставляет поиски путей проникновения в космос. Он строит аэродинамическую трубу и экспериментально изучает сопротивление воздуха, во многом предвосхищая результаты, много позднее полученные известным французским инженером Эйфелем.
Циолковский считал, что начал исследовать возможности применения ракет для полета в космос с 1896 года. “Стремление к космическим путешествиям заложено во мне известным фантазером Ж. Верном. Он пробудил работу мозга в этом направлении”. Первый труд ученого на эту тему под названием “Исследование мировых пространств реактивными приборами”. был опубликован в 1903 году и считается классическим в космонавтике. Циолковский математически доказал, что на основе реактивного принципа можно достигнуть скорости, достаточной “для одоления притяжения Земли и Солнца и блуждания ракеты между звездами…”. И снова ученого преследуют несчастья: умер редактор журнала, и большая часть тиража номера с первой статьей о космических полетах конфискована полицией – а это означает, что пионерские идеи не станут достоянием научной обшественности. Но он продолжает трудиться, и в 1911-12 гг. публикует вторую часть вышеуказанной работы. И если первая часть в 1903 году прошла почти незамеченной, то эта публикация уже вызвала широкий резонанс, многочисленные статьи в научно-технических журналах, которые популяризовали и развивали идеи Циолковского.
Циолковский вновь вернулся к ракетно-космическим проблемам после появления в 1923 году книги немецкого ученого Оберта “Ракета к планетам”, популяризовавшей идею космической ракеты без всяких ссылок на близкие вычисления и проекты самого Циолковского. В результате основные идеи этой книги были восприняты во всем мире как открытие. Даже в Москве при огромном стечении народа прошли научные диспуты “Полет на другие миры. Сам Циолковский ясно сознавал, что практическое использование его результатов неблизко: “Из всех статей о “ракете” все-таки видно, что мы очень далеки с нашими современными техническими средствами до достижения требуемой скорости”. Только в конце его жизни начинаются эксперименты с ракетами Оберта и Годдарда, зачастую неудачные или неэффективные. Но Циолковский далек от пессимизма: “Таков практический удел всех великих начинаний. Они все же драгоценны и смущать никого не должны ... Невозможное сегодня станет возможным завтра”.
Незадолго до ухода из жизни, в 1933 году Циолковский произнес пророческие слова: “Теперь я точно уверен в том, что моя мечта – межпланетные путешествия – мною теоретически обоснованная, превратится в действительность. Сорок лет я работал над реактивным двигателем и думал, что прогулка на марс начнется лишь через много сотен лет. Но сроки меняются. Я верю, что многие из вас будут свидетелями первого заатмосферного путешествия…”.
------ Реактивное движение. ------
Сегодня принципы реактивного движения широко применяются в технике. Особо широкое применение они нашли в авиации и ракетостроении. Путем проб и ошибок были сконструированы различные реактивные двигатели, которые сейчас применяются как в мирных, так и военных целях.
Реактивный двигатель-это двигатель, преобразующий химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, при этом двигатель приобретает скорость в обратном направлении. На каких же принципах и физических законах основывается его действие?
Каждый знает, что выстрел из ружья сопровождается отдачей. Если бы вес пули равнялся бы весу ружья, они бы разлетелись с одинаковой скоростью. Отдача происходит потому, что отбрасываемая масса газов создаёт реактивную силу, благодаря которой может быть обеспечено движение как в воздухе, так и в безвоздушном пространстве. И чем больше масса и скорость истекающих газов, тем большую силу отдачи ощущает наше плечо, чем сильнее реакция ружья, тем больше реактивная сила. Это легко объяснить из закона сохранения импульса, который гласит, что геометрическая (т.е. векторная) сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остаётся постоянной при любых движениях и взаимодействиях тел системы
Рассмотрим в качестве
примера действия ракетного двигателя. При сгорании топливо в камеру сгорания
ракеты образуется газы, нагретые до высокой температуры. Эти газы вырываются из
сопла со скоростью 
относительно ракеты. Эту скорость называют скоростью
истечения. Пренебрегая взаимодействием ракеты с внешними телами, будем считать
систему тел «ракета – газы» замкнутой.
Пусть в момент
времени 
ракета массой
m
двигалась со скоростью 
. За малый промежуток времени
из ракеты выбрасывается масса газа
со скоростью относительно ракеты, т.е. со скоростью
относительно инерциальной системы отсчёта (здесь
– скорость ракеты через
). По закону сохранения импульса имеем:
Подставив значения
и 
получим:
Разделим обе части равенства
на промежуток времени , в течении которого работали двигатели ракеты:
Перейдя к пределу при
и учитывая, что есть ускорение
ракеты, а есть расход топлива в единицу времени, получим:
Произведение массы ракеты
m
на ускорение ее движения 
называется реактивной силой тяги:
Таким образом, мы показали,
что модуль реактивной силы тяги 
равен произведению модуля скорости
истечения газов относительно ракеты на ежесекундный расход
топлива 
.
Реактивная сила тяги действует со стороны истекающих газов на ракету и направлена в сторону, противоположную направлению истечения газов.
---- Формулы К.Э. Циолковского -----------
Формулу, дающую возможность определить массу топлива необходимого для сообщения ракете заданной скорости, а также найти максимальную скорость ракеты при заданном запасе топлива, получил К.Э. Циолковский в 1903 г.
Для случая движения ракеты без учёта влияния силы тяжести Формула Циолковского имеет вид
где
- масса ракеты с топливом перед включением двигателя;
- масса ракеты без топлива при окончании работы двигателя;
- скорость истечения газов относительно ракеты;
- скорость ракеты к концу работы двигателя в системе отсчета,
связанной с центром масс ракеты с горючим перед стартом. Символ
обозначено замечательное число, представляющее собой
непериодическую бесконечную десятичную дробь, значение которой с точностью до
одной сотой равно 2,72.
Анализ формулы Циолковского
приводит к выводу, что расход топлива, необходимый для достижения заданной
скорости, определяется скоростью истечения газов относительно ракеты. Так, для
достижения ракетой скорости 8000 м/с, которая нужна для запуска искусственного
спутника земли при скорости истечения газов 1000 м/с, отношение массы ракеты с
топливом к массе ракеты без топлива
равно:
Для достижения ракеты этой же скорости при истечении газов со скоростью 4000 м/с искомое отношение масс равно:
Если учесть, что скорость 4000 м/с приближается к максимально возможным значениям скорости истечения газов при использовании энергии химических реакций окисления топлива, то становится ясным, какие трудности встают перед конструкторами космических ракет так как, например, масса керосина в обычной цистерне лишь в 13 раз превосходит массу цистерны. Но ведь ракета – это не просто цистерна с горючим!
К. Э. Циолковский вывел формулу, позволяющую рассчитать максимальную скорость, которую может развить ракета. Вот эта формула:
Здесь vmax – максимальная скорость ракеты, v0 – начальная скорость, vr – скорость истечения газов из сопла, m – начальная масса топлива, а M – масса пустой ракеты. Как видно из формулы, эта максимально достижимая скорость зависит в первую очередь от скорости истечения газов из сопла, которая в свою очередь зависит прежде всего от вида топлива и температуры газовой струи. Чем выше температура, тем больше скорость. Значит, для ракеты нужно подбирать самое калорийное топливо, дающее наибольшее количество теплоты. Из формулы следует также, что эта скорость зависит и от начальной и конечной массой ракеты, т.е. от того, какая часть её веса приходится на горючее, и какая - на бесполезные (с точки зрения скорости полёта) конструкции: корпус, механизмы, и т.д.
Эта формула Циолковского является фундаментом, на котором зиждется весь расчёт современных ракет. Отношение массы топлива к массе ракеты в конце работы двигателя(т.е. по существу к весу пустой ракеты) называется числом Циолковского.
Основной вывод из этой формулы состоит в том, что в безвоздушном пространстве ракета разовьёт тем большую скорость, чем больше скорость истечения газов и чем больше число Циолковского.
Решение трудной задачи, достижение ракетами космических скоростей К. Э. Циолковский нашел, предложив использование многоступенчатых ракет.
------ Попытки создания первой ракеты ------
Успехи первых работ над реактивным двигателем были невелики. Близ Берлина ракета Риделя поднялась на высоту 1½ км (1 500 м). Другие германские ракеты (там же) взлетели кверху на 700 м. Лион на склоне Альп запустил ракету на 9,5 км. При другом неудачном опыте (там же) убит один из помощников Лиона, а два других ранены. Успехи ракетных планеров и самолетов был еще менее значительны.
Первые попытки относятся к употреблению готовых взрывчатых веществ, сгорающих постепенно. И теперь еще этим средством полета и движения не пренебрегают, в особенности при начале полета в низших слоях атмосферы. Это вполне естественно при первых шагах развития дела. Для небольших достижений и маленьких ракет конечно пригодны такие слабые взрывчатые вещества, как порох, другие же взрывчатые смеси, и жидкости (особенно при массивных ракетах) сразу взрываются и разрушают прибор. Однако порох не выгоден для массивных ракет еще и потому, что давление газов передается на всю оболочку сосуда. Это заставляет делать весь снаряд прочным и тяжелым. Вес пороха в ней не может превышать веса снаряда, а нам необходимо, чтобы вес взрывчатого вещества во много раз был больше веса содержащего его сосуда.
Второй этап в деле ракет — разделение элементов взрыва по отдельным сосудам. Тут соединение составных частей взрывчатой смеси совершается постепенно в продолжении нескольких секунд или минут. Одновременного взрыва всей массы произойти не может.
В одних опытах сжиженный кислород вытекает под влиянием собственного давления (Ридель), а бензин под давлением газа (сжатого азота, углекислоты и пр.), в других же оба элемента выталкиваются давлением сжатого газа (Оберт).
Второй способ предпочтительнее, так как истечение и газообразование жидкого кислорода весьма медленно и капризно, зависит от внешнего притока тепла (от воздуха, солнца) и степени тепловой изоляции кислородного бака.
Но почему же и в приборах Оберта мы видим те же слабые результаты? Дело в том, что давление газа в резервуарах, как и в случае применения пороха, принуждает и самые резервуары делать массивными, тяжелыми. Поэтому и весь прибор получается слишком тяжелым.
Выгодное использование взрыва в атмосфере (при сильном внешнем ее давлении) возможно только при наибольшем давления в дюзе, примерно в несколько тонн на см2 (как в огнестрельных орудиях). Дюза требуется также длинная и коническая. Ни того, ни другого в летающих аппаратах пока нет.
Чтобы избежать давления в баках с горючим кислородом и бензином, необходимо накачивать его в камеру сгорания, тогда высокое давление будет лишь в небольших насосах, не требующих большой массы, а значит и легких, но для накачивания нужен особый двигатель. Однако и здесь огромное реактивное давление в дюзе (или взрывной камере) потребует очень сильного и потому тяжелого двигателя. Это затруднение можно устранить, если взрывать элементы залпами с промежутками. Подав насосом порцию горючего вещества, дать ему взорваться (выстрелить), а затем по освобождении дюзы от газового подать вторую порцию и т.д.
Тут сила взрыва будет зависеть от нас, двигатель же потребуется небольшой мощности, а значит и меньшего веса.
Выстрел, а тем более холостой, совершается в малую долю секунды, например в одну сотую (0,01) и даже меньше, смотря по длине дюзы и скорости смешения элементов взрывания. Поэтому число выстрелов в секунду может быть весьма значительно — 50 и более. Стало быть и реактивная работа (мощность) может быть весьма велика при сравнительно небольшом весе всего снаряда.
Охлаждение водой карбюратора и дюзы неэкономно, так как требует много жидкости и чехла. Этого средства можно избегать, окружая дюзу непрерывно перемешиваемою нефтью, а нефть — жидким кислородом. Никаких баков и охладительных чехлов тогда не понадобится: сам разгороженный снаряд послужит баком, а горючее — охладителем. Нагревание дюзы не будет очень сильно еще и потому, что выходная расширенная часть длинной конической дюзы может быть очень холодна вследствие расширения и охлаждения там газовых продуктов сгорания. Отсюда видно, что дюза должна быть длинной не только для того, чтобы лучше использовать энергию горения, но и для того, чтобы не давать взрывной трубе слишком нагреваться.
Все указанные изменения в реактивных летательных аппаратах, не говоря уже про управление (пилотаж), требуют многих сложных приборов, значительной величины машины и больших затрат.
Теория доказала возможность самых фантастических достижений в деле применения для полета реактивного двигателя, но практика требовала особых конструкторских решений.
------ Устройство современной ракеты ------
Как выглядит в общих чертах современная ракета? Прежде всего, это многоступенчатая ракета. В головной части её размещается полезная нагрузка, позади него ‑ приборы управления, баки и, наконец, двигатель. В зависимости от топлива стартовый вес ракеты превышает вес полезного груза в 100-200 раз! Поэтому весит она много десятков тонн, а в длину достигает высоты десятиэтажного дома.
Рис.1 Схема внутреннего устройства ракеты.
Конструкция ракеты должна отвечать ряду требований. Например, очень важно, чтобы сила тяги проходила через центр тяжести ракеты. Если не выполнить этого и ещё ряда других условий, то ракета может отклониться от заданного курса или даже начать вращательное движение. «Подправить» курс можно с помощью рулей. Пока ракета летит в плотном воздухе, могут работать аэродинамические рули, а в разреженном воздухе - предложенные ещё Циолковским газовые рули, отклоняющие направление газовой струи. Впрочем, сейчас конструкторы начинают отказываться от применения газовых рулей, заменяя их несколькими дополнительными соплами или поворачивая само главное сопло. Например, на американской ракете, построенной по проекту «Авангард», двигатель подвешен на шарнирах, и его можно отклонять на 5-7О. Действительно, в начале полёта, когда плотность воздуха ещё велика, мала скорость ракеты, поэтому рули плохо управляют. А там, где ракета приобретает большую скорость, мала плотность воздуха. Газовые рули хрупки и ломки, потому что их приходиться делать из графита или керамики.
Каждая ступень ракеты работает в совершенно различных условиях, которые и определяют её устройство. Мощность каждой следующей ступени и время её действия меньше, поэтому и конструкция может быть проще.
В настоящее время двигатели ракет преимущественно работают на жидком топливе. В качестве горючего обычно используют керосин, спирт, гидразин, анилин, а в качестве окислителей - азотную и хлорную кислоты, жидкий кислород и перекись водорода. Очень активными окислителями являются фтор и жидкий озон, но из-за крайней взрывоопасности они пока находят ограниченное применение.
Наиболее ответственной частью ракеты является двигатель, а в нём - камера сгорания и сопло. Здесь должны использоваться особо жаропрочные материалы и сложные методы охлаждения, так как температура сгорания топлива доходит до 2500-3500ОС. Обычные материалы таких температур не выдерживают. Достаточно сложны и остальные агрегаты. Например, насосы, которые подавали горючее и окислитель к форсункам камеры сгорания, уже в ракете ФАУ-2 были способны перекачивать 125 кг топлива в секунду. В ряде случаев вместо баллонов применяют баллоны со сжатым воздухом или каким-нибудь другим газом, который вытесняет горючее из баков и гонит его в камеру сгорания.
Запускается современная ракета со специального стартового устройства. Часто это ажурная металлическая мачта или даже башня, около которой ракету собирают по частям подъёмными кранами. Площадки на башне размещаются против смотровых люков, через которые проверяют и налаживают оборудование. Потом ракету заправляют топливом, и башня отъезжает и ракета стартует.
------ Заключение. ------
Эта работа позволяет понять – как долог путь от теоретического обоснования идеи до ее практического исполнения. Современные ракеты позволили заглянуть ученым на самые отдаленные планеты Солнечной системы, и, возможно, ракеты будущего, использующие принципы реактивного движения, доберутся до окраин Галактики.
skolniki.narod.ru
