2. Развитие ракетостроения и освоение космоса

Определения и обозначения

Реактивное движение — движение тела, возникающее при отделении от него части вещества. Выбрасываемые газы уносят импульс назад, а тело получает импульс в противоположную сторону; так можно объяснить движение ракеты.

Ракета — летательный аппарат, создающий тягу за счёт выброса продуктов сгорания топлива. Тяга — сила, разгоняющая аппарат, поэтому ракета может двигаться и там, где нет воздуха или другой опоры.

Первая космическая скорость — минимальная скорость для движения по круговой орбите у поверхности небесного тела. Для Земли она составляет примерно 7,9 км/с, поэтому это число показывает, насколько быстро нужно двигаться, чтобы стать спутником планеты.

Искусственный спутник Земли — созданный человеком аппарат, который движется по орбите вокруг Земли. Спутники нужны для связи, наблюдений и научных исследований, а их движение определяется скоростью и притяжением планеты.

Как это устроено

В космосе почти нет вещества, от которого ракета могла бы оттолкнуться, но это не требуется. Двигатель направляет струю горячих газов назад, и газы уносят часть импульса системы. Чтобы общий импульс сохранялся, ракета получает импульс вперёд. Поэтому её движение объясняется взаимодействием с выбрасываемыми газами, а не давлением на окружающий воздух.

Ракета и газы до выброса образуют систему, импульс которой сохраняется, если внешним воздействием можно пренебречь. После выброса импульс газа направлен назад, а импульс ракеты — вперёд; их сумма равна прежнему импульсу системы. При сгорании топлива ракета продолжает выбрасывать газы, а её масса уменьшается. Поэтому при одинаковом последующем изменении импульса меньшей массе соответствует большая скорость; реальный разгон зависит от работы двигателя и режима выброса топлива.

Чтобы стать спутником, аппарат должен двигаться достаточно быстро вдоль поверхности Земли. Гравитация притягивает его к планете и искривляет траекторию, не давая улететь по прямой. Если скорость подходящая, аппарат всё время падает вокруг Земли и движется по орбите. Для круговой орбиты у поверхности Земли нужна первая космическая скорость — около 7,9 км/с; это не скорость полного ухода от планеты.

Одна ракета должна разогнать не только полезный аппарат, но и топливо, баки и двигатели. По мере расходования топлива пустые части становятся бесполезным грузом и требуют дополнительных затрат на разгон. В многоступенчатой ракете отработавшую ступень отделяют и сбрасывают, так что дальнейший полёт продолжает более лёгкая конструкция. Сброс не создаёт тягу: ускорение обеспечивают работающие двигатели, а уменьшение массы помогает эффективнее набирать скорость.

К. Э. Циолковский теоретически показал, что космический полёт возможен при использовании ракеты и больших скоростей, а многоступенчатая схема помогает их достичь. Развитие ракетной техники, в том числе жидкостных двигателей, сделало эти идеи практически осуществимыми. В 1957 году был запущен первый искусственный спутник Земли, а в 1961 году состоялся первый полёт человека в космос. Позднее космические программы расширили применение спутников и пилотируемых аппаратов.

Основные этапы развития ракетостроения и освоения космоса

Таблица показывает, как теоретические идеи постепенно превратились в реальные космические полёты и прикладные технологии. По ней удобно проследить последовательность достижений и связать каждое событие с его значением.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему ракета может разгоняться в космосе, где нет воздуха.

1. Рассмотрим ракету вместе с газами, которые образуются при сгорании топлива.
2. Двигатель выбрасывает газы назад, поэтому они получают импульс, направленный назад.
3. По закону сохранения импульса ракета получает импульс вперёд, компенсирующий импульс газов.

Ответ: ракета разгоняется благодаря взаимодействию с выбрасываемыми газами; воздух для этого не нужен.

Задача 2. Спутник движется по круговой орбите у поверхности Земли. Оцените его скорость, если первая космическая скорость равна 7,9 км/с.

1. Сопоставим условие с определением: первая космическая скорость как раз соответствует круговому движению у поверхности Земли.
2. Значит, подставлять или вычислять дополнительные величины не требуется: задано нужное значение скорости.
3. Запишем его с единицами измерения, поскольку в ответе важны и число, и единица.

Ответ: скорость спутника примерно 7,9 км/с.

Задача 3. Ракета должна вывести аппарат на орбиту. Зачем используют несколько ступеней и на какой физической идее основано увеличение скорости?

1. Сначала определим, что происходит с топливом: по мере его сгорания ракета выбрасывает газы и получает импульс вперёд.
2. Когда ступень израсходовала топливо, её баки и двигатель больше не помогают разгону, но продолжают увеличивать массу аппарата.
3. Отделение ступени уменьшает массу той части ракеты, которая продолжает полёт. Работа двигателя и выброс газов дают разгон, а сброс отработавшей конструкции делает его эффективнее.

Ответ: несколько ступеней позволяют поочерёдно сбрасывать отработавшие части и уменьшать массу ракеты; разгон основан на сохранении импульса при выбросе газов.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что ракете нужен воздух. Так думают, потому что самолёт использует воздух для создания подъёмной силы и тяги винта. Но ракетный двигатель выбрасывает собственные газы, поэтому проверить себя можно вопросом: участвует ли воздух снаружи в сохранении импульса системы «ракета — газы»? Нет.

Ошибка: объяснять полёт действием газов на воздух. Это объяснение не подходит для вакуума и упускает взаимодействие ракеты с газами, которые она выбрасывает. Проверьте рассуждение: импульс ракеты меняется одновременно с импульсом струи, а их изменения направлены противоположно.

Ошибка: путать первую космическую скорость со скоростью ухода от Земли. Первая нужна для круговой орбиты, а для полного ухода требуется другая, большая скорость. Проверка проста: уточните, спрашивается ли движение вокруг Земли или выход из области её притяжения.

Ошибка: считать, что сбрасывание ступеней создаёт тягу. Ступень отделяют, чтобы убрать лишнюю массу, но сама по себе эта операция не заменяет работу двигателя. Проверьте себя: если двигатель не выбрасывает газы, откуда взялась бы тяга? Её создаёт реактивное движение, а сброс ступени помогает дальнейшему разгону.

Связь с другими темами

Для понимания полёта ракеты нужен закон сохранения импульса: в замкнутой системе общий импульс сохраняется. Полезно также знать второй закон Ньютона и понимать, что сила вызывает ускорение. Эти идеи связывают изменение движения ракеты с работой двигателя и выбросом газов. Далее они понадобятся при изучении гравитации, орбитального движения и искусственных спутников, а также при разборе практического применения космических аппаратов.

Что запомнить

• Ракета движется благодаря выбросу газов и не нуждается в воздухе как опоре.
• Движение ракеты объясняется законом сохранения импульса.
• При расходовании топлива масса ракеты уменьшается, а её скорость может возрастать.
• Отработавшие ступени сбрасывают, чтобы уменьшить массу аппарата.
• Первая космическая скорость у поверхности Земли составляет примерно 7,9 км/с.
• Искусственный спутник удерживается на орбите благодаря гравитационному притяжению Земли и своей скорости.