2. Развитие ракетостроения. Освоение космоса

Определения и обозначения

Реактивное движение — движение тела, возникающее при отделении от него части вещества. По закону сохранения импульса общий импульс системы не меняется, если на неё не действуют внешние силы. Поэтому отделившаяся часть и оставшееся тело получают импульсы в противоположных направлениях. Это понятие помогает объяснить движение ракеты.

Ракета — аппарат, который движется за счёт выбрасывания части собственного топлива и продуктов его сгорания. Топливо сгорает, образовавшиеся газы вылетают из сопла и сообщают ракете импульс в противоположную сторону. Ракете не нужно отталкиваться от воздуха: газы берутся из её запасов топлива. Поэтому она может двигаться и в безвоздушном пространстве.

Первая космическая скорость — минимальная скорость, необходимая для движения тела по круговой орбите у поверхности Земли. Она составляет примерно 7,9 км/с в идеализированной модели, без учёта сопротивления атмосферы и рельефа. Эта скорость нужна, чтобы тело не упало на Землю, а всё время «падало» вокруг неё. Понятие помогает оценить условие выхода спутника на орбиту.

Искусственный спутник Земли — созданный человеком аппарат, который движется вокруг Земли по орбите. Спутник не удерживается над одной точкой сам по себе: он непрерывно движется вперёд, а сила тяжести искривляет его траекторию. Спутники используют для связи, навигации, наблюдений и научных исследований. Их запуск стал практическим результатом развития ракет.

Как это устроено

Когда ракета выбрасывает газы назад, возникает реактивное движение. Рассмотрим систему «ракета — газы» за короткое время, когда внешним воздействием можно пренебречь. Если система сначала покоилась, её полный импульс был равен нулю; после выброса он тоже должен остаться нулевым. Поэтому импульс ракеты направлен вперёд и уравновешивает импульс газов, направленный назад.

Ракета движется даже там, где нет воздуха, потому что тяга появляется не от толчка о воздух. Топливо и окислитель находятся на борту, а при их сгорании образуются газы, которые ракета выбрасывает через сопло. Газы уносят импульс в одну сторону, а корпус получает импульс в другую. Воздух для обмена импульсом не требуется: взаимодействуют части самой системы.

Чтобы вывести аппарат на орбиту, ему нужно сообщить большую скорость, а для этого требуется много топлива. Но топливо тоже нужно разгонять, и вместе с ним приходится разгонять баки, двигатели и другие детали. В многоступенчатой ракете топливо расходуют по очереди, а опустевшие ступени сбрасывают. Масса оставшейся ракеты становится меньше, и её проще разгонять дальше.

Константин Эдуардович Циолковский теоретически исследовал возможность космического полёта и показал, почему для достижения больших скоростей нужны ракеты с запасом топлива и разделением на ступени. Его расчёты и идеи стали основой для дальнейших исследований, хотя сам он не создавал космические ракеты. Практическое развитие техники потребовало двигателей, способных работать на жидком топливе. Первую успешную жидкостную ракету запустил Роберт Годдард в 1926 году, а позднее ракетная техника стала основой космических программ.

Начало практического освоения космоса связано с последовательными достижениями. В 1957 году СССР вывел на орбиту первый искусственный спутник Земли, доказав возможность регулярного запуска аппаратов в космос. 12 апреля 1961 года Юрий Гагарин совершил первый полёт человека в космос на корабле «Восток-1». Затем появились пилотируемые корабли, орбитальные станции, автоматические межпланетные аппараты и новые международные космические программы.

Основные этапы развития ракетостроения и освоения космоса

В таблице собраны важные идеи и события, которые привели от теоретических расчётов к космическим полётам. Даты помогают выстроить их в хронологическом порядке, а графа «Значение» показывает, что именно изменило каждое достижение. Для некоторых длительных процессов указаны примерные периоды, а не одна дата.

Разбор задач

Задача 1. Ракета выбрасывает газы назад. Объясните, почему она начинает двигаться вперёд, и укажите физический закон. Здесь рассматриваем ракету и газы вместе как систему. Если внешним импульсом можно пренебречь, общий импульс системы сохраняется.

1. До выброса покоящаяся система имеет импульс, равный нулю.
2. После выброса газы получают импульс назад. Чтобы общий импульс остался нулевым, ракета получает импульс такой же величины вперёд.
3. Следовательно, движение ракеты объясняется законом сохранения импульса и является реактивным.

Ответ: ракета движется вперёд, потому что газы получают импульс назад; объяснение основано на законе сохранения импульса.

Задача 2. Ракета массой M до выброса покоилась и выбрасывает порцию газа массой m назад со скоростью u относительно ракеты. Найдём скорость ракеты V; считаем, что M — масса ракеты после выброса. Скорость газа относительно Земли не равна u: из-за движения ракеты она составляет V − u, если направление вперёд считать положительным.

1. До выброса импульс равен нулю, значит после выброса должно выполняться MV + m(V − u) = 0.
2. Раскроем скобки: (M + m)V = mu.
3. Отсюда V = mu/(M + m). Скорость положительна, значит ракета движется вперёд.

Ответ: V = mu/(M + m). Если масса выброшенного газа мала по сравнению с массой ракеты, можно приближённо считать V ≈ mu/M.

Задача 3. Две ракеты имеют одинаковую массу и выбрасывают одинаковую массу газа, но скорости газов различны. Определим, какая ракета получит больший импульс и скорость, а затем разберём роль ступеней. Сравнивать нужно импульсы газа в одной системе отсчёта, например относительно ракеты непосредственно перед выбросом.

1. Импульс выброшенной порции по модулю равен p = mu, где m — масса газа, u — его скорость.
2. При одинаковом m большему u соответствует больший импульс газов. По сохранению импульса ракета получает такой же по модулю импульс в противоположную сторону.
3. Если массы ракет после выброса также одинаковы, большая величина импульса означает большую скорость ракеты: V = p/M.
4. Ступени сбрасывают после выработки топлива. Уменьшение массы позволяет оставшейся части эффективнее набирать скорость при последующих выбросах газа.

Ответ: больший импульс газа и большую скорость ракеты даёт выброс с большей скоростью. Ступени нужны, чтобы не разгонять уже ненужные пустые баки и двигатели.

Типичные ошибки

• Считать, что ракете для движения обязательно нужен воздух. Такое представление возникает из привычки отталкиваться от опоры, как при ходьбе, но ракетная тяга создаётся выбрасываемыми газами. Проверьте себя: мысленно уберите воздух, но оставьте топливо и сопло — механизм реактивного движения сохраняется.

• Объяснять движение ракеты только давлением газов на воздух. Это объяснение не подходит для вакуума и упускает обмен импульсом внутри системы «ракета — газы». Проверьте себя, записав импульсы до и после выброса: их сумма должна сохраняться.

• Считать, что ракета и газы после выброса движутся в одну сторону. Обычно так путают направление действия тяги и движения струи, но импульсы ракеты и газов противоположны. Проверка простая: если газы летят назад, ракета получает импульс вперёд.

• Путать первую космическую скорость со скоростью ухода из поля тяготения Земли. Первая нужна для круговой орбиты у поверхности, а не для полного удаления от Земли. Чтобы проверить ответ, уточните цель: остаться на орбите или покинуть земное притяжение.

Связь с другими темами

Для понимания ракетного движения нужны понятия импульса тела и замкнутой системы, а также закон сохранения импульса. С ними можно определить, почему ракета и газы движутся в противоположных направлениях. Тема связана и с законами Ньютона: они описывают действие сил и изменение движения. При изучении орбит понадобится знание о силе тяжести и движении тела по криволинейной траектории.

Что запомнить

• Ракетное движение основано на законе сохранения импульса.
• Ракета движется благодаря выбросу газов, поэтому может лететь в вакууме.
• Импульсы ракеты и выброшенных газов направлены в противоположные стороны.
• Многоступенчатая конструкция позволяет сбрасывать отработавшие части и уменьшать массу ракеты.
• Первая космическая скорость обеспечивает движение по круговой орбите у поверхности Земли.
• Освоение космоса стало возможным благодаря развитию ракетной техники.