§ 25. Реактивные двигатели. Успехи в освоении космического пространства

Определения и обозначения

Реактивное движение — движение тела, возникающее при отделении от него части массы с некоторой скоростью. Например, при выбросе газов назад ракета получает движение вперёд. Это понятие нужно, чтобы объяснить полёт ракеты без опоры на воздух или поверхность.

Реактивный двигатель — устройство, создающее тягу за счёт выброса струи газа или другого рабочего тела. Тяга — сила, разгоняющая аппарат в направлении, противоположном истечению струи. Двигатель превращает энергию топлива в направленное движение газов и самого аппарата.

Ракета — летательный аппарат, движущийся благодаря реактивной тяге и не нуждающийся для работы двигателя в окружающей среде. На борту ракеты находятся топливо и окислитель, поэтому двигатель может работать в космосе. Такое устройство позволяет использовать ракету для полётов за пределами атмосферы.

Космические скорости — минимальные скорости, необходимые для выхода на орбиту, ухода от притяжения Земли и Солнечной системы. В школьной механике особенно важны первая и вторая космические скорости. Их сравнение показывает, какой скорости достаточно для орбитального движения, а какая нужна для полного ухода от Земли.

Как это устроено

Движение ракеты объясняется законом сохранения импульса. Если до выброса система «ракета — газы» покоилась, её общий импульс был равен нулю; после выброса импульс газов и ракеты должны взаимно компенсироваться. Поэтому чем больше импульс струи, направленной назад, тем больше противоположный импульс ракеты.

В жидкостном ракетном двигателе топливо и окислитель подаются в камеру сгорания. При реакции выделяется энергия, газы сильно нагреваются и создают большое давление, поэтому начинают расширяться. Сопло направляет и ускоряет этот поток, превращая давление газов в скорость истечения и реактивную тягу.

Ракете не нужна опора в воздухе: двигатель выбрасывает собственное рабочее тело, а не отталкивается от атмосферы. Воздух также не требуется для самого движения, поскольку импульс передаётся газам внутри системы. Однако для горения необходим окислитель, и его приходится брать с собой в баке вместе с топливом.

Во время работы двигателя топливо и окислитель превращаются в газы и покидают ракету, поэтому её масса уменьшается. При примерно постоянной тяге ускорение растёт по формуле a = F/m, поскольку масса m становится меньше. Большой расход топлива необходим потому, что ракете приходится разгонять не только полезный груз, но и ещё не израсходованные запасы.

Многоступенчатая ракета состоит из нескольких частей с собственными двигателями и запасами топлива. После выработки топлива ступень отделяется, и аппарат больше не тратит энергию на разгон её пустых баков и конструкций. Так последовательно уменьшается масса, которую нужно ускорять, что позволяет достичь больших скоростей при ограниченном запасе топлива.

Реактивное движение и основные этапы космических полётов

В таблице сначала найдите понятие, затем проследите связь между физическим принципом и результатом его применения. Последний столбец помогает быстро проверить, не перепутаны ли назначение объекта и ключевое условие его работы.

Космические скорости указаны приближённо для поверхности Земли, поскольку точное значение зависит от высоты и других условий полёта. В реальной ракете скорость набирается постепенно, а вращение Земли, сопротивление атмосферы и потери на гравитацию учитываются отдельно.

Разбор задач

Задача 1. Импульс ракеты после выброса газов

Из ракеты выброшены газы, имеющие импульс pгазов. До выброса система «ракета — газы» покоилась, поэтому её полный импульс был равен нулю. Нужно определить импульс ракеты после выброса и учесть, что направления движения противоположны.

1. Выбираем замкнутой систему, состоящую из ракеты и выброшенных газов.
2. Записываем закон сохранения импульса: 0 = pракеты + pгазов.
3. Переносим импульс газов в правую часть: pракеты = −pгазов.
4. Знак «минус» показывает противоположное направление, а модуль импульса ракеты равен модулю импульса газов.

Ответ: pракеты = −pгазов; ракета получает импульс, равный по модулю импульсу газов и направленный в обратную сторону.

Задача 2. Изменение скорости при выбросе топлива

Пусть до выброса ракета с топливом имела массу m₀ и покоилась, а после выброса массы Δm масса ракеты стала m₁ = m₀ − Δm. Газы истекают относительно ракеты со скоростью u, направленной назад. Требуется найти скорость ракеты v после выброса.

1. После выброса скорость газов относительно Земли равна v − u, если направление движения ракеты считать положительным.
2. Применяем сохранение импульса: 0 = m₁v + Δm(v − u).
3. Раскрываем скобки и получаем (m₁ + Δm)v = Δm u.
4. Так как m₁ + Δm = m₀, окончательно v = Δm u/m₀.
5. Проверяем единицы: кг · м/с, делённые на кг, дают м/с.

Ответ: изменение скорости ракеты равно Δv = v = Δm u/m₀ для описанного однократного выброса из состояния покоя. Чем больше выброшенная масса и скорость истечения, тем больше разгон.

Задача 3. Выбор космической скорости

Нужно определить, какая скорость требуется аппарату: для круговой орбиты вокруг Земли или для полного преодоления земного притяжения. Первая ситуация соответствует первой космической скорости, вторая — второй. У поверхности Земли можно использовать приближённые значения 7,9 км/с и 11,2 км/с.

1. Определяем цель полёта: орбитальное движение или уход из поля тяготения.
2. Для круговой орбиты выбираем первую космическую скорость v₁ ≈ 7,9 км/с.
3. Для полного ухода от Земли выбираем вторую космическую скорость v₂ ≈ 11,2 км/с.
4. Физический смысл проверяем по энергии: во втором случае кинетическая энергия должна компенсировать гравитационную связь с Землёй.

Ответ: для круговой орбиты нужна первая космическая скорость, примерно 7,9 км/с; для ухода от земного притяжения — вторая, примерно 11,2 км/с. Нельзя выбирать скорость только по числу без выяснения цели движения.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что ракета отталкивается от воздуха или Земли. Так думают из-за привычных примеров движения колёсного транспорта и самолёта. Проверка проста: представьте двигатель в вакууме — если он выбрасывает газы, тяга сохраняется.

Ошибка: забывать об окислителе и полагать, что топливо горит в космосе само по себе. Причина заблуждения — смешение понятий «движение ракеты» и «горение топлива». Проверьте себя вопросом: откуда возьмётся кислород в безвоздушном пространстве, если его нет в баке?

Ошибка: применять закон сохранения импульса только к одной ракете. В таком случае кажется, что её импульс возникает без причины, хотя внешнего толчка нет. Нужно рассматривать всю систему «ракета — выброшенные газы» и учитывать оба противоположных импульса.

Ошибка: путать первую и вторую космические скорости. Их смешивают, потому что обе связаны с космическим полётом, но цели у них разные. Проверка: первая скорость выводит на орбиту, а вторая позволяет покинуть поле земного тяготения.

Связь с другими темами

Для понимания реактивного движения нужны законы Ньютона, понятие импульса и закон его сохранения. Также пригодятся работа и энергия, поскольку разгон связан с превращением энергии топлива в кинетическую энергию газов и ракеты. Сила тяжести помогает объяснить орбиты и космические скорости.

Дальше эти знания используются при изучении искусственных спутников и движения космических аппаратов. Закон всемирного тяготения позволяет рассчитывать орбиты, а механика — анализировать разгон, торможение и изменение траектории. Реальные расчёты дополняются учётом сопротивления атмосферы и вращения Земли.

Принципы реактивного движения применяются в ракетах, космических кораблях и спутниковых системах. Их используют для вывода аппаратов на орбиту и отправки автоматических станций к другим небесным телам. История космонавтики показывает, как законы механики превращаются в инженерные решения.

Что запомнить

• Реактивное движение возникает при отделении части массы тела.
• Ракета получает импульс, противоположный импульсу выброшенных газов.
• Ракетному двигателю не нужен воздух для создания тяги.
• Для работы в космосе ракета должна иметь запас топлива и окислителя.
• Уменьшение массы ракеты во время полёта способствует росту её ускорения.
• Многоступенчатая ракета последовательно сбрасывает использованные части, уменьшая массу аппарата.
• Космические скорости определяют возможность выхода на орбиту и преодоления земного притяжения.