§ 13. Развитие ракетной техники

Определения и обозначения

Реактивное движение — движение тела, возникающее при отделении от него части массы с некоторой скоростью. Например, при выпуске воздуха шарик летит в сторону, противоположную струе. Это понятие нужно, чтобы объяснить движение ракеты без опоры на дорогу, воду или воздух.

Ракета — летательный аппарат, который движется за счёт выбрасывания продуктов сгорания топлива и не нуждается в опоре на окружающую среду. Внутри ракета хранит топливо и окислитель, поэтому может создавать рабочие газы сама. Такое устройство используют для полётов в атмосфере и за её пределами.

Ракетный двигатель — устройство, создающее реактивную тягу за счёт превращения энергии топлива в энергию быстро движущихся газов. В нём топливо сгорает, а продукты сгорания направляются через сопло. Понятие помогает связать химическую энергию топлива с механическим движением ракеты.

Многоступенчатая ракета — ракета, отдельные ступени которой последовательно отделяются после израсходования топлива. Каждая ступень имеет свои баки и двигатели, а после работы перестаёт быть нужной. Благодаря этому уменьшается масса, которую нужно разгонять на следующем участке полёта.

Как это устроено

Когда раскалённые газы вырываются из сопла назад, ракета движется вперёд. Причина заключается в законе сохранения импульса: импульс замкнутой системы не меняется, если внешние силы малы. До выброса топлива суммарный импульс ракеты и газов может быть равен нулю, поэтому после выброса их импульсы направлены в противоположные стороны и компенсируют друг друга.

В ракетном двигателе топливо поступает в камеру сгорания, где химическая реакция быстро выделяет энергию. Образовавшиеся газы имеют высокую температуру и большое давление, поэтому расширяются. Сопло направляет этот поток и увеличивает скорость его истечения, а переданный газам импульс превращается в тягу ракеты.

Ракете не требуется воздух, потому что она выбрасывает не воздух снаружи, а продукты сгорания собственного топлива. Воздушный винт отталкивает окружающий воздух, поэтому без него не создаёт тягу. Реактивному самолёту тоже нужен атмосферный воздух: он используется двигателем и одновременно служит рабочей средой для создания тяги.

Первые ракеты были простыми пороховыми устройствами и применялись для сигналов и военных целей. Затем учёные начали рассчитывать движение ракет и искать более эффективные топлива и конструкции. Идеи К. Э. Циолковского подготовили переход к космической технике, а жидкостные двигатели сделали управляемый полёт более реальным.

Для выхода на орбиту ракете нужно сообщить аппарату очень большую скорость, но топливо и пустые баки тоже имеют массу. В многоступенчатой конструкции отработавшая ступень отделяется, поэтому следующий двигатель разгоняет более лёгкую систему. Это позволяет эффективнее использовать топливо и доставлять полезный груз в космос.

Основные этапы развития ракетной техники

Таблица показывает, как менялись источник энергии, устройство и назначение ракет. Её удобно читать по строкам, прослеживая путь от простого порохового устройства к ракете-носителю. По столбцам можно сравнивать разные этапы развития между собой.

Разбор задач

Задача 1. Движение воздушного шарика

Надутый шарик выпускают, не завязывая его отверстие. Воздух вытекает из шарика в одну сторону, а сам шарик начинает двигаться в другую. Нужно объяснить это движение с помощью закона сохранения импульса.

1. До выпуска воздуха шарик и находящийся в нём воздух покоятся, поэтому их общий импульс равен нулю.
2. После открытия отверстия воздух получает импульс в направлении струи. Чтобы общий импульс сохранился, оболочка шарика получает импульс противоположного направления.
3. Так как оболочка имеет массу и движется с приобретённой скоростью, её движение является простейшим примером реактивного движения.

Ответ: шарик летит противоположно струе воздуха из-за закона сохранения импульса.

Задача 2. Скорость ракеты

Ракета массой 1000 кг покоилась и выбросила 10 кг газа со скоростью 500 м/с относительно Земли. Сопротивлением воздуха пренебрегаем. Требуется найти скорость оставшейся части ракеты.

1. Начальный импульс системы ракета — газы равен нулю, поэтому после выброса 990 кг ракеты и 10 кг газа должны иметь противоположные импульсы.
2. Запишем закон сохранения импульса: 990v + 10 · 500 = 0. Отсюда 990v = −5000.
3. Получаем v = −5000/990 ≈ −5,05 м/с. Минус показывает, что ракета движется в сторону, противоположную движению газов.

Ответ: скорость ракеты по модулю примерно равна 5,05 м/с, направление противоположно движению газов.

Задача 3. Зачем нужны ступени

Двухступенчатая ракета после выработки топлива первой ступени отделяет её массу. Нужно объяснить, почему оставшаяся часть при том же двигателе может получить большую скорость, чем одноступенчатая ракета той же начальной массы.

1. При одинаковом импульсе, сообщённом системе, меньшая масса получает большую скорость: из формулы p = mv следует v = p/m.
2. После отделения пустой ступени двигатель второй ступени разгоняет только её собственную массу, полезный груз и оставшиеся части ракеты. Пустые баки уже не требуют энергии для дальнейшего разгона.
3. В одноступенчатой ракете отработавшие баки остаются до конца полёта и уменьшают эффективность разгона. Поэтому последовательное отделение ступеней выгоднее.

Ответ: многоступенчатая ракета достигает большей скорости, потому что после каждого этапа сбрасывает ненужную массу.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что ракета отталкивается от воздуха или космоса. Так думают по аналогии с лодкой или винтом, но ракета взаимодействует прежде всего с выбрасываемыми газами. Проверка: мысленно поместите ракету в вакуум — её двигатель продолжит работать.

Ошибка: полагать, что ракета не может двигаться без воздуха. Причина заблуждения — смешение принципа работы ракеты с работой воздушного винта. Проверка проста: спросите, есть ли в конструкции запас топлива и окислителя для образования газов.

Ошибка: забывать, что газы и ракета образуют единую систему. Из-за этого в задаче иногда считают, что импульс появился сам по себе, и нарушают закон сохранения импульса. Проверяйте начало и конец процесса для всей системы, а не только для ракеты.

Ошибка: считать отделение ступеней второстепенной деталью. Пустые баки и двигатели увеличивают массу, которую пришлось бы разгонять дальше. Проверка: сравните массу системы до и после отделения — она должна уменьшиться.

Связь с другими темами

Для понимания реактивного движения нужны закон сохранения импульса, третий закон Ньютона, а также понятия массы, скорости и импульса. Эти знания позволяют правильно определить направление движения ракеты и газов. Они также помогают составлять уравнения для задач.

Тема продолжает изучение механического движения и связывает его с устройством двигателей. Реактивный принцип используется в космических ракетах и при манёврах космических аппаратов. Изменяя направление выброса газов, аппарат изменяет скорость или направление полёта.

Дальше эти знания пригодятся при изучении закона сохранения энергии, движения искусственных спутников и основ космонавтики. Полёт на орбиту требует одновременно учитывать скорость, массу, энергию и действие сил. Поэтому ракетная техника объединяет несколько разделов физики.

Что запомнить

• Реактивное движение возникает при отделении частью тела собственной массы.
• Ракета движется благодаря истечению газов, а не благодаря отталкиванию от воздуха.
• Направление движения ракеты противоположно направлению движения выбрасываемых газов.
• Работа ракеты основана на законе сохранения импульса.
• Ракетный двигатель создаёт тягу за счёт сгорания топлива и истечения газов через сопло.
• Многоступенчатая ракета эффективнее, потому что отработавшие ступени отделяются и не разгоняются дальше.
• Развитие ракетной техники сделало возможными запуск искусственных спутников и космические полёты.