При взлете ракеты ее двигатели с большой скоростью выбрасывают назад газы

Добавил пользователь Дмитрий К.
Обновлено: 04.10.2024

При взлете ракеты ее двигатели с большой скоростью выбрасывают назад газы, которые образуются при сгорании топлива?

При взлете ракеты ее двигатели с большой скоростью выбрасывают назад газы, которые образуются при сгорании топлива.

В результате чего ракеты пришла в движение?

При сгорании топлива создается высокое давление.

И так ракета отталкивается от земли.

Оболочка ракеты имеет массу 200г?

Оболочка ракеты имеет массу 200г.

Масса пороха в ней 50г.

Считая, что газы мгновенно вырываются из сопла ракеты со скоростью 100м / с, рассчитайте скорость движения ракеты.

Как движется ракета?

Что такое реактивное движение ?

С какойцелью ракеты делают многоступенчатым?

От каких величин зависит скорость реактивного движения ?

Если скорость выброса газа меньше скорости самой ракеты то увеличится ли её скорость?

Когда космический корабль взлетает, его двигатели с огромной скоростью выбрасывают газы назад, образующиеся при сгорании топлива?

Когда космический корабль взлетает, его двигатели с огромной скоростью выбрасывают газы назад, образующиеся при сгорании топлива.

Почему космический корабль движется?

Рассчитайте скорость, которую будет иметь ракета, стартовая масса которой 1т, если в результате горения топлива выброшено 200 кг газов со скоростью 2 км / ч?

Рассчитайте скорость, которую будет иметь ракета, стартовая масса которой 1т, если в результате горения топлива выброшено 200 кг газов со скоростью 2 км / ч.

Когда космический корабль взлетает, его двигатели с огромной скоростью выбрасывают назад газы, образующиеся при сгорании топлива?

Когда космический корабль взлетает, его двигатели с огромной скоростью выбрасывают назад газы, образующиеся при сгорании топлива.

Почему космический корабль движется?

Будет ли увеличиваться скорость ракеты, если скорость истечения газов относительно ракеты меньше скорости самой ракеты и вытекающие из сопла газы летят вслед за ракетой?

Будет ли увеличиваться скорость ракеты, если скорость истечения газов относительно ракеты меньше скорости самой ракеты и вытекающие из сопла газы летят вслед за ракетой?

Ракета с выключенным двигателем летит вдали от звезд что можно сказать о ее движении а : у ракеты нет ускорения б : ракета летит прямолинейно в : на ракету не действует варианты 1)а 2)б 3)в 4)а б и в?

Ракета с выключенным двигателем летит вдали от звезд что можно сказать о ее движении а : у ракеты нет ускорения б : ракета летит прямолинейно в : на ракету не действует варианты 1)а 2)б 3)в 4)а б и в.

Корпус ракеты массой 200г содержит 300г пороха?

Корпус ракеты массой 200г содержит 300г пороха.

Определите скорость выхода газов, если скорость движения ракеты 400м / с.

Считайте сгорание пороха мгновенным.

Чему будет равна скорость ракеты стартовой массы 1 тонна , если в результате сгорания топлива выброшено 200 кг газов со скоростью 2 км / с Нужен еще рисунок Заранее спасибо ; )?

Чему будет равна скорость ракеты стартовой массы 1 тонна , если в результате сгорания топлива выброшено 200 кг газов со скоростью 2 км / с Нужен еще рисунок Заранее спасибо ; ).

С какой скорость будет двигаться ракета массой 200 кг после вылета из нее продуктов сгорания топлива массой 10 кг со скоростью 2 км / с?

С какой скорость будет двигаться ракета массой 200 кг после вылета из нее продуктов сгорания топлива массой 10 кг со скоростью 2 км / с?

На этой странице сайта вы найдете ответы на вопрос При взлете ракеты ее двигатели с большой скоростью выбрасывают назад газы, которые образуются при сгорании топлива?, относящийся к категории Физика. Сложность вопроса соответствует базовым знаниям учеников 1 - 4 классов. Для получения дополнительной информации найдите другие вопросы, относящимися к данной тематике, с помощью поисковой системы. Или сформулируйте новый вопрос: нажмите кнопку вверху страницы, и задайте нужный запрос с помощью ключевых слов, отвечающих вашим критериям. Общайтесь с посетителями страницы, обсуждайте тему. Возможно, их ответы помогут найти нужную информацию.

1Найдите значение выражения 14( - 5 + 10)2Выберите верные утверждения. 1) Корнем уравнения называется число, которое обращает уравнение в верное равенство. 2) Переменная всегда обозначается буквамиx, yилиz. 3) Решить уравнение – значит найти все е..

1) Тпл олова = 232 С, а свинца = 327 С нельзя температуры 5 С не хватает 2)температура кристализации ртути = - 39 С, а спирта = - 115 С.

T(в квадрате) = 2s / a = 120 * 2 / 10 = 24(примерно) = 5секунд s = at(в квадрате) / 2 = 10 * 9 / 2 = 45метров.

4. дано : I = 0. 5 R1 = 5Ом R2 = 36Ом I1 = I2 = I U1 = I * R1 = 0. 5 * 5 = 2. 5В U2 = I * R2 = 0. 5 * 36 = 18B U = U1 + U2 = 2. 5 + 18 = 20. 5B Ответ : 2. 5В, 18В, 20. 5В.

Р = F / S. F = p * S. F = 400000 * 0, 12 = 48000 Н.

По графику период Т = 10 мс = 10 * 10 ^ ( - 3) c Тогда частота f = 1 / T = 1 / (10 * 10 ^ ( - 3)) = 10 ^ 3 / 10 = 100 Гц.

Q = 50 мКл = 0, 05 Кл A = q(φ₁ - φ₂) ; φ₁ = 30 B A = 0, 05(30 - 15) = 0, 75 Дж. Φ₂ = 15 B A - .

Есть ли предел скорости у ракетного двигателя?

Сразу оговоримся, что речь идет о тех ракетных двигателях, которые используются всю недолгую историю космического ракетостроения – то есть, химических. О других типах двигателей человечество в курсе, и некоторые из них даже используются в космической отрасли (в системах ориентации и маневрирования), но разогнать ракету до требуемых скоростей они пока не могут.

Итак, химический ракетный двигатель. Единственный двигатель, работающий на химическом топливе, и позволяющий вывести тяжелую ракету на околоземную орбиту и даже дальше. Есть ли предел скорости, которую может обеспечить такой двигатель? Или теоретически он может разогнать космический аппарат до световых скоростей?

Вспомним немного теории. Принцип действия современных ракетных двигателей появился благодаря двум великим ученым. Один из них – Исаак Ньютон, который сформулировал закон действия и противодействия (именно на принципе отдачи основано реактивное движение). Второй – Константин Циолковский, который вывел в 1897 году формулу, определяющую скорость летательного аппарата, использующего реактивную тягу:

I – это удельный импульс двигателя (отношение тяги двигателя к расходу массы топлива); M1 – масса летательного аппарата с топливом; M2 – масса летательного аппарата без топлива.

Получается, что скорость можно увеличить только двумя путями.

Первый путь – изменение соотношения масс. Чем больше топлива в ракете, тем быстрее она сможет разогнаться. Проблема, однако, состоит в том, что это соотношение масс расположено под логарифмом, и в этом кроется принципиальная проблема.

Чтобы логарифм был равен единице, отношение масс должно быть равно 2,72. Чтобы ракета массой 100 тонн разогналась до скорости выбрасываемого из сопел рабочего тела, ей потребуется 170 тонн топлива. Чтобы увеличить скорость вдвое, потребуется уже 640 тонн топлива. Втрое – 1910 тонн. И еще следует учесть, что формула не учитывает гравитацию, так что при старте с Земли топлива потребуется гораздо больше. Таким образом, с увеличением скорости экспоненциально растет количество топлива, которое должна нести в баках ракета. И это накладывает серьезные ограничения на достижение высоких скоростей.

Второй вариант связан с увеличением удельного импульса двигателя. Тут всё еще хуже. Дело в том, что увеличить удельный импульс можно только увеличив эффективность сгорания ракетного топлива. А его энергетическая эффективность на сегодняшний день достигла предела. Температура сгорания ограничена происходящими экзотермическими реакциями, и принципиально неповышаема. Поэтому удельный импульс также достиг максимума – в современных ракетах это примерно 4500 м/с.

Для наглядности: сверхтяжелая ракета-носитель «Сатурн-5» несла в себе почти 3000 тонн топлива. Для вывода на траекторию к Луне полезная нагрузка имела массу всего 65 тонн. То есть, масса полезной нагрузки составляла чуть больше 2% от общей массы. А при дальнейшем наращивании скорости этот процент станет еще меньше.

Поэтому скорость химических двигателей сегодня ограничена удельным импульсом и вряд ли когда-нибудь будет превышена. Это накладывает ограничения и на пилотируемую космонавтику: дальше Луны и Марса человек вряд ли сможет полететь – такой полет займет долгие годы.

Таким образом, теоретического предела скорости химического двигателя нет, но есть технологический предел, определяемый количеством топлива, которое может нести в баках ракета, и конструкторы этот предел достигли.

Интересный факт: если бы Земля была всего в 1,5 раза больше по массе, космос до сих пор был бы для нас недосягаем: современные ракеты на химическом топливе не смогли бы разогнаться до требуемых скоростей, чтобы преодолеть гравитацию.

Единственный выход – использовать двигатели, работающие на другом принципе и способные значительно увеличить удельный импульс. В этом отношении наиболее перспективными являются ядерные ракетные двигатели.

SpaceX собрала самую высокую в истории ракету Starship

Американская компания SpaceX собрала самую высокую в истории ракету Starship. Соответствующие снимки доступны в Twitter.

В длину двухступенчатая Starship, включающая Booster 4 (прототип ракетной ступени Super Heavy) и Ship 20 (прототип собственно космического корабля Starship) достигает почти 120 метров.

Сборка ракеты проводилась на космодроме SpaceX в местности Бока-Чика (Техас).

В настоящее время Ship 20 снят с Booster 4. В SpaceX планируют провести отдельные испытания данных ступеней, после чего — совместные. В компании не исключают, что связка Booster 4 и Ship 20 может совершить совместный полет, что потребует разрешения Федерального управления гражданской авиации США.

Материалы по теме

Космический рывок

Сверху виднее

В августе компания собрала Booster 4 с 29 двигателями Raptor. «Это массивная ракета высотой примерно 70 метров и диаметром 9 метров. Ее тяга примерно вдвое больше, чем у ракеты Saturn V, которая запускала астронавтов НАСА на Луну», — пишет издание.

В июле SpaceX сообщила, что построила сотый двигатель Raptor.

В феврале 2019 года глава SpaceX Илон Маск показал результаты тестирования двигателя Raptor, заявив, что по уровню давления в камере сгорания данный силовой агрегат превзошел российский ракетный двигатель РД-180. На это главный конструктор Научно-производственного объединения (НПО) «Энергомаш» Петр Левочкин отметил, что для метановых двигателей, к которым относится Raptor, «такой уровень давления в камере сгорания не является чем-то выдающимся».

В марте 2018 года Маск заявил, что Raptor получит самую большую тяговооруженность (отношение развиваемой двигателем тяги к его весу) среди всех двигателей, когда-либо действовавших в мире.

Kvant. Реактивное движение

Изменения скоростей, происходящие также в противоположные стороны, будут обратно
пропорциональны массам тел, ибо количества движения получают равные изменения.
Исаак Ньютон
. при действии сил, равнодействующая которых пропорциональна массе точки,
точка переменной массы. движется так же, как движется точка постоянной
массы при действии тех же сил и при тех же начальных данных.
Иван Мещерский
Я разработал некоторые стороны вопроса о поднятии в пространство с помощью реактивного прибора, подобного ракете.
Константин Циолковский
Механизм действия ракетного двигателя в точности сходен с явлением отдачи ружья;
здесь не нужен воздух, чтобы отталкиваться от него.
Ричард Фейнман

Содержание

Этот вопрос вполне уместен сейчас, когда отмечается 50-летие запуска первого искусственного спутника Земли — события, ознаменовавшего начало новой эры, эры освоения человеком космического пространства. Осуществление давней мечты стало возможным благодаря развитию реактивной техники. Долгая, насчитывающая тысячелетия ее история совершила необыкновенно быстрый рывок, перейдя от предсказаний и расчетов к прямой реализации идеи безопорного движения за пределами Земли. И здесь, без сомнения, можно гордиться решающим вкладом в теорию и практику космонавтики отечественных ученых, инженеров и конструкторов.

Проходит время, и казавшиеся чудом достижения -первый спутник, первый облет человеком Земли, первый выход в открытый космос — становятся рутинными, многократно повторяемыми эпизодами. Теперь на орбитальную станцию отправляются как на работу и даже. в турпоездку. Однако новые планы, связанные с межпланетными перелетами, с предупреждением астероидной опасности, со строительством индустриального пояса вокруг Земли и лунных баз, с совершенствованием спутниковых средств связи и выводом за атмосферу астрономических приборов, словно открыли второе дыхание космонавтики. И ни одно из возникающих ее направлений не обойдется без этих необычных машин — ракет.

Со многими вопросами реактивного движения можно не только познакомиться, но и всерьез разобраться, опираясь на хорошо знакомые законы механики. К чему мы вас сегодня и приглашаем.

Вопросы и задачи

Сможет ли вращаться в пустоте (например, в сильно разреженном воздухе под колоколом воздушного насоса) сегнерово колесо, изображенное на рисунке?

Микроопыт

Сверните из очень тонкой проволоки небольшую спираль, слегка смажьте ее маслом или вазелином и аккуратно положите на воду с помощью пинцета либо обычной вилки. Затем наберите несколько капель мыльного раствора пипеткой или соломинкой для питья и роняйте по капельке раствора в центр спирали. Как станет вести себя спираль? Почему?

Любопытно, что…

. возможность использовать реактивную силу струи пара, хотя бы в виде игрушки, была открыта еще в первом веке новой эры Героном Александрийским. А в 1750 году венгерский ученый Янош Сегнер изобрел на этом принципе одну из первых реактивных гидравлических турбин — «сегнерово колесо». Его действие сегодня можно наблюдать на лужайках, орошаемых с помощью насадок, вращающихся на водопроводных колонках.

. известные в Китае еще с XI века пороховые ракеты применялись не только для фейерверков, но и в военном деле — как зажигательные и разрывные снаряды, а также как осветительные средства. Однако по-настоящему боевые реактивные снаряды были созданы в 1817 году русским ученым-артиллеристом, генералом А.Д.Засядко и успешно применены при обороне Севастополя в 1854-55 годах во время Крымской войны.

. явление отдачи, вызывавшее откатывание назад старинных пушек, со временем научились использовать для перезарядки огнестрельного оружия, например в пулеметах, автоматических пистолетах и скорострельных пушках.

. в теории многоступенчатых ракет, разработанной К.Э.Циолковским в 1926 году, было показано, что последняя ступень ракеты способна достичь первой космической скорости. Из теории следовало, что целесообразно с расходом топлива отбрасывать баки, трубопроводы и двигатели отработавших ступеней, а в идеале — непрерывно избавляться от ненужной уже массы ракеты, что пока, увы, конструктивно неосуществимо.

. гигантом среди многоступенчатых ракет и сейчас остается «Сатурн-5», который вывел на орбиту космический корабль «Аполлон-11», доставивший 20 июля 1969 года на Луну американских астронавтов. Стартовая масса системы 2950 тонн, ее высота 111 метров.

. помимо мощных маршевых двигателей в ракетно-космической технике используется так называемая детонационная автоматика, решающая с помощью «ювелирных» по массе и габаритам зарядов взрывчатых веществ задачи мгновенного разделения элементов конструкций, разрезание электрических кабелей, отстрел парашютов и запуск различных приборов.

. погасить скорость при посадке космического аппарата на Землю помогает атмосфера: торможение в ней позволяет использовать на конечном этапе снижения парашют. Такая возможность полностью отпадает при спуске на Луну — отсутствие атмосферы на ней заставляет гасить скорость лишь реактивными импульсами, а последние метры пути аппарат садится на струе газа из сопла.

. переноситься с континента на континент со скоростью свыше десяти тысяч километров в час в разреженных слоях атмосферы, выводить на околоземную орбиту полезные грузы с обычных аэродромов должны летательные аппараты нового поколения с гиперзвуковыми воздушно-реактивными двигателями, создаваемыми сегодня зарубежными и отечественными специалистами.

. разгадкой неожиданно больших скоростей у новорожденных сверхплотных нейтронных звезд, достигающих 1500 километров в секунду, вероятно, может быть природный реактивный двигатель — излучение нейтрино, уносящих огромную энергию и способных создать необходимый импульс отдачи.

. идеальной для межзвездных полетов была бы гипотетическая ракета, роль газовой струи в которой играл бы пучок фотонов, иначе говоря, скорость истечения «струи» равнялась бы скорости света. Однако мощность подобной ракеты массой всего лишь в одну тонну при движении с ускорением, равным д, должна была бы превосходить мощность крупной электростанции типа Братской ГЭС примерно в 1000 раз.

. очередной прорыв в космос готовят в ближайшие пятнадцать лет все космические державы. Это, прежде всего, череда лунных экспедиций. Наша соседка уже рассматривается как полигон для испытания технологий, необходимых для покорения Марса, как база на пути к другим планетам, как новая астрономическая обсерватория и даже. как музей под открытым небом для посещения космическими туристами.

Что читать в «Кванте» о реактивном движении

«Почему вращается вертушка?» — 2002, Приложение № 4, с. 121;
«Сколько стоит запуск спутника?» — 2002, № 5, с. 30;
«Великое уравнение механики» — 2003, № 5, с. 35;
«Опыты с пластиковыми бутылками» — 2004, № 4, с. 20;
«Калейдоскоп» Кванта» — 2004, № 5, с. 32;
«Булава» — 2005, № 1, с. 29;
«Почему именно ракета» — 2005, Приложение № 6, с. 142;
«Как Студент думал Землю остановить» — 2006, № 5, с. 28.

Ответы

Не только сможет, но даже будет вращаться быстрее (из-за уменьшения сопротивления воздуха).
Работа, совершенная человеком, и кинетическая энергия, потерянная камнем, идут на увеличение энергии поезда.
Высыпающийся песок не влияет на изменение скорости тележки.
Чтобы изменить скорость, а значит и импульс барона, на него должна подействовать внешняя сила либо он должен «поделиться» частью своей массы, отбросив ее вперед по ходу прыжка.
а) Да; б) если груз сбрасывается без начальной скорости, то нет.
Если бы масса орудия была меньше, чем масса снаряда.
Нет, не попадут. При одновременной стрельбе платформа остается неподвижной, что является условием попадания снарядов в цель. Если одна из пушек выстрелит раньше, ее снаряд вылетит из ствола с меньшей начальной скоростью относительно земли и не долетит до цели. Второй снаряд вылетит из уже движущейся вместе с платформой пушки и будет обладать большей начальной скоростью относительно земли, значит, он перелетит цель.
После пуска снаряд, разгоняясь, некоторое время движется еще в том же направлении, что и самолет, т.е. стабилизаторами вперед. Это приводит к развороту снаряда. Затем за счет реактивной силы тяги скорость снаряда увеличивается, и он догоняет самолет.
Для этого достаточно поднять вытянутую руку и двигать ею вокруг головы. При этом космонавт будет разворачиваться вокруг своей продольной оси в направлении, противоположном вращению руки.
Сначала нужно выстрелить из первого пистолета в сторону, противоположную кораблю, и бросить туда же первый пистолет. Затем то же самое и в том же порядке проделать со вторым пистолетом.
Да, при этом они должны выбрасывать газы в сторону Луны.
Если топливо расходуется частями, то в начале работы двигателя ему приходится разгонять ракету с массой еще оставшегося на данный момент топлива. Поэтому приращения скорости по мере расхода топлива будут увеличиваться.
В начале ускорения газы отбрасываются влево. Но когда скорость ракеты станет больше скорости истечения из нее газов, они относительно наблюдателя станут двигаться также вправо, однако со скоростью, всегда меньшей скорости ракеты.
Масса топлива должна в несколько раз превышать массу ракеты с полезным грузом, и тогда даже при сравнительно медленном процессе сгорания топлива ракета наберет необходимую скорость.
Нет, нельзя. Скорость истечения газов из ракетных двигателей значительно меньше второй космической скорости у поверхности Земли, поэтому эти газы не покинут Землю и не сообщат ей движение.

Микроопыт

Спираль станет «реактивной» - начнет вращаться, причем в сторону, обратную той, куда устремится из нее мыльный раствор, пытающийся растечься по поверхности воды.

Как летают ракеты? Описание, фото и видео

Силы и частицы

Выбрасывающие языки пламени ракетные двигатели выводят космический корабль на орбиту вокруг Земли. Другие ракеты выводят корабли за пределы Солнечной системы.

Во всяком случае, когда мы думаем о ракетах, то представляем себе космические полеты. Но ракеты могут летать и в вашей комнате, например во время празднования вашего дня рождения.

Реактивное движение

Обычный воздушный шарик тоже может быть ракетой. Каким образом? Надуйте шарик и зажмите его горловину, чтобы воздух не выходил наружу. Теперь отпустите шарик. Он начнет летать по комнате совершенно непредсказуемо и неуправляемо, толкаемый силой вырывающегося из него воздуха.

Реактивное движение

Сила, которая при этом создается, называется отдачей. Именно эта сила заставляет двигаться любую ракету, как в земных условиях, так и в космосе. Какие бы вещества или предметы ни вылетали из движущегося предмета, толкая его вперед, мы будем иметь образец ракетного двигателя.

Схема ракеты Союз

Ракета намного лучше приспособлена для полетов в космической пустоте, чем в земной атмосфере. Чтобы вывести в космос ракету, инженерам приходится конструировать мощные ракетные двигатели. Свои конструкции они основывают на универсальных законах мироздания, открытых великим английским ученым Исааком Ньютоном, работавшим в конце 17 века. Законы Ньютона описывают силу тяжести и то, что происходит с физическими телами, когда они движутся. Второй и третий законы помогают отчетливо понять, что представляет из себя ракета.

Интересное видео о реактивном движении

Движение ракеты и законы Ньютона

Второй закон Ньютона связывает силу движущегося предмета с его массой и ускорением (изменением скорости в единицу времени). Таким образом, для со здания мощной ракеты надо, чтобы ее двигатель выбрасывал большие массы сгоревшего топлива с большой скоростью. Третий закон Ньютона гласит, что сила действия равна силе противодействия и направлена в противоположную сторону. В случае ракеты сила действия — это раскаленные газы, вырывающиеся из сопла ракеты, сила противодействия толкает ракету вперед.

Реактивное движение

Ракеты, выводящие на орбиты космические корабли, используют как источник силы раскаленные газы. Но роль газов может играть все что угодно, то есть от выброшенных в пространство с кормы твердых тел до элементарных частиц — протонов, электронов, фотонов.

За счет чего летит ракета?

Многие думают, что ракета движется оттого, что газы, выброшенные из сопла, отталкиваются от воздуха. Но это не так. Именно сила, которая выбрасывает газ из сопла, толкает ракету в космос. Действительно ракете легче летать в открытом космосе, где нет воздуха, и ничто не ограничивает полет частиц газа, выброшенного ракетой, а чем быстрее распространяются эти частицы, тем быстрее летит ракета.

То есть, между космическим кораблем и воздухом нет трения, которое могло бы затормозить полет. Трения нет, потому что в открытом космосе нет воздуха. Кроме того, при значительном удалении от Земли корабль становится практически невесомым. Поэтому даже слабый толчок двигателя может легко сдвинуть с места очень большой по размерам корабль.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Сопло Лаваля — машина, создающая сверхзвук

Грохот уходящих в космос ракет, гигантские столбы огня, колоссальная сила, превосходящая силу тяжести. Форсажный рев боевых самолетов. Самое громкое и мощное силовое устройство человека. Все это — канал особой формы и особых свойств, радикально изменивший человечество. В чем его суть и как происходит трудное рождение сверхзвука — читайте в нашем материале.

Запуск ракеты-носителя Протон-М со спутником «Электрон-Л» с космодрома Байконур 24 декабря 2019 г. Фото: Роскосмос.

Эволюционная история сопла

Когда человек впервые использовал сопло? Уже в I веке Герон Александрийский предложил реактивное сопло для своего «эолипила». В нем два разнонаправленных паровых сопла вращали полый металлический шар реактивной силой. Спустя 1200 лет в Китае делали пороховые ракеты — для фейерверков и боевые, — освоив реактивное движение на практике. В Средние века боевые ракеты стали летать в Европе. В российской армии ХIX века ракетное оружие выросло до регулярных пеших и конных ракетных команд, запускавших ракеты со специальных пусковых станков; массовых ракет на флоте, больших ракетных заводов типа крупнейшего в Европе завода в Николаеве. Первый пуск боевых ракет из подводного положения ракетной подлодки произошел еще при жизни Пушкина, 29 августа 1834 года, на Неве, в 40 верстах выше Санкт-Петербурга.

Сопло — устройство для разгона потока жидкости или газа. Зачем его разгонять? В одних случаях нужен сам быстрый поток, используемый дальше. В других нужен не поток, а сила, возникающая при его выбросе, — реактивная. Такое силовое сопло называют реактивным. Именно реактивные сопла были практически освоены первыми с возникновением первых ракет.

Одновременно с широкой эксплуатацией ракет паровая техника конца ХIX века дошла до паровых турбин, которыми вращались винты судов. Для обтекания лопаток турбин требовалась высокоскоростная струя, и чем быстрее была скорость паровой струи, тем большую силу она создавала на лопатках турбины, повышая ее мощность. Сопло здесь требовалось не для реактивной силы (которая, конечно, тоже возникала, но как побочный, неиспользуемый эффект), а для создания потока большой скорости. Через него энергия, брошенная соплом в виде массы пара, попадет на лопатки и совершит на них работу, прокрутив с силой. Общее усилие лопаток передается на гребной винт.

Работая над высокоскоростным паровым соплом турбины, шведский инженер Карл Густав Патрик де Лаваль в 1890 году предложил принципиально новый тип сопла. Оно смогло разгонять поток до сверхзвуковых скоростей, чего раньше никогда не удавалось сделать. Так был перейден сверхзвуковой Рубикон, сразу удвоивший скорости истечения.

Сверхзвуковой Рубикон

И жидкость, и дозвуковой поток газа практически не меняют своего объема, поэтому приближённо рассматриваются как несжимаемые, когда до скорости звука ещё далеко. Неизменный расход их массы означает неизменный расход их объема. Потоку приходится поторопиться, чтобы прогнать тот же объем через сузившееся место. Газ вынужден ускоряться.

Сверхзвуковые струи двигателей ракеты-носителя «Протон-М», пуск 31 июля 2020 года с космодрома Байконур. Фото: Роскосмос.

Но у скорости истечения оказался свой принципиальный предел. Это истечение со скоростью звука. Он не преодолевается никаким повышением давления на входе с сопло. Сколько бы его ни поднимали, в два, четыре или десять раз, в пределах сужающегося сопла поток не превысит скорость звука.

Вспомним, что такое дозвуковое и сверхзвуковое движение. Скорость звука (слабых волновых уплотнений в газе) зависит от многих факторов – состава газа, его плотности и давления. Но больше всего она зависит от температуры. В конкретных условиях скорость звука принимает конкретное местное значение. Сравнивает скорость потока с местной скоростью звука число Маха, деля скорость потока на скорость звука. Его значение обозначается М и показывает, во сколько раз скорость течения больше или меньше скорости звука. Когда М меньше единицы, поток медленнее звука – дозвуковой. При М=1 поток течет ровно со скоростью звука. При М > 1 поток сверхзвуковой.

Преодолеть звуковой рубеж можно, лишь используя особый принцип. Он называется принципом обращения воздействия.

Чтобы перешагнуть за М=1 и продолжить разгон или торможение потока, нужно сменить воздействие на противоположное. При геометрическом воздействии (сужение канала) нужно сменить его знак. Для разгона это смена сужения на расширение. Где сменить, когда? После достижения потоком скорости звука. В расширяющейся части поток станет сверхзвуковым и будет разгоняться дальше. Почему?

Став сверхзвуковым, поток получает критически другие свойства. Дозвуковая несжимаемость сменяется на большую сжимаемость и расширяемость. Расширение газа столь велико, что обгоняет геометрическое расширение канала. Распухающий газ вынужден все быстрее протекать даже через растущие сечения канала. Поэтому скорость потока в сверхзвуковом расширении сопла возрастает, а плотность газа снижается. Лаваль предложил эту форму сопла и получил на выходе сверхзвуковой поток. А сопло с геометрией сужения-расширения назвали соплом Лаваля.

Пути достижения сверхзвука

Отметим, что разогнать поток до сверхзвука может не только меняющаяся геометрия сопла Лаваля. Возможны сверхзвуковые сопла с неизменной геометрией канала, просто с ровной трубой. Их три типа: массовое, тепловое и механическое. И все они работают по принципу обращения воздействия. Массовое сопло имеет продырявленные стенки. В дозвуковой части трубы через перфорацию стенок внутрь закачивается газ. Для прохода через трубу прирастающего количества газ ускоряется, достигая скорости звука. А после скорости звука воздействие меняется на противоположное – газ через отверстия в стенках откачивается из трубы. Что вызывает расширение (есть куда после откачки) и разгон остающегося в трубе газа. Для разгона потока меняется расход массы газа – поэтому сопло называется массовым.

Два других типа чисто теоретические. Тепловое сопло – при движении по неизменной трубе газ нагревается, достигая скорости звука. А после нее газ охлаждается со сверхзвуковым разгоном. Механическое сопло подводит энергию в газ силовым механическим воздействием, а за скоростью звука так же механически отводит энергию для разгона сверхзвукового потока.

За скоростью звука лежит газодинамика. Здесь в полной мере проявляется сжимаемость газа: он сжимается и расширяется многократно, в разы и десятки раз. Это радикально меняет протекающие объемы и создает критические изменения в картине.

Осиная талия и перерасширение

Первые полсотни километров вертикали плавно обнулят противодавление атмосферы.

Поток на срезе сопла станет плотнее убывающей атмосферы, выбрасывая избыток давления без пользы. Сжатый плотней атмосферы поток недорасширен до равенства с ней. Он бы сильнее расширится смог, сделав и тягу немного сильней. Это режим недорасширения. Чтобы уменьшить напрасный сброс неиспользованного давления из сопла, степень расширения оптимизируют. То есть рассчитывают так, чтобы интегральные за время работы поднимающегося сопла потери были минимальны, а сделанная работа реактивной силы наибольшей для всего участка полета.

Большая семья, или Разнообразие сопловой газодинамики

Сопло может состоять из одного центрального тела, охватываемого вдоль основания кольцевой щелью. Сжатый поток из щели течет по центральному телу, расширяясь на нем. Такое сопло имеет вид направленного назад вогнутого конуса. Вогнутость работает так же, как чашевидная выпуклость стенки обычного сопла. Только сопло своей стенкой обжимает края расходящегося потока в ровное течение, а центральное тело формирует спрямленную сердцевину потока.

Огневые испытания клиновоздушного двигателя XRS-2200, созданного по программе разработки многоразового космоплана X-33. Фото: ru.wikipedia.org.

Это клин обтекается сверху вниз сверхзвуковым потоком из небольших камер сгорания, тесным рядом установленных вверху. Каждая сторона клина становится для потока из камер одной стенкой сопла. Другой стенкой является атмосфера, обжимающая поток сбоку и своим давлением регулирующая его расширение. Поэтому поток на поверхностях клиновоздушно-клиновидного сопла расширяется оптимально, адаптируясь к изменению давления атмосферы.

Центральное тело может стать плоским, как тарелка, и расположиться в глубине сопла, в начале его расширения. Словно шляпка гвоздя, не до конца забитого в середину критического сечения. Пространство под шляпкой будет дозвуковой частью сопла. А края тарельчатого тела станут внутренней частью критического сечения. Поток растекается радиально из-под тарелки и разворачивается вокруг ее краев в сторону среза сопла, обжимаясь стенками и разгоняясь в сверхзвуковую струю. Тарельчатое сопло намного короче обычного, и поэтому легче. Его своеобразная газодинамика полностью соответствует соплу Лаваля.

Меньше давление, больше мощность рекордных гигантов

Почему ракеты взлетают

Русский революционер и изобретатель Николай Кибальчич создал первый в мире проект аппарата с реактивным двигателем. Однако ученый был казнен. В начале XX века эту идею стал развивать К.Э. Циолковский. Ученый разработал саму схему реактивного двигателя, который работал на жидком топливе.

Ракета способна обеспечивать собственное движение в пустоте за счет реактивной силы. То есть она самостоятельно толкает себя, подобно осьминогу или кальмару. Процесс воспламенения смеси в двигателе является непрерывным — это пример простого твердотопливного двигателя. Еще один тип ракетного двигателя — жидкостный . В нем используется жидкий кислород или азотная кислота, при окислении этого вещества увеличивается удельный импульс — показатель эффективности реактивного двигателя или ракетного топлива.

Несмотря на всю сложность конструкции современных космических кораблей, ракета — один из самых простых летательных аппаратов. В основе ее устройства лежит принцип, согласно которому всякое действие рождает противодействие. Ракета летит, выбрасывая определенное вещество из своей хвостовой части. Несмотря на всю эту простоту, ракеты разрабатывались и совершенствовались в течение более чем семисот лет.

Луис Блумфилд. «Как все работает. Законы физики в нашей жизни»

Луис Блумфилд в своей книге «Как все работает. Законы физики в нашей жизни» приводит в пример движение по скользкому льду. Единственный способ сдвинуться — получить какой-то толчок от самого себя . Необходимо бросить кроссовок, и вы начнете двигаться в противоположную сторону. Вы передали импульс брошенной обуви, и она обратно передала его вам. «Величина импульса кроссовка равна величине вашего противоположно направленного импульса. Естественно, ваша масса намного больше массы кроссовка, поэтому вы двигаетесь гораздо медленнее, чем он», — объясняет Блумфилд.

Движение ракеты предполагает действие двух равных и противоположно направленных сил

Аналогично этому работает реактивный двигатель. Топливо и окислитель попадают в рабочую камеру, смешиваются, сгорают в зоне горения, выделяя огромное количество тепла, которого достаточно для движения.

Траектория полета

Многие убеждены, что ракеты взлетают вертикально, однако это не так. Ракетное топливо может закончиться через 10 минут, а при вертикальном взлете этого времени просто не хватит для выхода на орбиту.

Современные ракеты взлетают вертикально на самом первом этапе, а далее меняют траекторию и двигаются под углом по отношению к Земле. Чем выше высота полета, тем заметнее угол. Ракета совершает гравитационный разворот — маневр, при котором направление тяги совпадает или противоположно направлению движения, изменяющемуся под действием силы тяжести. Этот маневр используется в момент выведения на орбиту или при посадке с нее.

Ускорение ракеты, взлетающей под углом к горизонту: g — ускорение свободного падения, ae — вклад двигателя в ускорение, a — итоговое ускорение ракеты

Как обеспечивается устойчивость ракеты

«Ракета сохраняет динамическую устойчивость, если суммарный момент приложенных к ней сил относительно центра масс равен нулю при ориентации носом вперед», — объясняет Луис Блумфилд. Иными словами, для того чтобы ракета постоянно двигалась носом вперед и не переворачивалась, двигатель должен создавать силу тяги, которая направлена к центру масс. Второе условие устойчивости — действие аэродинамических сил. Воздушный поток обволакивает ракету и помогает лететь, если сопротивление воздуха у хвостовой части больше, чем спереди. Для устойчивого полета модели ракеты необходимо, чтобы центр тяжести модели ракеты был впереди ее центра давления .

Действие трех скоростей

Нет однозначного ответа на вопрос, с какой скоростью летит ракета. Все зависит от ее типа, загрузки и так далее. Однако все летальные аппараты стараются достигнуть космической скорости — первой (7,9 км/с), второй (11,2 км/с) и, соответственно, третьей (46,9 км/с). Первая позволяет «не упасть» и выйти на орбиту, вторая — выйти из орбиты Земли, третья — преодолеть притяжение. Чем дальше объект, с которого стартует ракета, находится от звезды, тем меньше третья космическая скорость . Например, американский космический зонд «Вояджер-1» движется со скоростью 17 км/с.

Существует и четвертая космическая скорость . Она необходима для того, чтобы объект мог преодолеть притяжение Галактики и выйти в межгалактическое пространство. Например, около Солнца четвертая космическая составляет 550 км/с .

Во что упирается пламя космического корабля, ведь, в космосе вакуум?

Реактивная струя не опирается на воздух подобно лопасти игрушечного вертолёта, или бумажного самолётика.

Будь в космосе атмосфера, она бы только усложняла работу реактивного двигателя создавая сопротивление воздуха движению объекта вперёд.

Принцип работы реактивного двигателя легко понять глядя на винтовку при выстреле - винтовка в момент выстрела это ракета, а пороховые газы вылетающие из ствола - реактивная струя.

Когда взрывается порох в патроне, взрыв оказывает одинаковое давление во все стороны.

Но если давление направленное на верхнюю часть ствола компенсируется давлением пороховых газов на нижнюю стенку ствола, то давление идущее в сторону приклада компенсировать нечем (кроме вашего плеча, обычно) - пороховые газы свободно вылетают через выходное отверстие ствола винтовки в направлении цели.

Если ствол винтовки надёжно запаять и каким-то образом внутри ствола произвести взрыв пороха в патроне - эффекта реактивного не будет, отдачи в ваше плечо не будет. В лучшем случае - вы услышите какой-то звук внутри недвижимой винтовки; в худшем - даже не успеете заметить, как ствол превратился в аналог гранаты, если пороха окажется достаточно для того, чтобы разорвать стенки ствола. Но отдачи в плечо не будет точно.

А вот если в этом запаянном стволе (пускай очень прочном стволе - чтобы его не разрывало) - если в этом запаянном стволе просверлить отверстие в произвольном месте на одной из его стенок - то при взрыве пороха внутри ствола отдача будет в сторону противоположную той, на которой вы просверлили отверстие.

Винтовочная отдача при выстреле - наглядная демонстрация работы реактивной струи. Приклад толкает вас в плечо не потому, что пороховые газы выходя из ствола отталкиваются от воздуха.

Если винтовку поместить в космосе и выстрелить - она улетит в направлении противоположном тому направлению, в котором она стреляла, то есть от мишени подальше.

Если же запереть в космос пулемёт и заклинить курок на постоянной стрельбе - то пулемёт превратится в буквально реактивную ракету: каждый выстрел будет добавлять скорости этой "ракете".

В общем-то, для движения в безвоздушном пространстве необязательны реактивные струи и взрывы пороховых газов.

Если паря в невесомости открытого космоса в скафандре вы швырнёте дрель по вашему несносному коллеге космонавту, то не только дрель полетит к вашему коллеге, но и вы полетите от коллеги в противоположную сторону - впрочем, не так быстро , как дрель летит к нему (вы ведь гораздо тяжелее дрели).

Для движения такого рода наличие воздуха не играет роли вообще.

Эффект будет одинаков что у вас в космосе швыряющего дрель в коллегу, что у Герасима выбрасывающего за борт Муму - при броске вы полетите от брошенной дрели, а Герасим с лодкой чуть сдвинется в сторону потивоположную полёту бедного животного. и чем дальше вы попытаетесь забросить дрель или Герасим Муму, тем интенсивнее будет ваше отдаление от коллеги астронавта и тем дальше в сторону берега качнётся лодка Герасима, пока вода не поглотит импульс.

В общем, пламя космического корабля не упирается в воздух и у Земли, воздух только мешает двигаться кораблю от Земли в Космос преодолевая гравитацию.

Урок 12. Реактивное движение

Реактивное движение – это движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно него.

Реактивная сила – сила, возникающая при реактивном движении.

Особенность реактивной силы – возникновение без взаимодействия с внешними телами.

Скорость ракеты тем больше, чем больше скорость выбрасываемых газов и отношение массы топлива к массе ракеты.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 126 – 127;

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.-М.:Дрофа,2014. – С.47-48.

Открытые электронные ресурсы:

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Движение тела, которое возникает при отделении с определённой скоростью какой-либо его части, называется реактивным.

Реактивное движение издревле существует в природе. Его для своего перемещения используют некоторые живые существа: кальмары, осьминоги, каракатицы, медузы и т.д. Они всасывают, а затем с силой выталкивают из себя воду, за счёт этого они движутся. Реактивное движение встречается и в быту. Примеры: движение резинового шланга, когда мы включаем воду, салюты и т.д.

Яркий пример реактивного движения в технике - это движение ракеты при истечении из неё струи горючего газа, которая образуется при сгорании топлива.

Сила, с которой ракета действует на газы, равна по модулю и противоположна по направлению силе, с которой газы отталкивают от себя ракету:

При реактивном движении возникает сила, которая называется реактивной. Сила - это реактивная сила.

Особенностью реактивной силы является то, что она возникает без взаимодействия с внешними телами.

Согласно закону сохранения импульса: импульс вырывающихся газов равен импульсу ракеты.

Закон сохранения импульса позволяет оценить скорость ракеты.

Закон сохранения импульса для реактивного движения:

откуда скорость ракеты:

Скорость ракеты тем больше, чем больше скорость выбрасываемых газов и отношение массы топлива к массе ракеты. Эта формула справедлива для случая мгновенного сгорания топлива. На самом деле топливо сгорает постепенно, т.к. мгновенное сгорание приводит к взрыву.

Точная формула для скорости ракеты была получена в 1897 году К.Э. Циолковским.

Первую конструкцию ракеты для космических полётов предложил Константин Эдуардович Циолковский – русский учёный, основоположник теоретической космонавтики. Он обосновал использование ракет для полётов в космос, сделал вывод о необходимости использования многоступенчатых ракет.

Идеи Циолковского воплотил в жизнь советский учёный, инженер-конструктор С.П. Королёв. 4 октября 1957 года считается началом космической эры. В этот день конструкторский коллектив под руководством Королёва осуществил запуск первого искусственного спутника Земли.

12 апреля 1961 г. впервые в мире на орбиту Земли был выведен космический корабль, в котором находился лётчик-космонавт СССР Юрий Алексеевич Гагарин. Он открыл дорогу в космос. В космосе нельзя использовать другие двигатели, кроме реактивных, так как там нет опоры, отталкиваясь от которой космический корабль мог бы получить ускорение. Реактивные двигатели применяют для самолётов и ракет, не выходящих за пределы атмосферы, чтобы максимально увеличить скорость полёта.

Реактивные двигатели делятся на два класса: ракетные и воздушно-реактивные. Воздушно-реактивные в основном используют на самолётах. Современная космическая ракета - это очень сложное и тяжелое устройство, состоящее из оболочки и топлива с окислителем.

Примеры и разбор решения заданий

1. Чему равна реактивная сила тяги двигателя, выбрасывающего каждую секунду 15 кг продуктов сгорания топлива со скоростью 3 км/с относительно ракеты?

Дано: m = 15 кг, v = 3 км/с = 3000 м/с, ∆t = 1 с. Найти F.

Записываем 2-й закон Ньютона в импульсной форме: F ∆t = m (v - v₀). Перед стартом скорость ракеты равна 0: = 0. Выразим силу: F = mv/∆t, сделаем расчёт: F = (15 кг·3000 м/с) / 1 с = 45000 кг· м/ с² = 45000 Н. Ответ: F = 45000 Н.

2. Из пороховой ракеты, летящей со скоростью 16 м/с, вылетают продукты сгорания массой 24 г со скоростью 600 м/с. Вычислите массу ракеты.

Дано: v₁ = 16 м / с, m₂ = 24 г = 0,024 кг, v₂ = 600 м/с. Найти m₁.

Запишем закон сохранения импульса для реактивного движения: m₁v₁ = m₂v₂, выразим массу ракеты: m₁ = m₂v₂ / v₁.

Делаем расчёт: m₁ = (0,024 кг·600 м/с) / 16 м / с = 0,9 кг. Ответ: m₁ = 0,9 кг.

eponim2008

Взлетом космической ракеты сейчас можно полюбоваться и по телевизору, и в кино. Ракета вертикально стоит на бетонном стартовом столе. По команде из пункта управления включаются двигатели, мы видим загорающееся внизу пламя, мы слышим нарастающий рев. И вот ракета в клубах дыма отрывается от Земли и сначала медленно, а потом все быстрее и быстрее устремляется вверх. Через минуту она уже на такой высоте, куда не могут подняться самолеты, а еще через минуту – Космосе, в околоземном безвоздушном пространстве.

Двигатели ракеты называются реактивными. Почему? Потому что в таких двигателях сила тяги является силой реакции (противодействия) силе, которая отбрасывает в противоположную сторону струю раскаленных газов, получаемых от сгорания топлива в специальной камере. Как известно, согласно третьему закону Ньютона сила этого противодействия равна силе действия. То есть, сила, поднимающая ракету в космическое пространство равна силе, которую развивают раскаленные газы, вырывающиеся из сопла ракеты. Если Вам кажется невероятным, что газ, которому положено быть бесплотным, забрасывает на космическую орбиту тяжеленную ракету, вспомните о том, что сжатый в резиновых баллонах воздух успешно поддерживает не только велосипедиста, но и тяжелые самосвалы. Раскаленный добела газ, вырывающийся из сопла ракеты – тоже полон силы и энергии. Настолько, что после каждого старта ракеты стартовый стол ремонтируют, добавляя выбитый огненным вихрем бетон.

Третий закон Ньютона можно сформулировать иначе, как закон сохранения импульса. Импульсом называется произведение массы на скорость. В терминах закона сохранения импульса старт ракеты можно описать так.
Первоначально импульс космической ракеты, покоящейся на стартовой площадке, был равен нулю (Большая масса ракеты, умноженная на нулевую ее скорость). Но вот включен двигатель. Топливо сгорает, образуя огромное количество газообразных продуктов сгорания. Они имеют высокую температуру и с высокой скоростью истекают из сопла ракеты в одну сторону, вниз. Это создает вектор импульса, направленный вниз, величина которого равна массе истекающего газа, умноженного на скорость этого газа. Однако, в силу закона сохранения импульса, суммарный импульс космической ракеты относительно стартовой площадки должен быть по-прежнему равен нулю. Поэтому тут же возникает вектор импульса, направленный вверх, уравновешивающий систему «ракета – отбрасываемые газы». За счет чего возникнет этот вектор? За счет того, что стоящая до тех пор неподвижно ракета начнет движение вверх. Импульс, направленный вверх, будет равен массе ракеты, умноженной на ее скорость.

Если двигатели ракеты мощные, ракета очень быстро набирает скорость, достаточную для того, чтобы вывести космический корабль на околоземную орбиту. Эта скорость называется первой космической скоростью и равна приблизительно 8 километрам в секунду.

Мощность двигателя ракеты определяется в первую очередь тем, какое топливо сгорает в двигателях ракеты. Чем выше температура сгорания топлива, тем мощнее двигатель. В самых ранних советских ракетных двигателях топливом был керосин, а окислителем – азотная кислота. Сейчас в ракетах используется более активные (и более ядовитые) смеси. Топливом в современных американских ракетных двигателях является смесь кислорода и водорода. Кислородно-водородная смесь очень взрывоопасна, но при сгорании выделяет огромное количество энергии.

Читайте также: