Как взлетает ракета. Жизнь замечательных имен

Даже среди людей, изучавших физику, случается нередко слышать совершенно превратное объяснение полета ракеты: она летит потому будто бы, что своими газами, образующимися при горении в ней пороха, отталкивается от воздуха. Так думали в старину (ракеты – давнее изобретение). Однако если бы пустить ракету в безвоздушном пространстве, она полетела бы не хуже, а даже лучше, чем в воздухе. Истинная причина движения ракеты совершенно иная. Очень понятно и просто изложил ее революционер‑первомартовец Кибальчич в предсмертной своей записке об изобретенной им летательной машине. Объясняя устройство боевых ракет, он писал:

«В жестяной цилиндр, закрытый с одного основания и открытый с другого, вставляется плотно цилиндр из прессованного пороха, имеющий по оси пустоту в виде канала. Горение пороха начинается с поверхности этого канала и распространяется в течение определенного промежутка времени до наружной поверхности прессованного пороха; образующиеся при горении газы производят давление во все стороны; но боковые давления газов взаимно уравновешиваются, давление же на дно жестяной оболочки пороха, не уравновешенное противоположным давлением (так как в эту сторону газы имеют свободный выход), толкает ракету вперед».

Здесь происходит то же, что и при выстреле из пушки: снаряд летит вперед, а сама пушка отталкивается назад. Вспомните «отдачу» ружья и всякого вообще огнестрельного оружия! Если бы пушка висела в воздухе, ни на что не опираясь, она после выстрела двигалась бы назад с некоторой скоростью, которая во столько же раз меньше скорости снаряда, во сколько раз снаряд легче самой пушки. В фантастическом романе Жюля Верна «Вверх дном» американцы задумали даже воспользоваться силой отдачи исполинской пушки для выполнения грандиозной затеи – «выпрямить земную ось».

Ракета – та же пушка, только извергает она не снаряды, а пороховые газы. По той же причине вертится и так называемое «китайское колесо», которым, вероятно, случалось вам любоваться при устройстве фейерверков: при горении пороха в трубках, прикрепленных к колесу, газы вытекают в одну сторону, сами же трубки (а с ними и колесо) получают обратное движение. В сущности, это лишь видоизменение общеизвестного физического прибора – сегнерова колеса.

Интересно отметить, что до изобретения парохода существовал проект механического судна, основанный на том же начале; запас воды на судне предполагалось выбрасывать с помощью сильного нагнетательного насоса в кормовой части; вследствие этого корабль должен был двигаться вперед, как те плавучие жестянки, которые имеются для доказательства рассматриваемого принципа в школьных физических кабинетах. Проект этот (предложенный Ремзи) не был осуществлен, однако он сыграл известную роль в изобретении парохода, так как натолкнул Фультона на его идею.

Рисунок 7. Самая древняя паровая машина (турбина), приписываемая Герону Александрийскому (II век до нашей эры).

Рисунок 8. Паровой автомобиль, приписываемый Ньютону.

Рисунок 9. Игрушечный пароходик из бумаги и яичной скорлупы. Топливом служит налитый в наперсток спирт. Пар, выбивающийся из отверстия «парового котла» (выдутое яйцо), заставляет пароходик плыть в противоположном направлении.

Мы знаем также, что самая древняя паровая машина, изобретенная Героном Александрийским еще во II веке до нашей эры, была устроена по тому же принципу: пар из котла (рис. 7) поступал по трубке в шар, укрепленный на горизонтальной оси; вытекая затем из коленчато‑изогнутых трубок, пар толкал эти трубки в обратном направлении, и шар начинал вращаться. К сожалению, геронова паровая турбина в древности оставалась только любопытной игрушкой, так как дешевизна труда рабов никого не побуждала к практическому использованию машин. Но самый принцип не заброшен техникой: в наше время он применяется при устройстве реактивных турбин.

Ньютону – автору закона действия и противодействия – приписывают один из самых ранних проектов парового автомобиля, основанный на том же начале: пар из котла, поставленного на колеса, вырывается в одну сторону, а самый котел в силу отдачи катится в противоположную (рис. 8).

Ракетные автомобили, об опытах с которыми в 1928 г. много писали в газетах и журналах, представляют собой современное видоизменение ньютоновой повозки.

Для любителей мастерить приведен здесь Рисунок бумажного пароходика, также очень похожего на ньютонову повозку: в паровом котле из опорожненного яйца, нагреваемом намоченной в спирте ваткой в наперстке, образуется пар; вырываясь струёй в одну сторону, он заставляет весь пароходик двигаться в противоположную сторону. Для сооружения этой поучительной игрушки нужны, однако, очень искусные руки.

А мы знаем, что чтобы происходило движение, необходимо воздействие некоторой силы. Тело либо само должно оттолкнуться от чего-нибудь, либо стороннее тело должно толкнуть данное. Это хорошо известно и понятно нам из жизненного опыта.

От чего оттолкнуться в космосе?

У поверхности Земли можно оттолкнуться от поверхности либо от находящихся на ней предметов. Для передвижения по поверхности используют ноги, колеса, гусеницы и так далее. В воде и воздухе можно отталкиваться от самих воды и воздуха, имеющих определенную плотность, и потому позволяющих взаимодействовать с ними. Природа для этого приспособила плавники и крылья.

Человек создал двигатели на основе пропеллеров, которые во много раз увеличивают площадь контакта со средой за счет вращения и позволяют отталкиваться от воды и воздуха. А как быть в случае безвоздушного пространства? От чего отталкиваться в космосе? Там нет воздуха, там ничего нет. Как осуществлять полеты в космосе? Вот тут-то и приходит на помощь закон сохранения импульса и принцип реактивного движения. Разберем подробнее.

Импульс и принцип реактивного движения

Импульс это произведение массы тела на его скорость. Когда тело неподвижно, его скорость равна нулю. Однако тело обладает некоторой массой. При отсутствии сторонних воздействий, если часть массы отделится от тела с некоторой скоростью, то по закону сохранения импульса, остальная часть тела тоже должна приобрести некоторую скорость, чтобы суммарный импульс остался по-прежнему равным нулю.

Причем скорость оставшейся основной части тела будет зависеть от того, с какой скоростью отделится меньшая часть. Чем эта скорость будет выше, тем выше будет и скорость основного тела. Это понятно, если вспомнить поведение тел на льду или в воде.

Если два человека будут находиться рядом, а потом один из них толкнет другого, то он не только придаст тому ускорение, но и сам отлетит назад. И чем сильнее он толкнет кого-либо, тем с большей скоростью отлетит сам.

Наверняка, вам приходилось бывать в подобной ситуации, и вы можете представить себе, как это происходит. Так вот, именно на этом и основано реактивное движение .

Ракеты, в которых реализован этот принцип, выбрасывают некоторую часть своей массы на большой скорости, вследствие чего сами приобретают некоторое ускорение в противоположном направлении.

Потоки раскаленных газов, возникающие в результате сгорания топлива, выбрасываются через узкие сопла для придания им максимально большой скорости. При этом, на величину массы этих газов уменьшается масса ракеты, и она приобретает некую скорость. Таким образом реализован принцип реактивного движения в физике.

Принцип полета ракеты

В ракетах применяют многоступенчатую систему. Во время полета нижняя ступень, израсходовав весь свой запас топлива, отделяется от ракеты, чтобы уменьшить ее общую массу и облегчить полет.

Количество ступеней уменьшается, пока не остается рабочая часть в виде спутника или иного космического аппарата. Топливо рассчитывают таким образом, чтобы его хватило как раз для выхода на орбиту.

Краткая история ракет

Общий принцип реактивного полета, который лег в основу всех ракет, прост - от тела отделяется какая-то часть, приводящая все остальное в движение.

Кто первым реализовал этот принцип – неизвестно, но различные догадки и домыслы доводят генеалогию ракетостроения аж до Архимеда. Доподлинно о первых подобных изобретениях известно, что ими активно пользовались китайцы, которые заряжали их порохом и за счет взрыва запускали в небо. Таким образом они создали первые твердотопливные ракеты. Большой интерес к ракетам появился у европейских правительств в начале

Второй ракетный бум

Ракеты ждали своего часа и дождались: в 1920-х годах начался второй ракетный бум, и связан он в первую очередь с двумя именами.

Константин Эдуардович Циолковский - ученый-самоучка из Рязанской губернии, невзирая на трудности и препятствия, сам дошел до многих открытий, без которых невозможно было бы даже говорить о космосе. Идея использования жидкого топлива, формула Циолковского, которая рассчитывает необходимую для полета скорость, исходя из соотношения конечной и начальной масс, многоступенчатая ракета - все это его заслуга. Во многом под влиянием его трудов создавалось и оформлялось отечественное ракетостроение. В Советском Союзе начали стихийно возникать общества и кружки по изучению реактивного движения, в числе которых ГИРД - группа изучения реактивного движения, а в 1933 году под патронажем властей появился Реактивный институт.

Константин Эдуардович Циолковский.
Источник: Wikimedia.org

Второй герой ракетной гонки - немецкий физик Вернер фон Браун. Браун имел отличное образование и живой ум, а после знакомства с другим светилом мирового ракетостроения, Генрихом Обертом, он решил приложить все свои силы к созданию и усовершенствованию ракет. В годы Второй Мировой фон Браун фактически стал отцом «оружия возмездия» Рейха - ракеты «Фау-2», которую немцы начали применять на поле боя в 1944 году. «Крылатый ужас», как называли её в прессе, принес разрушение многим английским городам, но, к счастью, на тот момент крах нацизма был уже делом времени. Вернер фон Браун вместе со своим братом решил сдаться в плен к американцам, и, как показала история, это был счастливый билет не только и не столько для ученых, сколько для самих американцев. С 1955 года Браун работает на американское правительство, и его изобретения ложатся в основу космической программы США.

Но вернемся в 1930-е. Советское правительство по достоинству оценило рвение энтузиастов на пути к космосу и решило употребить его в своих интересах. В годы войны себя отлично показала «Катюша» - система залпового огня, которая стреляла реактивными ракетами. Это было во многом инновационное оружие: «Катюша» на базе легкого грузовика «Студебеккер» приезжала, разворачивалась, обстреливала сектор и уезжала, не давая немцам опомниться.

Окончание войны подкинуло нашему руководству новую задачу: американцы продемонстрировали миру всю мощь ядерной бомбы, и стало совершенно очевидно, что на статус сверхдержавы может претендовать только тот, у кого есть нечто похожее. Но здесь была проблема. Дело в том, что, помимо самой бомбы, нам нужны были средства доставки, которые бы смогли обойти ПВО США. Самолеты для этого не годились. И СССР решил сделать ставку на ракеты.

Константин Эдуардович Циолковский умер в 1935 году, но ему на смену пришло целое поколение молодых ученых, которое и отправило человека в космос. Среди этих ученых был Сергей Павлович Королев, которому суждено было стать «козырем» Советов в космической гонке.

СССР принялся за создание своей межконтинентальной ракеты со всем усердием: были организованы институты, собраны лучшие ученые, в подмосковных Подлипках создается НИИ по ракетному вооружению, и работа кипит вовсю.

Только колоссальное напряжение сил, средств и умов позволило Советскому Союзу в кратчайшие сроки построить свою ракету, которую назвали Р-7. Именно её модификации вывели в космос «Спутник» и Юрия Гагарина, именно Сергей Королев и его соратники дали старт космической эре человечества. Но из чего состоит космическая ракета?

Конструкция ракеты

Схема двухступенчатой ракеты.

Ракета – средство передвижения человека в воздухе, в атмосфере. Самолеты и другие летательные аппараты также служат для того, чтобы летать. Но они друг от...

Ракета – средство передвижения человека в воздухе, в атмосфере . Самолеты и другие летательные аппараты также служат для того, чтобы летать. Но они друг от друга отличаются. Ракета взлетает, самолеты и аппараты летают. Но законы полета разные. Ракета больше похожа на выпущенный в воздух большой снаряд. Ракета предназначена для полетов в космос. И взлетает она за счет реактивной тяги.

Как движется ракета? За счет реактивной тяги.
Может ли она летать не только в воздухе? Может. Она может лететь даже в вакууме. В космосе воздуха нет, но ракета, тем не менее, летит. И даже лучше, чем в воздухе.

Работает система полета ракеты по закону Ньютона . Газы в двигателе ускоряются, создается тяга, которая создает силу. С помощью этой силы ракета движется. Чтобы двигаться, нужно от чего-то отталкиваться. Когда едет машина или идет человек, они отталкиваются от земной поверхности и снова на нее опускаются. Получается движение вперед, поскольку действует сила тяги Земли. Ракета поднимается в космос, но обратно не опускается. С помощью реактивных газов она отталкивается от Земли, но не возвращается назад, преодолевая силу тяги . Примерно также действуют водные объекты: плавает подводная лодка, кальмар, акула.

Топливо, для того, чтобы ракета взлетела, используют самое разное. Оно может быть жидким и твердым. За счет сжигания топлива ракета поднимается в воздух. После камеры сгорания топлива находятся сопла. Из них извергается сгоревший газ, который поднимает ракету в космос. Поднимающуюся ввысь ракету можно сравнить с извергающимся вулканом. Когда она взлетает в воздух, можно наблюдать большие клубы дыма, запах гари, огонь. Именно как при вулкане или большом взрыве.

Ракета состоит из нескольких ступеней. По ходу ее полета эти ступени отделяются. В самом космосе, уже гораздо легче, летит космический корабль, который выкинул весь лишний груз, то, что было ракетой.

Пример отделения ступеней

Следует отметить то, что самолет в космос вылететь не может. Воздушный шар тоже. Из всех известных средств передвижения по воздуху ракета единственная поднимается в космос и может летать за пределами планеты Земля.

Это интересно: ракета не самый известный летательный аппарат на сегодняшний день. Известно, что в космосе когда-то летали виманы. Принцип полета напоминает полет сегодняшней ракеты. Верхнюю часть ракеты напоминает вимана, но она немного другой формы.

Как и почему взлетает ракета

Для того чтобы увидеть, как взлетает ракета, необходимо посмотреть специальные телевизионные репортажи или отыскать соответствующие видеозаписи в интернете. Стать непосредственными свидетелями взлета и собственными глазами с небольшого расстояния увидеть, куда направляется аппарат, могут лишь отдельные лица, причастные к данному процессу, при этом они должны находиться на территории космодрома.

Как происходит взлет

Стартовать космический аппарат сам по себе не может, для этого ему необходимо получить команду с пункта управления. Ракета находится в вертикальном положении на космодроме, затем двигатели начинают издавать мощный звук. Сначала внизу появляется яркое пламя внушительных размеров, слышен нарастающий гул. Потом эта ракета взлетает наверх: сначала с относительно небольшой скоростью, затем быстрее. С каждой секундой она отдаляется от Земли все дальше, звук при этом становится сильнее.

Довольно скоро космический аппарат располагается на высоте, на которую не в состоянии подняться как гражданские, так и боевые самолеты. На такой высоте летают только аппараты, предназначенные для работы в просторах Вселенной, находящихся вне границ атмосфер небесных тел. Буквально через минуту взлетающий аппарат оказывается в космосе, то есть в безвоздушном пространстве. Далее он продолжает свой путь в зависимости от маршрута, который был намечен на Земле. Этот аппарат, как и ранее, управляется из командного пункта.

Реактивные двигатели

Звук, который издает ракета при взлете, говорит о том, что она оборудована реактивными двигателями. Моторы приводятся в действие силой, которая возникает в результате появления мощной струи раскаленных газов. Эти газы образуются в специальной камере тогда, когда сгорает топливо. Может показаться невероятным, что они обладают способностью запросто выводить на космическую орбиту ракету весом в несколько тонн, при этом характерный звук слышен на достаточно большом расстоянии от места запуска.

Вместе с тем следует иметь в виду, что воздух, содержащийся в камерах велосипедов или автомобилей, успешно выдерживает массу как людей, управляющих двухколесными транспортными средствами, так и водителей машин, а также их пассажиров и грузов. Поэтому нет ничего удивительного в том, что чересчур раскаленный газ, с огромной силой вырывающийся из сопла ракеты, способен толкать ее наверх с большой скоростью. Практически после каждого запуска ракеты площадка для ее старта, сооруженная с использованием особо прочных материалов, нуждается в ремонте, ведь ракеты не должны взлететь с поврежденной поверхности.

Третий закон Ньютона

Речь идет о законе, под которым подразумевают закон сохранения импульса. Изначально ракета, неподвижно расположенная на стартовой площадке перед запуском, имеет импульс, равный нулю. После включения двигателей нарастает звук, при сгорании топлива образуются газообразные продукты высокой температуры, которые на высокой скорости вырываются из сопла летательного аппарата. Это приводит к созданию вектора импульса, который направлен вниз.

Однако существует закон сохранения импульса, согласно которому суммарный импульс, приобретенный взлетающим аппаратом относительно стартовой площадки, должен по-прежнему равняться нулю. Здесь возникает другой вектор импульса, действие которого направлено на уравновешивание изделия по отношению к уходящим газам. Он появляется за счет того, что космический аппарат, который стоял неподвижно, начинает движение. Импульс, направленный вверх, равняется весу изделия, умноженному на его скорость.

В случае если двигатели ракеты достаточно мощные, она набирает скорость быстро. Данной скорости достаточно, чтобы вывести космический корабль на околоземную орбиту в течение довольно непродолжительного времени. Взлетающий аппарат имеет мощность, которая напрямую зависит от заправленного в него топлива. В советский период ракетные двигатели работали на авиационном керосине. В настоящее время используется более сложная химическая смесь, которая при сгорании выделяет огромное количество энергии.

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.