När raketen lyfte. Impuls och principen för jetframdrivning

Du kan nu beundra starten av en rymdraket på TV och i filmer. Raketen står vertikalt på en avfyrningsplatta av betong. På kommando från kontrollcentralen startar motorerna, vi ser en låga som tänds nedanför, vi hör ett växande dån. Och så lyfter raketen, i en rökpuff, från jorden och rusar först långsamt och sedan snabbare och snabbare uppåt. En minut senare är hon redan på en sådan höjd att flygplan inte kan nå, och en minut senare är hon i rymden, i det luftlösa utrymmet nära jorden.

Raketmotorer kallas jetmotorer. Varför? Eftersom i sådana motorer är dragkraften en reaktionskraft (motverkan) till den kraft som kastar i motsatt riktning en ström av heta gaser som erhålls från förbränning av bränsle i en speciell kammare. Som ni vet, enligt Newtons tredje lag, är kraften i denna reaktion lika med handlingskraften. Det vill säga kraften som lyfter raketen ut i rymden är lika med kraften som utvecklas av de heta gaserna som strömmar ut från raketmunstycket. Om det verkar otroligt för dig att gas, som ska vara okroppslig, kastas på rymdbana tung raket, kom ihåg att luft komprimerad i gummicylindrar framgångsrikt stöder inte bara cyklisten utan också tunga dumper. Den glödheta gasen som strömmar ut från raketmunstycket är också full av styrka och energi. Så mycket att efter varje raketuppskjutning repareras avfyrningsrampen genom att lägga till den utslagna eld virvelvind betong.

Newtons tredje lag kan formuleras annorlunda som lagen om bevarande av momentum. Momentum är produkten av massa och hastighet. När det gäller lagen om bevarande av momentum kan uppskjutningen av en raket beskrivas på följande sätt.
Ursprungligen var farten för rymdraketen i vila på uppskjutningsrampen noll ( Stor massa raket multiplicerat med nollhastigheten). Men nu är motorn igång. Bränslet brinner för att bildas stor mängd gasformiga förbränningsprodukter. De har hög temperatur och i hög hastighet rinner raketerna ut ur munstycket i en riktning, nedåt. Detta skapar en nedåtgående momentumvektor vars storlek är lika med massan av den utströmmande gasen multiplicerad med gasens hastighet. På grund av lagen om bevarande av rörelsemängd bör dock rymdraketens totala rörelsemängd i förhållande till uppskjutningsrampen fortfarande vara noll. Därför uppstår omedelbart en uppåtgående impulsvektor som balanserar systemet med "raketutsprutade gaser". Hur kommer denna vektor att uppstå? På grund av att raketen, som har stått orörlig fram till dess, kommer att börja röra sig uppåt. Den uppåtgående rörelsemängden kommer att vara lika med raketens massa multiplicerat med dess hastighet.

Om raketens motorer är kraftfulla kommer raketen mycket snabbt att få fart, tillräcklig för att skjuta upp rymdfarkosten i låg omloppsbana om jorden. Denna hastighet kallas den första flykthastigheten och är cirka 8 kilometer per sekund.

Kraften hos en raketmotor bestäms i första hand av vilket bränsle som förbränns i raketmotorerna. Ju högre förbränningstemperatur bränslet har, desto kraftfullare är motorn. I de tidigaste sovjetiska raketmotorerna var bränslet fotogen och oxidationsmedlet salpetersyra. Nu använder raketer mer aktiva (och giftigare) blandningar. Bränslet i moderna amerikanska raketmotorer är en blandning av syre och väte. Syre-väteblandningen är mycket explosiv, men vid förbränning frigör den en enorm mängd energi.

En kort historia om raketer

Allmän princip jetflygning, som utgjorde grunden för alla raketer, är enkel - någon del är separerad från kroppen och sätter allt annat i rörelse.

Det är okänt vem som var den första att implementera denna princip, men olika gissningar och gissningar för raketvetenskapens genealogi direkt tillbaka till Arkimedes. Vad som är känt med säkerhet om de första sådana uppfinningarna är att de aktivt användes av kineserna, som laddade dem med krut och skickade dem till himlen på grund av explosionen. Så skapade de den första fast bränsle raketer. Europeiska regeringar visade tidigt stort intresse för missiler

Andra raketbom

Raketer väntade i vingarna och väntade: på 1920-talet började den andra raketboomen, och den förknippas i första hand med två namn.

Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky, en självlärd forskare från Ryazan-provinsen, trots svårigheter och hinder, nådde själv många upptäckter, utan vilka det skulle ha varit omöjligt att ens prata om rymden. Användningsidé flytande bränsle, Tsiolkovskys formel, som beräknar hastigheten som krävs för flygning baserat på förhållandet mellan de slutliga och initiala massorna, flerstegsraket- allt detta är hans förtjänst. Till stor del under inflytande av hans verk skapades och formaliserades inhemsk raketvetenskap. I Sovjetunionen började sällskap och studiecirklar spontant uppstå jetdrift, inklusive GIRD - en grupp för studier av jetframdrivning, och 1933, under beskydd av myndigheterna, dök Jet Institute upp.

Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky.
Källa: Wikimedia.org

Den andra hjälten i raketloppet är den tyske fysikern Wernher von Braun. Brown hade en utmärkt utbildning och ett livligt sinne, och efter att ha träffat en annan kändis av världens raketvetenskap, Heinrich Oberth, bestämde han sig för att lägga alla sina ansträngningar på att skapa och förbättra raketer. Under andra världskriget blev von Braun faktiskt far till rikets "vedergällningsvapen" - V-2-raketen, som tyskarna började använda på slagfältet 1944. Den "bevingade skräcken", som den kallades i pressen, ledde till förstörelse till många engelska städer, men lyckligtvis var nazismens kollaps redan vid den tiden en tidsfråga. Wernher von Braun, tillsammans med sin bror, bestämde sig för att kapitulera till amerikanerna, och, som historien har visat, var detta en lycklig biljett, inte bara och inte så mycket för vetenskapsmän, utan för amerikanerna själva. Sedan 1955 har Brown arbetat för den amerikanska regeringen och hans uppfinningar ligger till grund för det amerikanska rymdprogrammet.

Men låt oss gå tillbaka till 1930-talet. Den sovjetiska regeringen uppskattade entusiasternas iver på vägen till rymden och beslutade att använda den i sina egna intressen. Under krigsåren visade sig "Katyusha"-systemet vara utmärkt volley eld vem sköt raketer. Det var på många sätt ett innovativt vapen: Katyusha, baserad på en lätt lastbil från Studebaker, anlände, vände, sköt mot sektorn och gick därifrån, utan att tilläta tyskarna att komma till besinning.

Krigets slut gav vårt ledarskap en ny uppgift: amerikanerna visade världen all sin makt atombomb, och det blev ganska uppenbart att bara de som har något liknande kan göra anspråk på supermaktsstatus. Men det fanns ett problem. Faktum är att vi, förutom själva bomben, behövde leveransfordon som kunde kringgå USA:s luftförsvar. Flygplan var inte lämpliga för detta. Och Sovjetunionen bestämde sig för att förlita sig på missiler.

Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky dog ​​1935, men han ersattes av en hel generation unga vetenskapsmän som skickade människan ut i rymden. Bland dessa forskare fanns Sergei Pavlovich Korolev, som var avsedd att bli sovjeternas "trumfkort" i rymdkapplöpningen.

Sovjetunionen började skapa sin egen interkontinental missil med all iver: institut organiserades, de bästa vetenskapsmännen samlades, ett forskningsinstitut för missilvapen och arbetet är i full gång.

Endast en kolossal ansträngning av ansträngning, resurser och sinnen gjorde det möjligt Sovjetunionen bygga sin egen raket, som fick namnet R-7, på kortast möjliga tid. Det var dess modifieringar som skickade Sputnik och Jurij Gagarin ut i rymden, det var Sergej Korolev och hans medarbetare som sköt upp rymdåldern mänskligheten. Men vad består en rymdraket av?

Raketdesign

Diagram över en tvåstegsraket.

Rymden är ett mystiskt och mest ogynnsamt utrymme. Ändå trodde Tsiolkovsky att mänsklighetens framtid ligger just i rymden. Det finns ingen anledning att argumentera med denna store vetenskapsman. Rymden är gränslösa utsikter för utvecklingen av all mänsklig civilisation och utvidgningen av livsrum. Dessutom döljer den inom sig svaren på många frågor. Idag använder människor aktivt yttre rymden. Och vår framtid beror på hur raketer lyfter. Lika viktigt är människors förståelse för denna process.

Rymd race

För inte så länge sedan befann sig två mäktiga supermakter i ett tillstånd av kalla kriget. Det var som en oändlig tävling. Många föredrar att beskriva denna tidsperiod som en normal kapprustning, men så är absolut inte fallet. Det är ett vetenskapslopp. Det är henne som vi är skyldiga många av civilisationens prylar och fördelar som vi är så vana vid.

Rymdkapplöpningen var bara en väsentliga element kalla kriget. På bara några decennier gick människan från konventionella atmosfäriska flygningar till att landa på månen. Detta är otroliga framsteg jämfört med andra prestationer. Vid den underbara tiden trodde folk att utforskningen av Mars var en mycket närmare och mer realistisk uppgift än att försona Sovjetunionen och USA. Det var då som människor var mest fascinerade av rymden. Nästan varje elev eller skolbarn förstod hur en raket lyfter. Det var ingen komplex kunskap, tvärtom. Denna information var enkel och mycket intressant. Astronomi har fått extrem betydelse bland andra vetenskaper. Under de åren kunde ingen säga att jorden var platt. Tillgänglig utbildning har eliminerat okunskap överallt. Men dessa dagar är sedan länge borta, och idag är saker helt annorlunda.

Förfall

Med Sovjetunionens kollaps upphörde också konkurrensen. Orsaken till överfinansieringen är borta rymdprogram. Många lovande och genombrottsprojekt genomfördes aldrig. Tiden för att nå stjärnorna har gett vika för verklig dekadens. Vilket som bekant innebär nedgång, regression och en viss grad av nedbrytning. Det krävs inget geni för att ta reda på det här. Var bara uppmärksam på medianätverk. Plattjordssekten bedriver aktivt sin propaganda. Folk kan inte grundläggande saker. I Ryska Federationen Astronomi lärs inte ut alls i skolor. Om du närmar dig en förbipasserande och frågar hur raketer lyfter kommer han inte att svara på denna enkla fråga.

Folk vet inte ens vilken bana raketer följer. Under sådana förhållanden är det ingen idé att fråga om orbitalmekanik. Brist på ordentlig utbildning, "Hollywood" och videospel har alla skapat förvrängning om rymden som sådan och om flygningar till stjärnorna.

Detta är inte vertikal flygning

Jorden är inte platt, och detta är ett obestridligt faktum. Jorden är inte ens en sfär, eftersom den är något tillplattad vid polerna. Hur lyfter raketer under sådana förhållanden? Gradvis, i flera steg och inte vertikalt.

Vår tids största missuppfattning är att raketer lyfter vertikalt. Det är inte alls så. Ett sådant schema för att komma in i omloppsbana är möjligt, men mycket ineffektivt. Raketbränsle tar slut väldigt snabbt. Ibland på mindre än 10 minuter. Det finns helt enkelt inte tillräckligt med bränsle för en sådan start. Moderna raketer lyfta vertikalt endast i det inledande skedet av flygningen. Sedan börjar automatiseringen ge raketen en lätt rullning. Ju högre flyghöjden är, desto mer märkbar rullningsvinkeln för rymdraketen. Således bildas apogeum och perigeum i omloppsbanan på ett balanserat sätt. Detta säkerställer den mest bekväma balansen mellan effektivitet och bränsleförbrukning. Banan visar sig vara nära en perfekt cirkel. Det kommer aldrig att bli idealiskt.

Om raketen flyger vertikalt uppåt kommer resultatet att bli en otroligt stor apogee. Bränslet tar slut innan perigeum visas. Med andra ord kommer raketen inte bara att inte flyga i omloppsbana, utan på grund av brist på bränsle kommer den att flyga i en parabel tillbaka till planeten.

Kärnan i det hela är motorn.

Någon kropp är inte kapabel att röra sig på egen hand. Det måste finnas något som får honom att göra det här. I det här fallet är det en raketmotor. En raket, som lyfter ut i rymden, förlorar inte sin förmåga att röra sig. För många är detta obegripligt, för i ett vakuum är förbränningsreaktionen omöjlig. Svaret är så enkelt som möjligt: ​​lite annorlunda.

Så, raketen flyger in. Det finns två komponenter i dess tankar. Det är ett bränsle och ett oxidationsmedel. Att blanda dem säkerställer att blandningen antänds. Det är dock inte eld som kommer ut från munstyckena, utan het gas. I det här fallet finns det inga motsägelser. Denna inställning fungerar utmärkt i ett vakuum.

Raketmotorer finns i flera typer. Dessa är flytande, fast bränsle, joner, elektrodrivmedel och kärnkraft. De två första typerna används oftast, eftersom de är kapabla att producera den största dragkraften. Flytande sådana används i rymdraketer, fast bränsle - i interkontinentala ballistiska missiler kärnladdning. Eldrivna och atomära är designade för den mest effektiva rörelsen i ett vakuum, och det är på dem som de maximala förhoppningarna sätts. För närvarande används de inte utanför testbänkar.

Men Roscosmos lade nyligen en order på att utveckla en kärnkraftsdriven orbital bogserbåt. Detta ger anledning att hoppas på teknikens utveckling.

En liten grupp orbitalmanövrerande motorer står isär. De är avsedda för kontroll. De används dock inte i raketer, utan i rymdskepp. De räcker inte för flygning, utan tillräckligt för manövrering.

Fart

Tyvärr likställer människor nuförtiden rymdflyg Till grundläggande enheter mätningar. Med vilken hastighet lyfter raketen? Denna fråga är inte helt korrekt i förhållande till Det spelar ingen roll i vilken hastighet de lyfter.

Det finns ganska många missiler, och det har alla olika hastighet. De som är utformade för att skjuta upp astronauter i omloppsbana flyger långsammare än last. En person, till skillnad från en last, är begränsad av överbelastning. Lastraketer, till exempel supertunga Falcon Heavy, tar fart för snabbt.

Det är svårt att beräkna exakta hastighetsenheter. Först och främst eftersom de är beroende av bärraketens nyttolast (launch vehicle). Det är ganska logiskt att en fullastad bärraket lyfter mycket långsammare än en halvtom bärraket. Det finns dock ett gemensamt värde som alla raketer strävar efter att uppnå. Detta kallas flykthastighet.

Det finns en första, andra och följaktligen en tredje flykthastighet.

Den första är den nödvändiga hastigheten, som gör att du kan röra dig i omloppsbana och inte falla ner på planeten. Det är 7,9 km per sekund.

Den andra behövs för att lämna jordens omloppsbana och gå till en annan himlakropps omloppsbana.

Den tredje gör att enheten kan övervinna gravitationen solsystem och lämna henne. För närvarande flyger Voyager 1 och Voyager 2 med denna hastighet. Men i motsats till medias rapporter har de ännu inte lämnat solsystemets gränser. Ur astronomisk synvinkel kommer det att ta dem minst 30 000 år att nå Orta-molnet. Heliopausen är inte gränsen för ett stjärnsystem. Detta är bara platsen där solvinden kolliderar med intersystemmediet.

Höjd

Hur högt flyger raketen? Den som krävs. Efter att ha nått den hypotetiska gränsen mellan rymden och atmosfären är mätningen av avståndet mellan skeppet och planetens yta felaktig. Efter att ha kommit in i omloppsbana är fartyget i en annan miljö och avståndet mäts i avståndsenheter.

Och vi vet att för att rörelse ska uppstå måste någon kraft appliceras. Kroppen måste antingen själv trycka bort från något, eller så måste en tredje parts kropp trycka på den givna. Detta är välkänt och förståeligt för oss från livserfarenhet.

Vad ska man skjuta ifrån i rymden?

På jordens yta kan du trycka av från ytan eller från föremål på den. För att röra sig på ytan använder de ben, hjul, spår och så vidare. I vatten och luft kan man trycka undan själva vattnet och luften, som har en viss densitet och därför låter dig interagera med dem. Naturen har anpassat fenor och vingar för detta ändamål.

Människan har skapat motorer baserade på propellrar, som kraftigt ökar kontaktytan med omgivningen på grund av rotation och låter dem trycka av vatten och luft. Men hur är det med fallet med luftlöst utrymme? Vad ska man börja från i rymden? Det finns ingen luft där, det finns ingenting där. Hur flyger man i rymden? Det är här lagen om bevarande av momentum och principen om reaktiv framdrivning kommer till undsättning. Låt oss ta en närmare titt.

Impuls och principen för jetframdrivning

Momentum är produkten av en kropps massa och dess hastighet. När en kropp är orörlig är dess hastighet noll. Kroppen har dock en viss massa. I frånvaro av yttre påverkan, om en del av massan separeras från kroppen med en viss hastighet, måste, enligt lagen om bevarande av rörelsemängd, även resten av kroppen få en viss hastighet så att den totala rörelsemängden förblir lika med noll.

Dessutom kommer hastigheten för den återstående huvuddelen av kroppen att bero på hastigheten med vilken den mindre delen separerar. Ju högre denna hastighet är, desto högre blir hastigheten på huvudkroppen. Detta är förståeligt om vi minns beteendet hos kroppar på is eller i vatten.

Om två personer är i närheten, och sedan en av dem trycker på den andra, kommer han inte bara att ge honom acceleration, utan kommer också att flyga tillbaka. Och ju hårdare han pressar någon, desto mer högre hastighet kommer att flyga av sig själv.

Visst, du har varit i en liknande situation, och du kan föreställa dig hur detta händer. Så, detta är vad jetframdrivning bygger på.

Raketer som implementerar denna princip skjuter ut en del av sin massa på hög hastighet, som ett resultat av vilket de själva förvärvar en viss acceleration i motsatt riktning.

Strömmar av heta gaser från bränsleförbränning sprutas ut genom smala munstycken för att ge dem maximal hastighet. Samtidigt minskar raketens massa med mängden massan av dessa gaser, och den får en viss hastighet. Så förverkligas principen om reaktiv rörelse i fysiken.

Principen för raketflygning

Raketer använder ett flerstegssystem. Under flygningen separeras det nedre steget, efter att ha förbrukat hela sin bränsletillförsel, från raketen för att minska dess totala massa och underlätta flygningen.

Antalet etapper minskar tills arbetsdelen finns kvar i form av en satellit eller annan rymdfarkost. Bränslet beräknas på ett sådant sätt att det precis räcker för att komma in i omloppsbana.

Även bland folk som studerat fysik hör man ofta en helt felaktig förklaring till en rakets flygning: den flyger för att den stöts bort från luften av dess gaser som bildas när krutet brinner i den. Så här trodde man förr i tiden (raketer är en gammal uppfinning). Men om du skulle skjuta upp en raket i luftlöst utrymme, skulle den inte flyga sämre, eller till och med bättre, än i luften. Den verkliga anledningen Raketens rörelse är helt annorlunda. Det var mycket tydligt och enkelt uttryckt av revolutionären Kibalchich i första mars i sitt självmordsbrev om den flygande maskinen han uppfann. Han förklarade designen av stridsmissiler och skrev:

"I en plåtcylinder, stängd vid ena basen och öppen vid den andra, är en cylinder av pressat krut tätt införd, med ett tomrum i form av en kanal längs sin axel. Förbränningen av krut börjar från ytan av denna kanal och sprider sig under en viss tidsperiod till den yttre ytan av det pressade krutet; de gaser som bildas under förbränning producerar tryck i alla riktningar; men gasernas sidotryck är ömsesidigt balanserade, medan trycket på botten av plåtskalet av krut, inte balanserat av det motsatta trycket (eftersom gaserna har ett fritt utlopp i denna riktning), driver raketen framåt.”

Samma sak händer här som när en kanon avfyras: projektilen flyger framåt, och själva kanonen trycks bakåt. Kommer du ihåg "rekylen" av en pistol och allt i allmänhet? skjutvapen! Om en kanon hängde i luften, inte stödd av någonting, skulle den efter avfyring röra sig bakåt med en viss hastighet, vilket är lika mycket mindre hastighet projektil, hur många gånger lättare är projektilen än själva pistolen. I fantasy roman Jules Vernes "Upside Down" planerade amerikanerna till och med att använda rekylkraften från den gigantiska kanonen för att utföra ett grandiost åtagande - att "räta ut jordens axel".

En raket är samma kanon, bara den spyr inte ut granater, utan pulvergaser. Av samma anledning roterar det så kallade "kinesiska hjulet", vilket du förmodligen råkade beundra när du satte upp fyrverkerier: när krut brinner i rör som är fästa på hjulet, strömmar gaser ut i en riktning, och själva rören (och med dem hjulet) får motsatt rörelse. I huvudsak är detta bara en modifiering av en välkänd fysisk enhet - Segner-hjulet.

Det är intressant att notera att före uppfinningen av ångbåten fanns en design för ett mekaniskt fartyg baserat på samma början; vattenförsörjningen på fartyget var tänkt att släppas ut med hjälp av en stark tryckpump i aktern; som ett resultat var skeppet tvungen att röra sig framåt, som de flytande plåtar som finns tillgängliga för att bevisa principen i fråga i skolfysikklassrum. Detta projekt (föreslog av Remsey) genomfördes inte, men det spelade en välkänd roll i uppfinningen av ångbåten, eftersom det gav Fulton sin idé.

Vi vet också att den äldsta ångmaskinen, som uppfanns av Heron av Alexandria redan på 200-talet f.Kr., konstruerades enligt samma princip: ånga från pannan strömmade genom ett rör till en kula monterad på en horisontell axel; sedan strömmade ut ur de vevade rören, ångan tryckte dessa rör i motsatt riktning, och kulan började rotera.

Tyvärr förblev Herons ångturbin i antiken bara en nyfiken leksak, eftersom det billiga med slavarbete inte uppmuntrade någon att praktisk användning bilar Men själva principen har inte övergetts av tekniken: i vår tid används den vid konstruktion av jetturbiner.

Newton, författaren till lagen om handling och reaktion, tillskrivs en av de tidigaste designerna för en ångbil, baserad på samma princip: ånga från en panna placerad på hjul rusar ut i en riktning, och själva pannan, pga. för att rekylera, rullar i motsatt riktning.

Raketbilar, experiment med vilka det skrevs mycket om 1928 i tidningar och tidskrifter, är en modern modifiering av Newtons vagn.

För dem som gillar att slöjda, här är en ritning av en pappersångare, också väldigt lik Newtons vagn: i en ångpanna genereras ånga från ett tömt ägg, uppvärmt med bomullsull indränkt i alkohol i en fingerborg; flyr ut som en bäck i en riktning och tvingar hela ångbåten att röra sig i motsatt riktning. Konstruktionen av denna lärorika leksak kräver dock mycket skickliga händer.