Розділ 4. Використання людиною реактивного руху в техніці.
Протягом багатьох століть людство мріяло про космічні польоти. Письменники-фантасти пропонували самі різні засоби для досягнення цієї мети. У XVII столітті з'явилось оповідання французького письменника Сірано де Бержерака про політ на Місяць. Герой цього оповідання дістався до Місяця в залізній візку, над яким він весь час підкидав сильний магніт. Притягуючись до нього, візок все вище підіймався над Землею, доки не досягнув Місяця. А барон Мюнхгаузен розповідав, що виліз на Місяць по стеблині боба. Наприкінці першого тисячоліття нашої ери в Китаї винайшли реактивний рух, яке приводило в дію ракети - бамбукові трубки, начинені порохом, вони також використовувалися як забава. Один з перших проектів автомобілів був також з реактивним двигуном і належав цей проект Ньютону
Автором першого в світі проекту реактивного літального апарату, призначеного для польоту людини, був російський революціонер - народоволець Н.І. Кибальчич. Його стратили 3 квітня 1881 за участь у замаху на імператора Олександра II. Свій проект він розробив у в'язниці після винесення смертного вироку. Кибальчич писав: "Перебуваючи в ув'язненні, за кілька днів до своєї смерті я пишу цей проект. Я вірю в здійсненність моєї ідеї, і ця віра підтримує мене в моєму жахливому становищі ... Я спокійно зустріну смерть, знаючи, що моя ідея не загине разом зі мною ".
Ідея використання ракет для космічних польотів була запропонована ще на початку нашого століття російським ученим Костянтином Едуардовичем Ціолковським. У 1903 році з'явилася у пресі стаття викладача калузької гімназії К.Е. Ціолковського "Дослідження світових просторів реактивними приладами ". У цій роботі містилося найважливіше для космонавтики математичне рівняння, тепер відоме як "формула Ціолковського ", яке описувало рух тіла змінної маси. К. Е. Ціолковський вивів формулу,яка дозволяє розрахувати максимальну швидкість, яку може розвинути ракета. Ось ця формула:
Тут vmax – максимальна швидкість ракети, v0 – початкова швидкість, vr – швидкість вильоту газів із сопла, m – початкова маса палива, а M – маса порожньої ракети. Як видно із формули, ця максимально досяжна швидкість залежить в першу чергу від швидкості вильоту газів із сопла, яка в свою чергу залежить перед усім від виду палива і температури газової струї. Чим вища температура, тим більша швидкість. Значить, для ракети потрібно підбирати саме калорійне паливо, яке надає найбільшу кількість теплоти. Із формули витікає також, що ця швидкість залежить і від початкової і кінечної маси ракети, тобто від того, яка частина її ваги приходиться на пальне, і яка - на безкорисні (з точки зору швидкості польоту) конструкції: корпус, механізми, і т.п.
Ця формула Ціолковського являється фундаментом, на якому будується весь розрахунок сучасних ракет. Відношення маси палива до маси ракети в кінці роботи двигуна (тобто по правді до ваги пустої ракети) називається числом Ціолковського.
Основний висновок із цієї формули полягає в тому, що в безповітряному просторі ракета розвине тим більшу швидкість, чим більша швидкість витоку газів і чим більше число Ціолковського. Надалі він розробив схему ракетного двигуна на рідкому паливі, запропонував багатоступеневу конструкцію ракети, висловив ідею про можливість створення цілих космічних міст на навколоземній орбіті. Він показав, що єдиний апарат, спроможний подолати силу тяжіння - це ракета, тобто апарат з реактивним двигуном, що використовує пальне і окислювач, розташовані на самому апараті.
Схема реактивного авіадвигуна: 1) Впуск повітря 2) Знижений тиск компресії 3) Підвищений тиск компресії 4) Горіння 5) Вихлоп 6) Гарячий тракт 7) Турбіна 8) Камера згорання 9) Холодний тракт 10) Повітрязабірник
Реакти́вний двигу́н — двигун-рушій, що створює реактивний рух внаслідок швидкого витікання робочого тіла ізсопла, найчастіше робочим тілом є гарячі гази, що утворюються внаслідок спалювання палива у камерах згоряння. Бувають турбореактивні, пульсуючі (безкомпресорні), прямоточні (ефективно працюють тільки принадзвукових швидкостях) та ракетні двигуни.
Реактивний двигун - це двигун, перетворюючий хімічну енергію палива в кінетичну енергію газової струї, при цьому двигун набирає швидкість у зворотньому напрямку.
.
Принцип дії ракети.
В основі руху ракети лежить закон збереження імпульсу. Із закону збереження імпульсу, в якому йдеться, що геометрична (тобто векторна) сума імпульсів тіл, складаючих замкнуту систему, залишається постійною при любих рухах і взаємодіях тіл системи, тобто:
Якщо в деякий момент часу від ракети буде відкинуто яке-небудь тіло, то вона набуде такої ж імпульс, але спрямований у протилежний бік
У будь ракеті, незалежно від її конструкції, завжди є оболонка і паливо з окислювачем. Оболонка ракети включає в себе корисний вантаж (у даному випадку це космічний корабель), приладовий відсік і двигун (камера згоряння, насоси та пр.).
Схема внутрішньої будови ракети
Як виглядає в загальних рисах сучасна ракета далекої дії? Перед усім, це багатоступінчата ракета. В головній її частині розміщується боєвий заряд, позад нього ‑ прилади керування, баки і, нарешті, двигун. В залежності від пального стартова вага ракети перевищуєт вагу корисного вантажу в 100-200 разів! Тому важить вона багато десятків тонн, а в довжину досягає висоти десятиповерхового будинку. Конструкція ракети повинна відповідати ряду вимог. Наприклад, дуже важливо, щоб сила тяги проходила через центр ваги ракети. Якщо не виконати цього і ще багатьох інших вимог, то ракета може відхилитися від заданого курсу або навіть почати обертальний рух. «Підправити» курс можна за допомогою рулів. Доки ракета летить у щільному повітрі, можуть працювати аеродинамічні рулі, а у розрідженому повітрі – запропоновані ще Ціолковським газові рулі, відхиляючі напрям газової струї. Хоча, зараз конструктори починають відмовлятися від використання газових рулів, замінюючи їх декількома додатковими соплами або повертаючи головне сопло. Наприклад, на американській ракеті, побудованій по проекту «Авангард», двигун підвішаний на шарнірах, і його можливо відхиляти на 5-7градусів. Дійсно, на початку польоту, коли щільність повітря ще велика і швидкість ракети маленька, рулі погано керують. А там, де ракета набирає більшу швидкість, мала густина повітря. Газові рулі крихкі і ламкі, тому що їх доводиться робити з графіту або кераміки.
Кожна ступінь ракети працює в зовсім різних умовах, які і вибирають її будову. Потужність кожної наступної ступені і час її дії менша від попередньої, тому її конструкція може бути простішою.
На теперішній час двигуни балістичних ракет переважно працюють на рідкому паливі. В якості палива зазвичай використовують керосин, спирт, гідразин, анілін, а в якості окислювачів - азотну и хлоридну кислоти, рідкий кисень і перекись водню. Дуже активними окислювачами є фтор і рідкий озон, але через велику вибухонебезпечність вони поки що обмежені в використанні.
Найбільш відповідальною частиною ракети являється двигун, а в ньому – камера згорання і сопло. Тут повинні використовуватися особливо жаростійкі матеріали і складні методи охолодження, так як температура згоряння палива доходить до 2500-3500С. Звичайні матеріали таких температур не витримують. Достатньо складні і інші агрегати. Наприклад, насоси, які подавали пальне і окислювач до форсунок камери згорання, вже в ракеті ФАУ-2 були здатні перекачувати 125 кг палива в секунду. В ряді випадків замість балонів застосовують балони із зжатим повітрям або яким-небудь другим газом, який витісняє пальне із баків і гонить його в камеру згорання.
Основну масу ракети складає паливо з окислювачем (окислювач потрібен для підтримки горіння палива, оскільки в космосі немає кисню).
Паливо і окислювач за допомогою насосів подаються в камеру згоряння. Паливо, згораючи, перетворюється в газ високої температури і високого тиску. Завдяки великій різниці тисків у камері згоряння і в космічному просторі, гази з камери згоряння потужним струменем спрямовуються назовні через розтруб спеціальної форми, званий соплом. Призначення сопла полягає в тому, щоб підвищити швидкість струменя.
Перед стартом ракети її імпульс дорівнює нулю. У результаті взаємодії газу в камері згоряння і всіх інших частин ракети вириваються через сопло газ отримує деякий імпульс. Тоді ракета являє собою замкнуту систему, і її загальний імпульс повинен і після запуску дорівнює нулю. Тому і оболонка ракети зовсім, що в ній знаходиться, отримує імпульс, рівний за модулем імпульсу газу, але протилежний за напрямком.
Найбільш масивну частина ракети, призначену для старту і розгону всієї ракети, називають першою ступенем. Коли перша масивна щабель багатоступінчастої ракети вичерпає при розгоні все запаси палива, вона відокремлюється. Подальший розгін продовжує друга, менш масивна щабель, і до раніше досягнутої за допомогою першого ступеня швидкості вона додає ще деяку швидкість, а потім відділяється. Третя щабель продовжує нарощування швидкості до необхідного значення і доставляє корисний вантаж на орбіту.
Дійсно, на початку польоту, коли щільність повітря ще велика і швидкість ракети маленька, рулі погано керують. А там, де ракета набирає більшу швидкість, мала густина повітря. Газові рулі крихкі і ламкі, тому що їх доводиться робити з графіту або кераміки. Кожна ступінь ракети працює в зовсім різних умовах, які і вибирають її будову. Потужність кожної наступної ступені і час її дії менша від попередньої, тому її конструкція може бути простішою.На теперішній час двигуни балістичних ракет переважно працюють на рідкому паливі. В якості палива зазвичай використовують керосин, спирт, гідразин, анілін, а в якості окислювачів - азотну и хлоридну кислоти, рідкий кисень і перекись водню. Дуже активними окислювачами є фтор і рідкий озон, але через велику вибухонебезпечність вони поки що обмежені в використанні. Найбільш відповідальною частиною ракети являється двигун, а в ньому є камера згорання і сопло. Тут повинні використовуватися особливо жаростійкі матеріали і складні методи охолодження, так як температура згоряння палива доходить до 2500-3500С. Звичайні матеріали таких температур не витримують. Достатньо складні і інші агрегати. . Стартуючи вертикально, ракета потім нахиляється і описує майже строго эліптичну траєкторію. Значна частина траєкторії польоту таких ракет проходить на висоті більше 1000 км над Землею, де опір повітря майже відсутній, проте з приближенням до цілі атмосфера починає різко гальмувати рух ракети, при цьому оболонка сильно нагрівається, і, якщо не прийняти міри, ракета може зруйнуватися, а її заряд – передчасно вибухнути.
Ідея К.Е.Ціолковського була здійснена радянськими вченими під керівництвом академіка Сергія Павловича Корольова. Перший в історії штучний супутник Землі за допомогою ракети був запущений в Радянському Союзі 4 жовтня 1957.
Принцип реактивного руху знаходить широке практичне застосування в авіації і космонавтиці. У космічному просторі немає середовища, з якою тіло могло б взаємодіяти і тим самим змінювати напрямок і модуль своєї швидкості, тому для космічних польотів можуть бути використані тільки реактивні літальні апарати, тобто ракети.
Першою людиною, який здійснив політ у космічному просторі, був громадянин Радянського Союзу Юрій Олексійович Гагарін. 12 квітня 1961 року. Він облетів земну кулю на кораблі-супутнику «Восток»
Радянські ракети першими досягли Місяця, облетіли Місяць і сфотографували її невидиму із Землі сторону, першими досягли планету Венера і доставили на її поверхню наукові прилади. У 1986 р. Два радянських космічних корабля В«Вега-1В» і В«Вега-2В» з близької відстані досліджували комету Галлея, що наближається до Сонця один раз на 76 років.
Закон збереження імпульсу
Обов`язково слід розповісти і про нього, розглядаючи реактивний рух в природі і в техніці. Знання закону збереження імпульсу дозволяє нам змінювати, зокрема, нашу власну швидкість переміщення, якщо ми знаходимося у відкритому просторі. Наприклад, ви сидите в човні і у вас з собою є кілька каменів. Якщо ви будете кидати їх в певну сторону, рух човна буде здійснюватися в протилежному напрямку. У космічному просторі також діє цей закон. Однак там з цією метою застосовують ракетні двигуни.
Які ще можна відзначити приклади реактивного руху в природі і техніці? Дуже добре закон збереження імпульсу ілюструється на прикладі рушниці.реактивний рух в побуті природі і техніці
Як відомо, постріл з нього завжди супроводжується віддачею. Припустимо, вага кулі був би рівний вазі гвинтівки. У цьому випадку вони б розлетілися на всі боки з однієї і тієї ж швидкістю. Віддача буває тому, що створюється реактивна сила, так як є відкидна маса. Завдяки цій силі забезпечується рух як в безповітряному просторі, так і в повітрі. Чим більше швидкість і маса стікали газів, тим сила віддачі, яку відчуває наше плече, більше. Відповідно, реактивна сила тим вище, чим сильніша реакція гвинтівки.
Мрії про польоти в космос
застосування реактивного руху в природі і техніці
Реактивний рух в природі і в техніці ось уже довгі роки є джерелом нових ідей для вчених. Багато століть людство марило про польоти в космос. Застосування реактивного руху в природі і техніці, треба думати, аж ніяк не вичерпало себе.
А почалося все з мрії. Письменники-фантасти кілька століть назад пропонували нам різні засоби, як досягти цієї бажаної мети. У 17 столітті Сірано де Бержерак, французький письменник, створив розповідь про політ на Місяць. Його герой добрався до супутника Землі, використовуючи залізну візок. Над цією конструкцією він постійно підкидав сильний магніт. Віз, притягаючи до нього, піднімалася над Землею все вище і вище. Зрештою, вона досягла Місяця. Інший відомий персонаж, барон Мюнхгаузен, заліз на Місяць по стеблині боба.
Звичайно, в цей час ще було мало відомо про те, як застосування реактивного руху в природі і техніці здатне полегшити життя. Але політ фантазії, безумовно, відкривав нові горизонти.
На шляху до видатного відкриття
У Китаї в кінці 1 тисячоліття н. е. винайшли реактивний рух, що приводить в дію ракети. Останні були просто бамбуковими трубками, які були начинені порохом. Ці ракети запускалися заради забави. Реактивний двигун використовувався в одному з перших проектів автомобілів. Ця ідея належала Ньютону.
Про те, як реактивний рух в природі і в техніці виникає, замислювався і Н.І. Кибальчич. Це російський революціонер, автор першого проекту реактивного літального апарату, який призначений для польоту на ньому людини. Революціонер, на жаль, був страчений 3 квітня 1881 року. Кибальчича звинуватили в тому, що він брав участь у замаху на Олександра II. Вже у в`язниці, в очікуванні виконання смертного вироку, він продовжував вивчати таке цікаве явище, як реактивний рух в природі і в техніці, що виникає при відділенні частини об`єкта. В результаті цих досліджень він розробив свій проект. Кибальчич писав, що ця ідея підтримує його в його становищі. Він готовий спокійно зустріти свою смерть, знаючи, що таке важливе відкриття не загине разом з ним.
Реалізація ідеї польоту в космос
приклади реактивного руху в природі і техніці
Прояв реактивного руху в природі і техніці продовжив вивчати К. Е. Ціолковський (фото його представлено вище). Ще на початку 20 століття цей великий російський вчений запропонував ідею використання ракет з метою космічних польотів. Його стаття, присвячена цьому питанню, з`явилася в 1903 році. У ній було представлено математичне рівняння, що стало найважливішим для космонавтики. Воно відоме в наш час як "формула Ціолковського". Це рівняння описувало рух тіла, що має змінну масу. У своїх подальших трудах він представив схему ракетного двигуна, що працює на рідкому паливі. Ціолковський, вивчаючи використання реактивного руху в природі і техніці, розробив багатоступеневу конструкцію ракети. Йому також належить ідея про можливість створення на навколоземній орбіті цілих космічних міст. Ось до яких відкриттів прийшов учений, вивчаючи реактивний рух в природі і техніці. Ракети, як показав Ціолковський, - це єдині апарати, які можуть подолати силу тяжіння. Ракету він визначив як механізм, який має реактивний двигун, який використовує знаходиться на ньому пальне і окислювач. Цей апарат трансформує хімічну енергію палива, яка стає кінетичної енергією газового струменя. Сама ракета при цьому починає рухатися в зворотному напрямку.
Нарешті, вчені, вивчивши реактивне рух тіл в природі і техніці, перейшли до практики. Мала відбутися масштабна задача реалізації давньої мрії людства. І група радянських вчених на чолі з академіком С. П. Корольовим, впоралася з нею. Вона здійснила ідею Ціолковського. Перший штучний супутник нашої планети був запущений в СРСР 4 жовтня 1957 р Природно, при цьому використовувалася ракета.
реактивний рух в природі і в техніці
Ю. А. Гагарін (на фото вище) був людиною, якій випала честь першим здійснити політ у космічному просторі. Це важливе для світу подія сталася 12 квітня 1961 року. Гагарін на кораблі-супутнику "Схід" облетів всю земну кулю. СРСР був першою державою, ракети якого досягли Місяця, облетіли навколо неї і сфотографували сторону, невидиму з Землі. Крім того, і на Венері вперше побували саме росіяни. Вони доставили на поверхню цієї планети наукові прилади. Американський астронавт Ніл Армстронг - перша людина, що побувала на поверхні Місяця. Він висадився на неї 20 липня 1969 року. У 1986 році "Вега-1" і "Вега-2" (Кораблі, що належать СРСР) досліджували зблизька комету Галлея, яка наближається до Сонця всього лише раз в 76 років. Вивчення космосу триває ...
Як ви бачите, дуже важливою і корисною наукою є фізика. Реактивний рух в природі і техніці - це лише один з цікавих питань, які розглядаються в ній. А досягнення цієї науки вельми і вельми значні.
Як в наші дні використовується реактивний рух в природі і в техніці
У фізиці в останні кілька століть були зроблені особливо важливі у відкритих. У той час як природа залишається практично незмінною, техніка розвивається стрімкими темпами. У наш час принцип реактивного руху широко застосовується не тільки різними тваринами і рослинами, але також в космонавтиці і в авіації. У космічному просторі відсутнє середовище, яку тіло могло б використовувати для взаємодії, щоб змінити модуль і напрямок своєї швидкості. Саме тому для польотів в безповітряному просторі можна використовувати лише ракети.
Сьогодні активно використовується реактивний рух в побуті, природі і техніці. Воно вже не є загадкою, як раніше. Однак людство не повинно зупинятися на досягнутому. Попереду нові горизонти. Хочеться вірити, що реактивний рух в природі і техніці, коротко охарактеризовані в статті, надихне когось на нові відкриття.
Висновок.
Отже, людина широко використовує реактивний рух, повсякдневно, це ми можемо побачити в польоті ракети, при їзді машини, при вистрелі гвинтівки тощо. Реактивний рух та його винайдення значно спростило життя людей та зробило його більш комфортним. По цей час людство працює над винайденням нових функцій та здібностей з участю реактивного руху.