ГОУ Гимназия №1505
Московская Городская Педагогическая Гимназия-Лаборатория
Реферат по теме
«Ракеты прошлого и будущего»
Выполнил: Нефёдов Владимир Эдуардович
Руководитель: Наумов Алексей Леонидович
Москва
2009-2010 год
Оглавление (план) (ред)
1) Введение
2) Ракеты с точки зрения физики
1. знакомство (принцип работы)
2. виды (типы) ракет
3. ракетный двигатель и все о нем
3) История развития
4) Перспективы в будущем
5) Заключение
Введение
В наше время развитие космонавтики играет огромную роль в жизни людей. Мобильная связь, метеорологические исследования, глобальные сети и средства массовой информации – все это нам дают искусственные спутники Земли, запуск которых был бы невозможен без применения ракетных двигателей. Ведь это единственный на сегодняшний день вид двигателя, способный работать в безвоздушном (космическом) пространстве. Благодаря ракетным технологиям, Юрий Гагарин смог совершить свой знаменитый полет, а Нил Армстронг первым ступил на Луну. Актуальность данной темы неоспорима в связи с его огромным общественным и научным значением в сфере астрономии и практического освоения космоса. Цель моего реферата - углубленно изучить физическую и историческую составляющую знания о ракетах, двигателях прямой реакции (ракетных двигателях) и о реактивном движении. При выполнении работы мне предстоит решить следующие задачи:
1) Изучить устройство ракетного двигателя и понять принцип его работы. В этом и состоит вся суть реферата, т.к. это реферат по физике.
2) Описать историю развития ракетостроения. По истории ракеты можно было бы написать отдельный реферат, это очень обширная и занимательная тема.
3) Попытаться составить прогноз развития ракет в будущем. Какие будут ракеты? Это основной вопрос данной задачи. На самом деле вопрос сводится к «какие будут ракетные двигатели?»
В процессе работы будут использованы труды К. Э. Циолковского (основоположника российской космонавтики), Н.А. Рынина («Ракеты и двигатели прямой реакции»), В.П.Глушко («Развития ракетостроения и космонавтики в СССР»). Также будут использованы статьи из различных научных журналов («Успехи физических наук») и статьи из Интернета.
(пока еще под редакцией конец введения)
Основная чась
Общее представление о ракетах
Ракета - летательный аппарат, движущийся вследствие отбрасывания высокоскоростных горячих газов, создаваемых реактивным двигателем. Обычно энергия для движения ракеты получается при сгорании двух или более химических компонентов (горючее + окислитель, что и является ракетным топливом) или при разложении одного высокоэнергетического химического вещества. Большинство ракет относятся к одному из двух типов – твердотопливному или жидкостному. Эти термины относятся к тому, в каком виде хранится топливо, прежде чем оно сгорит в камере ракетного двигателя. Вся ракета состоит из двигательной установки (двигателя и топливного отсека), систем управления и наведения, полезной нагрузки и некоторых вспомогательных систем.
Так как ракета несет на себе все необходимые продукты для реакции, в результате которой получается реактивная струя газа, она является единственным эффективным средством транспортировки грузов в вакууме космического пространства и одним из наиболее эффективных средств доставки боевого заряда в военных действиях. Ни один из существующих типов ракет не является универсальным. Каждый тип имеет свои достоинства и недостатки, и выбор той или другой ракеты производится с учетом многих критериев, включающих стоимость, экономичность, сложность конструкции, надежность и долговечность. Твердотопливные ракеты широко используются для военных задач благодаря малому времени их подготовки к запуску, простоте и возможности длительного хранения. Жидкостные ракеты предпочтительнее для космических полетов из-за их большей экономичности и возможности регулирования тяги.
Знакомство с ракетой
Ракеты могут быть большими и сложными летательными аппаратами, как, например, те, которые доставили на околоземную орбиту космонавта Ю. Гагарина и его последователей. Ракеты могут быть также миниатюрными, как, например, те, что используются для фейерверков на народных празднествах.
Все ракеты, как самые малые промышленного производства или сконструированные любителями, так и большие, изготовление которых связано с большими затратами сил и средств, имеют одну общую черту — они основаны на принципе реактивного движения.
Простейшая модель ракеты, работающая на твердом топливе, состоит из следующих основных частей: головной части, корпуса, двигателя и стабилизаторов. Двигателем в модели может служить картонная трубка (внутри которой находится топливо) с соплом и воспламенителем.
Основными геометрическими параметрами ракеты являются ее полная длина и калибр (или диаметр максимального поперечного сечения), а также отношение длины к диаметру, называемое удлинением.
Каждый элемент ракеты имеет свое назначение. В головной части можно поместить приборы и различные вспомогательные приспособления (например, парашют); кроме того, правильно спроектированная форма головной части уменьшает сопротивление движению ракеты в воздухе. В цилиндрическом корпусе ракеты размещают двигатель с топливом; стабилизаторы придают устойчивость ракете во время ее полета, благодаря чему она летит как хорошая стрела, выпущенная из лука. Топливо сгорает в двигателе, а газообразные продукты сгорания, истекая с большой скоростью из сопла, создают силу тяги, под действием которой ракета движется.
Если ракета оборудована одной двигательной установкой, то она называется одноступенчатой, в отличие от ракет, состоящих из нескольких ступеней с поочередно включаемыми двигателями или двигательными установками. Первая ступень обычно самая большая; на ней последовательно устанавливаются соответственно меньшие вторая, третья (а иногда и четвертая) ступени. Многоступенчатая ракета (точнее ее последняя ступень) может достигнуть значительно большей высоты, чем одноступенчатая ракета. В момент старта работает двигатель (или двигатели) только первой ступени, после окончания работы первая ступень отделяется и начинает работать двигатель второй ступени, а затем и третьей. Это относится как к большим ракетам, выводящим на околоземную орбиту космические корабли или искусственные спутники, так и к малым.
Теперь несколько слов о работе ракетного двигателя.
По третьему закону механики, тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению. В ракетном двигателе этот закон, открытый гениальным ученым Исааком Ньютоном, реализуется очень просто: выбрасываются газообразные продукты сгорания назад, чтобы получить движение ракеты вперед.
Закон Ньютона можно легко проверить, например, при помощи воздушного шара, заполненного воздухом. Если из него выпускать воздух, то шар начнет двигаться (правда, очень хаотично) в направлении, противоположном направлению выпускаемого воздуха. Чтобы сделать движение шара устойчивым, достаточно привязать к нему (для стабилизации) нить с бумажной лептой, тогда траектория полета воздушного шара станет, более плавной.
Очевидно, удлиненный воздушный шар цилиндрической формы более устойчив в полете. На этом и основан принцип работы ракетного двигателя.
Обязательно ли выпускать какой-либо газ, чтобы получить тягу? Конечно, нет. Движение можно вызвать, выбрасывая, например, воду, горох, камешки или другие жидкие и твердые тела. Кто наблюдал работу пожарников, тот знает, с каким трудом они удерживают пожарный брандспойт. Вода, вырываясь из отверстия, создаст силу, направленную против се движения.
Из ракеты при помощи пружины можно было бы выбрасывать, например, песок — эффект движения был бы таким же. Однако гораздо выгоднее использовать сгорающее топливо, например порох, так как этот способ значительно эффективнее. Образующийся из пороха газ имеет большой удельный объем и, следовательно, большую скорость истечения (т. е. большую тягу) при малом расходе пороха. Кроме того, газ истекает самопроизвольно, а другие тела необходимо было бы выбрасывать при помощи какого-либо устройства, которое должно работать непрерывно..
Ракетный двигатель, из которого истекают газы, образующиеся в результате сгорания топлива, создает силу, направленную в сторону, противоположную направлению потока и называемую реактивной силой тяги или просто тягой. Тягу можно измерять в принятых единицах силы: килограммах (кг) или ньютонах (Н). Внутри работающего ракетного двигателя происходит интенсивный процесс быстрого контролируемого горения. Для осуществления реакции горения (выделения энергии при реакции двух химических веществ, в результате которой образуются продукты с меньшей скрытой энергией) необходимо наличие окислительного агента (окислителя) и восстановительного агента (горючего). При горении энергия выделяется в виде тепла, т.е. внутреннего движения атомов и молекул в результате повышения температуры.
Ракетные двигатели могут работать на твердом, жидком и других топливах. Что касается модельных и любительских ракет, то для них, как правило, используют твердое топливо.
Конструкция ракетного двигателя
Любой ракетный двигатель состоит из двух основных частей: камеры сгорания и сопла. Камера должна иметь достаточный объем для полного смешения, испарения и сгорания компонентов топлива. Сама камера и система подачи топлива должны быть спроектированы таким образом, чтобы скорость газа в камере была ниже скорости звука, иначе горение будет неэффективным. Как и в случае надувного шарика, молекулы газа соударяются со стенками камеры и выходят через узкое отверстие (горловину сопла). При стеснении потока газа в сужающейся части сопла его скорость возрастает до скорости звука в горловине, а в расширяющейся части сопла поток газа становится сверхзвуковым. Сопло такой конструкции было предложено Карлом де Лавалем, шведским инженером, работавшим в области паровых турбин, в 1890-х годах.