Теория:
Наблюдая реактивное движение в природе, учёные изобретали реактивные двигатели, которые сначала применялись для развлечения, для использования в военном деле, позже — для водного, воздушного и космического транспорта.
Реактивные двигатели эффективны там, где нет среды, опоры для передвижения. Чтобы изменять своё положение в пространстве, телу необходима точка опоры либо сила, которая придаст импульс. В безвоздушном пространстве импульс можно получить только от энергии реактивного движения.
Ракета (от итал. rocchetta — маленькое веретено, через нем. Rakete или нидерл. raket) — аппарат, двигающийся за счёт реактивной силы вследствие отброса рабочего тела аппарата без использования вещества окружающей среды.
Кто же придумал ракету?
Ракета была известна давно. Очевидно, она появилась много веков назад на Востоке, возможно, в Древнем Китае — родине пороха. Ракеты (рис. 1) использовали во время народных празднеств, устраивали фейерверки, зажигали в небе огненные дожди, фонтаны, колёса.
Рис.1. Изображение древнего метательного оружия
Ракеты применяли в военном деле. Долгое время ракета была одновременно и оружием, и игрушкой.
В начале \(XVII\) века в «Уставе ратных, пушечных и других дел, касающихся до военной науки» подробное описание русских ракет дано пушечным мастером Онисимом Михайловым. В \(1680\) году в Москве учреждено первое «ракетное заведение». В лабораториях изготавливали порох для ракет и отдельные их части.
В \(1717\) году на вооружение русской армии принята сигнальная ракета в один фунт, которая поднималась на \(1\) километр.
В фантастических рассказах писатели предлагали использовать ракету для быстрого передвижения по воздуху. В России первым изобретателем ракет был Николай Иванович Кибальчич, химик, изобретатель (рис. 2). Для покушения на императора России Александра II изобрёл летательные снаряды с «летучим студнем», за что был арестован и приговорён к смертной казни.
В тюрьме Кибальчич изобрёл пилотируемый летательный аппарат с устройством порохового ракетного двигателя и управлением путём изменения угла наклона двигателя для космических перелётов. Проект был опубликован только в \(1918\) году в журнале «Былое», спустя \(37\) лет.
Рис. 2. Николай Иванович Кибальчич
Находясь в заключении за несколько дней до своей смерти, я пишу этот проект. Я верю в осуществимость моей идеи и эта вера поддерживает меня в моем ужасном положении. Если же моя идея после тщательного обсуждения учеными специалистами будет признана исполнимой, то я буду счастлив тем, что окажу огромную услугу Родине и человечеству.
Проект (рис. 3) датирован \(23\) марта \(1881\) года. На следующий день Николай Кибальчич передал его своему адвокату В.Н. Герарду. Совет учёных не проводил экспертизу проекта. Записи отправили в секретный архив.
Рис. 3. Проект Н.И. Кибальчича
Про свой аппарат он написал: «Если цилиндр поставлен закрытым дном кверху, то при известном давлении газов <...> цилиндр должен подняться наверх».
Какая же сила применима к воздухоплаванию? — ставит вопрос Н. И. Кибальчич и отвечает: — Такой силой, по моему мнению, являются медленно горящие взрывчатые вещества... Применить энергию газов, образующихся при воспламенении взрывчатых веществ, к какой-либо продолжительной работе возможно только под тем условием, если та громадная энергия, которая образуется при горении взрывчатых веществ, будет образовываться не сразу, а в течение более или менее продолжительного промежутка времени. Если мы возьмём фунт зернистого пороху, вспыхивающего при зажигании мгновенно, спрессуем его под большим давлением в форму цилиндра, то увидим, что горение не сразу охватит цилиндр, а будет распространяться довольно медленно от одного конца к другому и с определённой скоростью... На этом свойстве прессованного пороха основано устройство боевых ракет.
В данном тексте описаны старинные ракеты, которые использовали в начале \(XIX\) века для переброски \(50\)-килограммовых бомб на расстояние до трёх километров.
В мае \(1903\) года русский учёный Константин Эдуардович Циолковский (рис. 4) публикует статью «Исследование мировых пространств реактивными приборами», где представлена конструкция космической ракеты, действующей на жидкостном реактивном двигателе.
Рис. 4. Константин Эдуардович Циолковский
К.Э. Циолковский не только разработал теорию движения космических ракет, но и вывел математическую формулу для расчёта скорости ракеты (рис. 5).
Рис. 5. Проекты К.Э. Циолковского
Существуют ракеты для вывода в космос искусственных спутников (обеспечивающих мобильную связь, навигацию, мониторинг поверхности Земли и т.п.), автоматических межпланетных станций и т.д.
Рис. 6. Изображение запуска ракеты
Большую часть ракеты занимает топливо и окислитель. Для сгорания топлива необходим кислород (как известно в космосе его нет), поэтому для поддержания горения и необходим окислитель. Насосы подают топливо и окислитель в камеру сгорания.
Горение топлива создаёт горячий газ с большим значением давления и скорости. Сопло ракеты направлено так, что газ вырывается противоположно направления её движения, тем самым придавая импульс ракете (рис. 6).
Это можно показать с помощью закона сохранения импульса.
Для упрощения расчёта параметров полёта не учитывают силы земного притяжения. Начальный импульс ракеты до старта равен нулю. Поэтому суммарный импульс движущейся ракеты и испускаемого газа тоже равен нулю. Это возможно только в противоположно направленном движении оболочки ракеты и струи газа:
,
или
.
Получим:
Скорость оболочки прямо пропорциональна скорости газа, выходящего из сопла и обратна пропорциональна массе оболочки:
.
.
Современные ракеты имеют многоступенчатое строение (рис. 7). Для дальних полётов применяется поэтапное использование топлива.
Рис. 7. Изображение ступеней ракеты
При сгорании топлива в первой ступени она оказывается не нужной и отстреливается. После этого начинает работать двигатель второй ступени, расходуя свое топливо и окислитель. Затем отбрасывается и вторая ступень ракеты. Такой процесс позволяет экономить топливо, т.к. масса ракеты при отбрасывании ступени уменьшается. Это, в свою очередь, позволяет увеличить скорость ракеты (см. формулы).
Полёт трёхступенчатой ракеты:
1. Двигатель \(1\) ступени работает около \(3\) минут. За это время ракета пролетает более \(50\) км.
2. Израсходовав всё топливо, \(1\) ступень отделяется от ракеты, и начинает работать двигатель \(2\) ступени (около \(2\) минут).
3. \(3\) ступень работает примерно \(12\) минут и выводит спутник на околоземную орбиту на высоту около \(320\) км.
2. Израсходовав всё топливо, \(1\) ступень отделяется от ракеты, и начинает работать двигатель \(2\) ступени (около \(2\) минут).
3. \(3\) ступень работает примерно \(12\) минут и выводит спутник на околоземную орбиту на высоту около \(320\) км.
Если полёт запланирован в один конец, то третья ступень используется для ускорения летательного аппарата.
Для летательных аппаратов с посадкой на Землю последняя ступень сохраняется для торможения в атмосфере планеты. Двигатели разворачивают соплом в направлении падения. Импульс горящего газа, направленный против скорости движения, оказывает тормозящее действие. Скорость посадки снижается.
Источники:
Рис. 1. Автор: painter from Brockhaus and Efron Encyclopedic Dictionary - reproducrion from DVD http://www.iddk.ru/ru/cdrom/73147.html, Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7238098.
Рис. 2. Автор: Неизвестен - fractal-vortex.narod.ru/International/Lenin-party/narod/Kibalchich.jpg, Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=34013570.
Рис. 3. Автор: Nikolaj Kibal'cic - http://gkaf.narod.ru/rh-book/l-kap3/Kib3.jpg, Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=38889491.
Рис. 4. Автор: Феодосий Андроникович Чмиль (1900-е - 1945) - http://dimitri.moseparh.ru/files/2019/09/IMG_7838.jpg, Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=95495434.
Рис. 5. Автор: tsiolkovsky - http://www.rusarchives.ru/evants/exhibitions/ntd-kat/31.shtml, Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6517790.
Рис. 6. Указание авторства не требуется: наука/технологии, 2013-01-04, бесплатно для коммерческого использования, https://clck.ru/UwkKA.
Рис. 7. Автор: Alex Zelenko, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=454748.