Урок 6. Реактивное движение. Космические полеты
Предмет: Естествознание, 11 класс

Конспект урока

Естествознание, 11 класс

Урок 6. Реактивное движение. Космические полеты

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

На каких принципах основано реактивное движение?
Каковы достоинства и недостатки реактивных двигателей, которые необходимо учитывать для оценки эффективности их применения?

Глоссарий по теме:

Двигатели, работающие на основе химических реакций, называют химическими реактивными двигателями.

Плазменные реактивные двигатели – двигатели, работающие на основе разгона заряженных частиц электромагнитным полем. Газ в рабочей камере ионизируется (его атомы теряют электроны), превращаясь в плазму.

Активный участок полёта (активный участок траектории) — участок полёта летательного аппарата, на котором работает маршевый двигатель аппарата, как правило — ракетный.

Многоступенчатая ракета — летательный аппарат, состоящий из двух или более механически соединённых ракет, называемых ступенями, разделяющихся в полёте. Многоступенчатая ракета позволяет достигнуть скорости большей, чем каждая из её ступеней в отдельности.

Движение, при котором тело изменяет свою скорость, отбрасывая свою часть, называют реактивным.

Закон сохранения импульса — векторная сумма импульсов двух тел до взаимодействия равна векторной сумме их импульсов после взаимодействия

Формула Циолковского определяет скорость, которую развивает летательный аппарат под воздействием тяги ракетного двигателя, неизменной по направлению, при отсутствии всех других сил. Эта скорость называется характеристической:

где:

•	V — конечная скорость летательного аппарата, которая для случая маневра в космосе при орбитальных манёврах и межпланетных перелетах часто обозначается ΔV, также именуется характеристической скоростью.

•	I — удельный импульс ракетного двигателя (отношение тяги двигателя к секундному расходу массы топлива);

•	M1 — начальная масса летательного аппарата (полезная нагрузка + конструкция аппарата + топливо);

•	M2 — конечная масса летательного аппарата (полезная нагрузка + конструкция аппарата).

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

Обязательная литература:

Громов С. В., Родина Н. А.. Физика – М. : Просвещение, 2001.
Дерябин В. М. Законы сохранения в физике. – М.: Просвещение, 1982.
Уманский С.П. Космические орбиты. М., Просвещение, 1996.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Некоторые средства передвижения, созданные человеком, основаны на законах и принципах реактивного движения. Но многие средства передвижения на Земле основаны на других принципах. И только в XX веке при выходе человека в космос реактивный двигатель оказался единственно возможным (и по настоящее время) для целенаправленного перемещения в безвоздушном пространстве. Покорить космические просторы без реактивного двигателя пока не представляется возможным.

Идея использования реактивного движения в космосе была впервые выдвинута К.Э. Циолковским задолго до реального выхода человека за пределы воздушного пространства.

Причина движения тел-взаимодействие между ними. Чтобы осуществлять целенаправленные движения живые организмы и созданные человеком устройства должны взаимодействовать с какими-то другими телами, помимо гравитационного взаимодействия с Землей. Движущиеся по поверхности Земли тела, организмы и механизмы осуществляют движения, взаимодействуя с поверхностью Земли (вспомните роль силы трения при движении транспорта). Организмы и механизмы, движущиеся в воде, взаимодействуют с водой. Наконец, летающие организмы и механизмы взаимодействуют с воздухом. Если же тело оказывается за пределами земной атмосферы, то ни одно из перечисленных движений оказывается невозможным, поскольку на тело действует лишь сила тяжести.

При реактивном движении тело массы M взаимодействует с другим телом массы m, отталкивая его от себя. В результате закона сохранения импульса тело массы M приобретает дополнительный импульс в направлении, противоположном движению тела массы m. Если до столкновения скорость тел была равна нулю (можно всегда выбрать такую систему отсчета), то, как следует из закона сохранения импульса, тело массы M приобретет скорость , где υ - скорость, с которой отброшено тело массы m. Реактивный двигатель, действующий на космический корабль с некоторой силой, должен непрерывно отбрасывать вещество. Как видно из приведенной формулы реактивная сила будет тем больше, чем с большей скоростью отбрасывается вещество и чем больше вещества в единицу времени отбрасывается. Из закона сохранения импульса получим следующее выражение для реактивной силы: F=Qυ, где через Q обозначена масса вещества, которое отбрасывается двигателем в единицу времени.

Рис.1 модель ракетоносителя

Можно и самим сделать простейшую модель ракеты – для этого достаточно взять обыкновенный воздушный шарик.

Рис.2 опыт с шариком

Поставим опыт: надуйте шарик и, не завязывая его, отпустите. Воздух будет выходить из шарика, и он полетит в сторону, противоположную направлению струи воздуха. Движение шарика объясняется законом сохранения импульса. В начальный момент шарик с содержащимся в нем воздухом покоился относительно земли. Согласно закону сохранения импульса суммарный импульс шарика и вышедшего из него воздуха должен оставаться равным нулю. Поэтому выходящий из шарика воздух и шарик должны двигаться в противоположных направлениях.

Известно, что первые реактивные двигатели были пороховыми и использовались в качестве метательных военных снарядов. В результате сжигания пороха образовывались быстро расширяющиеся газы, которые выбрасывались из ракеты в определенном направлении. (В настоящее время есть похожие пиротехнические игрушки, скорее всего, вы имели с ними дело). Подобные пороховые реактивные двигатели используются в военной технике и в настоящее время. В других реактивных двигателях, которые в частности применяются на самолетах, в качестве горючего используются жидкости (в простейшем случае – керосин). Такие двигатели называются жидкостными реактивными двигателями.

Все перечисленные двигатели используют в качестве одной из компонент химической реакции воздух, находящийся в атмосфере. Принципиальное отличие космического реактивного двигателя состоит в том, что для химической реакции должно использоваться только вещество, находящееся в баках самого двигателя. Поэтому конструкция двигателя включает два бака – один с горючим веществом (например, с водородом), а другой с окислителем (например, с кислородом) для осуществления реакции окисления (горения) (см. Рис. 1).

Такие двигатели, работающие на основе химических реакций, называют химическими реактивными двигателями.

Ракеты используют для запуска искусственных спутников Земли, обслуживания орбитальных станций, межпланетных полетов. В головной части ракеты расположена кабина космонавтов. В начале полета на эту часть приходится всего несколько процентов от общей массы ракеты. Основную же массу ракеты в начале полета составляет запас топлива. В современных ракетах скорость вылетающего газа (относительно ракеты) составляет несколько километров в секунду (в несколько раз больше скорости пули). Как следует из закона сохранения импульса, для того чтобы даже при такой огромной скорости вылетающего газа ракета приобрела первую космическую скорость (около 8 км/с), необходимо, чтобы масса топлива в несколько раз превышала массу полезного груза.

Увеличение массы топлива неизбежно влечет увеличение массы топливных баков, в которых хранится топливо, и связанных с ними устройств. Эта масса оказывается ненужной в конце разгона ракеты и уменьшает массу полезного груза, выводимую в космос. Идея отбрасывать лишнюю массу топливных баков по мере сгорания топлива привела к созданию многоступенчатых ракет.

Первая и вторая ступени ракеты представляют собой емкости с топливом, камерами сгорания и соплами. Когда топливо, содержащееся в первой ступени, сгорает, она отделяется от ракеты, в результате чего масса ракеты значительно уменьшается. Затем тоже происходит со второй ступенью, после чего включаются двигатели третьей ступени, завершающие разгон ракеты до расчетной скорости.

Помимо таких мощных двигателей для маневрирования используются маломощные плазменные реактивные двигатели. В таких двигателях отбрасываемое вещество получает скорость не в результате химической реакции, а в результате разгона заряженных частиц электромагнитным полем. Подобные двигатели являются более экономичными и легко управляемыми.

Достоинством реактивного двигателя является то, что, как уже говорилось, это единственный двигатель способный эффективно работать в космосе. К недостаткам реактивного двигателя следует отнести его низкую экономичность, по сравнению с другими двигателями. Качественно это можно объяснить на основе энергетических соображений. В разгоняющемся космическом корабле химическая энергия переходит в кинетическую энергию корабля («полезная энергия») и кинетическую энергию отбрасываемых двигателем газов («бесполезная энергия»). При разгоне до космических скоростей эта «бесполезная энергия» оказывается существенно больше «полезной энергии».

Количественно низкая эффективность реактивного двигателя может быть понята на основе формулы Циолковского. Из нее, в частности, следует, что, если скорость истечения газов в ракете достигает даже 4 км/с, то для вывода космического корабля на орбиту Земли (достижения первой космической скорости – около 8 км/с) необходимо иметь массу горючего, более чем в 6 раз превосходящую массу самого космического корабля.

К. Э. Циолковскому принадлежит знаменитое изречение: «Земля – колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели». Мечту Циолковского о космических полетах первыми осуществили наши соотечественники под руководством Сергея Павловича Королева.

Первый искусственный спутник Земли был запущен в СССР 4 октября 1957 года. Первым космонавтом Земли стал Юрий Алексеевич Гагарин. Его космический полет состоялся 12 апреля 1961 года. Со времени первых космических полетов ракеты были значительно усовершенствованы, и сегодня на околоземные орбиты с их помощью выводятся большие космические станции, на которых постоянно работают космонавты.

Ракеты выводят на орбиты сотни спутников связи, которые обеспечивают передачи тысяч телевизионных программ и миллионов телефонных разговоров, благодаря чему вся планета окутана сегодня «паутиной» надежных систем связи.

Выводы:

Реактивное движение подчиняется физическим законам и закономерностям.
Каждый вид реактивного двигателя обладает своими достоинствами и недостатками.
Реактивный двигатель, несмотря на его низкую эффективность, является в настоящее время единственным двигателем, позволяющим осуществить целенаправленное перемещение в космическом пространстве.
Изучение перспектив космических исследований показывает, что уже в ближайшие десятилетия станут реальными космические путешествия человека на другие планеты

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Вставьте пропущенные слова в текст: «И только в _____ веке при выходе человека в космос _____________ двигатель оказался единственно возможным (в настоящее время) для целенаправленного перемещения в безвоздушном пространстве».

Варианты ответов: электромагнитные, XX, реактивный; XIX; паровой; роторно-поршневой.

Правильный вариант: И только в XX веке при выходе человека в космос реактивный двигатель оказался единственно возможным (в настоящее время) для целенаправленного перемещения в безвоздушном пространстве.

Подсказка: вспомните, какой тип двигателя может вывести корабль в космическое пространство.

Задание 2. Разгадайте ребус. Ракета, предназначенная для выведения полезной нагрузки в космическое пространство

Ответ: ракетоноситель.