Среди великих технических и научных достижений XX столетия одно из первых мест, несомненно, принадлежит ракетам и теории реактивного движения . Годы второй мировой войны (1941-1945) привели к необычайно быстрому совершенствованию конструкций реактивных аппаратов. На полях сражений вновь появились пороховые ракеты, но уже на более калорийном бездымном тротилпироксилиновом порохе («катюши»). Были созданы самолеты с воздушно-реактивными двигателями, беспилотные самолеты с пульсирующими воздушно-реактивными двигателями («ФАУ-1») и баллистические ракеты с дальностью полета до 300 км («ФАУ-2»).

Ракетная-техника становится сейчас очень важной и быстрорастущей отраслью промышленности. Развитие теории полета реактивных аппаратов - одна из насущных проблем современного научно-технического развития.

К. Э. Циолковский много сделал для познания основ теории движения ракет . Он был первым в истории науки, кто формулировал и исследовал проблему изучения прямолинейных движений ракет, исходя из законов теоретической механики. Как мы указывали, принцип сообщения движения, при помощи сил реакции отбрасываемых частиц был осознан Циолковским еще в 1883 году, однако создание им математически строгой теории реактивного движения относится к концу XIX столетия.

В одной из своих работ Циолковский писал: «Долго на ракету я смотрел, как и все: с точки зрения увеселений и маленьких применений. Не помню хорошо, как мне пришло в голову сделать вычисления, относящиеся к ракете. Мне кажется, первые семена мысли были заронены известным фантазером Жюлем Верном; он пробудил работу моего мозга в известном направлении. Явились желания, за желаниями возникла деятельность ума. ...Старый листок с окончательными формулами, относящимися к реактивному прибору, помечен датою 25 августа 1898 года».

«...Никогда я не претендовал на полное решение вопроса. Сначала неизбежно идут: мысль, фантазия, сказка. За ними шествует научный расчет. И уже в конце концов исполнение венчает мысль. Мои работы о космических путешествиях относятся к средней фазе творчества. Более, чем кто-нибудь, я понимаю бездну, разделяющую идею от ее осуществления, так как в течение моей жизни я не только мыслил и вычислял, но и исполнял, работая также руками. Однако нельзя не быть идее: исполнению предшествует мысль, точному расчету - фантазия».

В 1903 году в журнале «Научное обозрение» появилась первая статья Константина Эдуардовича по ракетной технике, которая называлась «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В этом труде на основании простейших законов теоретической механики (закона сохранения количества движения и закона независимого действия сил) была дана теория полета ракеты и обоснована возможность применения реактивных аппаратов для межпланетных сообщений (Создание общей теории движения тел, масса которых изменяется в процессе движения, принадлежит профессору И. В. Мещерскому (1859-1935)).

Идея применения ракеты для решения научных проблем, использование реактивных двигателей для создания движения грандиозных межпланетных кораблей целиком принадлежат Циолковскому. Он родоначальник современных жидкостных ракет дальнего действия, один из создателей новой главы теоретической механики.

Классическая механика, изучающая законы движения и равновесия материальных тел, базируется на трех законах движения , отчетливо и строго сформулированных английским ученым еще в 1687 году. Эти законы применялись многими исследователями для изучения движения тел, масса которых не изменялась во время движения. Были рассмотрены очень важные случаи движения и создалась большая наука - механика тел постоянной массы. Аксиомы механики тел постоянной массы, или законы движения Ньютона, явились обобщением всего предыдущего развития механики. В настоящее время основные законы механического движения излагаются во всех учебниках физики для средней школы. Мы дадим здесь краткое изложение законов движения Ньютона, так как последующий шаг в науке, позволивший изучать движение ракет, был дальнейшим развитием методов классической механики.

Большое значение закон сохранения импульса имеет при рассмотрении реактивного движения.
Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно него, например при истечении продуктов сгорания из сопла реактивного летательного аппарата. При этом появляется так называемая реактивная сила , толкающая тело.
Особенность реактивной силы заключается в том, что она возникает в результате взаимодействия между собой частей самой системы без какого-либо взаимодействия с внешними телами.
В то время, как сила, сообщающая ускорение, например, пешеходу, кораблю или самолету, возникает только за счет взаимодействия этих тел с землей, водой или воздухом.

Так движение тела можно получить в результате вытекания струи жидкости или газа.

В природе реактивное движение присуще в основном живым организмам, обитающим в водной среде.

В технике реактивное движение используется на речном транспорте (водометные двигатели), в автомобилестроении (гоночные автомобили), в военном деле, в авиации и космонавтике.
Все современные скоростные самолеты оснащены реактивными двигателями, т.к. они способны обеспечить необходимую скорость полета.
В космическом пространстве использовать другие двигатели, кроме реактивных, невозможно, так как там нет опоры, отталкиваясь от которой можно было бы бы получать ускорение.

История развития реактивной техники

Создателем русской боевой ракеты был ученый-артиллерист К.И. Константинов. При весе в 80 кг далььность полета ракеты Константинова достигала 4 км.

Идея применения реактивного движения в летательном аппарате, проект реактивного воздухоплавательного прибора, в 1881 году была выдвинута Н.И. Кибальчичем.

В 1903 году знаменитый ученый-физик К.Э. Циолковский доказал возможность полета в межпланетном пространстве и разработал проект первого ракетоплана с жидкостно-реактивным двигателем.

К.Э. Циолковский спроектировал космический ракетный поезд, составленный из ряда ракет, работающих поочередно и отпадающих по мере израсходования горючего.

Принципы применения реактивных двигателей

Основой любого реактивного двигателя является камера сгорания, в которой при сгорании топлива образуются газы, имеющие очень высокую температуру и оказывающие давление на стенки камеры. Газы вырываются из узкого сопла ракеты с большой скоростью и создают реактивную тягу. В соответствии с законом сохранения импульса, ракета приобретает скорость в противоположном направлении.

Импульс системы (ракета-продукты сгорания) остается равным нулю. Так как масса ракеты уменьшается, то даже при постоянной скорости истечения газов ее скорость будет увеличиваться, постепенно достигая максимального значения.
Движение ракеты - это пример движения тела с переменной массой. Для расчета ее скорости используют закон сохранения импульса.

Реактивные двигатели делятся на ракетные двигатели и воздушно-реактивные двигатели.

Ракетные двигатели бывают на твердом или на жидком топливе.
В ракетных двигателях на твердом топливе топливо, содержащее и горючее, и окислитель, помешают внутрь камеры сгорания двигателя.
В жидкостно-реактивных двигателях , предназначенных для запуска космических кораблей, горючее и окислитель хранятся отдельно в специальных баках и с помощью насосов подаются в камеру сгорания. В качестве горючего в них можно использовать керосин, бензин, спирт, жидкий водород и др., а в качестве окислителя, необходимого для горения, - жидкий кислород, азотную кислоту, и др.

Современные трехступенчатые космические ракеты запускаются вертикально, а после прохода плотных слоев атмосферы переводятся на полет в заданном направлении. Каждая ступень ракеты имеет свой бак с горючим и бак с окислителем, а также свой реактивный двигатель. По мере сгорания топлива отработанные ступени ракеты отбрасываются.

Воздушно-реактивные двигатели в настоящее время применяют главным образом в самолетах. Основное их отличие от ракетных двигателей состоит в том, что окислителем для горения топлива служит кислород воздуха, поступающего внутрь двигателя из атмосферы.
К воздушно-реактивным двигателям относятся турбокомпрессорные двигатели как с осевым, так и с центробежным компрессором.
Воздух в таких двигателях всасывается и сжимается компрессором, приводимым в движение газовой турбиной. Газы, выходящие из камеры сгорания, создают реактивную силу тяги и вращают ротор турбины.

При очень болььших скоростях полета сжатие газов в камере сгорания можно осуществить за счет встречного набегающего воздушного потока. Необходимость в компрессоре отпадает.

На принципе отдачи основано реактивное движение. В ракете при сгорании топлива газы, нагретые до высокой температуры, выбрасываются из сопла с большой скоростью U относительно ракеты. Обозначим массу выброшенных газов через m, а массу ракеты после истечения газов через M. Тогда для замкнутой системы «ракета + газы» можно записать на основании закона сохранения импульса (по аналогии с задачей о выстреле из орудия):, V= - где V - скорость ракеты после истечения газов.

Здесь предполагалось, что начальная скорость ракеты равнялась нулю.

Полученная формула для скорости ракеты справедлива лишь при условии, что вся масса сгоревшего топлива выбрасывается из ракеты одновременно. На самом деле истечение происходит постепенно в течение всего времени ускоренного движения ракеты. Каждая последующая порция газа выбрасывается из ракеты, которая уже приобрела некоторую скорость.

Для получения точной формулы процесс истечения газа из сопла ракеты нужно рассмотреть более детально. Пусть ракета в момент времени t имеет массу M и движется со скоростью V. В течение малого промежутка времени Дt из ракеты будет выброшена некоторая порция газа с относительной скоростью U. Ракета в момент t + Дt будет иметь скорость а ее масса станет равной M + ДM, где ДM < 0 (рис. 1.17.3 (2)). Масса выброшенных газов будет, очевидно, равна -ДM > 0. Скорость газов в инерциальной системе OX будет равна V+U. Применим закон сохранения импульса. В момент времени t + Дt импульс ракеты равен ()(M + ДM)а импульс испущенных газов равен В момент времени t импульс всей системы был равен MV. Предполагая систему «ракета + газы» замкнутой, можно записать:

Величиной можно пренебречь, так как |ДM| << M. Разделив обе части последнего соотношения на Дt и перейдя к пределу при Дt > 0, получим

Величина есть расход топлива в единицу времени. Величина называется реактивной силой тяги F p Реактивная сила тяги действует на ракету со стороны истекающих газов, она направлена в сторону, противоположную относительной скорости. Соотношение

выражает второй закон Ньютона для тела переменной массы. Если газы выбрасываются из сопла ракеты строго назад (рис. 1.17.3), то в скалярной форме это соотношение принимает вид:

где u - модуль относительной скорости. С помощью математической операции интегрирования из этого соотношения можно получить формулу для конечной скорости х ракеты:

где - отношение начальной и конечной масс ракеты. Эта формула называется формулой Циолковского. Из нее следует, что конечная скорость ракеты может превышать относительную скорость истечения газов. Следовательно, ракета может быть разогнана до больших скоростей, необходимых для космических полетов. Но это может быть достигнуто только путем расхода значительной массы топлива, составляющей большую долю первоначальной массы ракеты. Например, для достижения первой космической скорости х = х 1 = 7,9·10 3 м/с при u = 3·10 3 м/с (скорости истечения газов при сгорании топлива бывают порядка 2-4 км/с) стартовая масса одноступенчатой ракеты должна примерно в 14 раз превышать конечную массу. Для достижения конечной скорости х = 4u отношение должно быть = 50.

Значительное снижение стартовой массы ракеты может быть достигнуто при использовании многоступенчатых ракет, когда ступени ракеты отделяются по мере выгорания топлива. Из процесса последующего разгона ракеты исключаются массы контейнеров, в которых находилось топливо, отработавшие двигатели, системы управления и т. д. Именно по пути создания экономичных многоступенчатых ракет развивается современное ракетостроение.

В небо взмывают многотонные космические корабли, а в морских водах ловко лавируют прозрачные, студенистые медузы, каракатицы и осьминоги - что между ними общего? Оказывается, в обоих случаях для перемещения используется принцип реактивного движения. Именно этой теме и посвящена наша сегодняшняя статья.

Заглянем в историю

Самые первые достоверные сведения о ракетах относятся к XIII веку. Они применялись индусами, китайцами, арабами и европейцами в боевых действиях как боевое и сигнальное оружие. Затем последовали целые столетия почти полного забвения этих устройств.

В России идея использования реактивного двигателя возродилась благодаря работам революционера-народовольца Николая Кибальчича. Сидя в царских застенках, он разработал российский проект реактивного двигателя и летательный аппарат для людей. Кибальчич был казнен, а его проект долгие годы пылился в архивах царской охранки.

Основные идеи, чертежи и расчеты этого талантливого и мужественного человека получили дальнейшее развитие в трудах К. Э. Циолковского, который предложил использовать их для межпланетных сообщений. С 1903 по1914 год он публикует ряд работ, где убедительно доказывает возможность использования реактивного движения для исследования космического пространства и обосновывает целесообразность использования многоступенчатых ракет.

Многие научные разработки Циолковского и по сей день применяются в ракетостроении.

Биологические ракеты

Как, вообще возникла идея перемещаться, отталкиваясь от собственной реактивной струи? Возможно, пристально наблюдая за морскими обитателями, жители прибрежных зон заметили, как это происходит в животном мире.

Например, морской гребешок перемещается за счет реактивной силы водной струи, выбрасываемой из раковины при быстром сжатии её створок. Но ему никогда не угнаться за самыми быстрыми пловцами - кальмарами.

Их ракетообразные тела мчатся хвостом вперед, выбрасывая из специальной воронки, запасенную воду. перемещаются по тому же принципу, выдавливая воду сокращением своего прозрачного купола.

Природа одарила «реактивным двигателем» и растение под названием «бешеный огурец». Когда его плоды полностью созревают, в ответ на самое слабое прикосновение, он выстреливает клейковину с семенами. Сам плод при этом отбрасывается в противоположную сторону на расстояние до 12 м!

Ни морским обитателям, ни растениям неведомы физические законы, лежащие в основе этого способа передвижения. Мы же попробуем в этом разобраться.

Физические основы принципа реактивного движения

Вначале обратимся к простейшему опыту. Надуем резиновый шарик и, не завязывая, отпустим в свободный полёт. Стремительное движение шарика будет продолжаться до тех пор, пока истекающая из него струя воздуха будет достаточно сильной.

Для объяснения результатов этого опыта нам следует обратиться к III закону , который утверждает, что два тела взаимодействуют с силами равными по величине и противоположными по направлению. Следовательно, сила, с которой шарик воздействует на вырывающиеся из него струи воздуха, равна силе, с которой воздух отталкивает от себя шарик.

Перенесем эти рассуждения на ракету. Эти устройства на огромной скорости выбрасывают некоторую часть своей массы, вследствие чего сами получают ускорение в противоположном направлении.

С точки зрения физики этот процесс чётко объясняется законом сохранения импульса. Импульс - это произведение массы тела на его скорость (mv) Пока ракета в покое, её скорость и импульс равны нулю. Если из неё выбрасывается реактивная струя, то оставшаяся часть по закону сохранения импульса должна приобрести такую скорость, чтобы суммарный импульс по-прежнему был равным нулю.

Обратимся к формулам:

m г v г + m р v р =0;

m г v г =- m р v р,

где m г v г импульс создаваемой струей газов, m р v р импульс, полученный ракетой.

Знак минус показывает, что направление движения ракеты и реактивной струи противоположны.

Устройство и принцип работы реактивного двигателя

В технике реактивные двигатели приводят в движение самолёты, ракеты, выводят на орбиты космические аппараты. В зависимости от назначения они имеют разное устройство. Но каждый из них имеет запас топлива, камеру для его сгорания и сопло, ускоряющее реактивную струю.

На межпланетных автоматических станциях оборудован также приборный отсек и кабины с системой жизнеобеспечения для космонавтов.

Современные космические ракеты это сложные, многоступенчатые летательные аппараты, использующие новейшие достижения инженерной мысли. После старта вначале сгорает топливо в нижней ступени, после чего она отделяется от ракеты, уменьшая её общую массу и увеличивая скорость.

Затем расходуется топливо во второй ступени и т. д. Наконец, летательный аппарат выводится на заданную траекторию и начинает свой самостоятельный полёт.

Немного помечтаем

Великий мечтатель и учёный К. Э. Циолковский подарил будущим поколениям уверенность в том, что реактивные двигатели позволят человечеству вырваться за пределы земной атмосферы и устремиться в космос. Его предвидение сбылось. Луна, и даже далёкие кометы успешно исследуются космическими аппаратами.

В космонавтике используют жидкостные реактивные двигатели. Используя в качестве топлива нефтепродукты, но скорости, которые удается получить с их помощью, недостаточны для очень дальних перелётов.

Возможно, вы, наши дорогие читатели, станете свидетелями полётов землян в другие галактики на аппаратах с ядерными, термоядерными или ионными реактивными двигателями.

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя

Сегодня реактивное движение у большинства людей в первую очередь, конечно же, ассоциируется с новейшими научными и техническими разработками. Из учебников по физике нам известно, что под «реактивным» подразумевают движение, которое возникает в результате отделения от предмета (тела) любой его части. Человек хотел подняться в небо к звёздам, стремился летать, но осуществить свою мечту смог только с появлением реактивных самолетов и ступенчатых космических кораблей, способных перемещаться на огромные расстояния, разгоняясь до сверхзвуковых скоростей, благодаря установленным на них современным реактивным двигателям. Конструктора и инженеры разрабатывали возможность использования реактивного движения в двигателях. Фантасты тоже не оставались в стороне, предлагая самые невероятные идеи и способы достижения этой цели. Удивительно, но этот принцип перемещения широко распространен в живой природе. Достаточно осмотреться вокруг, можно заметить обитателей морей и суши, среди которых есть и растения, в основе движения которых лежит реактивный принцип.

История

Еще в античные времена ученые с интересом изучали и анализировали явления, связанные с реактивным движением в природе. Одним из первых, кто теоретически обосновал и описал его суть, был Герон, механик и теоретик Древней Греции, который изобрел первый паровой двигатель, названый в честь него. Китайцы смогли найти реактивному методу практическое применение. Они первыми, взяв за основу способ передвижения каракатиц и осьминогов, еще в XIII веке изобрели ракеты. Они применялись в фейерверках, производя большое впечатление, а также, как сигнальные ракеты, возможно были и боевые ракеты, которые использовались как реактивная артилерия. Со временем эта технология пришла и в Европу.

Первооткрывателем нового времени стал Н. Кибальчич, придумав схему прототипа летательного аппарата с реактивным двигателем. Он был выдающимся изобретателем и убежденным революционером, за что сидел в тюрьме. Именно находясь в заключении, он вошел в историю, создав свой проект. После его казни за активную революционную деятельность и выступления против монархии, его изобретение было забыто на архивных полках. Спустя некоторое время К.Циолковский смог усовершенствовать идеи Кибальчича, доказывая возможность исследовать космическое пространство посредством реактивного перемещения космических кораблей.

Позже, в ходе Великой Отечественной войны, появились знаменитые Катюши, системы полевой реактивной артиллерии. Так ласковым именем народ неофициально именовал мощные установки, которые применяли силы СССР. Достоверно неизвестно, в связи с чем, оружие получило это название. Причиной этому стала то ли популярность песни Блантера, то ли буква «К» на корпусе миномёта. Со временем фронтовики стали давать прозвища и другому оружию, создав, таким образом, новую традицию. Немцы же эту боевую ракетную установку называли «сталинским органом» за внешний вид, который напоминал музыкальный инструмент и пронзительный звук, который исходил от стартующих ракет.

Растительный мир

Представителями фауны также используются законы реактивного движения. Большую часть растений, обладающих такими свойствами составляют однолетники и малолетники: колючеплодник, чесночница черешчатая, сердечник недотрога, пикульник двунадрезный, мёрингия трёхжилковая.

Колючеплодник, иначе бешеный огурец, относят к семейству тыквенных. Это растение достигает больших размеров, имеет толстый корень с шершавым стеблем и крупными листьями. Произрастает на территории Средней Азии, Средиземноморья, на Кавказе, довольно распространен на юге России и Украины. Внутри плода в период созревания семян преобразуется в слизь, которая под действием температур начинает бродить и выделять газ. Ближе к созреванию давление внутри плода может достигнуть 8 атмосфер. Тогда при легком прикосновении плод отрывается от основания и семена с жидкостью со скоростью 10 м/с вылетают из плода. Благодаря способности стрелять на 12 м. в длину, растение назвали «дамский пистолет».

Сердечник недотрога — однолетний широко распространённый вид. Встречается, как правило, в тенистых лесах, по берегам вдоль рек. Попав в северо-восточную часть Северной Америки и в Южную Африку, благополучно прижился. Сердечник-недотрога размножается семенами. Семена у сердечника-недотроги мелкие, массой не более 5 мг, которые отбрасываются на расстояние в 90 см. Благодаря такому способу распространения семян, растение и получило свое название.

Животный мир

Реактивное движение — интересные факты, касающиеся животного мира. У головоногих моллюсков реактивное перемещение происходит посредством воды, выдыхаемой через сифон, который обычно сужается к небольшому отверстию для получения максимальной скорости выдоха. Вода через жабры проходит до выдоха, выполняя двойную цель дыхания и перемещения. Морские зайцы, иначе брюхоногие моллюски, используют аналогичные средства движения, но без сложного неврологического аппарата головоногих, они перемещаются более неуклюже.

Некоторые рыбы-рыцари также развили реактивное перемещение, пропуская воду через жабры, чтобы дополнить плавниковое движение.

У личинок стрекоз реактивная сила достигается путем вытеснения воды из специализированной полости в организме. Морские гребешки и кардиды, сифонофоры, туники (такие, как сальпы) и некоторые медузы, также используют реактивную тягу.

Большую часть времени морские гребешки спокойно лежат на дне, но в случае появления опасности, быстро смыкают створки своей раковины, так они выталкивают воду. Этот механизм поведения тоже говорит об использовании принципа реактивного перемещения. Благодаря ему, гребешки могут всплывать и перемещаться на большое расстояние, применяя технику открытия-закрытия раковины.

Кальмар также применяет этот метод, вбирает в себя воду, а затем с огромной силой проталкивая через воронку движется скоростью не менее 70 км./ч. Собирая щупальцы в один узел, тело кальмара образует обтекаемую форму. Взяв за основу такой двигатель кальмара, инженерами был сконструирован водомет. Вода в нем засасывается в камеру, а после выбрасывается через сопло. Таким образом, судно направляется в обратную сторону от выбрасываемой струи.

Если сравнить с кальмарами, наиболее эффективными двигателями пользуются сальпы, тратя на порядок меньше энергии, чем кальмары. Двигаясь сальпа запускает воду в отверстие спереди, а затем поступает в широкую полость, где натянуты жабры. После глотка отверстие закрывается, а с помощью сокращающихся продольных и поперечных мускул, которые сжимают тело, происходит выброс воды через отверстие сзади.

Самым необычным из всех механизмов передвижения может похвастаться обыкновенная кошка. Марсель Депре высказал предположение, что тело способно двигаться и изменять свое положение даже с помощью одних только внутренних сил (ни от чего не отталкиваясь и ни на что не опираясь), из чего можно было сделать вывод, что законы Ньютона могут быть ошибочны. Доказательством его предположению могла послужить кошка, которая сорвалась с высоты. Во время падения вниз головой, она все равно приземлится на все лапы, это стало уже своего рода аксиомой. Детально сфотографировав перемещение кошки, смогли по кадрам рассмотреть, все, что она проделывала в воздухе. Увидели ее движение лапой, которое вызвало ответную реакцию туловища, поворачиваясь в другую сторону относительно движения лапки. Действуя по законам Ньютона, кошка удачно приземлилась.

У животных все происходит на уровне инстинкта, человек в свою очередь делает сознательно. Профессиональные пловцы, прыгнув с вышки успевают трижды обернуться в воздухе, и сумев приостановить вращение, выпрямляются строго вертикально и ныряют в воду. Этот же принцип действует в отношении воздушных цирковых гимнастов.

Сколько бы человек не пытался превзойти природу, совершенствуя созданные ею изобретения, все равно мы пока не достигли того технологического совершенства, когда бы самолеты могли повторить действия стрекозы: зависать в воздухе, мгновенно подаваться назад или двигаться в сторону. Причем все это происходит на большой скорости. Возможно, пройдет еще немного времени и самолеты, благодаря поправкам на особенности аэродинамики и реактивные возможности стрекоз, смогут совершать крутые развороты и станут менее восприимчивы к внешним условиям. Подсмотрев у природы, человек еще многое может усовершенствовать на благо технического прогресса.