XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Реактивное движение: от принципа до космических аппаратов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Биктимиров М.Э. 1

---

1МАОУ «ЦО «Школа открытий» г.Пугачева Саратовской области»

Елесина Е.В. 1

---

1МАОУ «ЦО «Школа открытий» г. Пугачева Саратовской области»

Работа в формате PDF

376.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность проекта. Сегодня ни один космический полёт не обходится без реактивных двигателей. Спутники, межпланетные зонды, ракеты-носители — всё это примеры реактивного движения. Однако этот принцип работает не только в космосе: реактивные самолёты, катера с водомётом, даже осьминоги и кальмары используют ту же физическую идею.

Цель работы:

- изучить физическую основу реактивного движения;

- вывести уравнение движения ракеты;

- экспериментально продемонстрировать реактивное движение на простых моделях.

Задачи:

1. Объяснить явление через закон сохранения импульса.

2. Проанализировать формулу Циолковского.

3. Рассмотреть устройство ракетного двигателя.

4. Привести примеры из живой природы и техники.

5. Построить действующую модель (воздушный шарик, водная ракета).

Объект исследования: реактивное движение.

Предмет исследования: ракетный двигатель и его модели.

1. Физическая сущность реактивного движения

Реактивное движение — это движение тела, возникающее при отделении от него с некоторой скоростью какой-либо части (массы). При этом тело движется в противоположную сторону благодаря силе реакции (отдачи).

Классический пример — человек, прыгающий с лодки на берег: лодка отплывает назад. Но в технике важно, чтобы отделение массы происходило непрерывно, создавая постоянную силу тяги.

Основные элементы реактивной системы:

- корпус (само движущееся тело);

- рабочее тело (газы, жидкость, твёрдые частицы), которое выбрасывается;

- источник энергии (химическая, ядерная, электрическая).

Схема работы:

В камере сгорания образуются горячие газы под высоким давлением → они вырываются через сопло наружу → на стенки камеры действует сила реакции (тяги).

(Рис.1 Схема реактивного движения с векторами)

1. 1. Закон сохранения импульса как основа реактивного движения

Замкнутая система (ракета + выброшенные газы) подчиняется закону сохранения импульса.

Знак «минус» показывает, что скорость ракеты направлена противоположно скорости истечения газов.

Важно: чем больше скорость истечения газов , тем больше изменение скорости ракеты при той же массе топлива. Именно поэтому в космических двигателях стремятся достичь максимальной скорости истечения (для химических двигателей — до 4–5 км/с).

(
Рис 2. Взлет космического корабля)

1. 2. Формула Циолковского – главное уравнение ракетодинамики.

В 1903 году Константин Эдуардович Циолковский вывел формулу для скорости ракеты в безвоздушном пространстве (при отсутствии внешних сил):

Формула имеет вид:

V = I · ln M1/M2,

где:

• V — конечная скорость летательного аппарата;

• 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).

Энергетические параметры РКН должны обеспечивать конечную скорость движения орбитального блока, соответствующую скорости на опорной орбите. Поскольку движение осуществляется под действием силы реактивной тяги, силы тяжести и силы сопротивления атмосферы, а также начинается с вращающейся поверхности Земли, скорость (VРН), которую приобретает орбитальный блок после окончания работы ракеты-носителя, складывается из начальной скорости (VН) движения стартовой позиции относительно центра Земли, скорости (VРН), сообщённой орбитальному блоку двигателями РН и скорости(ΔVП), которую бы дополнительно набрал орбитальный блок, если бы на РКН не действовали сила тяжести и сила сопротивления атмосферы.

Формула Циолковского впервые выведена К.Э. Циолковским в его рукописи «Ракета» в 1897 году. Из неё следует, что существует логарифмическая зависимость между конечной скоростью ракеты и отношением начальной массы к конечной. Из графика логарифмической функции видно, что наибольшее приращение скорости можно получить при небольшом превышении массы заправленной ракеты над массой ракеты после израсходования топлива. Для того, чтобы эффективно расходовать топливо, ракета должна быть многоступенчатой – в этом случае для каждой ступени начальная масса будет ненамного больше массы конечной.

Важно отметить, что формула Циолковского справедлива только для случая отсутствия других действующих на ракету сил (гравитации, сопротивления среды и т.д.). В реальных условиях скорость будет меньше расчётной из-за потерь на преодоление этих сил.

1. 3. Устройство и принцип работы ракетного двигателя

Ракетный двигатель — единственный тип двигателя, работающий в вакууме. Основные типы:

1. Твердотопливный ракетный двигатель (РДТТ) — это химический ракетный двигатель, который использует твёрдое топливо, состоящее из окислителя и горючего. Он создаёт реактивную тягу за счёт сгорания топлива и преобразования тепловой энергии в кинетическую.

(
Рис.3 Ракетный двигатель на гранулированном твердом топливе )

- Простота, надёжность, большая тяга.

- Нельзя выключить или регулировать.

- Пример: ускорители Space Shuttle.

2. Жидкостный (ЖРД)

- Топливо и окислитель (например, жидкий водород + жидкий кислород).

- Возможность дросселирования и многократного запуска.

- Сложная система подачи (турбонасосы).

Основные узлы ЖРД

(
Рис.4 Жидкостный реактивный двигатель)

1. Камера сгорания.

2. Сопло Лаваля (сужающееся-расширяющееся).

3. Турбонасосный агрегат.

4. Форсунки для распыления топлива.

Функция сопла Лаваля: разгон газов до сверхзвуковых скоростей ( u ) может превышать 3–4 км/с. При этом давление на стенки сопла создаёт силу тяги.

2. Примеры реактивного движения в природе и технике

(
Рис. 5 Кальмар)

В природе:

- Кальмары, осьминоги, медузы: набирают воду в полость тела и с силой выбрасывают её через воронку.

- Личинки стрекоз («водяные чёртики») – реактивный способ передвижения под водой.

- Огурец «бешеный»: при созревании выстреливает семенами.

В технике:

- Реактивные самолёты (воздушно-реактивные двигатели используют атмосферный кислород, поэтому не могут работать в космосе).

- Водомётные катера и гидроциклы.

- Космические ракеты (Союз, Falcon, Starship).

- Устройства астронавта для перемещения в открытом космосе (реактивные ранцы).

Таблица сравнения:

3. Экспериментальная часть (моделирование)

Опыт №1. Воздушный шарик

Материалы: шарик, нитка, трубочка для коктейля, скотч.

Ход работы:

1. Продеть нитку через трубочку и натянуть её в комнате.

2. Надуть шарик, не завязывая, приклеить его скотчем к трубочке.

3. Отпустить шарик.

Наблюдение: шарик движется в сторону, противоположную выходящему воздуху.

Вывод: действует закон сохранения импульса.

Опыт №2. Водная ракета

Материалы: пластиковая бутылка 1,5 л, пробка с велосипедным ниппелем, насос, вода, стартовая направляющая.

Физика: вода выбрасывается сжатым воздухом, создавая реактивную тягу.

Результат: высота полёта может достигать 20–30 м.

Заключение

В ходе выполнения проекта:

1. Выяснили, что реактивное движение основано на законе сохранения импульса.

2. Изучили формулу Циолковского, показывающую, что скорость ракеты зависит от скорости истечения газов и отношения масс.

3. Рассмотрели устройство жидкостного и твердотопливного двигателей.

4. Нашли аналогии в природе (кальмары, медузы).

5. Экспериментально подтвердили принцип реактивного движения на простых моделях.

Практическая значимость: понимание реактивного движения необходимо для развития космонавтики, военной техники и даже создания новых типов двигателей (ядерных, плазменных).

Перспективы: ионные двигатели с очень высокой скоростью истечения (до 50–100 км/с), но малой тягой – идеальны для дальних межпланетных перелётов.

Список литературы

1. Физика: учебник для 9 класса / А.В. Пёрышкин, Е.М. Гутник. – М.: Дрофа, 2022. – Глава «Реактивное движение».

2. Циолковский К.Э. «Исследование мировых пространств реактивными приборами». – Калуга, 1903.

3. Сивухин Д.В. «Общий курс физики. Том 1. Механика». – М.: Наука, 2005.

4. Интернет-ресурсы ru.wikipedia.org

5. Интернет-ресурсы: сайт «Элементы большой науки», раздел «Ракетные двигатели».