Общее представление о ракетах

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.

Контур расширяющейся части сопла и степень его расширения (отношение площадей на выходе и в горловине) подбираются, исходя из скорости истечения газовой струи и давления окружающей среды, так что давление выхлопных газов на стенки сверхзвуковой части сопла увеличивает силу тяги, создаваемую давлением газов на переднюю часть камеры сгорания. Поскольку наружное (атмосферное) давление уменьшается с ростом высоты, а профиль расширяющейся части сопла можно оптимизировать только для одной высоты, степень расширения выбирается такой, чтобы обеспечить приемлемую эффективность для всех высот. Двигатель для малых высот должен иметь короткое сопло с небольшой степенью расширения. Разработаны сопла для регулируемой степени расширения. Однако на практике они оказываются слишком сложными и дорогими и поэтому редко используются.

Виды ракет (возможно потом уберу из-за недостатка инф-ии)

Сейчас существует огромное количество ракет, которых можно разделить на группы по различным признакам:

1) По назначению – фейерверочные и боевые

2) По устройству – простые и составные (одноступенчатые и многоступенчатые)

3) По типу ракетного двигателя – жидкостные и работающие на твердом топливе.

Критерий «по назначению» можно в свою очередь разделить по другим признакам:

Фейерверочные:

1) Сигнальные (шлаговые)

2) Светящие

3) Со звездами

4) Вихревые

5) Гермесов жезл

Боевые:

1) Поражающие

2) Зажигательные

3) Светящиеся

Рассмотрим более подробно каждый вид ракет. Фейерверочные ракеты обычно используются для развлечения и в основном на праздниках. Их задача – развлекать людей. Как вы уже поняли, существует всего пять типов таких ракет.

1) Сигнальные. Сигнальная или шлаговая ракета имеет следующее устройство (черт. 7): нижняя часть ее состоит из оболочки, с шейкой внизу, заполняемой порохом, причем от шейки s внутри заполнения оставляется пустое конусообразное пространство, которое способствует большой быстроте взрывания. Это пространство называется дулом и идет до сплошной части заряда, называемой глухим составом (z). Далее заряд закрывается шлаговой шайбой (х) с отверстием посредине.

На верхнюю часть ракеты надевают или прямо картонный колпак или шатрик Н, если назначение ракеты только взлететь, или еще, между ними, промежуточный цилиндрик, шубу (k), заполняемый шлаговым (производящим выстрел) или цветным составом. Внизу, в шейку ракеты, вставляют запал, быстро горящий зажигательный шнур, вложенный в тонкую гильзу и приклеенный к ракете. Затем к ракете привязывают хвост (см. черт. 7), состоящий из тонкой палки. Вес и длина хвоста определяются условием, чтобы центр тяжести ракеты с хвостом отстоял от нижнего конца (где шейка) ракеты на 1—3 cm. Диаметр и длина малых ракет 1,6 cm и 27,5 cm, больших — 2,5 cm и 35 cm.

2) Светящие. Светящая ракета (черт. 13) делается диаметром 3 дм. и отличается от боевой устройством головной части, где над глухим составом (1) помещается медный кружок (2) с припаянной к нему медной трубкой (3), набитой медленно горящим составом и укрепляемой серной обливкой (4). К переднему концу гильзы прикрепляется ;

жестяной колпак (5), наполненный кусками (6) светящего состава (селитра + сера + антимоний) в виде цилиндриков, впрессованных в бумажные гильзы; на концах цилиндриков сделано по углублению, заполненному пороховой мякотью, в промежутках между цилиндриками пропущен стопин (7), один конец которого продевается через отверстие в дне жестянки и вставляется в медную трубку (3), другой же укладывается поверх цилиндриков. Перед прикреплением крышки (8) колпака пространство, оставшееся над цилиндриками свободным, заполняется войлоком. Ракета весит около 16 kg и и освещает местность около 0,5 km диаметром. Дальность — 1 km. Время освещения 1/4 мин.

Простая военно-сигнальная ракета, калибром 8 cm и длиною 50 cm, начиненная обыкновенным зернистым порохом, поднимает в 5 сек. 4 kg груза на высоту до 1500 m, т. е. развивает около 10 лош. сил.

Немецкая светящая ракета достигает веса в 15 kg, длина хвоста ее 2,4 m. Полная длина 3,45 m. При взлете под 45° достигает высоты 300 m в 3 сек. Развиваемая ею работа равна 1500 kg, m/sec. Состав пороха ее: 76 чистой селитры, 10—серы и 16 частей 25% крушинного угля.

3)  Ракеты со звездами. На черт. 8 и 15 показаны разновидности фейерверочных ракет, именно, начиненных цветными звездами. Они похожи по устройству на светящие ракеты. В верхний конус их кладется заполнение из бумаги или войлока, на него — картонный кружок, и далее — цветные звезды, пересыпанные пороховой мякотью. Далее идет звуковой заряд и, наконец, пороховой заряд с каналом и хвост, длина которого равна 7—8 длинам гильзы.

4) Вихревая ракета (черт. 9) состоит из крупной ракеты, сверху которой прикреплено несколько малых в горизонтальной плоскости. Сначала загорается крупная ракета; по достижении известной высоты загораются малые и дают красивый вихрь. Винтовая ракета подвязывается к хвосту не прямо, а наискось, тогда, при взлете, она опишет извилистый путь.

5) Гермесов жезл представляет вариант винтовой ракеты и состоит из двух ракет, крестообразно привязанных к общему хвосту; отверстия у них имеются и снизу и сбоку, так что движение получается двоякое; вертикальное и вращающееся.

Разновидностью фейерверочной ракеты является ракета с парашютом (черт. 10), которая на высоте выбрасывает бумажный или матерчатый парашют; при помощи последнего медленно спускается с высоты какой-нибудь горящий состав.

Иногда в ракете помещается несколько парашютов, которые после подъема ракеты отделяются от нее с патронами, которые дают световые и цветовые огни. Для подъема парашютов употребляется крупная шлаговая ракета, под самым колпаком которой пробуравлено столько отверстий, сколько парашютов. Из этих отверстий к патронам парашютов идут зажигательные шнуры (черт. 24—25).

Военные (боевые) ракеты обычно имеют твердотопливные двигатели. Это связанно с тем, что такой двигатель заправляется на заводе и не требует обслуживания весь срок хранения и службы самой ракеты. Часто твердотопливные двигатели применяют как разгонные для космических ракет. Особенно широко, в этом качестве, их применяют в США, Франции, Японии и Китае.

Рачеты силы тяги, скорости…

Тяга и удельный импульс тяги. Тяга двигателя F равна произведению давления, создаваемого выхлопными газами, на площадь выходного сечения сопла, за вычетом силы давления окружающей среды на ту же площадь. Эффективность двигателя оценивается его удельным импульсом I_sp, который имеет несколько различных единиц измерения. Одна из единиц представляет собой тягу, деленную на полный секундный расход топлива (w), т.е. I_sp = F/w. Другая есть эффективная скорость истечения C, деленная на ускорение силы тяжести g, в этом случае I_sp = C/g. Удельный импульс обычно выражают в секундах (в системе СИ I_sp измеряется в НЧс/кг или м/с), и в этом случае его величина равна числу килограммов тяги, получаемой при сгорании одного килограмма топлива. Величина I_sp зависит от ряда факторов, главным образом от энергии, выделяемой при сгорании топлива, и эффективности использования этой энергии в двигателе (например, короткое коническое сопло в вакууме будет менее эффективно, чем длинное и тщательно спрофилированное).

Относительная начальная масса и характеристическая скорость ракеты. Эти величины являются основными характеристиками ракеты как летательного аппарата. Относительная начальная масса представляет собой отношение начальной массы ракеты W к ее конечной массе после выгорания топлива w. Величина I_sp зависит от конструктивного совершенства ракеты и эффективности ее двигателя; эти параметры определяют конечную скорость, которую развивает ракета. Характеристическая конечная скорость ракеты определяется по формуле Циолковского

V_b0 = (gI_sp ln [W/w]) – (V_Lg + V_Ld + V_Lt),

где V_Lg, V_Ld и V_Lt – потери скорости (определяемые из дополнительных уравнений), связанные с силой тяжести, сопротивлением атмосферы и меньшей силы тяги в атмосфере.

Характеристическая конечная скорость ракеты для данной относительной начальной массы.

Как видно из этой формулы, для повышения конечной скорости ракеты необходимо: 1) увеличивать относительную начальную массу (W/w) за счет облегчения конструкции; 2) увеличивать удельный импульс за счет применения более высокоэнергетического топлива; 3) снижать лобовое сопротивление за счет улучшения обтекания и уменьшения размеров ракеты. Однако из-за того, что полетное задание ракеты (особенно космической) изменяется от полета к полету, а в процессе полета внешние условия непрерывно изменяются, при проектировании ракеты приходится идти на компромиссы.

КОНСТРУКЦИЯ РДТТ и различные типы зарядов топлива; продольное (вверху) и поперечные (внизу) сечения. 1 – устройство зажигания; 2 – корпус двигателя; 3 – поверхность горения (открытая); 4 – изоляция; 5 – переднее днище; 6 – центральный канал; 7 – топливный заряд; 8 – выхлопное сопло. а – торцевое горение; б – радиальное горение; в – регрессивное канальное горение.