Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
В течение многих веков человечество мечтало о космических полётах. Писатели-фантасты предлагали самые разные средства для достижения этой цели. Но ни один учёный, ни один писатель-фантаст за многие века не смог назвать единственного находящегося в распоряжении человека средства, с помощью которого можно преодолеть силу земного притяжения и улететь в космос.
Одно из главнейших изобретений человечества в XX веке - это изобретение реактивного двигателя, который позволил человеку подняться в космос. Изобрели реактивное движение в Китае. Один из первых проектов автомобилей был с реактивным двигателем. Ньютону идея использования ракет для космических полётов была предложена ещё в начале нашего столетия русским учёным Константином Эдуардовичем Циолковским. В конце первого тысячелетия нашей эры в Китае заново изобрели реактивное движение, которое приводило в действие ракеты - бамбуковые трубки, начиненные порохом, они также использовались как забава.
Реактивное движение – это движение, возникающее при отделении от тела с некоторой скоростью какой-либо его части.
Яркий пример реактивного движения – надутый воздухом воздушный шарик, который, если его развязать, приходит в движение.
Движение большинства современных самолётов является реактивным, т.к. происходит в результате истечения с огромной скоростью нагретых в двигателе газов. При этом самолёт движется в сторону, противоположную скорости истечения газов. Так же движутся и ракеты, выбрасывая из сопла продукты сгорания топлива. Примером реактивного движения может служить и отдача ствола пушки при выстреле.
Реактивный двигатель - это двигатель, преобразующий химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, при этом двигатель приобретает скорость в обратном направлении.
Рассмотрим, от чего зависит её величина для ракеты, движущейся в космическом пространстве вдалеке от других тел. В таких условиях систему «ракета с истекающими из неё газами» можно считать замкнутой и для определения реактивной силы воспользоваться законом сохранения импульса. Пусть в момент времени t ракета имеет массу m и движется со скоростью v относительно выбранной нами инерциальной системы. Значит, импульс системы в момент t равен mv. Из сопла ракеты истекают продукты горения, и её масса уменьшается на m кг в единицу времени, поэтому в момент времени t-Dt она будет равна m-m.Dt, а импульс ракеты станет равным (m-m.Dt)(v+Dv). Если считать, что скорость истечения газов из ракеты относительно его сопла равна u, то импульс выброшенных из ракеты газов за промежуток времени Dt составит m.Dt(u+v). Приравнивая импульс системы в моменты t и t+Dt, получаем:
Раскрывая скобки в (15.1), приводя подобные члены и пренебрегая m.Dt.Dv , по сравнению с остальными членами, получим следующее уравнение:
Если разделить обе части уравнения (15.2) на Dt, то оно преобразуется в уравнение Мещерского:
Левая часть уравнения Мещерского представляет собой произведение массы ракеты на её ускорение, что, согласно второму закону Ньютона, равняется силе, действующей на ракету. Таким образом, из (15.3) следует, что реактивная сила равна произведению расхода топлива в единицу времени на скорость истечения газов и направлена в сторону противоположную вектору этой скорости.
Применение реактивной силы дало возможность человеку летать со скоростями, большими скорости звука (330 м/с), и начать освоение космического пространства. Существуют два типа реактивных двигателей – ракетные и воздушно-реактивные. Ракетный двигатель (рис.1) создаёт реактивную силу, выбрасывая из сопла (1) продукты горения топлива и окислителя, нагнетаемых с помощью насосов (2) в камеру сгорания (3). В воздушно-реактивном двигателе (рис. 15б) для горения используется кислород, содержащийся в атмосфере. Эти двигатели оснащены компрессорами (4), которые засасывают и сжимают атмосферный воздух, подавая его в камеру сгорания (3). Горение топлива в форсунках (5) разогревает воздух, увеличивает его давление, и он с огромной скоростью вырывается из сопла (1), создавая реактивную силу и вращая ось, на которой находится лопасти компрессора. Воздушно-реактивными двигателями оснащены практически все современные самолёты.
Большой вклад в развитие теории реактивного движения сделал русский учёный К.Э. Циолковский (1857-1935).
Он показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести - это ракета, т.е. аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате.
Циолковский доказал, что с помощью реактивной тяги человек способен достичь космических скоростей, навсегда оторвавшись от Земли. Ему же принадлежит идея создания многоступенчатых ракет, позволяющих экономить топливо на пути в космос, и космических станций.
К. Э. Циолковский вывел формулу, позволяющую рассчитать максимальную скорость, которую может развить ракета.
Теория реактивного движения в космосе была практически воплощена во второй половине XX-го века, когда СССР осуществил запуск первого искусственного спутника Земли. 12 апреля 1961 года Ю.А. Гагарин совершил первый полёт в космос, а 20 июля 1969 года американские космонавты Н. Армстронг и Э. Олдрин впервые высадились на поверхности Луны. В настоящее время на околоземной орбите находится международная космическая станция, на борту которой работают специалисты из России, США и других стран мира.
Как уже писалось выше, реактивный двигатель - это двигатель, преобразующий химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, при этом двигатель приобретает скорость в обратном направлении. На каких же принципах и физических законах основывается его действие?
Каждый знает, что выстрел из ружья сопровождается отдачей. Если бы вес пули равнялся бы весу ружья, они бы разлетелись с одинаковой скоростью. Отдача происходит потому, что отбрасываемая масса газов создаёт реактивную силу, благодаря которой может быть обеспечено движение как в воздухе, так и в безвоздушном пространстве. И чем больше масса и скорость истекающих газов, тем большую силу отдачи ощущает наше плечо, чем сильнее реакция ружья, тем больше реактивная сила. Это легко объяснить из закона сохранения импульса, который гласит, что геометрическая (т.е. векторная) сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остаётся постоянной при любых движениях и взаимодействиях тел системы. К. Э. Циолковский вывел формулу, позволяющую рассчитать максимальную скорость, которую может развить ракета.
Максимально достижимая скорость зависит в первую очередь от скорости истечения газов из сопла, которая в свою очередь зависит прежде всего от вида топлива и температуры газовой струи. Чем выше температура, тем больше скорость. Значит, для ракеты нужно подбирать самое калорийное топливо, дающее наибольшее количество теплоты. Отношение массы топлива к массе ракеты в конце работы двигателя (т.е. по существу к весу пустой ракеты) называется числом Циолковского. Основной вывод состоит в том, что в безвоздушном пространстве ракета разовьёт тем большую скорость, чем больше скорость истечения газов и чем больше число Циолковского.
Знание закона сохранения импульса во многих случаях дает возможность найти результат взаимодействия тел, когда значения действующих сил неизвестны.
Рассмотрим в качестве примера действие реактивного двигателя. При сгорании топлива в камере сгорания ракеты образуются газы, нагретые до высокой температуры. При действии двигателя в течение короткого интервала времени t из сопла ракеты выбрасываются со скоростью u относительно ракеты горячие газы массой m. Ракета и выбрасываемые ее двигателем газы взаимодействуют между собой. На основании закона сохранения импульса при отсутствии внешних сил сумма векторов импульсов взаимодействующих тел остается постоянной.
До начала работы двигателей импульс ракеты и горючего был равен нулю, следовательно, и после включения сумма изменений векторов импульса ракеты и импульса истекающих газов равна нулю:
где m - масса ракеты, V - изменение скорости ракеты, m - масса выброшенных газов, u - скорость истечения газов.
Отсюда для векторов импульса получаем:
Разделим обе части равенства на интервал времени t, в течение которого работали двигатели ракеты:
или
Произведение массы ракеты m на ускорение ее движения a по определению равно силе, вызывающей это ускорение:
Таким образом, мы показали, что реактивная сила тяги Fp равна произведению скорости u движения выбрасываемых газов относительно ракеты на
секундный расход топлива m/t.
Реактивная сила тяги Fp действует со стороны газов на ракету и направлена в сторону, противоположную направлению истечения газов.
Выражение
есть уравнение динамики тела переменной массы для случая, когда внешние силы равны нулю. Если же на ракету, кроме реактивной силы Fp, действует внешняя сила F, то уравнение динамики движения примет вид:
Это уравнение получено профессором Петербургского университета
И. В. Мещерским и носит его имя.
Формула Мещерского представляет собой обобщение второго закона Ньютона для движения тел переменной массы. Ускорение тела переменной массы определяется не только внешними силами F, действующими на тело, но и реактивной силой Fp, обусловленной изменением массы движущегося тела:
Ракета. Система двух тел. Корпус топлива.
Корпус - труба с одним открытым концом для выхода отработанных газов. На хвосте ставят сопла (трубки) для направленного выброса газов с большой скоростью.
Топливо - сложное горючее, которое при сжигании превращается в газ большой температуры и большого движения.
V ракеты зависит от m топлива и самой ракеты, а также от V выбросов газов.
В данной формуле не учитывается сопротивление воздуха и Fпр к Земле.
На самом деле выброс газов происходит не мгновенно, а постепенно. Если учесть все условия, то топлива надо брать во много раз больше.
Чтобы сообщить кораблю первую космическую скорость, то mт >mоб= в 55 раз.