Проектная работа по физике «Реактивное движение и ракетные двигатели»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя школа №1 им. Ю.А.Гагарина»

Проектная работа по физике

«Реактивное движение и ракетные двигатели»

Выполнил: Ревуков Вадим

Ученик 9Б класса

Руководитель проекта: Елисеева Лариса Ивановна, учитель

Оглавление

Паспорт проекта        3

Введение        4

Содержание проекта        5

1. Реактивное движение, его природа……………………………………………        5

2.

Вывод        12

Список использованной литературы        12

Приложения        13

Паспорт проекта

Введение

Двигатели: жидкостный ракетный двигатель (далее - ЖРД), твердотопливный ракетный двигатель (далее - ТТРД), ионный ракетный двигатель (далее - ИРД); эффективно проявляют себя уже второе столетие. Они применяются в космонавтике, выполняя важнейшие для человечества задачи. Рациональных альтернатив они в данный момент не имеют.

Первые ракетные двигатели появились в Китае в III веке до н.э – IIвеке н.э. Они были твердотопливными, использующими силу, возникающую при взрыве пороха, и использовались для изготовления и применения фейерверков. В 16 веке Конрадом Хаасом была заложена теоретическая база о военных ракетах. Мысль о использовании нескольких ступеней тоже принадлежит ему. Далее огромный вклад внёс Константин Эдуардович Циолковский, который считается основоположником теоретической космонавтики.

• Актуальность исследования: со временем людям становится всё нужнее исследовать космическое пространство, а для перемещения в нём используются принципы реактивного движения и разнообразные ракетные двигатели.
• Объект исследования: существующие ракетные двигатели.
• Предмет исследования: литература на тему «Ракетостроение», прототип ТТРД.
• Цель работы: овладеть знаниями о реактивном движении и ракетных двигателях, провести эксперимент.
• Задачи исследования:проанализировать традиционные ракетные двигатели, создать обучающимся полноценное представление о реактивном движении и ракетных двигателях.
• Методы исследования: теоретические, эмпирический.
  

Содержание проекта.

1. Импульс. Закон сохранения импульса.

Реактивное движение — движение, возникающее при отделении от системы тел некоторой её части с определённой скоростью. Обусловлено оно законом сохранения импульса, который звучит так. Векторная сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему не меняется с течением времени при любых движениях и взаимодействиях этих тел.

Чтобы перейти непосредственно к закону сохранения импульса, давайте сначала определимся с тем, что такое импульс.

        Импульс тела

Импульс тела — векторная величина, равная произведению массы тела на скорость тела.: 

Импульс – векторная величина, направлен он всегда в ту сторону, в которую направлена скорость. Само слово «импульс» латинское и переводится на русский язык как «толкать», «двигать». Импульс обозначается маленькой буквой , а единицей измерения импульса является 

Первым человеком, который использовал понятие импульс, был Рене Декарт. Импульс он попытался использовать как величину, заменяющую силу. Причина такого подхода очевидна: измерять силу достаточно сложно, а измерение массы и скорости – вещь достаточно простая. Именно поэтому часто говорят, что импульс – это количество движения. А раз измерение импульса является альтернативой измерения силы, значит, нужно связать эти две величины.

Рене Декарт 

Импульс силы 

Эти величины – импульс и силу – связывает между собой понятие импульс силы. Импульс силы записывается как произведение силы на время, в течение которого эта сила действует: импульс силы [H . c]. Специального обозначения для импульса силы нет.

Давайте рассмотрим взаимосвязь импульса и импульса силы. Рассмотрим такую величину, как изменение импульса тела, . Именно изменение импульса тела равно импульсу силы. Таким образом, мы можем записать:.

                                     Закон сохранения импульса

Теперь перейдем к следующему важному вопросу – закону сохранения импульса. Этот закон справедлив для замкнутой изолированной системы.

Определение: замкнутой изолированной системой называют такую, в которой тела взаимодействуют только друг с другом и не взаимодействуют с внешними телами.

Для замкнутой системы справедлив закон сохранения импульса: в замкнутой системе импульс всех тел остается величиной постоянной.

Обратимся к тому, как записывается закон сохранения импульса для системы из двух тел: 

Эту же формулу мы можем записать следующим образом:

 Суммарный импульс системы из двух шариков

 сохраняется после их столкновения

Обратите внимание: данный закон дает возможность, избегая рассмотрения действия сил, определять скорость и направление движения тел. Этот закон дает возможность говорить о таком важном явлении, как реактивное движение.

2. История развития реактивного движения.

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.

Считается, что ракеты изобретены в древнем Китае.

Китайцы смогли найти реактивному методу практическое применение. Они первыми, взяв за основу способ передвижения каракатиц и осьминогов, еще в XIII веке изобрели ракеты.Более двух тысяч лет назад они изобрели и применили для военных целей ракеты простейшего устройства. Эта ракета была сходна с теми ракетами, которые применяются сейчас для фейерверка и сигнализации.

Китайцы использовали свою ракету как зажигательное средство главным образом при осаде вражеских городов. Ракетная трубка с небольшим запасом пороха привязывалась к стреле. Выбрасывая такую стрелу из лука, китайские воины сообщали ракете большую начальную скорость и увеличивали дальность ее полета.

На протяжении нескольких веков ракеты имели широкую популярность и распространение  как реактивное оружие, были приняты на вооружение в армиях многих  стран. Ракеты обладали довольно высокими техническими и тактическими свойствами. Скорость их полета равнялась примерно 350 метрам в секунду, дальность – нескольким километрам.

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.

Основоположником  современной космонавтики  является  калужский учитель Константин Эдуардович Циолковский. Годы жизни - 5 (17) сентября 1857 -  19 сентября 1935.

Он обосновал вывод уравнения движения, доказал необходимость  двухступенчатых ракет. Циолковский предлагал заселить космическое пространство с использованием орбитальных станций.

Константину Эдуардовичу принадлежит  идея освоения космического пространства.  Ученый известен как сторонник и пропагандист заселения космического пространства с использованием орбитальных станций. Он - автор многих научно-фантастических произведений.  Среди них «Грезы о Земле и небе», «На Весте», повести «На Луне» .

В своей квартире Циолковский создал первую в России аэродинамическую лабораторию.

Сергей Павлович Королёв— советский учёный, конструктор и организатор производства ракетно-космической техники и ракетного оружия СССР.

Его конструкторские разработки в области ракетной техники имели исключительную ценность для развития советского ракетного вооружения, а вклад в организацию и развитие практической космонавтики имеет мировое значение.

В 1956 году под руководством С. П. Королёва  была создана первая отечественная стратегическая ракета, ставшая основой ракетного ядерного щита страны.

4 октября 1957 года  «Он был мал, этот самый первый искусственный спутник нашей старой планеты, но его звонкие позывные разнеслись по всем материкам и среди всех народов как воплощение дерзновенной мечты человечества». — сказал позже С. П. Королёв.

12 апреля 1961года.   Сергей Павлович Королёв снова поражает мировую общественность.

Создав первый пилотируемый космический корабль «Восток-1», он реализует первый в мире полёт человека — гражданина СССР Юрия Алексеевича Гагарина по околоземной орбите.

С. П. Королёв был генератором многих неординарных идей и прародителем выдающихся конструкторских коллективов, работающих в области ракетно-космической техники, его вклад в развитие отечественной и мировой пилотируемой космонавтики является решающим. Можно только удивляться многогранности таланта Сергея Павловича, его неиссякаемой творческой энергии. Он является первопроходцем многих основных направлений развития отечественных ракетного вооружения и ракетно-космической техники. Трудно себе даже представить, какого уровня достигла бы она, если бы преждевременная смерть Сергея Павловича не прервала творческий полёт его мыслей

Юрий Алексеевич Гагарин— русский советский лётчик-космонавт, первый человек, совершивший полёт в космическое пространство.

В 1954 году впервые пришёл в Саратовский аэроклуб. В 1955 году Юрий Гагарин добился значительных успехов, закончил с отличием учёбу и совершил первый самостоятельный полет на самолёте Як-18.

27 октября 1955 года Гагарин был призван в армию и отправлен в Оренбург, в 1-е военно-авиационное училище лётчиков имени К. Е. Ворошилова. 25 октября 1957 Гагарин училище закончил

Старт корабля «Восток» был произведён в 09часов 07 минут 12 апреля 1961 года по московскому времени с космодрома Байконур. Облетев земной шар, он через 1 час 48 минут благополучно приземлился в заданном районе Советского Союза.

После приземления Гагарин по телефону отрапортовал: «Задачу выполнил, приземлился в заданном районе, чувствую себя хорошо, ушибов и поломок нет. Гагарин».

Работы по усовершенствованию космической техники продолжались. Были созданы орбитальные станции, постоянно действующие на околоземной орбите.

Десять лет назад с запуска российского модуля "Заря" началась реализация самого амбициозного космического проекта 20 и 21 веков - строительство Международной космической станции (МКС).

Построенный в России модуль "Заря" стал первым элементом самого большого на сегодняшний день сооружения в космосе. На орбиту российскую "Зарю" вывела ракета-носитель "Протон", стартовавшая с Байконура.

3. Принцип 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.

Закон сохранения импульса позволяет оценить скорость ракеты. Предположим, что весь газ, образующийся при сгорании топлива, выбрасывается из ракеты сразу, а не постепенно, как это происходит в действительности. Обозначим массу газа через mг, а скорость газа через vг. Массу и скорость оболочки обозначим соответственно mоб и vоб. Направим координатную ось вдоль направления движения оболочки, тогда проекции скоростей газа и оболочки по модулю будут равны модулям векторов, но знаки их противоположны.

Так как сумма импульсов оболочки и газа должна быть равна нулю, то нулю должна быть равна и сумма их проекций:

mгvг - mобvоб = 0,

или

mгvг = mобvоб.

 Отсюда находим скорость оболочки: vоб = mгvг /mоб.

Вывод: чем больше скорость выбрасываемого газа и чем больше отношение массы газа к массе оболочки, тем больше скорость оболочки.

Следовательно, чтобы увеличить скорость движения ракеты, нужно взять массу топлива во много раз больше массы полезного груза.

Мы считали, что весь газ выбрасывается из ракеты мгновенно. На самом деле он вытекает постепенно, хотя довольно быстро. Это значит, что после выброса какой-то части газа оболочке приходится “возить” с собой еще не вылетевшую часть топлива. Кроме того, мы не учли, что на ракету действуют сила тяжести и сила сопротивления воздуха. Все это приводит к тому, что отношение массы топлива к массе оболочки много больше, чем мы получили. Более точный расчет показывает, что при скорости газа 2000 м/с, для достижения скорости, равной первой космической, масса топлива должна быть в 55 раз больше массы оболочки. Для межпланетных полетов (с возвращением на Землю) масса топлива должна быть в тысячи раз больше массы оболочки.

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

Так устроены прямоточные воздушно-реактивные двигатели. Поэтому при полетах в плотных слоях атосферы для более полного использования мощности реактивного двигателя на валу турбины устанавливают воздушный винт.

В практике космических полетов обычно используют многоступенчатые ракеты, развивающие большие скорости и предназначенные для более дальних полётов, чем одноступенчатые.

После того как топливо и окислитель первой ступени будут полностью израсходованы, эта ступень автоматически отбрасывается и в действие вступает двигатель второй ступени.

Уменьшение общей массы ракеты путем отбрасывания уже ненужной ступени позволяет сэкономить топливо и окислитель и увеличить скорость ракеты. Затем таким же образом отбрасывается вторая ступень.

Если возвращение космического корабля на Землю или его посадка на какую-либо другую планету не планируется, то третья ступень, как и две первых, используется для увеличения скорости ракеты. Если же корабль должен совершить посадку, то она используется для торможения корабля перед посадкой. При этом ракету разворачивают на 180о, чтобы сопло оказалось впереди. Тогда вырывающийся из ракеты газ сообщает ей импульс, направленный против скорости ее движения, что приводит к уменьшению скорости и дает возможность осуществить посадку.

Итак,  видим, что скорость ракеты зависит от скоростивытекающих газов из сопла ракеты и от массы сгораемого топлива

4. Применение закона сохранения импульса на практике. 
5. Заключение

Работа над проектом мне дала многое. Хотя бы начать с того, что мне пришлось изучить много теоретического материала, Я научился проектировать и ставить небольшие эксперименты, в зависимости от выдвинутых гипотез и предположений, работая над определенной задачей.

При выполнении собственного эксперимента понял, как тяжел путь первооткрывателей, исследователей, людей, занимающихся наукой. Оказывается, не всегда можно получить положительный результат эксперимента или объяснить полученный.

Умение анализировать имеющие факты, умение сопоставлять и прогнозировать, умение находить пути решения возникающих ситуаций – все это приходит с опытом, с практикой.

Используя источники информации, я сумел найти информацию о реактивном движении, его причинах, а также о том, какую пользу оно несет людям. Кроме того, я построил действующую модель ракеты на реактивном топливе.

Когда я сейчас смотрю очередной запуск ракетной установки, то перед глазами встает - моя пусковая установка с маленькой пластмассовой ракетой, и я горжусь тем, насколько человек умен и изобретателен. И я, могу уверенно сказать, что гипотеза, что вынесенная в начале моей работы полностью подтвердилась. У меня получится создать модель и запустить ее в воздух, для этого мне пришлось действительно разобраться в принципах реактивного движения, а также в принципах устройства современных ракет. Тем самым мне удалось достичь цели проекта.

В настоящее время благодаря многим учёным со всего света, изучение реактивного движения продвинуто, но насколько оно продвинуто и сколько осталось до конца пути никто не знает. Человек уже был в космосе, но он понимает, что не увидел и одной миллиардной доли того, что бы хотел увидеть. Значит, и сегодня человеческая мысль направлена на решение задач, связанных с космическими полетами.