Реактивний рух

Мал. 1 К.Е. Ціолковський.

Але ні один вчений, ні один письменник-фантаст за багато століть не зміг назвати єдиного розташованого у розпорядженні людини засобу, за допомогою якого можна подолати силу земного ­тяжіння і полетіти в космос. Це зміг здійснити російський вчений Констянтин Едуардович Ціолковський (1857−1935)(мал.1). Він показав, що єдиний апарат, спроможний подолати силу тяжіння — це ракета, тобто. апарат з реактивним двигуном, використовуючим пальне і окислювач, розташовані на самому апа­раті.

Реактивний двигун — це двигун, перетворюючий хімічну енергію палива в кінетичну енергію газової струї, при цьому двигун набирає швидкість у зворотньому напрямку. На яких прин­ципах и фізичних законах основується його дія?

Кожен знає, що постріл із гвинтівки супроводжується віддачею. Якщо б вага кулі дорівнювала б вазі гвинтівки, вони б розлетілись з однаковою швидкістю. Віддача виникає тому, що відкидна маса газів створює реактивну силу, завдяки якій може бути забезпечено рух як у повітрі, так і в безповітряному просторі. І чим більша маса і швидкість вилітаючих газів, тим більшу силу віддачі відчуває наше плече, чим сильніша реакція гвинтівки, тим більша реактивна сила. Це легко пояснити із закону збереження імпульсу, в якому йдеться, що геометрична (тобто векторна) сума імпульсів тіл, складаючих зам­кнуту систему, залишається постійною при любих рухах і взаємодіях тіл системи, тобто:

$$\stackrel{}{p}=\underset{i=1}{\overset{N}{}}{\stackrel{}{p}}_i=\text{const}\text{.}$$.

$$v_{\text{max}}=v_0+\mathrm{2,3}{v}_r\text{lg}\left(1+\frac{m}{M}\right)$$.

Тут vmax — максимальна швидкість ракети, v0 — початкова швидкість, vr — швидкість вильоту газів із сопла, m — початкова маса палива, а M — маса порожньої ракети. Як видно із формули, ця максимально досяжна швидкість залежить в першу чергу від швидкості вильоту газів із сопла, яка в свою чергу залежить перед усім від виду палива і температури газової струї. Чим вища температура, тим більша швидкість. Значить, для ракети потрібно підбирати саме калорійне паливо, яке надає найбільшу кількість теплоти. Із формули витікає також, що ця швидкість залежить і від початкової і кінечної маси ракети, тобто від того, яка частина її ваги при­ходиться на пальне, і яка — на безкорисні (з точки зору швидкості польоту) конструкції: корпус, механізми, і т.п.

Ця формула Ціолковського являється фундаментом, на якому будується весь розрахунок сучасних ракет. Відношення маси палива до маси ракети в кінці роботи двигуна (тобто по правді до ваги пустої ракети) називається числом Ціолковського.

Основний висновок із цієї формули полягає в тому, що в безповітряному просторі ракета розвине тим більшу швидкість, чим більша швидкість витоку газів і чим більше число Ціолковського.

Як виглядає в загальних рисах сучасна ракета далекої дії? Перед усім, це багатоступінчата ракета. В головній її частині розміщується боєвий заряд, позад нього — прилади керування, баки і, нарешті, двигун. В залежності від пального стартова вага ракети перевищуєт вагу корисного вантажу в 100−200 разів! Тому важить вона багато десятків тонн, а в довжину досягає висоти десятиповерхового будинку.

.

.

.

.

.

.

Мал.2 Схема внутрішньої будови ракети.

Конструкція ракети повинна відповідати ряду вимог. Наприклад, дуже важливо, щоб сила тяги проходила через центр ваги ракети. Якщо не виконати цього і ще багатьох інших вимог, то ракета може відхилитися від заданого курсу або навіть почати обертальний рух. «Підправити» курс можна за допомогою рулів. Доки ракета летить у щільному повітрі, можуть працювати аеродинамічні рулі, а у розрідженому повітрі - запропоновані ще Ціолковським газові рулі, відхиляючі напрям газової струї. Хоча, зараз конструктори починають відмовлятися від використання газових рулів, замінюючи їх декількома додатковими соплами або повертаючи головне сопло. Наприклад, на американській ракеті, побудованій по проекту «Авангард», двигун підвішаний на шарнірах, і його можливо відхиляти на 5−7О. Дійсно, на початку польоту, коли щільність повітря ще велика і швидкість ракети маленька, рулі погано керують. А там, де ракета набирає більшу швидкість, мала густина повітря. Газові рулі крихкі і ламкі, тому що їх доводиться робити з графіту або кераміки.

Кожна ступінь ракети працює в зовсім різних умовах, які і вибирають її будову. Потужність кожної наступної ступені і час її дії менша від попередньої, тому її конструкція може бути простішою.

На теперішній час двигуни балістичних ракет переважно працюють на рідкому паливі. В якості палива зазвичай використовують керосин, спирт, гідразин, анілін, а в якості окислювачів — азотну и хлоридну кислоти, рідкий кисень і перекись водню. Дуже активними окислювачами є фтор і рідкий озон, але через велику вибухонебезпечність вони поки що обмежені в використанні.

Найбільш відповідальною частиною ракети являється двигун, а в ньому — камера згорання і сопло. Тут повинні використовуватися особливо жаростійкі матеріали і складні методи охолодження, так як температура згоряння палива доходить до 2500−3500ОС. Звичайні матеріали таких температур не витримують. Достатньо складні і інші агрегати. Наприклад, насоси, які подавали пальне і окислювач до форсунок камери згорання, вже в ракеті ФАУ-2 були здатні перекачувати 125 кг палива в секунду. В ряді випадків замість балонів застосовують балони із зжатим повітрям або яким-небудь другим газом, який витісняє пальне із баків і гонить його в камеру згорання.

Запускається балістична ракета із спеціального стартового пристрою. Часто це ажурна металева мачта або навіть башта, біля якої ракету збирають по частинам підйомними кранами. Площадки на башті розміщуються проти люків, через які перевіряють і настроюють устаткування. Потім ракету заправляють паливом, і башта відїжджає.

Стартуючи вертикально, ракета потім нахиляється і описує майже строго эліптичну траєкторію. Значна частина траєкторії польоту таких ракет проходить на висоті більше 1000 км над Землею, де опір повітря майже відсутній, проте з приближенням до цілі атмосфера починає різко гальмувати рух ракети, при цьому оболонка сильно нагрівається, і, якщо не прийняти міри, ракета може зруйнуватися, а її заряд — передчасно вибухнути.

Висновки Прошу пробачення за можливі неточності в тексті це пов’язано з тим, що текст був перекладений з російської мови.

Від себе додам, що наданий мною опис роботи між­кон­тинен­таль­ної балістичної ракети устарів і відповідає рівню розвитку науки і техніки 60-х років, але, через обмеження доступу до сучасних наукових матеріалів, я не маю змоги дати точний опис роботи сучасної міжконтинентальної балісти­ної ракети зверхдалекого радіусу дії. Однак мною були висвітлені загальні властиості, притаманні всім ракетам, тому я рахую свою задачу виконаною.

Список використаної літератури:

Дерябин В. М. Законы сохранения в физике. — М.: Просвещение, 1982.

Гельфер Я. М. Законы сохранения. — М.: Наука, 1967.

Кузов К. Мир без форм. — М.:Мир, 1976.

Детская энциклопедия. — М.: Издательство АН СССР, 1959.