Ракетный двигатель выбрасывает из сопла газы со скоростью 3 км с относительно ракеты

Обновлено: 02.07.2024

Соедините попарно фигуры так, чтобы каждому человеку соответствовало его достижение.

Реактивный двигатель

Заполните пропуски в тексте.

Реактивный двигатель – это двигатель, преобразующий энергию топлива в энергию газовой струи, при этом двигатель приобретает скорость в направлении.

Реактивная сила тяги двигателя

Заполните пропуск в задаче. Ответ дайте целым числом.

Реактивная сила тяги двигателя, выбрасывающего каждую секунду 15 кг продуктов сгорания топлива со скоростью 3 км/с относительно ракеты равна Н.

Реактивное движение в природе

Какое морское животное передвигается с помощью реактивного толчка?

Интересные факты о реактивном движении

Космонавты и реактивное движение

Выделите мышкой 5 слов, которые относятся к теме урока.

1. Древнегреческий математик и механик, описавший явление реактивного движения в природе.

2. Американский астронавт, сделавший первые шаги на Луне.

3. Первая женщина-космонавт.

4. Космонавт, который первым вышел в открытый космос.

5. Мир за пределами земной атмосферы.

Скорость и реактивная сила

Решите задачи, чтобы разгадать кроссворд.

Закон сохранения импульса

Решите задачи, чтобы увидеть рисунок.

Скорость выхода газов из ракеты

Заполните пропуск в задаче. Ответ дайте целым числом.

Ракета, масса которой без топлива 400 г, при сгорании топлива поднимается на высоту 125 м, масса топлива 50 г. Скорость выхода газов из ракеты равна м/с.

Импульс ракеты

Ответьте на вопросы, чтобы увидеть рисунок.

Обучающиеся десятого класса для исследования законов реактивного движения соорудили ракету и осуществили пробный запуск.

История освоения космоса

Заполните ленту времени.

Скорость первой ступени ракеты

Выберите правильный ответ из выпадающего меню.

От двухступенчатой ракеты общей массой 1 т в момент достижения скорости 171 м/с отделилась её вторая ступень массой 0,4 т, скорость которой при этом увеличилась до 185 м/с. Скорость, с которой стала двигаться первая ступень ракеты м/с (Ответ округлите до целого числа).

Космос

Выделите мышкой 5 слов, которые относятся к теме урока.

Планета – магнит.
Смесь газов, из которых состоит земная атмосфера.
Летательный аппарат, действие которого основано на 3-м законе Ньютона.
Тело, вращающееся вокруг планеты.
Космодром в Казахстане.

Коэффициент трения

Заполните пропуск в задаче. Ответ дайте с точностью до тысячных.

Из духового ружья стреляют в спичечную коробку, лежащую на расстоянии 30 см от края стола. Пуля массой 1 г, летящая горизонтально со скоростью 150 м/с, пробивает коробку и вылетает из неё со скоростью $v_0/2$. Масса коробки 50 г. Коробка упадёт со стола при коэффициенте трения между столом и коробкой равным

Изменения скоростей, происходящие также в противоположные стороны, будут обратно
пропорциональны массам тел, ибо количества движения получают равные изменения.
Исаак Ньютон
. при действии сил, равнодействующая которых пропорциональна массе точки,
точка переменной массы. движется так же, как движется точка постоянной
массы при действии тех же сил и при тех же начальных данных.
Иван Мещерский
Я разработал некоторые стороны вопроса о поднятии в пространство с помощью реактивного прибора, подобного ракете.
Константин Циолковский
Механизм действия ракетного двигателя в точности сходен с явлением отдачи ружья;
здесь не нужен воздух, чтобы отталкиваться от него.
Ричард Фейнман

Содержание

Этот вопрос вполне уместен сейчас, когда отмечается 50-летие запуска первого искусственного спутника Земли — события, ознаменовавшего начало новой эры, эры освоения человеком космического пространства. Осуществление давней мечты стало возможным благодаря развитию реактивной техники. Долгая, насчитывающая тысячелетия ее история совершила необыкновенно быстрый рывок, перейдя от предсказаний и расчетов к прямой реализации идеи безопорного движения за пределами Земли. И здесь, без сомнения, можно гордиться решающим вкладом в теорию и практику космонавтики отечественных ученых, инженеров и конструкторов.

Проходит время, и казавшиеся чудом достижения -первый спутник, первый облет человеком Земли, первый выход в открытый космос — становятся рутинными, многократно повторяемыми эпизодами. Теперь на орбитальную станцию отправляются как на работу и даже. в турпоездку. Однако новые планы, связанные с межпланетными перелетами, с предупреждением астероидной опасности, со строительством индустриального пояса вокруг Земли и лунных баз, с совершенствованием спутниковых средств связи и выводом за атмосферу астрономических приборов, словно открыли второе дыхание космонавтики. И ни одно из возникающих ее направлений не обойдется без этих необычных машин — ракет.

Со многими вопросами реактивного движения можно не только познакомиться, но и всерьез разобраться, опираясь на хорошо знакомые законы механики. К чему мы вас сегодня и приглашаем.

Вопросы и задачи

Сможет ли вращаться в пустоте (например, в сильно разреженном воздухе под колоколом воздушного насоса) сегнерово колесо, изображенное на рисунке?

Микроопыт

Сверните из очень тонкой проволоки небольшую спираль, слегка смажьте ее маслом или вазелином и аккуратно положите на воду с помощью пинцета либо обычной вилки. Затем наберите несколько капель мыльного раствора пипеткой или соломинкой для питья и роняйте по капельке раствора в центр спирали. Как станет вести себя спираль? Почему?

Любопытно, что…

. известные в Китае еще с XI века пороховые ракеты применялись не только для фейерверков, но и в военном деле — как зажигательные и разрывные снаряды, а также как осветительные средства. Однако по-настоящему боевые реактивные снаряды были созданы в 1817 году русским ученым-артиллеристом, генералом А.Д.Засядко и успешно применены при обороне Севастополя в 1854-55 годах во время Крымской войны.

. явление отдачи, вызывавшее откатывание назад старинных пушек, со временем научились использовать для перезарядки огнестрельного оружия, например в пулеметах, автоматических пистолетах и скорострельных пушках.

. в теории многоступенчатых ракет, разработанной К.Э.Циолковским в 1926 году, было показано, что последняя ступень ракеты способна достичь первой космической скорости. Из теории следовало, что целесообразно с расходом топлива отбрасывать баки, трубопроводы и двигатели отработавших ступеней, а в идеале — непрерывно избавляться от ненужной уже массы ракеты, что пока, увы, конструктивно неосуществимо.

. погасить скорость при посадке космического аппарата на Землю помогает атмосфера: торможение в ней позволяет использовать на конечном этапе снижения парашют. Такая возможность полностью отпадает при спуске на Луну — отсутствие атмосферы на ней заставляет гасить скорость лишь реактивными импульсами, а последние метры пути аппарат садится на струе газа из сопла.

. переноситься с континента на континент со скоростью свыше десяти тысяч километров в час в разреженных слоях атмосферы, выводить на околоземную орбиту полезные грузы с обычных аэродромов должны летательные аппараты нового поколения с гиперзвуковыми воздушно-реактивными двигателями, создаваемыми сегодня зарубежными и отечественными специалистами.

. разгадкой неожиданно больших скоростей у новорожденных сверхплотных нейтронных звезд, достигающих 1500 километров в секунду, вероятно, может быть природный реактивный двигатель — излучение нейтрино, уносящих огромную энергию и способных создать необходимый импульс отдачи.

. очередной прорыв в космос готовят в ближайшие пятнадцать лет все космические державы. Это, прежде всего, череда лунных экспедиций. Наша соседка уже рассматривается как полигон для испытания технологий, необходимых для покорения Марса, как база на пути к другим планетам, как новая астрономическая обсерватория и даже. как музей под открытым небом для посещения космическими туристами.

Ответы

Микроопыт

Чтобы столбик ртути в медицинском термометре опустился, термометр "встряхивают"-двигают вниз, а затем резко останавливают. Какова причина опускания столбика ртути?

По двум парал-ым железнодорожным путям навстречу друг другу равномерно движутся два поезда: грузовой - длиной 630 м - со скоростью 48 км/ч и пассажирский длиной 120 м - со скоростью 102 км/ч.

Брусок массой 900 г соскальзывает с доски, наклоненной к горизонту под углом 30 градусов с ускорением 1,3 м/с2. Каков вес бруска? Как он направлен? Примите ℊ=9,8 м/с.

Частота свободных электромагнитных колебаний в колебательном контуре 20 МГц. Определите частоту колебаний в контуре, если конденсатор емкостью 1 мкФ заменить конденсатором, емкость которого 4 мкФ.

Чугунный шар имеет массу 4,2 кг при объеме 700 кубических сантиметров. Определите имеет ли этот шар внутри полость.

скорость автомобиля изменяется по закону vx=0.3t. Определите силу тяги, действующую на автомобиль, если его масса 1,2 т.

Автомобиль въезжает на вогнутый участок дороги, радиус кривизны которого R = 30 м. При какой скорости водитель будет испытывать трехкратную перегрузку?

Какое из двух одинаковых тел обладает большей кинетической энергией, то которое движется со скоростью 10 м/с или 20 м/с Во сколько раз больше?

Технологии

Когда мы смотрим на зрелищные пуски космических кораблей, у многих невольно возникает вопрос — почему двигатели в них до сих пор работают на химическом топливе? Неужели взрывать кучу водорода или керосина — это лучшее, что мы можем сделать?

Преимущества и недостатки обычных двигателей

Принцип работы ракет кажутся очень примитивными — берем тонны жидкого или твердого топлива, поджигаем его с помощью окислителя, а затем используем энергию вырывающихся газов, чтобы получить ускорение.

Несмотря на примитивность, такой тип двигателей вполне подходит для своих задач — струя газа дает ракете достаточное ускорение, чтобы преодолеть земное притяжение и выйти в космос. Кроме того, такому двигателю не нужны атмосфера — окислитель ракета несет на своем борту.

Преимущество химического двигателя заключается в том, что он вырабатывает огромное количество энергии за короткое время — как раз то, что нужно, чтобы поднять большое количество груза в космос. Однако критический недостаток этих двигателей заключается в том, что они невероятно неэффективны.

Вполне предсказуемо, что перечисленные недостатки химических ракет, подтолкнули ученых к поиску других принципов работы двигателей, особенно для аппаратов, уже выведенных в открытый космос. И одним из самых удачных вариантов сегодня, является ионный двигатель.

Ионный двигатель

Одна из важнейших характеристик эффективности космического двигателя — скорость выброса вещества. Самая эффективная химическая ракета может выбрасывать горячие газы из сопла со скоростью 5 км/с. Ионные двигатели, могут выбрасывать отдельные атомы со скоростью 90 км/с — такая скорость выброса дает космическому аппарату гораздо более эффективное ускорение.

Лучшие химические ракеты имеют КПД около 35%, в то время как ионные двигатели имеют коэффициент полезного действия 90%.

Принцип работы ионного двигателя

Глядя на то, как работает ионный двигатель, невольно вспоминаешь научную фантастику. Вместо горячих газов ионные ускорители выбрасывают ионы — заряженные частицы вещества, образованные из атомов или молекул, когда те приобретают или теряют один, или несколько электронов.

В случае с ионным двигателем они испускают положительно заряженные ионы, которые потеряли свой электрон. С помощью магнитного поля, двигатель ускоряет их до невероятных скоростей и выбрасывает из сопла, передавая ускорение космическому аппарату.

Откуда берутся ионы

Двигатели создают их, генерируя плазму внутри аппарата. Нейтральные атомы газа, например, ксенона, бомбардируются электронами. Эти столкновения высвобождают еще больше электронов, превращая их в положительно заряженные ионы. Эта плазменная смесь из электронов и положительно заряженных ионов имеет общий нейтральный заряд.

При этом электроны удерживаются в камере, что приводит к еще большей ионизации, в то время как положительные ионы откачиваются через специальную сетку. Когда они проходят через эту сетку, высокое напряжение ускоряет их до 90 км/с. Каждый вылетевший из сопла ион придает крошечное ускорение аппарату.

Вся система работает от солнечных батарей, поэтому нет необходимости в дополнительной системе питания или аккумуляторах, что значительно увеличивает полезную нагрузку аппарата.

Большая проблема заключается в том, что ускорение от ионов действительно крошечное. Тяга ионных двигателей измеряется в миллиньютонах, то есть в тысячных долях ньютона. Это можно сравнить с удержанием листка бумаги в руке — вот какие силы задействованы.

Однако эти двигатели могут непрерывно работать в течение нескольких дней, недель и даже месяцев, ускоряясь и постепенно набирая скорость. У химических ракет, для сравнения, топливо закончилось бы за несколько минут. Поэтому если космический аппарат уже выведен из гравитационного поля планеты, ионный двигатель становится весьма эффективным.

Некоторые космические агентства уже использовали ионные двигатели в своих миссиях в космосе. И хотя разработки велись на протяжении десятилетий, применить их долгое время не решались из-за большого риска.

Где использовались

Поиск решения

Как уже упоминалось, основная проблема ионных двигателей заключается в очень малой тяге, однако у ученых уже есть некоторые идеи для ее увеличения.

Космический аппарат планировалось вывести на орбиту Земли по частям, произвести сборку, после чего запустить к Юпитеру с помощью 8 ионных двигателей. Полет до точки назначения длился бы от 5 до 8 лет. На изучение Каллисто, а затем Ганимеда отводилось 6 месяцев, затем аппарат должен был выйти на орбиту Европы и через 30 дней покинуть место назначения. При удачном течении экспедиции, аппарат мог бы посетить еще орбиту Ио — еще одного спутника Юпитера. Миссия была отменена в 2005 году.

Альтернативные решения

Одна из перспективных идей для ионных ускорителей разрабатывается в Европейском Космическом Агентстве. Это прямоточный ионный двигатель, для которого не требуются топливные баки — на низких орбитах, он втягивает молекулы воздуха прямо из атмосферы, ионизирует их и выбрасывает из сопла, создавая тягу. Поскольку электроника будет работать на солнечной энергии, а топливо для двигателей будет забираться прямо из атмосферы, он сможет работать без дозаправки в течение неограниченного количества времени. Такую технологию можно применять не только на орбите Земли — ее можно использовать везде, где есть атмосфера: на Марсе, Венере или Титане.

Российские двигатели

Ионные двигатели уже внесли свой вклад в освоение космоса, и в ближайшие годы мы увидим еще больше миссий, оснащенных ими. Они могли бы стать первым шагов в освоении Марса в ближайшие десятилетия.

Читайте также: