Почему летит и как устроена ракета? Межконтинентальная баллистическая ракета: как это работает Как ракеты летают в космосе

Даже среди людей, изучавших физику, случается нередко слышать совершенно превратное объяснение полета ракеты: она летит потому будто бы, что своими газами, образующимися при горении в ней пороха, отталкивается от воздуха. Так думали в старину (ракеты – давнее изобретение). Однако если бы пустить ракету в безвоздушном пространстве, она полетела бы не хуже, а даже лучше, чем в воздухе. Истинная причина движения ракеты совершенно иная. Очень понятно и просто изложил ее революционер-первомартовец Кибальчич в предсмертной своей записке об изобретенной им летательной машине. Объясняя устройство боевых ракет, он писал:

«В жестяной цилиндр, закрытый с одного основания и открытый с другого, вставляется плотно цилиндр из прессованного пороха, имеющий по оси пустоту в виде канала. Горение пороха начинается с поверхности этого канала и распространяется в течение определенного промежутка времени до наружной поверхности прессованного пороха; образующиеся при горении газы производят давление во все стороны; но боковые давления газов взаимно уравновешиваются, давление же на дно жестяной оболочки пороха, не уравновешенное противоположным давлением (так как в эту сторону газы имеют свободный выход), толкает ракету вперед».

Здесь происходит то же, что и при выстреле из пушки: снаряд летит вперед, а сама пушка отталкивается назад. Вспомните «отдачу» ружья и всякого вообще огнестрельного оружия! Если бы пушка висела в воздухе, ни на что не опираясь, она после выстрела двигалась бы назад с некоторой скоростью, которая во столько же раз меньше скорости снаряда, во сколько раз снаряд легче самой пушки. В фантастическом романе Жюля Верна «Вверх дном» американцы задумали даже воспользоваться силой отдачи исполинской пушки для выполнения грандиозной затеи – «выпрямить земную ось».

Ракета – та же пушка, только извергает она не снаряды, а пороховые газы. По той же причине вертится и так называемое «китайское колесо», которым, вероятно, случалось вам любоваться при устройстве фейерверков: при горении пороха в трубках, прикрепленных к колесу, газы вытекают в одну сторону, сами же трубки (а с ними и колесо) получают обратное движение. В сущности, это лишь видоизменение общеизвестного физического прибора – сегнерова колеса.

Интересно отметить, что до изобретения парохода существовал проект механического судна, основанный на том же начале; запас воды на судне предполагалось выбрасывать с помощью сильного нагнетательного насоса в кормовой части; вследствие этого корабль должен был двигаться вперед, как те плавучие жестянки, которые имеются для доказательства рассматриваемого принципа в школьных физических кабинетах. Проект этот (предложенный Ремзи) не был осуществлен, однако он сыграл известную роль в изобретении парохода, так как натолкнул Фультона на его идею.

Мы знаем также, что самая древняя паровая машина, изобретенная Героном Александрийским еще во II веке до нашей эры, была устроена по тому же принципу: пар из котла поступал по трубке в шар, укрепленный на горизонтальной оси; вытекая затем из коленчато-изогнутых трубок, пар толкал эти трубки в обратном направлении, и шар начинал вращаться.

К сожалению, геронова паровая турбина в древности оставалась только любопытной игрушкой, так как дешевизна труда рабов никого не побуждала к практическому использованию машин. Но самый принцип не заброшен техникой: в наше время он применяется при устройстве реактивных турбин.

Ньютону – автору закона действия и противодействия – приписывают один из самых ранних проектов парового автомобиля, основанный на том же начале: пар из котла, поставленного на колеса, вырывается в одну сторону, а самый котел в силу отдачи катится в противоположную.

Ракетные автомобили, об опытах с которыми в 1928 г. много писали в газетах и журналах, представляют собой современное видоизменение ньютоновой повозки.

Для любителей мастерить приведен здесь рисунок бумажного пароходика, также очень похожего на ньютонову повозку: в паровом котле из опорожненного яйца, нагреваемом намоченной в спирте ваткой в наперстке, образуется пар; вырываясь струёй в одну сторону, он заставляет весь пароходик двигаться в противоположную сторону. Для сооружения этой поучительной игрушки нужны, однако, очень искусные руки.

Ракеты поднимаются в космическое пространство за счет сжигания жидких или твердых топлив. После воспламенения в высокопрочных камерах сгорания эти топлива, обычно состоящие из горючего и окислителя, выделяют огромное количество тепла, создавая очень высокое давление, под действием которого продукты сгорания движутся в сторону земной поверхности через расширяющиеся сопла.

Так как продукты сгорания истекают из сопел вниз, ракета поднимается вверх. Это явление объясняется третьим законом Ньютона, в соответствии с которым для каждого действия существует равное по величине и противоположное по направлению противодействие. Поскольку двигателями на жидком топливе легче управлять, чем твердотопливными, их обычно используют в космических ракетах, в частности, в показанной на рисунке слева ракете Сатурн-5. Эта трехступенчатая ракета сжигает тысячи тонн жидкого водорода и кислорода для вывода космического корабля на орбиту.

Для быстрого подъема вверх тяга ракеты должна превышать ее вес примерно на 30 процентов. При этом, если космический корабль должен выйти на околоземную орбиту, он должен развить скорость около 8 километров в секунду. Тяга ракет может доходить до нескольких тысяч тонн.

1. Пять двигателей первой ступени поднимают ракету на высоту 50-80 километров. После того как топливо первой ступени будет израсходовано, она отделится и включатся двигатели второй ступени.
2. Примерно через 12 минут после старта вторая ступень доставляет ракету на высоту более 160 километров, после чего отделяется с пустыми баками. Также отделяется ракета аварийного спасения.
3. Разгоняемая единственным двигателем третьей ступени, ракета переводит космический корабль «Аполлон» на временную околоземную орбиту, высотой около 320 километров. После непродолжительного перерыва двигатели включаются снова, увеличивая скорость космического корабля примерно до 11 километров в секунду и направляя его в сторону Луны.

Двигатель F-1 первой ступени сжигает топливо и выводит продукты сгорания в окружающую среду.

После запуска на орбиту космический корабль «Аполлон» получает разгонный импульс в сторону Луны. Затем третья ступень отделяется и космический корабль, состоящий из командного и лунного модулей, выходит на 100-километровую орбиту вокруг Луны, после чего лунный модуль совершает посадку. Доставив побывавших на Луне космонавтов на командный модуль, лунный модуль отделяется и прекращает свое функционирование.

Космос - это таинственное и максимально неблагоприятное пространство. Тем не менее Циолковский считал, что будущее человечества заключается именно в космосе. Нет никаких оснований спорить с этим великим ученым. Космос - это безграничные перспективы для развития всей человеческой цивилизации и расширения жизненного пространства. Кроме того, он скрывает в себе ответы на многие вопросы. Сегодня человек активно использует космическое пространство. И от того, как взлетают ракеты, зависит наше будущее. Не менее важно и понимание людьми этого процесса.

Космическая гонка

Не так давно две могучие сверхдержавы находились в состоянии холодной войны. Это было похоже на бесконечное состязание. Многие этот промежуток времени предпочитают описывать как обычную гонку вооружений, но это совершенно не так. Это гонка науки. Именно ей мы обязаны многими гаджетами и благами цивилизации, к которым так привыкли.

Космическая гонка была лишь одним из важнейших элементов холодной войны. Всего за несколько десятилетий человек перешел от обычных атмосферных полетов к высадке на Луне. Это невероятный прогресс, если сравнивать с другими достижениями. В то прекрасное время люди думали, что освоение Марса — это куда более близкая и реальная задача, чем примирение СССР и США. Именно тогда люди были максимально увлечены космосом. Практически каждый студент или школьник понимал, как взлетает ракета. Это не было сложным знанием, наоборот. Такая информация была простой и очень интересной. Астрономия приобрела чрезвычайную важность среди других наук. В те годы никто и сказать не мог, что Земля плоская. Доступное образование повсеместно ликвидировало невежество. Однако те времена давно прошли, и сегодня все совсем не так.

Декаданс

С распадом СССР закончилась и конкуренция. Пропал повод для сверхфинансирования космических программ. Многие перспективные и прорывные проекты так и не были реализованы. Время стремления к звездам сменилось настоящим декадансом. Что, как известно, обозначает упадок, регресс и определенную степень деградации. Для того чтобы понять это, не нужно быть гением. Достаточно обратить внимание на медиасети. Секта плоской земли активно ведет свою пропаганду. Люди не знают элементарных вещей. В Российской Федерации астрономия и вовсе не преподается в школах. Если подойти к прохожему и поинтересоваться, как взлетают ракеты, он не ответит на этот простой вопрос.

Люди даже не знают о том, по какой траектории ракеты летают. В таких условиях нет и смысла спрашивать про орбитальную механику. Отсутствие должного образования, "Голливуд" и видеоигры - все это создало ложное представление о космосе как таковом и о полетах к звездам.

Это не вертикальный полет

Земля не плоская, и это неоспоримый факт. Земля даже не шар, ведь она немного сплюснута по полюсам. Как взлетают ракеты в таких условиях? Поэтапно, в несколько стадий и не вертикально.

Самое большое заблуждение нашего времени состоит в том, что ракеты взлетают вертикально. Это совсем не так. Такая схема выхода на орбиту возможна, но очень неэффективна. Ракетное топливо заканчивается очень быстро. Иногда - менее чем за 10 минут. Для такого взлета попросту не хватит топлива. Современные ракеты взлетают вертикально только на начальном этапе полета. Затем автоматика начинает давать ракете небольшой крен. Причем чем выше высота полета, тем заметнее угол крена космической ракеты. Так, апогей и перигей орбиты формируются сбалансированно. Таким образом достигается максимально комфортное соотношение между эффективностью и расходом топлива. Орбита получается близкой к идеальному кругу. Идеальной же она не будет никогда.

Если ракета взлетает вертикально вверх, получится невероятно огромный апогей. Топливо закончится раньше, чем появится перигей. Иными словами, ракета не только не вылетит на орбиту, но и из-за нехватки топлива полетит по параболе обратно на планету.

В основе всего - двигатель

Любое тело не способно двигаться само по себе. Должно быть что-то, что заставляет его это делать. В данном случае это ракетный двигатель. Ракета, взлетая в космос, не теряет своей способности двигаться. Для многих это непонятно, ведь в вакууме реакция горения невозможна. Ответ максимально прост: немного иной.

Итак, ракета летит в В ее баках находится два компонента. Это топливо и окислитель. Их смешивание обеспечивает воспламенение смеси. Однако из сопел вырывается не огонь, а раскаленный газ. В этом случае нет никаких противоречий. Такая установка прекрасно работает в вакууме.

Ракетные двигатели бывают нескольких типов. Это жидкостные, твердотопливные, ионные, электрореактивные и ядерные. Первые два вида применяются чаще всего, так как способны давать наибольшую тягу. Жидкостные применяются в космических ракетах, твердотопливные - в межконтинентальных баллистических с ядерным зарядом. Электрореактивные и атомные предназначены для максимально эффективного передвижения в вакууме, и именно на них возлагают максимум надежд. В настоящее время вне тестовых стендов они не применяются.

Однако недавно Роскосмос разместил заказ на разработку орбитального буксира с ядерным двигателем. Это дает повод надеяться на развитие технологии.

Особняком держится узкая группа двигателей орбитального маневрирования. Они предназначены для управления Однако используются не в ракетах, а в космических кораблях. Их недостаточно для полетов, но хватает для маневрирования.

Скорость

К сожалению, в наше время люди приравнивают космические полеты к базовым единицам измерения. С какой скоростью взлетает ракета? Это вопрос не совсем корректен по отношению к Совершенно неважно, с какой скоростью они взлетают.

Ракет существует довольно-таки много, и все из них имеют разную скорость. Те, что предназначены для вывода космонавтов на орбиту, летят медленнее грузовых. Человек, в отличие от груза, ограничен перегрузками. Грузовые же ракеты, например сверхтяжелая Falcon Heavy, взлетает слишком быстро.

Точные единицы скорости посчитать трудно. Прежде всего потому, что они зависят от полезной нагрузки РН (ракеты-носителя). Вполне логично, что РН с полной загрузкой взлетает гораздо медленнее полупустой РН. Однако есть общая величина, которую все ракеты стремятся достигнуть. Это называется космической скоростью.

Существует первая, вторая и, соответственно, третья космическая скорости.

Первая - необходимая скорость, которая позволит двигаться по орбите и не падать на планету. Она составляет 7,9 км в секунду.

Вторая нужна для того, чтобы покинуть земную орбиту и отправиться к орбите другого небесного тела.

Третья же позволит аппарату преодолеть притяжение Солнечной системы и покинуть ее. В настоящее время с такой скоростью летят аппараты "Вояджер-1" и "Вояджер-2". Однако вопреки словам СМИ, они все еще не покинули границы Солнечной системы. С астрономической точки зрения им потребуется не менее 30 000 лет, чтобы достигнуть облака Орта. Гелиопауза же не является границей звездной системы. Это лишь место, в котором солнечный ветер сталкивается с межсистемной средой.

Высота

На какую высоту взлетает ракета? На ту, которая требуется. После достижения гипотетической границы космоса и атмосферы измерять расстояние между кораблем и поверхностью планеты некорректно. После выхода на орбиту корабль находится в другой среде, и дистанция измеряется в величинах расстояния.

Выбрасывающие языки пламени ракетные двигатели выводят космический корабль на орбиту вокруг Земли. Другие ракеты выводят корабли за пределы Солнечной системы.

Во всяком случае, когда мы думаем о ракетах, то представляем себе космические полеты. Но ракеты могут летать и в вашей комнате, например во время празднования вашего дня рождения.

Обычный воздушный шарик тоже может быть ракетой. Каким образом? Надуйте шарик и зажмите его горловину, чтобы воздух не выходил наружу. Теперь отпустите шарик. Он начнет летать по комнате совершенно непредсказуемо и неуправляемо, толкаемый силой вырывающегося из него воздуха.

Вот другая простенькая ракета. Поставим на железнодорожную дрезину – пушку. Направим ее назад. Допустим, что трение между рельсами и колесами очень мало и торможение будет минимальным. Выстрелим из пушки. В момент выстрела дрезина тронется вперед. Если начать частую стрельбу, то дрезина не остановится, а с каждым выстрелом будет набирать скорость. Вылетая из пушечного ствола назад, снаряды толкают дрезину вперед.

Сила, которая при этом создается, называется отдачей. Именно эта сила заставляет двигаться любую ракету, как в земных условиях, так и в космосе. Какие бы вещества или предметы ни вылетали из движущегося предмета, толкая его вперед, мы будем иметь образец ракетного двигателя.

Интересно:

Почему звезды не падают? Описание, фото и видео

Ракета намного лучше приспособлена для полетов в космической пустоте, чем в земной атмосфере. Чтобы вывести в космос ракету, инженерам приходится конструировать мощные ракетные двигатели. Свои конструкции они основывают на универсальных законах мироздания, открытых великим английским ученым Исааком Ньютоном, работавшим в конце 17 века. Законы Ньютона описывают силу тяжести и то, что происходит с физическими телами, когда они движутся. Второй и третий законы помогают отчетливо понять, что представляет из себя ракета.

Движение ракеты и законы Ньютона

Второй закон Ньютона связывает силу движущегося предмета с его массой и ускорением (изменением скорости в единицу времени). Таким образом, для со здания мощной ракеты надо, чтобы ее двигатель выбрасывал большие массы сгоревшего топлива с большой скоростью. Третий закон Ньютона гласит, что сила действия равна силе противодействия и направлена в противоположную сторону. В случае ракеты сила действия - это раскаленные газы, вырывающиеся из сопла ракеты, сила противодействия толкает ракету вперед.

Ракеты, выводящие на орбиты космические корабли, используют как источник силы раскаленные газы. Но роль газов может играть все что угодно, то есть от выброшенных в пространство с кормы твердых тел до элементарных частиц - протонов, электронов, фотонов.

За счет чего летит ракета?

Многие думают, что ракета движется оттого, что газы, выброшенные из сопла, отталкиваются от воздуха. Но это не так. Именно сила, которая выбрасывает газ из сопла, толкает ракету в космос. Действительно ракете легче летать в открытом космосе, где нет воздуха, и ничто не ограничивает полет частиц газа, выброшенного ракетой, а чем быстрее распространяются эти частицы, тем быстрее летит ракета.