ГБОШИ РФМЛИ.

Научный руководитель: , доцент СОГУ.

Заслуга Циолковского не в формуле, а в том, что он первый увидел в ней возможность выхода человека в мировое пространство.

Предисловие.

Мысль о путешествиях на другие планеты, о странствии в межзвездных пустынях еще недавно была только мечтой. Но сейчас нет уже сомнений, что, подобно тому, как авиация из заманчивой грезы превратилась в повседневную действительность, так и в недалеком будущем осуществится мысль о полетах в дальний космос.

Рождение космонавтики, как науки, произошло в 1987 году. В этом году была опубликована магистерская диссертация, содержащая фундаментальное уравнение динамики тел переменной массы. Уравнение Мещерского дало космонавтике «вторую жизнь»: теперь в распоряжении ракетостроителей появились точные формулы, которые позволяли создавать ракеты, основываясь не на опыте предыдущих наблюдении, а на точных математических расчетах.

Но наибольшую известность в космонавтики получило не уравнение Мещерского, а уравнение Циолковского. Оно представляет собой частный случай уравнения Мещерского.

можно назвать отцом космонавтики. Он был первым, кто увидел в ракете средство для покорения человеком космоса. До Циолковского на ракету смотрели как на игрушку для развлечений или как на один из видов оружия. Заслуга состоит в том, что он теоретически обосновал возможность покорения космоса при помощи ракет, вывел формулу скорости движения ракеты, указал на критерии выбора топлива для ракет, дал первые схематические чертежи космических кораблей, привёл первые расчеты движения ракет в поле тяготения Земли и впервые указал на целесообразность создания на орбитах вокруг Земли промежуточных станций для полётов на другие тела Солнечной системы.

Цели и задачи данной работы:

1. Получить нерелятивистское уравнение реактивного движения.

2. Получить уравнение реактивного движения в гравитационном поле.

3. Получить релятивистское уравнение реактивного движения.

4. Вычислить коэффициент полезного действия ракеты.

5. Изучить принцип работы фотонного двигателя. Получить уравнение, описывающее движение фотонной ракеты.

Реактивное движение.

Среди великих технических и научных достижений XX века одно из первых мест, несомненно, принад­лежит ракетам и теории реактивного движения. Годы второй мировой войны привели к быстрому совершенствованию конструкций реак­тивных аппаратов. На полях сражений появились пороховые ракеты, но уже на более калорийном бездым­ном тротил-пироксилиновом порохе («катюши»). Были созданы самолеты с воздушно-реактивными двигателями, беспилотные самолеты с пульсирующими воздушно-реак­тивными двигателями (Фау-1) и баллистические ракеты с дальностью полета до 300 км (Фау-2).

https://pandia.ru/text/80/345/images/image002_47.gif" width="53" height="41 src=">, тогда реактивная сила, кото­рую обозначим через , будет равна

У немецкой ракеты Фау-2 весовой секундный расход со­ставляет в среднем 127,4 кг. Скорость истечения продук­тов сгорания из сопла двигателя равна 2000 м/сек. Реак­тивная сила в этом случае равна

Приведенные примеры показывают, что реактивная сила тем больше, чем больше секундный расход топлива и чем больше относительная скорость отбрасывания частиц.

Уравнения Мещерского и Циолковского.

Уравнения движения тел с переменной массой являются следствиями законов Ньютона. Тем не менее, они представляют большой интерес, главным образом, в связи с ракетной техникой.

Принцип действия ракеты очень прост. Ракета с большой скоростью выбрасывает вещество (газы), воздействуя на него с большой силой. Выбрасываемое вещество с той же, но противоположно направленной силой, в свою очередь, действует на ракету и сообщает ей ускорение в противоположном направлении. Если нет внешних сил, то ракета вместе с выброшенным веществом является замкнутой системой. Импульс такой системы не может меняться во времени. На этом положении и основана теория движения ракет.

Получим уравнение движения материальной точки с переменной массой на примере движения ракеты, следуя изложению из . Пусть m – масса ракеты в некоторый момент времени, а v – ее скорость в тот же момент времени. Спустя время dt масса ракеты и ее скорость получат приращения dm и dv, за счет того, что будет выброшена масса газов dmгаз со скоростью vгаз. Тогда изменение суммарного импульса системы ракета плюс газы, на которую действует внешняя постоянная сила F, будет равно

(m+dm)(+d )+ dm газ – m = dt.

Учитывая, что dm газ + dm =0 и = – ( – скорость истечения газов относительно ракеты), раскрываем скобки, пренебрегаем слагаемым dmd и в итоге получаем:

md = dm + dt <=> m = + .

По форме это уравнение похоже на второй закон Ньютона. Однако масса ракеты m здесь непостоянна из-за потери вещества. К внешней силе F добавляется дополнительное слагаемое , называемое реактивной силой, с которой выброшенные газы действуют на ракету. Это есть уравнение.

Применим уравнение Мещерского для полета ракеты, когда на нее не действуют внешние силы, т. е. F=0. Тогда мы получим:

m = (1.1)

Пусть ракета движется прямолинейно в направлении, противоположном направлению движению газов. Если принять направление полета за положительное, то уравнение 1.1 в скалярной форме выглядит так:

Будем для простоты полагать, что скорость u является постоянной, тогда:

v =– u =– u + C .

Значение постоянной C можно найти из следующих соображений: в начальный момент времени скорость ракеты v=0, а ее масса m равна начальной массе m0, отсюда C= u ln m 0 . Значит,

v = u ln m 0 / m , или m = m 0 exp (- v / u ).

Полученное уравнение есть формула Циолковского. Она получена для нерелятивистских движений, т. е. для случаев, когда v и vотн очень малы по сравнению со скоростью света. Но ее можно обобщить на случай движения со скоростями, близкими к скорости света.

Обозначим за v и m – масса покоя и скорость ракеты в произвольный момент времени, mгаз и vгаз – те же величины для газов, образовавшихся из ракеты к этому моменту времени. Газы, уже покинувшие ракету, на ее движение влияния не оказывают, поэтому можно будет принять mгаз=0. Но газы образуются непрерывно, поэтому dmгаз≠0. Запишем законы сохранения импульса и энергии:

+ = const ,

+ = const .

Дифференцируя 1-ое уравнение, учитывая 2-ое, и принимая в итоге mгаз=0, получим:

+ (- ) =0. (1)

По релятивистскому закону сложения скоростей получаем:

v газ = , (2)

Исключая из уравнения 1 vгаз с помощью уравнения 2, получим:

dv /(v 2 - c 2 )= .

Для простоты полагая скорость u постоянной и интегрируя, находим, что:

m 0 / m = , (3)

где a = .

Уравнение 3 есть релятивистская формула Циолковского. Разумеется, она должна содержать нерелятивистскую формулу как предельный случай. Проверим это. Выражение будет стремится к бесконечности, a – к нулю.

= = = =

= = = .

Аналогично получаем, что:

В итоге получаем:

<=> m 0 / m = ,

Что и требовалось доказать.

Уравнение реактивного движения в поле тяжести.

Используя уравнение Мещерского, попробуем описать движение ракеты в поле тяжести, т. е. найдем связь между массой ракеты m (t ) , достигнутой ею скоростью v (t ) и временем t согласно изложению в . Для простоты будем считать, что ракета движется вертикально вверх в поле тяжести Земли, что скорость газовой струи относительно ракеты u является постоянной. Также, пренебрежем сопротивлением воздуха и изменением ускорения свободного падения g с высотой.

Как было показано выше:

m = - u – mg . (уравнение Мещерского в скалярной форме).

Переписывая это уравнение в виде

m = - u <=> = -

Последнее уравнение имеет такой же вид, как и уравнение 1.1. Поэтому просто заменим (v + gt ) за неизвестное, заменяя им в уравнении 1.1 v. Тогда получим:

m0/m = exp() (4)

v (t )= u ln (m 0 / m ) – gt .

Попробуем теперь найти, какую массу газов μ(t ) должна выбрасывать ракета, чтобы оставаться неподвижной в поле тяжести Земли. Его легко найти из условия неподвижности ракеты () . Очевидно, величина μ равна –.

μ = – = . = (m0g/u) exp(-gt/ u).

Полезное действие ракеты.

Подсчитаем, какую долю энергии горючего ракета переводит в полезную механическую работу. Условимся называть коэффициентом полезного действия ракеты η отношение кинетической энергии ракеты в конце разгона к кинетической энергии выброшенных газов. Положим начальная и конечная массы ракеты соответственно m0 и m, время работы двигателей ракеты τ, массовый расход топлива равен μ, скорость истечения газов относительно ракеты постоянна и равна u. Тогда легко найти конечную скорость ракеты, используя формулу Циолковского. Зная, что

v = u ln m 0 / m ,

Находим, что конечная кинетическая энергия ракеты равна

Теперь посчитаем полную кинетическую энергию выброшенных газов в системе отсчета, связанной с Землей. Она будет равна

E2== μ + (v-u) .

Как было показано выше,

= –<=> = <=> = .

Используя формулу Циолковского, получаем

= – m0 exp(-v/u)= – μ.

=exp(v/u).

Учитывая это, получаем, что

E2= dt= + .

Учтем то, что

Тогда, избавляясь от значения v и после несложных преобразований, получим, что

E2= .

Находим отношение энергии ракеты к энергии газов:

Заметим, что это очень небольшой кпд. Например, используя полученное выражение, вычисли кпд ракеты Союз-2.1в. Масса полезного груза для нее обычно – 2,8 тонны, а вся стартовая масса – 157 тонн. Подставляя эти значения в выражение для кпд, получим, что он приблизительно равен 3,5%.

Применение формулы Циолковского.

Из формулы Циолковского следует:

а). Скорость движения ракеты в конце работы двига­теля (в конце активного участка полета) будет тем больше, чем больше относительная скорость отбрасывае­мых частиц. Если относительная скорость истечения удваивается, то и скорость ракеты возрастает в два раза.

б). Скорость ракеты в конце активного участка возра­стает, если увеличивается отношение начальной массы (веса) ракеты к массе (весу) ракеты в конце горения. Од­нако здесь зависимость более сложная, она дается сле­дующей теоремой Циолковского:

«Когда масса ракеты плюс масса взрывчатых веществ, имеющихся в реактивном приборе, возрастает в геометри­ческой прогрессии, то скорость ракеты увеличивается в прогрессии арифметической».

Этот закон можно выразить двумя рядами чисел:

Из теоремы и пояснений Циолковского видно, что «скорость ракеты далеко не про­порциональна массе, взрывчатого материала: она растет весьма медленно, но беспредельно».

Из формулы Циолковского следует весьма важный практический результат: для получения возможно боль­ших скоростей ракеты в конце работы двигателя нужно увеличивать относительные скорости отбрасываемых ча­стиц и увеличивать относительный запас топлива.

Простая формула Циолковского позволяет путем эле­ментарных вычислений устанавливать исполнимость того или другого задания. В самом деле, пусть, например, вы хотите создать одноступенчатую ракету для полета на Марс. Вы располагаете двигателем, имеющим относи­тельную скорость отброса частиц, равную . Тогда, зная, что для преодоления поля тяготения Земли нужна скорость , можно найти необходимый относительный запас топлива в ракете. Из формулы Циолковского имеем

,

По таблицам десятичных логарифмов находим, что

т. е. суммарный вес конструкции ракеты, двигателя, вспо­могательных механизмов и приборов управления должен составлять немногим больше 1% стартового веса. Такую ракету сделать невозможно. Если бы удалось увеличить относительную скорость истечения до то из формулы Циолковского легко найти, что в этом случае

а следовательно,

т. е. вес ракеты без топлива должен составлять 10% ее стартового веса. Такую ракету можно создать.

Формула Циолковского позволяет рассчитать запас топлива, необходимый для сообщения ракете скорости v. Как видно, отношение начальной массы m0 к конечной массе ракеты равно exp(v/u). В таблице 1 приведены отношения начальной массы ракеты m0 к ее конечной массе m, полученные с помощью нерелятивистской формулы (ее можно применять, например, для движения ракет на химическом топливе).

Таблица 1.

Скорость истечения газов у современных ракет на химическом топливе составляет примерно 3–4 км/с. Для сообщения ракете первой космической скорости, равной 8 км/с, отношение m 0 / m будет равно 7,39 при скорости истечения газов 4 км/с. При скорости истечения 2 км/с это отношения равно 54,6. Т. е. практически вся начальная масса ракеты приходится на топливо. Но и при отношении m0/m, равном 7,39, масса топлива в несколько раз превосходит массу самой ракеты. Технические трудности, связанные с достижением космических скоростей, решаются с помощью многоступенчатых ракет, идея создания которых принадлежит Циолковскому.

Для межзвездных полетов космических кораблей ракеты на химическом топливе абсолютно непригодны. Ближайшие к нам звезды находятся на расстоянии примерно 4 световых лет, поэтому для межзвездной экспедиции приемлемой длительности необходимы скорости близкие к скорости света. Формула Циолковского показывает, что для достижения таких скоростей, отношение m0/m будет невообразимо большим:

Таблица2.

Результаты, приведенные в таблице, 2 наглядно показывают, как существенны релятивистские эффекты. При скорости равной только 0,25c отношение m 0 / m ≈5*103327 . На каждую полезную тонну груза будет приходиться 5*103327 тонн топлива! Т. е. если полезная масса корабля всего лишь 1 кг, то масса топлива равна 5*103327 кг. Эта величина колоссальна, к примеру, масса нашей галактики «всего-то» 3*1038.

Конечно, нет смысла говорить о движении фантастического корабля с массой, превышающей массу нашей Метагалактики. Кроме того, обычная теория движения ракет основана на предположении, что импульс практически мгновенно передается ракете в целом. Это условие не может выполняться для ракет очень больших размеров. Можно конечно придумать какой-нибудь корабль, для которого оно выполняться будет, но, во всяком случае, примеры показывают, что ракеты на химическом топливе к межзвездным полетам непригодны.

Для превращения ракеты в межзвездный корабль, нужно приблизить скорость струи к скорости света. Так могло бы быть в фотонной ракете, для которой u = c , роль газовой струи для нее выполняет световой пучок, излучаемый двигателем корабля. Реактивная сила в фотонной ракете осуществлялась бы давлением света.

Принцип работы фотонного двигателя.

Для начала, поясним, что такое фотонный двигатель. Фотонный (или квантовый двигатель) есть гипотетический двигатель, в котором бы источником энергии служило бы тело, излучающее свет. Фотон, имея импульс, при истекании из двигателя создает реактивную силу. Теоретически, фотонный двигатель может позволить развить скорости, близкие к скорости света. Однако практическая разработка подобных двигателей дело отдаленного будущего.

Чаще всего обсуждаются и упоминаются в научно-фантастической литературе идеи создания такого двигателя с использованием антивещества. Энтузиасты считают, что взаимодействие вещества и антивещества позволяет перевести практически всю вступающую в реакции массу в излучение.

Принцип работы фотонного двигателя следующий: в камеру подается вещество и антивещество. В ходе аннигиляции появляются кванты света, которые направляются на стенку-зеркало, оказывая на нее давление, вызывающее реактивную тягу.

На сегодняшний день идея фотонного двигателя далека от технического воплощения. Она содержит ряд проблем, который пока что не удается решить даже теоретически.

Первая трудность, стоящая на пути осуществления классической фотонной ракеты – большая относительная масса ракеты на старте. Для того, чтобы совершить полёт к другой звезде и вернуться обратно, необходимо совершить четыре разгона (2 раза набирать скорость, и 2 раза тормозить). Скорость, развиваемую в ходе полёта, можно оценить в 0,9 скорости света, тогда стартовая масса превосходит конечную (по расчетам Зенгера) в 361 раз! Для современных ракет это число порядка 30: для «Сатурна-5» - 3000 тонн/100 тонн=30, для «Протона» - 600 тонн/20 тонн=30. Это показывает, насколько будет сложно создать подобную ракету.
Вторая трудность связана с тем, что при реакции аннигиляции рождаются кванты излучения, имеющие очень малую длину волны. При расчётах выясняется, что это будут гамма-кванты. Ещё не существует способа отражать такие кванты.

Наконец, существующие зеркала поглощают большую долю падающей на них энергии, поэтому излучение двигателя просто испарит любое зеркало. Чтобы этого не произошло, пришлось бы увеличивать диаметр зеркала, но тогда оно приобретёт гигантские размеры.

Для того, чтобы решить первую проблему, стоящую на пути создания фотонной ракеты, Бурдаков и Данилов предложили использование внешней среды в качестве топлива. Идея заключается в том, что теперь необходимо везти лишь половину горючего, т. е. антивещество, которого нет в пространстве, находится на борту ракеты, а обычное вещество забирается массозаборником из окружающей среды.

Для того, чтобы осуществлять сбор межзвёздного вещества, на 70% состоящего из водорода , необходимо его ионизировать. Для этого предложено направлять вперед поток электромагнитного излучения или электронов. Ионизованный водород собирается магнитным массозаборником, представляющим собой конус диаметром 20 метров и длиной около 25, состоящий из витков сверхпроводника. Современные материалы теряют сверхпроводимость при напряжённости магнитного поля в массозаборнике. Поэтому предлагается использование металлического водорода, или его сплава с лёгким металлом, охлаждаемого жидким гелием.

Легко заметить, что эту формулу легко получить, просто приняв в релятивистской формуле Циолковского u = c .

Выводы:

В данной исследовательской работе получены релятивистская и нерелятивистская формулы Циолковского для движения ракет в поле тяжести и в отсутствии его. Они имеют очень важное практическое значение в космонавтике. При помощи этих уравнений можно решить многие задачи, связанные с движением ракет.

На основании формулы Циолковского получено выражение для КПД ракеты. Показано, что он имеет весьма небольшое значение для современных ракет на химическом топливе.

Так же показано, что для межзвездных полетов неприменимы ракеты на химическом топливе из-за технических трудностей, связанных с большой массой необходимого топлива.

Изучен принцип работы фотонного двигателя, гипотетически способного позволить достичь скоростей, близких к скорости света, и совершать межзвездные полеты. Получено уравнение, описывающее движение фотонной ракеты.

Использованная литература:

1. Сивухин: Учебное пособие для вузов. – 3-е изд., 1989.

2. , Кондратьев для поступающих в вузы: Учеб. Пособие. – 3-е изд., 1991.

3. Журнал «Квант» 1990.

4. , «Ракеты будущего» 1980.

Циолковский попытался сделать математический расчёт движения такой ракеты в свободном пространстве. Понятно, что в ходе полёта масса ракеты из-за расхода топлива будет постепенно уменьшаться. Циолковский учёл это и вывел формулу, позволяющую определить скорость ракеты при постепенном изменении её массы. Эта формула называется теперь формулой Циолковского. Благодаря ей впервые стало возможным путём вычислений заранее определять лётные характеристики ракет. Позже Циолковский попробовал разрешить более сложную задачу - рассчитать движение ракеты при её вертикальном старте с поверхности Земли, то есть тогда, когда на неё воздействует гравитация и сила лобового сопротивления воздуха. Выведенные им формулы не учитывают многих обстоятельств, с которыми столкнулась позднее ракетодинамика (например, Циолковский не имел ещё представления о силах сопротивления при сверхзвуковых скоростях, движение ракеты он рассматривал как прямолинейное, а влияние систем управления на лётный характеристики вообще не учитывалось). Поэтому в наше время расчёты Циолковского можно рассматривать лишь как первое (грубое) приближение, но суть происходящего отражена в них верно.

Управлять полётом ракеты Циолковский предполагал или при помощи графитовых рулей, помещаемых в струе газа вблизи раструба (сопла) реактивного двигателя, или поворачивая сам раструб. Чтобы уменьшить отрицательное воздействие перегрузок на космонавтов при старте ракеты, Циолковский предлагал погружать их в жидкость равной плотности. Позже Циолковский пришёл к очень плодотворной идее многоступенчатых ракет. Он же заложил основы расчёта полёта этих ракет. (В 1926 г. Циолковский разработал теорию полёта двухступенчатой ракеты с последовательным отделением ступеней, а в 1929 г. - общую теорию полёта многоступенчатой ракеты.)

Но при всём увлечении Циолковского ракетодинамикой, ракета всегда оставалась для него только средством для преодоления земного притяжения и выхода в космос. Он много размышлял над теми проблемами, которые встретит человек, оказавшись в межпланетном пространстве и на других планетах, поэтому его с полным основанием можно считать также основоположником космонавтики. Многие предвидения Циолковского в этой области оказались чрезвычайно точными. Он, к примеру, красочно и очень верно описал ощущения, которые будет испытывать человек при старте ракеты и при выходе её в космическое пространство, в также то. Что он там увидит. Фантазия его далеко опережала своё время. Циолковский был твёрдо убеждён, что выход человечества в космос совершенно неизбежен и что именно освоение космоса поможет решить многие современные проблемы землян. В своих книгах он описывал целые кольца космических поселений на громадных орбитальных станциях будущего, расположенных вокруг солнца. Большую роль должны были играть на них космические оранжереи, так как в космосе можно собирать более значительные урожаи, чем на Земле. Он считал. Что обилие дешёвой солнечной энергии позволит человеку переместить в космос многие промышленные предприятия. «Завоевание солнечной системы, - писал Циолковский, - даст не только энергию и жизнь, которые в два миллиарда раз будут обильнее земной энергии и жизни, но и простор ещё более обильный».

Идеи Циолковского намного обогнали своё время. Современники не понимали его работ, правительство не спешило оказать ему материальную поддержку. В старости учёный с горечью писал: «Тяжело работать в одиночку многие годы при неблагоприятных условиях и не видеть ниоткуда ни просвета, ни поддержки». И в самом деле, исследования его протекали в очень тяжёлых условиях: мизерное жалование, большая семья, тесная и неудобная квартира, постоянная нужда, насмешки обывателей - всё это сопутствовало Циолковскому на протяжении всей его жизни. Многие свои книги Циолковскому пришлось публиковать за свой счёт и бесплатно рассылать по библиотекам.

2.1. Идеальная скорость и массовые характеристики ракеты

Идеальная скорость - скорость, которую приобрел бы летательный аппарат, двигаясь прямолинейно, если бы весь запас энергии, находящийся на его борту, был бы израсходован на ускорение.

где: , - действительная скорость и её потери;

dV rp , d У Аяр , dV ynp - потери скорости гравитационные, аэродинамиче­ские и на управление, соответственно.

Первая космическая скорость V K , = 7900 м / c

V К 1 + dV пк 1 = V К2 = 10200 м / с

Идеальная скорость характеризует запас топлива на борту ра­кеты, необходимый для проведения определенного маневра.

Массовая характеристика ракеты

Массовые модели одно и двухступенчатых ракет приведены на рис. 8.

Рис.8

Условные обозначения: о. к, п, п.ф., коне, т, - массы стартовая, конечная, полезная, полезная фик­тивная, конструкции и топлива, соответственно.

Масса ракеты, находящаяся над ступенью, также называется полезной фиктивной нагрузкой.

Одноступенчатая ракета называется субракетой.

Количество субракет определяется требуемой дальностью доставки полезного груза. Так при использовании ЖРДУ для обеспечения дальности полёта до 1000 км используется 1 ступень, при дальности 1000 - 3000 км - 2 ступени, а при дальности более 3000 км - 3 ступени.

2.2. Относительные массовые характеристики субракет

1. Относительная масса полезного груза

2. Относительная масса конструкции

3.Относительная массатоплива

4.Число Циолковского - Z и модифицированное число Циолковско­ го -z:

2.3. Формула Циолковского

Предназначена для определения идеальной скорости ракеты. При выводе формулы Циолковского примем следующие допущения:

ракета летит прямолинейно;

гравитационные силы не рассматриваются;

давление окружающей среды отсутствует.

Рассмотрим расчётную схему исследуемого процесса, рис.9.

Согласно первого закона Ньютона:

Согласно формуле тяги:

Знак «-» в вышеприведенной формуле указывает на снижение массы двигательной установки М за счет уменьшения массы топлива.

Если конструкция космического аппарата состоит из N субракет и при этом значения числа Циолковского и эквивалентной скорости для них одинако­вы, то изменение идеальной скорости можно рассчитать по формуле:

3. Рабочий процесс в химических ракетных двигателях

3.1. Аэрогазодинамический нагрев в полёте

При движении газа с гиперзвуковыми скоростями М>5 на процесс теп­лообмена существенное влияние оказывают явления диссоциации, рекомбина­ции и ионизации.

Диссоциация - процесс разложения молекулярных соединений и ато­мов на их составляющие. Процесс сопровождается значительным поглощением тепла.

Рекомбинация - процесс обратный диссоциации; происходит с выде­лением тепла.

Существенная интенсификация данного процесса наблюдается при на­личии катализатора, в качестве которого можно рассматривать поверхность летательного аппарата (ЛА).

Ионизация - процесс отрыва свободных электронов от атомов.

При М<20 ионизируется менее 1% воздуха. Поэтому при указанных режимах полета влияние ионизации на теплообмен можно не учитывать.

В случае исследование теплообмена между поверхностью ЛА и газо­вым потоком при М<20 могут быть использованы зависимости, полученные в курсе «Термодинамика газовых потоков», с учетом влияния рассмотренных процессов на теплофизические свойства окружающей среды.

При движении ЛА с космическими или околокосмическими скоростя­ми в сильно разреженных слоях атмосферы протяжённость свободного пробе­га молекулы соизмерима, а в некоторых случаях превышает протяжённость летательного аппарата.

Такая зона полета называется областью свободномолекулярного пото­ка. При этом у поверхности ЛА отсутствует пограничный слой и математиче­ские зависимости полученные в курсе «Термодинамика газовых потоков», ста­новятся не применимы.

При полёте в области свободно молекулярного потока определяющим является критерий Кнудсена:

где: М и Re- критерии Маха и Рейнольдса, соответственно; к - показатель адиабаты.

В области свободномолекулярного потока величина критерия Кнудсе­на Кn>10.

При 0,1>Кn>0,01 у поверхности ЛА образуется тонкий пограничный слой скользящий вдоль неё, в котором наблюдается резкое изменение парамет­ров потока.

Процесс соударения между потоком и поверхностью ЛА характеризу­ется коэффициентом аккомодации А. Его величина зависит от параметров по­тока и состояния поверхности; характеризует относительную энергию, переда­ваемую от молекулы к поверхности ЛА при их соударении.

При проведении технических расчетов величина А принимается равной 0,9.

Процесс теплообмена в области свободно молекулярного потока с дос­таточной степенью точности характеризуется уравнением:

Характеризует отношение скорости полёта ЛА к возможной скорости молекулы;

Критерий Прандтля.

Подробности Категория: Человек и небо Опубликовано 10.06.2014 18:24 Просмотров: 8198

«Земля – колыбель человечества. Но нельзя вечно жить в колыбели». Это высказывание принадлежит русскому изобретателю, выдающемуся учёному-самоучке Константину Эдуардовичу Циолковскому.

Циолковского называют отцом космонавтики. Ещё в 1883 г. в своей рукописи "Свободное пространство" он высказывал мысль о том, что в космосе можно передвигаться с помощью ракеты. Но теорию ракетного движения он обосновал гораздо позже. В 1903 г. была опубликована первая часть труда учёного, который назывался «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В этом труде он привёл доказательства того, что ракета является аппаратом, способным совершать космический полёт.

Научными разработками в области воздухоплавания и аэродинамики Циолковский занимался и ранее. В 1892 г. в работе «Теория и опыт аэростата» он описал управляемый дирижабль с оболочкой из металла. В те времена оболочки делали из прорезиненной ткани. Понятно, что дирижабль Циолковского мог служить гораздо дольше. Кроме того, он был оснащён системой подогрева газа и имел переменный объём. А это позволяло сохранять постоянную подъёмную силу при различных температурах окружающей среды и на различной высоте.

В 1894 г. учёный опубликовал статью «Аэростат или птицеподобная (авиационная) летательная машина», в которой описал летательный аппарат тяжелее воздуха – аэроплан с металлическим каркасом. В статье были даны расчёты и чертежи цельнометаллического самолёта с одним изогнутым крылом. К сожалению, в то время идеи Циолковского не были поддержаны в научном мире.

Многие поколения учёных мечтали о полётах за пределы Земли – на Луну, Марс и другие планеты. Но как будет двигаться летательный аппарат в космосе, где абсолютная пустота и нет опоры, оттолкнувшись от которой он получит ускорение? Циолковский предложил использовать для этой цели ракету, приводимую в движение реактивным двигателем.

Как устроен ракетный двигатель

В космическом пространстве нет ни твёрдой, ни жидкой, ни газообразной опоры. И ускорение космическому кораблю может сообщить только реактивная сила . Для появления этой силы внешние воздействия не нужны. Она возникает, когда продукты сгорания вытекают из сопла ракеты с некоторой скоростью относительно самой ракеты.

Основная часть ракетного двигателя – камера сгорания . В ней и происходит процесс сгорания топлива. В одной из стенок этой камеры есть отверстие, называемое реактивным соплом . Вот через это отверстие и выбрасываются газы, образуемые при сгорании.

Продукты сгорания топлива в двигателях называют рабочим телом. Вообще, рабочее тело – это некое условное материальное тело, расширяющееся при нагреве и сжимающееся при охлаждении. В каждом типе двигателя оно разное. Так, в тепловых двигателях, рабочее тело – это продукты сгорания бензина, дизельного топлива и др. В ракетных – продукты сгорания ракетного топлива. А топливо для ракетных двигателей также бывает разным. И в зависимости от его вида различают ядерные ракетные двигатели, электрические ракетные двигатели, химические ракетные двигатели.

В ядерном ракетном двигателе рабочее тело нагревается за счёт энергии, которая выделяется при ядерных реакциях.

В электрических ракетных двигателях источником энергии служит электрическая энергия.

Химические ракетные двигатели , в которых топливо (горючее и окислитель) состоит из веществ, находящихся в твёрдом состоянии, называются твёрдотопливными (РДТТ). А в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) компоненты топлива хранятся в жидком агрегатном состоянии.

Циолковский предложил использовать для полётов в космосе жидкостные ракетные двигатели. Такие двигатели преобразуют химическую энергию топлива в кинетическую энергию выбрасываемой из сопла струи. В камерах сгорания этих двигателей происходит экзотермическая (с выделением теплоты) реакция горючего и окислителя. В результате этой реакции продукты сгорания нагреваются, расширяются и, разгоняясь в сопле, истекают из двигателя с огромной скоростью. А ракета, согласно закону сохранения импульса, получает ускорение, направленное в другую сторону.

И в наше время для полётов в космосе применяют ракетные двигатели. Конечно, существуют и другие проекты двигателей, например, космический лифт или солнечный парус , но все они находятся в стадии разработки.

Первая ракета Циолковского

Люди придумали ракеты очень давно.

В конце III века до нашей эры человечество изобрело порох. А сила, возникающая при взрыве пороха, могла приводить в движение различные предметы. И пиротехнические средства стали использовать для фейерверков. Позже были созданы пушки и мушкеты. Их снаряды могли летать на вполне приличное расстояние. Но ракетами их всё-таки назвать нельзя было, так как они не имели собственного топлива. Но с их появлением возникли предпосылки для создания настоящих ракет.

Китайские «огненные стрелы», к которым прикреплялись трубки из плотной бумаги, заполненные горючим веществом и открытые с заднего конца, вылетавшие из лука при поджигании заряда, уже можно было считать ракетами.

В конце XIX века ракеты уже были на вооружении в артиллерии. Циолковский же предложил ракету – летательный аппарат, который передвигается в космическом пространстве за счёт действия реактивной тяги.

Как же выглядела первая ракета Циолковского? Это был летательный аппарат в виде металлической продолговатой камеры (формы наименьшего сопротивления), внутри которого располагались 2 отсека: жилой и двигательный. Жилой отсек предназначался для экипажа. А в двигательном отсеке находился жидкостный ракетный двигатель, работающий на водородно-кислородном топливе. Жидкий водород служил топливом, а жидкий кислород – окислителем, необходимым для горения водорода. Газы, образующиеся при сгорании топлива, имели очень высокую температуру и текли по трубам, расширяющимся к концу. Разредившись и охладившись, они вырывались из раструбов с огромной относительно ракеты скоростью. На выбрасываемую массу действовала сила со стороны ракеты. А согласно третьему закону Ньютона (закон равенства действия и противодействия) такая же сила, называемая реактивной, действовала и на ракету со стороны выбрасываемой массы. Эта сила сообщала ракете ускорение.

Формула Циолковского

Формула для вычисления скорости ракеты, обнаружена в математических трудах Циолковского, написанных им в 1897 г.

,

V - скорость летательного аппарата после выработки всего топлива:

I – отношение тяги двигателя к расходу топлива в секунду (величина, называемая удельным импульсом ракетного двигателя). Для теплового ракетного двигателя u = I.

M 1 – масса летательного аппарата в начальный момент полёта. Она включает массу самой конструкции ракеты, массу топлива и массу полезной нагрузки (например, космического корабля, который выводится ракетой на орбиту).

M 2 – масса летательного аппарата в конечный момент полёта. Так как топливо к этому времени уже израсходовано, то это будет масса конструкции + масса полезной нагрузки.

С помощью формулы Циолковского можно рассчитать количество топлива, необходимое ракете для получения заданной скорости.

Из формулы Циолковского получаем отношение начальной массы ракеты к её конечной массе:

Обозначим:

M o – масса полезного груза

M k - масса конструкции ракеты

M t - масса топлива

Масса конструкции зависит от массы топлива. Чем больше топлива необходимо ракете, тем больше резервуаров потребуется для его транспортировки, а значит, большей будет и масса конструкции.

Отношение этих масс выражается формулой:

где k – коэффициент, который показывает количество топлива на единицу массы конструкции ракеты.

Этот коэффициент может быть разным в зависимости от того, какие материалы использованы в конструкции ракеты. Чем легче и прочнее эти материалы, тем меньшим будет коэффициент, и легче конструкция. Кроме того, он зависит и от плотности топлива. Чем плотнее топливо, тем меньшие по объёмы ёмкости потребуются для его транспортировки, и тем выше значение k .

Подставив в формулу Циолковского выражения начальной и конечной массы ракеты через массы конструкции, груза и топлива, получим:

Из этого выражения следует, что величина массы топлива равна:

Зная значение удельного импульса топлива и массу полезного груза, можно рассчитать скорость ракеты.

Эта формула имеет смысл только в том случае, если

или

Если это условие не выполняется, ракета никогда не сможет достигнуть заданной скорости.

Многоступенчатая ракета

Чтобы преодолеть притяжение Земли, летательный аппарат должен развить горизонтальную скорость около 7,9 км/сек. Эта скорость называется первой космической скоростью . Получив такую скорость, он будет двигаться вокруг Земли по концентрической орбите и станет искусственным спутником Земли. При меньшей скорости он упадёт на Землю.

Чтобы покинуть орбиту Земли, аппарат должен обладать скоростью 11,2 км/сек. Эта скорость называется второй космической скоростью . А космический аппарат, получивший такую скорость, становится спутником Солнца.

Каждое небесное тело имеет свои значения космических скоростей. Например, для Солнца вторая космическая скорость равна 617,7 км/сек.

Вес топлива, необходимого для получения даже первой космической скорости, по расчётам превышает вес самой ракеты. А ведь кроме топлива, она должна нести ещё и полезный груз: экипаж, приборы и т.п. Понятно, что такую ракету построить невозможно. Но Циолковский нашёл решение и этой задачи. А что если механически скрепить вместе несколько ракет? Учёный предложил направлять в космическое пространство целый «ракетный поезд». Каждая ракета в таком «поезде» называлась ступенью, а сам «поезд» - многоступенчатой ракетой.

Двигатель первой, самой большой ступени, включается при старте. Она получает ускорение и сообщает его всем остальным ступеням, которые по отношению к ней являются полезной нагрузкой. Когда всё топливо выгорит, эта ступень отделяется от ракеты и сообщает свою скорость второй ступени. Далее таким же образом разгоняется вторая ступень, которая также отделится от ракеты, когда закончится топливо. И так будет до тех пор, пока не закончится топливо в двигателе последней ступени ракеты. Тогда и эта ступень отделится от космического корабля, а он займёт свое место на космической орбите.

Закрытие ИП