XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Баллистика. Дальность полёта ракеты
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Современный мир становится все более технологичным и быстро развивающимся. Современные технологии, искусственный интеллект заменяют многие сферы жизни человека. Однако несмотря на это, все страны миры ведут гонку вооружения. Считалось и до сих пор считается, что та страна сильнее и мощнее, у которой сильная армия, новые сверхзвуковые самолеты, современные танки и ракеты.
Актуальность выбранной нами темы возникла исходя из простых вопросов, интересующих меня – как может взлететь в воздух ракета, самолет, которые весят тонны, а летят так высоко и так быстро. Полет ракеты от начала до конца движения оказался связан с вопросами баллистики, поэтому мы решили разобраться по каким принципам движется ракета и как она взлетает. Кроме того, изучая этот вопрос, мне было очень интересно узнать, баллистика - это только про войну или она может быть применима в мирной жизни.
Цель нашей работы – исследовать на практике принципы баллистического движения тел с помощью изготовленного макета ракеты.
В процессе работы над проектом необходимо решить следующие задачи:
изучить и систематизировать литературу и Интернет – источники по теме исследования;
ознакомится с основами баллистики и её историей;
изучить основные баллистические характеристики и баллистические движения;
изучить разновидности баллистических ракет;
обобщить изученный материал и определить сферы деятельности, в которых работают принципы баллистики в мирной жизни;
провести практическое исследование – изготовление ракеты и её запуск.
Методы исследования:
теоретическое изучения термина «баллистика», принципов движения и траектории полёта;
анализ и обобщение изученного материала;
практическое применение знаний баллистического движения на примере создания проекта (макета) ракеты и её запуска.
Объект исследования: баллистическое движение.
Предмет исследования: баллистическая ракета.
Гипотеза: для увеличения дальности полета ракеты необходимо применение многоступенчатого принципа запуска.
Глава I. Теоретическая часть
Баллистика – основные понятия и характеристики
Баллистика и её история
Термин «баллистика» происходит от греческого слова «ballo» - бросаю. Возникновение баллистики как науки связывают с великим учёным древности Архимедом, сконструировавшим метательные машины (баллисты) и рассчитавшим (линию) полёта метаемых снарядов.
Баллистика – это наука о движении тел (чаще всего снарядов) в пространстве. Баллистика представляет собой раздел механики. В отличии от механики, которая изучает движение и взаимодействие тел в пространстве, баллистика изучает движение тел, получивших начальным импульс (толчок), которые далее свободно перемещаются в атмосфере Земли по определённым законам.
Исторически сложилось, что баллистика возникла как воинская наука, которая занимается изучением полёта снарядов, пуль, ракет в воздухе.
Поскольку характер движения ракеты отличается в момент взлёта (запуска) и в момент движения в воздухе, баллистика делится на:
- внутреннюю, изучающую движение снаряда в канале ствола орудия под действием пороха или иных веществ (газов);
- промежуточная, изучающая то как ведёт себя снаряд при выходе из канала ствола орудия в атмосферу;
- внешняя, изучающая движение ракеты в атмосфере (Приложение А).
Баллистические характеристики
Баллистические характеристики – это основные данные, определяющие процесс движения снаряда в канале ствола (внутрибаллистические) и на его траектории (внешнебаллистические).
Основные внутрибаллистические характеристики: калибр оружия, плотность заряжания, длина пути снаряда в канале ствола, сила пороха, максимальное давление и др.
К основным внешнебаллистическим характеристикам относятся: начальная скорость, баллистический коэффициент, углы бросания и вылета и др.
Полет ракет и снарядов всегда происходит по определённым законам и траектории. Траектория – это направление полёта от точки вылета до точки падения (Приложение Б).Например, если бросить вверх в одну и ту же точку камень или стукнуть ракеткой по воланчику, и тот и другой всегда падают на землю, но двигаются по-разному.
По такому же принципу движется и ракета. Баллистическая ракета стартует всегда вертикально вверх, через несколько секунд после старта она начинает постепенно наклоняться в сторону цели дугой. Почему так происходит?
Во-первых, мы можем кинуть предмет с разной силой. Это называется скорость вылета или начальный импульс.
Во-вторых, разная сила тяжести. Например, камень тяжелее воланчика, у них разная сила тяжести и значит разная сила сопротивления воздуха – факторы, которые препятствуют движению тела (температура, влажность, ветер). Сила тяжести заставляет предмет снижаться, а сила сопротивления воздуха - снижать скорость полёта.
Все эти факторы определяют различную траекторию полёта.
В отношении снарядов, пуль, ракет применяется термин баллистическая траектория – это траектория, по которой движется тело (снаряд, пуля, ракета), обладающее начальной скоростью (благодаря начальному импульсу – толчку), под действием силы тяготения и силы сопротивления воздуха.
Кроме траектории полёта, к баллистическим характеристикам относится баллистический коэффициент, который показывает способность снаряда (ракеты) преодолевать сопротивления воздуха. Чем меньше коэффициент, тем легче снаряд или ракета преодолевают сопротивление воздуха.
Баллистическое движение
Траектория снаряда (ракеты), движущегося в условиях тяготения земли и сопротивления воздуха называется баллистической кривой.
Баллистическая кривая имеет форму идеальной дуги только в условиях вакуума. В реальных условиях движение снаряда (ракеты) сильно отличается от идеальных параметров и имеет свою траекторию полёта. При увеличении скорости движения увеличивается сила сопротивления воздуха. Таким образом, чем больше скорость, тем больше баллистическая траектория отличается от идеальных форм дуги (параболы).
Основными параметрами баллистического движения снаряда (ракеты) являются:
- максимальная высота подъема;
- время подъёма на максимальную высоту;
- время полёта;
- дальность полёта (расстояние).
Баллистические ракеты
Понятие и история создания баллистических ракет
Баллистическая ракета – это разновидность военного оружия (ракет).
Первые исследования об этих ракетах появились в 1897 году в трудах К.Э. Циолковского в рукописи «Ракета».
К 1929 году К.Э. Циолковский разработал теорию движения многоступенчатых ракет в условиях земной гравитации (силы притяжения к Земле). Чем тяжелее тело, тем выше гравитация. Эта теория способствовала созданию космических ракет (Приложение В).
В 1920-х годах сразу несколько стран проводили научные исследования по разработке баллистических ракет. Однако Германия оказалась первой страной в мире, которой удалось изготовить боевую баллистическую ракету ФАУ-2, которая получила своё боевое применение 8 сентября 1944 года.
Интересным является тот факт, что баллистическая ракета большую часть времени совершает полёт по баллистической траектории, т.е. находится в неуправляемом движении. Нужное направление и скорость задаются только на старте в момент вылета, а дальше ракета следует самостоятельно. Именно поэтому так важным становится рассчитать все характеристики, чтобы ракета двигалась в нужном направлении и достигла своей цели.
Классификация и показатели баллистических ракет
По области применения баллистические ракеты делятся на стратегические и тактические. Кроме того, ракеты различаются по степени дальности. Данная классификация официально была закреплена 8 декабря 1987 года в договоре «о ликвидации ракет средней и малой дальности» между СССР и США. В соответствии с договором, ракеты бывают трех видов:
- баллистические ракеты малой дальности (от 500 до 1000 километров);
- баллистические ракеты средней дальности (от 1000 до 5500 километров);
- межконтинентальные баллистические ракеты (от 5500 до 16000 километров).
Межконтинентальные баллистические ракеты и баллистические ракеты средней дальности относятся к стратегическим. Они движутся намного быстрее самолета. Баллистические ракеты малой дальности можно отнести к тактическим ракетам.
Для ракет одним из главных показателей является точность. У самых точных современных ракет вероятность отклонения от заданной цели составляет менее 100 метров. При условии того, что ракета пролетает расстояние до 16000 километров, отклонение в 100 метров является очень незначительным.
Другим важным показателем баллистических ракет является скорость и время полёта. Приведём пример.
Расстояние от России до США (Москва-Вашингтон) составляет 7822 километра и время полёта пассажирского самолёта примерно 10 часов. Для сравнения, баллистическая ракета преодолевает это же расстояние за 12-30 минут (в зависимости от вида ракет). Скорость полёта рассчитаем по формуле V=S:t. Получаем, что средняя скорость полёта пассажирского самолёта составляет 13 км/мин, а ракеты – от 261 до 652 км/ мин.
Ещё одним важным показателем баллистических ракет является двигатель.
Первые варианты межконтинентальных баллистических ракет использовали жидкостные ракетные двигатели, работающие на жидком водороде или кислороде. Однако такие ракеты требовали длительной заправки и оборудование было очень тяжёлым.
Современные межконтинентальные баллистические ракеты используют твердотопливные ракетные двигатели. Топливом для таких двигателей является смесь веществ, способная гореть без доступа воздуха. На сегодняшний день твердотопливные двигатели являются самыми мощными. Интересно знать, что чёрный (дымный) порох является первым твёрдым ракетным топливом, который изобрели в IX веке в Китае.
Мощность двигателя - это работа двигателя за единицу времени. Мощность ракеты растёт при увеличении скорости полёта: если скорость увеличится в 2 раза, мощность увеличится в 8 раз.
Мощность ракетного двигателя составляет около 500 000 лошадиных сил (л.с.). Для сравнения мощность двигателя машины Lada Granta седан составляет 106 л.с., внедорожника BMW X5- 306 л.с., спорткара Bugatti Veyron – 1200 л.с., мощность самой быстрой в мире машины Hennessey Venom F5 равна 1842 л.с. Такая существенная разница определяется принципами действия двигателей.
В машинах мощность рассчитывается по формуле:
N( (мощность) = F (сила, кг) * V (скорость, м/сек)
75
где 75килограммометров/сек = 1 л.с.
В ракетных двигателях мощность увеличивается за счет сгорания топлива, где масса топлива рассчитывается по формуле Циолковского:
Масса топлива = масса ракеты без топлива * (скорость ракеты/скорость, с которой продукт горения вылетает из ракетного двигателя – 1).
Баллистика в нашей жизни
Какой бы сложной и наукоёмкой не была баллистика, на самом деле это не только наука про военное дело. В мирной жизни принципы баллистики встречаются куда чаще, чем мы могли бы об этом подумать.
Если задуматься, то даже в детских играх можно наблюдать наличие основополагающей характеристики этой науки, такой как баллистическая кривая. Так, например, в известном комедийном фильме «Однокласники» (2010г., Адам Сэндлер) уже взрослые мужчины играют в любимую игру своего детства. Суть игры заключается в том, что ребята встают в круг, а водящий в центр. Водящий запускает из лука стрелу вертикально вверх и все начинают разбегаться в разные стороны, чтобы стрела не «поймала» игроков. Так вот то, по какой траектории и с какой скоростью стрела полетит вверх и начнёт опускаться вниз, включая точку падения, это и есть принцип баллистики в действии.
Намного серьёзнее изучается принципы баллистического движения в таких профессиональных и олимпийских видах спорта как стрельба из лука, стрельба из пневматического пистолета и винтовки, биатлон, метание ядра и диска.
Глава II. Практическая часть
Имея представление о том, что такое баллистика и по какому принципу взлетает ракета, какие процессы происходят в момент её запуска и полета, мы постарались создать макет ракеты и провести экспериментальный запуск.
Создание макета ракеты
Для изготовления каркаса макеты нам понадобилось: пластиковая бутылка – основная часть (тело) ракеты; плотный и тонкий картон – пика и крылья ракеты; краски – для окрашивания тела ракеты; цветной скотч; ножницы, степлер; винная пробка; дрель и тонкое сверло.
Процесс изготовления:
1. Возьмем лист тонкого картона и скрутим из него конус. Края подровняем, чтобы деталь устойчиво стояла на поверхности. Затем конус обклеим цветным скотчем (Приложение Г).
2. Пластиковую сухую бутылку красим в любой цвет. Для этого мы взяли краску для пластика. Изготовленный конус приклеиваем ко дну бутылки при помощи скотча (Приложение Д).
3. Далее из плотного картона вырезаем 3 прямоугольных треугольника. Приклеиваем их к бутылке так, чтобы они заканчивались на уровне крайней горлышка бутылки. Данные детали обматываем цветным скотчем для придания большей жёсткости.
4. Обрезаем винную пробку на пополам, чтобы она не была слишком высокой, обматываем её большим количеством изоленты, чтобы пробка очень плотно входила в горлышко бутылки. В винной пробке делаем иглой тонкое отверстие, чтобы размер отверстия не превышал диаметр толщины иглы от насоса (Приложение Е).
Ракета получилась весом 50 грамм.
Создание пускового механизма
Для изготовления пускового механизма нам понадобились: деревянный поддон – жёсткое основание; жестяная банка – каркас пускового механизма; дрель; изолента; 2 гвоздя диаметром 40мм, длиной 150мм; 1 крепление для ПВХ трубы; 2 болта диаметром 4мм, длиной 40мм; 2 гайки; саморезы; гаечный ключ.
Процесс изготовления:
1. С помощью дрели в жестяной банке делаем отверстие диаметром 10 мм, чтобы потом завести шланг от насоса.
2. Далее устанавливаем крепление под ракету, чтобы при установке ракеты могла быть зафиксирована вертикально вверх. Для этого берем крепление для ПВХ трубы, в котором уже есть 1 отверстие. Напротив него делаем ещё одно отверстие, в которое вставляем болты друг напротив друга диаметром 4мм и длиной 40мм.
3. Отмеряем в банке нужное расстояние для крепления ракеты– 50мм и делаем в банке 2 отверстия друг напротив друга, далее ставим в банку крепление ракеты и прикручиваем болты гайками с внешней стороны банки с помощью гаечного ключа (Приложение Ж).
4. Вставляем ракету в крепление и отмеряем на банке место установки фиксаторов ракеты, чтобы она не взлетала раньше времени. Для этого в банке делаем 2 пары отверстий друг напротив друга и вставляем в них гвозди для фиксации ракеты. К шляпкам гвоздей привязываем толстую нитку, чтобы их можно было вытащить из отверстий дистанционно (Приложение З).
2. Закрепляем банку с пусковым механизмом к деревянному щиту с помощью 2 саморезов (Приложение И).
3. Запуск макета ракеты
Когда все основные элементы готовы, можно приступать к самому основному – запуску ракеты. Для этого нам необходимо:
установить макет ракеты в пусковой механизм и хорошо зафиксировать;
подключить насос. Для этого можно использовать как ручной насос для мяча, так и автомобильный (им удобнее и быстрее);
накачиваем с помощью насоса воздух в бутылку до тех пор, пока она не взлетит. Взлёт произойдет тогда, когда пробка не сможет удержать напор воздуха (Приложение К).
Запуск ракеты мы осуществляли на открытом воздухе, вдали от машин, людей и домов. Несмотря на то, что пусковой механизм ракеты был надёжно зафиксирован на деревянный щит, для запуска мы все равно искал ровную поверхность и проверяли вертикальность установки ракеты, чтобы она не полетела в сторону.
После установки пускового механизма, мы зафиксировали ракету, и начали накачивать в неё воздух с помощью автомобильного насоса. Накачивали до 3 бар. Однако пустая бутылка (одноступенчатая ракета) взлетала максимум на 10-20 см или не взлетала совсем.
Мы изменили условия, набрав в бутылку воду (примерно 200 мл) и осуществить запуск двухступенчатой ракеты. Также накачивали бутылку воздухом до 3 бар. Но у нас опять ничего не получалось – из-за накаченного воздуха пробку срывало, вода разбрызгивалась, но ракета не взлетала.
Сначала мы подумали, что проблема заключается в том, что мы создаём очень сильное давление. Тогда мы его постепенно уменьшали и достигли примерно 1,1-1,2 бара. Но даже при этом мы не получали желаемого результата. Мы сделали вывод, что одноступенчатая и двухступенчатая ракета не взлетают по причине того, что мы не может поймать момент пуска ракеты и вовремя убрать фиксаторы, которые держат ракету.
Нами было принято решение произвести аналогичный запуск ракеты без фиксаторов. В момент накачивания воздуха в бутылку, мы просто придерживали её рукой, чтобы она находилось в вертикальном положении. Все получилось!
После взлёта наша одноступенчатая ракета (пустая бутылка) поднялась примерно на высоту 2-2,5 метра, при это её траектория была довольно резкой. Она поднялась вертикально вверх и тут же начала падать. Расстояние от точки запуска до точки падение было около 50 см.
Двухступенчатая ракета поднялась на высоту около 25-30 метров, ее траектория больше напоминала дугу. Сначала наша ракета поднялась резко вертикально вверх, а потом как бы зависла в воздухе и начала наклоняться влево, рисуя дугу.
Таким образом, наша гипотеза подтвердилась. В ходе практической работы нам наглядно удалось увидеть, что для существенного увеличения дальности полета нужно применять многоступенчатые ракеты. В первом запуске ракета была одноступенчатой и стартовала пустой, во втором запуске ракета стартовала с водой и после ее сброса сообщила ускорение меньшей массе, что привело к значительному возрастанию скорости и дальности полета по сравнению с одноступенчатой ракетой.
Заключение
Проделанная нами работа позволила немного понять очень сложную науку баллистику, что такое траектория полёта и баллистические характеристики, и ответит на вопрос «а разве баллистика это только про войну?». Исторически сложилось, что наука о снарядах и их движении возникла и развивалась как воинская наука, однако в настоящее время в мире спорта она активно изучается спортсменами и применяется на практике. Даже обычные вещи в виде таких детских игр как кидание мяча, бадминтон – это тоже про баллистику. Поэтому можно сказать, что основные принципы баллистического движения тел окружают нас в повседневной жизни.
В заключении хочется сказать, что создавать проект ракеты было интересно и увлекательно. С теорией все было сложно и непонятно. Но изучив основные характеристики мне хотелось на практике попробовать создать разно ступенчатые ракеты и увидеть их в действии.
Изучая литературу по данной теме, я узнал, что Россия имеет современные ракетные комплексы «Тополь», «Тополь М», «Воевод» и другие. Эту технику нас с гордостью показывают на параде в Москве в честь Дня Великой Победы.
Еще мне было очень приятно узнать, что баллистика может применяться не только в военных целях, но и в спортивных достижениях олимпийского уровня.
В следующем году я хотел бы продолжить знакомство с этой темой и более детально разобраться с принципами её действия в спортивных видах спорта и как она может повлиять на улучшение результатов спортсменов.
Список литературы
Касперович, А. Ю. Строим летающие модели ракет. Кладовая опыта / А.Ю. Касперович. – БХВ-Петербург, 2019. – 224 с.
Перельман, Я. И. Энциклопедия «Физика на каждом шагу» / Я.И. Перельман. – М.: АСТ, 2013. – 256 с.
Литц, Брайан. Прикладная баллистика для стрельбы на большие дальности / Б. Литц; пер. с англ. С. Бокарёв. – LLC, 2011. – 602 с.
Чуянов, В. А. Энциклопедический словарь юного физика / В.А. Чуянов. – М.: «Педагогика», 1984.
Использованные сайты: https://ru.wikipedia.org, https://obrazovaka.ru/, https://fizi4ka.ru , https://uchitel.ru, https://galileo-tv.ucoz.net
Приложения
Приложение А. Разделы баллистики
Приложение Б. Образование траектории полёта пули
Приложение В. Принцип движения многоступенчатых ракет
Приложение Г. Конус из картона
Приложение Д. Подготовка корпуса ракеты
Приложение Е. Макет ракеты Приложение Ж. Механизм крепления
Приложение З. Фиксация ракеты Приложение И. Готовая установка
Приложение К. Запуск макета ракеты