XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Реактивное движение. История и развитие

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Деликатный Д.С. 1

---

1МБОУ гимназия №6 имени дважды Героя Советского Союза Д. А. Драгунского г. Солнечногорска

Курчаткина Н.Ю. 1

---

1МБОУ гимназия №6 имени дважды Героя Советского Союза Д. А. Драгунского г. Солнечногорска

Работа в формате PDF

3.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В 2021 году человечество отмечало 60 лет с момента первого полёта Ю.А. Гагарина в космос. Я посмотрел с родителями большое количество документальных фильмов и передач на эту тему, в том числе передачи о первом выходе человека в открытый космос.

Тогда же я задался вопросом, что делать космонавту, который для проведения обслуживания космического корабля, с ящиком инструментов вышел в открытый космос, а трос, связывающий его с кораблем, неожиданно отцепился и человек начал медленно улетать прочь. Для ответа на этот вопрос и вообще для полного понимания того, как стало возможным отправиться в космос, родители посоветовали мне изучить тему «Реактивное движение».

В настоящее время всем закомы такие понятия как «реактивное движение», «реактивный двигатель», «ракета». Мы уже давно привыкли к тому, что летают самолёты, человек покорил космическое пространство, в автомобилях мы используем навигаторы, получающие сигналы с космических спутников, а на праздники мы запускаем фейерверки.

Чтобы сегодня все это было обыденным, трудились многие учёные и инженеры, ставились многочисленные опыты и эксперименты. В этой работе я попробую обобщить и систематизировать основные знания о реактивном движении, а также представить результаты собственного эксперимента и опыта-конструирования.

Цель работы: изучить принципы реактивного движения и основы работы реактивного двигателя.

Задачи моей исследовательской работы:

1. изучить историю развития научных знаний о реактивном движении

2. изучить технические разработки и устройство реактивного двигателя

3. в домашних условиях повторить модель механизма Герона для наглядного изучения принципа реактивного движения

4. поставить эксперимент по запуску модели ракеты

5. выявить перспективные направления развития науки и техники в области ракетостроения

Предмет и объект исследования: реактивное движение, его механика, схемы реактивного двигателя и ракет.

Методы исследования: сбор, анализ и обобщение информации, эксперимент, опыт-конструирование.

Полученные результаты:

- изучены примеры реактивного движения в живой природе

- изучено использование полученных научных знаний человеком в технике

- сконструирована модель первого реактивного двигателя Герона

- поставлен эксперимент по запуску модели ракеты на базе современного порохового реактивного двигателя.

Выводы: изучение принципов реактивного движения ведется человеком уже более 2000 лет. Как и многие другие научные открытия, реактивное движение берет начало в наблюдениях за живой природой. В настоящее время человек активно использует научные и технические разработки на базе реактивного движения для космических исследований, развития воздушного и водного транспорта и др.

Проведя свою исследовательскую работу, я узнал, что технологии, которые есть сейчас, не дают человечеству возможностей для дальнейшего развития. Улучшаются лишь отдельные показатели. Поэтому очевидным является необходимость усовершенствования разработок и создания механизмов на новых физических принципах.

1. Что такое реактивное движение

   1. Определение реактивного движения

В начале моего исследования, я решил найти определение реактивного движения. Что же это такое? Научное понимание этого впервые сформулировали ученые в 17-18 веке Рене Декарт и Исаак Ньютон.

Так, третий закон Ньютона говорит, что если два предмета взаимодействуют друг с другом, то сила, с которой первый предмет действует на второй, равна силе, с которой второй, действует на первый. Таким образом, футболист при ударе по мячу, получает удар по ноге той же силы, что и мяч.

А Рене Декарт сформулировал, закон сохранения импульса (количество движения = масса * скорость), который говорит о том, что если целостный предмет разделяется на 2 части при помощи внутренней силы, то каждая часть получит равное количество движения, и оно будет направлено в разные стороны.

Таким образом, РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ – это особый вид движения тел, возникающий за счет отделения от него какой-либо его части с определенной скоростью. Для возникновения реактивного движения не требуется взаимодействия с другими предметами и внешней средой, при этом необходим внутренний источник энергии (силы).

Чем больше масса отделяющейся части и её скорость, тем больше реактивная сила.

1. 2. Примеры реактивного движения в природе

Когда мы говорим «реактивное движение», то сразу представляем себе ракету или самолет. Однако, когда я работал над своим исследованием, я был удивлен тем, что явление реактивного движения на самом деле намного более древнее, чем сам человек, ведь оно появилось задолго до нас. Оно не является изобретением человека, а относится к основным законам физики в нашей природе. В живой природе этот принцип используется вот уже миллионы лет. Ярким примером использования реактивного движения у растений является «бешеный огурец", спелые плоды которого под давлением отсоединяются от стебля, и сам плод и семена разлетаются в разных направлениях.

Медузы, каракатицы, осьминоги и кальмары так же используют реактивные силы, только вместо отделения частей они выталкивают под большим давлением воду, за счет чего приобретают ускорение. Когда я читал об этом при подготовке своего исследования, я действительно вспомнил, как наблюдал, за необычным движением медуз во время своего отдыха на море.

У кальмара, пожалуй, самый интересный реактивный двигатель, созданный природой, вполне справедливо их называют «живыми торпедами». Ведь даже тело этих животных по своей форме напоминает ракету, оптимальную с точки зрения уменьшения сопротивления при движении.

Если кальмару необходимо совершить быстрый бросок, он использует свой природный реактивный двигатель - тело его окружено мантией, особой мышечной тканью и половина объема всего кальмара составляет полость, в которую он всасывает воду. Потом он резко выбрасывает набранную струю воды через узкое отверстие, при этом складывая все свои шесть щупалец над головой таким образом, чтобы приобрести наиболее обтекаемую форму. Оказывается, что благодаря столь совершенной реактивной навигации кальмары могут достигать впечатляющей скорости – 60-70 км в час. Известен также вид летающего кальмара, схема полета которого представлена на рисунке выше.

1. 3. История науки о реактивном движении и первые разработки

Наблюдая за живой природой, многие ученые задумывались над механикой реактивного движения еще в древнем мире. Оказывается, что первым, кто описал его в своей книге «Пневматика», был древнегреческий математик и инженер Герон Александрийский, живший в первом веке н.э.. Я посмотрел очень интересный документальный фильм об этом человеке и был очень удивлен тем, что к его заслугам относятся такие изобретения, как автоматически открывающиеся двери, автоматический театр кукол, автомат для продажи питьевой воды, скорострельный самозаряжающийся арбалет, автоматические декорации для театра, прибор для измерения протяжённости дорог и много другое. Только представьте себе, и все это 2000 лет назад! В рамках моей темы интересно его изобретение первого прототипа реактивного двигателя – Эолипил, в переводе с греческого «шар Бога ветров Эола».

В своей работе он использовал энергию пара и построил макет, представленный на рисунке. Прибор представлял собой бронзовый котел на опорах, в котором кипела вода. Над котлом с помощью трубок была закреплена сфера, таким образом, чтобы она свободно вращалась. По трубкам пар поступал в сферу и далее через отводящие трубки вырывался наружу. Таким образом, при отделении пара с силой от конструкции, возникала обратная сила, приводящая во вращательное движение саму сферу. В следующем разделе я представлю опыт по конструированию модели Герона.

К сожалению, дальше теории и первых опытов Герон не продвинулся, хотя был достаточно близок к созданию полноценного двигателя, в том числе на паровой тяге, что на многие столетия могло бы ускорить наступление промышленной революции 19-20 веков н.э.

Так же есть документально подтвержденные разработки китайских инженеров в конце первого тысячелетия н.э. по созданию первых ракет. Китайцы, как первооткрыватели пороха придумали начинять им бамбуковые трубки. Очень интересно, что на первом этапе это были фейерверки для забавы, в последствии изобретение нашло применение в военном деле и как сигнальное оружие.

П озднее в 17 веке, упоминавшийся мною Исаак Ньютон, изучая работы Герона, задумывался о создании реактивного транспорта и делал эскизные рисунки автомобиля на реактивной тяге, разработки так и остались в теории.

Исследуя тему далее, я узнал, что следующим этапом развития идеи использования реактивного движения можно считать идеи Николая Ивановича Кибальчича (1853-1881г.). Он описывал уже пилотируемый человеком летательный аппарат в виде платформы с отверстием в центре. Над этим отверстием он предлагал установить цилиндрическую «взрывную камеру», в которой содержался пороховой заряд. После старта машина сначала должна была набрать высоту, а затем перейти в горизонтальный полёт. Устойчивость аппарата при полёте и мягкая посадка обеспечивалась продуманным размещением центра тяжести и «регуляторами движения в виде крыльев».

Известен своими работами выдающийся ученый Константин Эдуардович Циолковский (1857-1935 г.). Он был увлечен вопросами покорения космоса и возможностью межпланетных полётов человека. В 1903 году К.Э. Циолковский опубликовал свой классический труд «Исследование мировых пространств реактивными приборами». Я узнал, что именно в нем впервые была научно обоснована возможность осуществления космических полетов при помощи ракеты и даны основные расчетные формулы ее полета и требуемой скорости. Циолковский показал, что для ракет дальнего действия наиболее эффективным является двигатель, работающий на жидком топливе с окислителем (обеспечивают горение/взрыв), и дал принципиальную схему такого двигателя, а также обосновал идею «ракетного поезда», который состоял из комплекса ракет (ступеней), работающих поочередно. Таким образом, была создана база для начала промышленных экспериментов и разработок мощных реактивных двигателей на принципе - чем больше масса отделяющейся части (сгорающего топлива) и её скорость выброса, при наименьшей массе прочих систем, тем больше реактивная сила.

1. 4. Опыт-конструирование

Сегодня, через 2000 лет после первого прототипа Герона, при помощи родителей я повторил этот эксперимент. В строительном магазине мы закупили необходимые детали и сконструировали установку. На фото в Приложении №1 представлены основные этапы эксперимента и конструкторские решения, а в качестве источника энергии мы использовали не нагретый пар, а современный пневматический компрессор, основной принцип работы реактивной силы при этом не меняется.

В результате нам удалось получить работающую модель установки Герона. Даже с учетом того, что мы использовали подручные средства и не делали детальных расчетов, сфера достаточно быстро приходит в движение и стабильно вращается. При этом хорошо ощущается реактивная струя воздуха на выходе.

2. Эксперимент по запуску модели ракеты

В рамках проекта мы с родителями решили провести ещё один эксперимент, подробно описанный в Приложении №2. Для проведения эксперимента мы собрали ракету самой простой конструкции из компонентов по авиамоделированию. Её общая схема представлена на рисунке. Схема запуска ракеты предусмотрена многоразовая, за счет использования малого ракетного двигателя (МРД) с двумя пороховыми зарядами – один непосредственно приводит ракету в движение, второй – срабатывает с задержкой по времени и выбрасывает парашют, ракета мягко возвращается на землю. Для старта двигателя использовали электрический детонатор, который воспламеняет топливо ракеты при замыкании электрической цепи.

Основные этапы эксперимента:

1. Берем 2 предмета – теннисный мяч и собранную модель ракеты (для этого конкретного эксперимента модель ракеты была запущена без парашюта для того, чтобы не искажать показатели времени падения предмета на землю);

2. Проводим взвешивание 2 предметов;

3. Производим запуск 2 предметов вертикально вверх: теннисный мяч запускаем мускульной силой моего папы, ракету – используя пороховой заряд;

4. Замеряем время падения от наивысшей точки полета до земли;

5. Производим расчет достигнутой высоты (с помощью родителей).

Конечно, условия измерений не являются достаточно точными, но общее представление о том, какая большая энергия может быть в простейшей конструкции самодельной ракеты, можно получить из таблицы.

Таким образом, за счет реактивной энергии порохового заряда нам удалось запустить ракету на высоту более чем в 3 раза превышающую возможности сил человека, при том, что и сама ракета была в два раза тяжелее теннисного мяча.

Результаты эксперимента нельзя назвать неожиданными, однако нашей целью было пройти все этапы конструирования ракеты, переходя от теории к практике. Мы вживую убедились и доказали, что если человек сейчас что-то не может и не умеет, он обязательно придумает, как это сделать.

3. Заключение. Современность и перспективы развития

После того, как я проанализировал все источники информации по своему проекту и полностью провел исследование, я остался удивлен тому, что физика реактивного движения известна человечеству уже очень давно – почти 2000 лет, однако, внедрять новые технологии в жизнь стали сравнительно недавно – в ХХ веке с появлением реактивного воздушного транспорта и освоением космоса после Второй мировой войны. До ХХ века реактивное движение применялось лишь в огнестрельном оружии, но сами технологии и конструкции были достаточно примитивны и существенно не менялись на протяжении сотен лет.

Современные космические программы и развитие двигателестроения в авиации России продолжают традиции, заложенные Сергеем Павловичем Королёвым (1907-1966 г.) – выдающимся советским учёным, конструктором и организатором производства, авиационными конструкторами - Павлом Осиповичем Сухим, Артёмом Ивановичем Микояном и Михаилом Иосифовичем Гуревичем, Александром Сергеевичем Яковлевым, Андреем Николаевичем Туполевым и др.

Проведя свою исследовательскую работу, я узнал, что технологии, которые есть сейчас, не дают человечеству возможностей для дальнейшего развития. Улучшаются лишь отдельные показатели - увеличивается экономичность, надёжность реактивных систем, грузоподъемность, дальность полёта, но показатели изменяются незначительно. Ведь если вспомнить законы физики, то мы не можем бесконечно увеличивать объем сжигаемого топлива (не выдержат конструкции), не можем бесконечно ускорять процесс горения (окисления) топлива, нарушив законы химии.

Чтобы продемонстрировать, насколько человек близок к пределу возможности техники, можно привести пример современных ракетных запусков. Сегодня Россия запускает ракетоноситель «Протон» массой около 700 тонн. При этом на топливо приходится 80% общей массы. В то время как возвращаемый космический аппарат составляет только 7 тонн – это 1% (одна сотая) первоначальной массы ракеты, а груз для космонавтов, который может привезти на орбиту космический аппарат – около 2,5 тонн, менее ½ процента от стартовой массы ракеты.

Поэтому для дальнейшего развития реактивной техники требуются разработки новых веществ и материалов, двигателей на новых физических принципах. Сейчас такие разработки ведутся многими странами и держатся в строжайшем секрете. Изучая информацию по своему проекту, я узнал, некоторые направления этих исследований – ионные двигатели, плазменные, на основе ядерной и термоядерной реакции, электромагнитные. Это очень интересная тема для дальнейшего изучения.

Проведя свою исследовательскую работу, я готов ответить на свой вопрос, который привел меня к изучению темы реактивного движения. Космонавту, вышедшему в открытый космос с ящиком инструментов и потерявшему соединение с кораблем, необходимо кинуть инструменты в сторону от корабля. Согласно закону сохранения импульса, человека отбросит от инструмента ровно с той же силой, с какой и инструмент от человека, поэтому он постепенно будет перемещаться по направлению к кораблю. Это и есть реактивная тяга – единственный возможный способ двигаться в пустом космическом пространстве.

Приложение №1. Конструирование модели Герона

1. Процесс конструрования

2. Сборка модели

3. Готовая энергетическая установка

4. Тестовые испытания

Приложение №2. Эксперимент по запуску ракеты и мяча

1. Взвешивание – пороховой двигатель, мяч, компоненты ракеты (корпус, головной обтекатель, втулки, система приземления, детонатор, двигатель)

2. Компонеты ракеты

3. Двигатель, детонатор и стартовый пульт. Собранная цепь запуска,тест

4. Процесс сборки ракеты

Список литературных источников

1. Видеопередачи на канале https://www.youtube.com/ о реактивном движении; о покорении космоса; об ученых, занимавшихся теоретическими и практическими разработками по теме реактивного движения; о запусках ракет; о реактивных самолетах и пр.

2. Голованов Я. Дорога на космодром. — М.: Детская литература, 1982

3. Материалы сайта https://infourok.ru/

4. Сайт сети интернет https://ru.wikipedia.org/wiki

5. Сайт сети интернет https://www.poznavayka.org/fizika/reaktivnoe-dvizhenie-v-prirode-i-tehnike/#a1