XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Почему летают ракеты
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Меня заинтересовал вопрос – почему ракеты взлетают? Почему именно на ракетах летают в космос? Мне стало интересно, каков принцип строения ракеты, можно ли запустить ракету самому. Мой дедушка Виктор Иванович Бидуля всю жизнь проработал в Конструкторском отделе Камского филиала «НПО Энергомаш». Он участвовал в разработке ракетных двигателей, в том числе, двигателя для ракеты «Протон». Дедушка интересно рассказывает о своей работе, это еще больше усилило мой интерес к ракетам.
Самолеты, вертолеты имеют крылья, винты, с их помощью создается подъемная сила за счет набегающего потока воздуха. Эти летательные аппараты как бы отталкиваются от воздуха. У ракеты нет ни крыльев, ни винтов. А в космическом пространстве нет воздуха, и нет никакой другой среды, с которой летательный аппарат мог бы взаимодействовать, чтобы двигаться. Что же заставляет ракету двигаться в безвоздушном пространстве? Какая сила толкает ракету вверх?
Цель моей работы - узнать принцип строения ракеты, создать свою модель ракеты и осуществить её запуск. Я поставил перед собой задачу познакомиться с историей возникновения ракет, узнать какие законы помогают ракете лететь, познакомиться с устройством ракеты и её запуском, расширить знания об истории освоения космоса.
Глава 1 Теоретическая часть
1.1. История возникновения ракет
Русское слово «ракета» появилось во времена Петра 1, и произошло от немецкого слова «Rakete», которое произошло от итальянского слова «rocchetta», что значит «маленькое веретено». Связано это с формой ракеты: она похожа на веретено – длинная, обтекаемая, с острым носом.
Первая ракета была создана человеком более 700 лет назад. Первые ракеты появились в Китае, вскоре после изобретения пороха. Китайцы использовали ракеты для того, чтобы делать фейерверки, и долго держали в секрете устройство ракет.
Появление в Европе первой ракеты «Летающий огонь» относится к 1250г. Научного объяснения причин полета ракет в то время не было. Только после того, как в 1687г. Ньютоном был сформулирован третий закон механики, стал понятен принцип реактивного движения: действие всегда равно и противоположно противодействию.
На Руси первые ракеты появились в XV веке и уже с середины XVII века они применялись в весьма широких масштабах. «Огневым действом» называли запуск фейерверков. В 1680г. в Москве специальным указом было создано ракетное заведение, в работе которого самое деятельное участие принимал Петр I. При Петре 1-м в 1717г. была разработана, и стала применяться «однофунтовая сигнальная ракета», поднимавшаяся вверх на высоту до 1 км. Эта сигнальная ракета оставалась на вооружении более 150 лет!
В XIX веке авторы ряда проектов предлагали использовать ракету в качестве двигателя летательного аппарата. А в начале XX века появилась первая идея полета ракет в космос. Автором этой идеи был школьный учитель физики Константин Эдуардович Циолковский, его называют «Отцом космонавтики». Циолковский научно обосновал свою идею, и написал множество трудов, один из них – «Исследование мировых пространств реактивными приборами» был издан в 1903г. В этом труде впервые в мире были высказаны многие идеи, которые до сих пор использует космонавтика.
Основоположником, создателем отечественной космонавтики является Сергей Павлович Королев – выдающийся конструктор и ученый. В 1931г. Королев участвовал в создании группы изучения реактивного движения. Под его руководством и по его инициативе были осуществлены запуски первого искусственного спутника Земли 4 октября 1957г. и первого космонавта Юрия Гагарина 12 апреля 1961г.
В 1958г. на Пермском моторостроительном заводе им. Сталина началась сборка ракетных двигателей РД-214 для двухступенчатой ракеты Р-12 и ракет-носителей «Космос» (Приложение 1). С 1962г. на переименованном заводе им. Свердлова началась разработка и подготовка производства более мощного ракетного двигателя РД-253 для первой ступени ракет-носителей «Протон» (Приложение 2). Ракетой «Протон» выводились на орбиту аппараты для изучения планет Венера, Марс, спутника Земли Луны, кометы Галлея, космические станции «Салют», «Мир», и множество космических аппаратов. Мой дедушка работал в конструкторском отделе над ракетным двигателем РД-253 (Приложение 3). Ракета-носитель «Протон» активно используется и в настоящее время.
1.2. Строение ракеты
Отечественная космонавтика построена по следующему принципу. В космосе на орбите Земли строятся орбитальные станции, оборудованные всем необходимым для жизни и долговременной работы космонавтов (система жизнеобеспечения, научное оборудование и т.п.). А ракеты-носители лишь доставляют модули орбитальной станции, космонавтов, грузы на орбиту. Такая схема оказалась необычайно простой, дешевой и надежной, и применяется до сегодняшнего дня.
В любой ракете имеется оболочка, топливо с окислителем. Оболочка ракеты включает в себя полезный груз (космический корабль), приборный отсек и двигатель (камера сгорания, насосы и т.д.) (Приложение 4). Основную массу ракеты составляет топливо с окислителем. Окислитель нужен для поддержания горения топлива в космосе, поскольку там нет кислорода.
Для преодоления силы тяжести Земли ракете необходима огромная энергия, то есть очень много топлива. Полезная нагрузка, выводимая в космос, составляет лишь малую долю массы ракеты. Ракеты-носители главным образом «транспортируют» себя, то есть собственную конструкцию: топливные баки и двигатели, а также топливо, необходимое для их работы.
В практике космических полетов используют многоступенчатые ракеты, развивающие гораздо большие скорости и предназначенные для более дальних полетов, чем одноступенчатые. Ракета-носитель «Протон-М» имеет три ступени и разгонный блок (Приложение 5). Топливные баки и ракетные двигатели находятся в разных ступенях ракеты и, как только одна ступень вырабатывает свое топливо, то она становится ненужной. Чтобы не нести лишний груз, отработанная ступень отделяется, и включаются двигатели следующей ступени. Это позволяет сэкономить топливо, окислитель и увеличить скорость ракеты. Такую идею предложил еще в 1929г. К.Э. Циолковский в своем труде «Космические ракетные поезда». Первая ступень ракеты-носителя «Протон-М» состоит из центрального блока в котором расположены бак с окислителем, и шести блоков в каждом из которых установлен двигатель РД-253 и топливный бак (Приложение 6).
Может показаться, что как только ракета вышла в космос, то цель достигнута. Космос начинается уже на высоте 100 км, там же начинается невесомость. Но целевая орбита космического аппарата или полезного груза может быть гораздо выше линии, от которой начинается космос. Так, например, орбита, на которой размещаются спутники связи, расположена на высоте 35 786 км над уровнем моря. Вот для этого и нужен разгонный блок, который, по сути, является еще одной, четвертой ступенью ракеты (Приложение 7). Ракета-носитель «Протон» в паре с разгонным блоком «Бриз-М» обеспечивает выведение на геостационарную орбиту полезных грузов массой до 3,3 т. Но первоначально вывод осуществляется на низкую опорную орбиту – 200 км. Хотя разгонный блок и называют одной из ступеней корабля, от обычной ступени он отличается двигателями. Для перемещения космического аппарата или корабля на целевую орбиту или направления его на отлетную или межпланетную траекторию разгонный блок должен иметь возможность выполнить один или несколько маневров, при совершении которых изменяется скорость полета. А для этого необходимо каждый раз включать и выключать двигатель, в отличие от двигателей других ступеней ракет.
Полезная нагрузка, находится в самой верхней части ракеты. Для того чтобы преодолеть сопротивление воздуха, космический аппарат или корабль помещается внутрь головного обтекателя ракеты, который после прохождения плотных слоев атмосферы сбрасывается. На Приложении 8 запечатлен процесс установки головного обтекателя ракеты-носителя «Протон-М». Вошедшие в историю слова Юрия Гагарина: «Вижу Землю… Красота-то какая!» были им сказаны именно после сброса головного обтекателя ракеты-носителя «Восток».
21 июля 2021 года с Космодрома Байконур стартовала ракета-носитель «Протон-М» с многоцелевым модулем «Наука» для Международной космической станции. Это был 111 запуск ракеты-носителя «Протон-М». На Приложении 9 можно наглядно рассмотреть все циклы работы ракеты-носителя «Протом-М» от запуска до выведения разгонным блоком модуля «Наука» на орбиту МКС – 420 км от уровня моря на Земле. Полет занял 8 суток. А первая ступень, преодолев самый трудный путь ракеты, отсоединилась уже через две минуты после старта. К этому моменту скорость ракеты достигла 1,5 километра в секунду, а высота — около 44 километров. Отделение второй ступени наступило через пять с половиной минут, а после этого, на 347-ой секунде, произойдет сброс головного обтекателя – атмосфера Земли пройдена. Двигатели третьей ступени отключились через девять с половиной минут после старта. После этого модуль «Наука» отсоединился, запустились двигатели и система управления и ориентации, раскрылись солнечные батареи. Это произошло на высоте примерно 190 километров. До орбиты МКС на высоте примерно 420 километров модуль «Наука» добрался самостоятельно, с помощью двух двигателей.
1.3. Ракетный двигатель
Двигатели – важнейшая составная часть ракеты-носителя. Они создают силу тяги, за счет которой ракета поднимается в космос. Ракетные двигатели не похожи на известные нам, двигатели автомобиля, или самолета, которые крутят колеса или лопасти винта. Ракетные двигатели совсем другие.
В основе действия ракетных двигателей лежит третий закон Ньютона. Историческая формулировка этого закона говорит, что любому действию всегда есть равное и противоположное противодействие. Самый близкий пример – надутый и отпущенный воздушный шарик. «Ракету-шарик» движет сжатый воздух. Его молекулы, вылетают через отверстие в шарике, и следуя третьему закону Ньютона, что действие равно противодействию, толкает шар в обратную сторону. На этом же принципе работают и реактивные двигатели. Реактивное движение – движение, возникающее при отделении от тела с некоторой скоростью какой-либо части этого тела, в примере с шариком, эта часть – воздух, вылетающий из шарика.
Принцип работы ракетного двигателя следующий. Топливо и окислитель с помощью насосов подаются в камеру сгорания. Топливо, сгорая, превращается в газ высокой температуры и высокого давления. Газ будет давить во все стороны на все стенки камеры сгорания, и мощной струёй устремляется наружу через раструб специальной формы, расположенный в задней стенке камеры и называемый соплом (Приложение 10). Сила, действующая на эту заднюю стенку, уменьшится, так как ее площадь меньше площади противоположной стенки, значит на заднюю стенку давит меньше газов: появится разность сил, которая и представляет собой силу тяги. Назначение сопла состоит в том, чтобы повысить скорость струи газа. От этой скорости зависит скорость ракеты. Чем уже сопло, и, чем больше давление внутри камеры, тем больше тяга, создаваемая двигателем.
Все это прекрасный пример третьего закона Ньютона, который я открыл для себя, так как физику еще не изучал. На каждое действие (газ вылетает вниз) существует равная и противоположная реакция (ракета движется вверх). Поэтому и двигатели такие называются реактивными.
1.4. Реактивное движение в природе
Многие обитатели моря передвигаются таким образом, в частности медузы. Реактивное движение используется многими моллюсками – осьминогами, кальмарами, каракатицами. Например, морской моллюск-гребешок движется вперед за счет реактивной силы струи воды, выброшенной из раковины при резком сжатии ее створок. Каракатица забирает воду в себя, а затем энергично выбрасывает струю воды через воронку, и направляя трубку воронки в бок или назад, может двигаться в разные стороны.
Наибольший интерес представляет реактивный двигатель кальмара. Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Кальмары достигли высшего совершенства в реактивной навигации. У них даже тело своими внешними формами копирует ракету (или лучше сказать – ракета копирует кальмара, поскольку ему принадлежит в этом деле бесспорный приоритет). При медленном перемещении кальмар пользуется большим ромбовидным плавником, периодически изгибающимся. Для быстрого броска он использует реактивный двигатель. Мышечная ткань – мантия окружает тело моллюска со всех сторон, объем ее полости составляет почти половину объема тела кальмара. Кальмар засасывает воду внутрь мантийной полости, а затем резко выбрасывает струю воды через узкое сопло и с большой скоростью двигается толчками назад. При этом все десять щупалец кальмара собираются в узел над головой, и он приобретает обтекаемую форму.
Осьминоги плавают сравнительно медленно, со средней скоростью около пятнадцати километров в час. Каждая струя воды, выброшенная из воронки, толкает его вперед (вернее, назад, так как осьминог плывет задом наперед) на два – два с половиной метра.
Кроме того, именно так передвигаются и личинки стрекоз, и некоторые виды морского планктона.
Реактивное движение можно встретить и в мире растений. Например, созревшие плоды «Бешеного огурца» при самом легком прикосновении отскакивают от плодоножки, а из образовавшегося отверстия с силой выбрасывается клейкая жидкость с семенами. Сам огурец при этом отлетает в противоположном направлении до 12 м.
Глава 2 Практическая часть
2.1. Модель ракеты
Узнав столько интересного о ракетостроении и изучении космоса, мне захотелось сделать, и запустить свою ракету. Любая летающая модель ракеты (Приложение 11) имеет следующие основные части: 1 – головной обтекатель; 2 – амортизатор; 3 – корпус; 4 – нить подвески парашюта; 5 – парашют; 6 – направляющие кольца; 7 – стабилизатор; 8 – модельный ракетный двигатель.
Корпус ракеты служит для размещения двигателя и парашютирующей системы. К нему крепятся стабилизаторы и направляющие кольца. Стабилизаторы нужны для устойчивости модели в полете, чтобы ракета не вращалась и летела прямо, иначе тяга двигателя будет расходоваться на ненужные движения ракеты. С помощью направляющих колец модель крепят на штангу перед взлетом. Для придания модели хорошей аэродинамической формы верхняя часть корпуса оканчивается головным обтекателем. Парашютирующая система, или система спасения, необходима для замедления свободного падения. Двигатель создает необходимую тягу для полета.
Основной материал для изготовления несложных моделей ракет — бумага и пенопласт, ведь ракета должна быть очень легкой. Корпус и направляющие кольца склеивают из чертёжной бумаги, парашют вырезают из ткани или целлофанового пакета. Стабилизаторы, головной обтекатель, крепление двигателя делают из пенопласта. Для склейки применяют клей ПВА.
Мы с Папой решили собрать модель ракеты-носителя «Протон-М» и осуществить её запуск. Я самостоятельно вырезал стабилизаторы, приклеивал их к корпусу ракеты, привязывал парашют к нитям подвески (Приложение 12).
2.2. Устройство модельного ракетного двигателя
Модельные ракетные двигатели предназначены для создания движущей силы и раскрытия системы спасения моделей ракет. В ракетном моделизме используют только двигатели на твердом топливе. Законами запрещено использовать модельные ракетные двигатели на жидком топливе или на сжатом газе.
Рассмотрим что из себя представляет модельный ракетный двигатель (Приложение 13). Двигатель имеет форму цилиндра, как и оболочка ракеты, и состоит из следующих частей:
1 – Реактивное сопло. Его назначение – максимально разогнать продукты сгорания топлив, тяга двигателя напрямую зависит от скорости потока на выходе из сопла, поэтому в большинстве случаев сопла этих двагателей имеют на выходе расширяющийся участок для ускорения потока продуктов сгорания до сверхзвуковой скорости. В самом узком месте сопла скорость потока достигает скорости звука. Из всех элементов ракетного двигателя именно соплу приходится сложнее всего: по нему протекает поток раскаленных продуктов сгорания, состоящий не только из газов, но и из твёрдых частиц (особенность твердотопливных двигателей). Изготавливается сопло чаще всего из керамики.
2 – Заряд твердого ракетного топлива. Это запас энергии, выделяющейся при химической реакции горения топлива. Обратите внимание, прекратить работу запущенного двигателя невозможно.
3 – Замедлитель. Отдельный заряд, который горит медленнее основного топлива, тем самым происходит задержка времени от момента сгорания топлива до срабатывания вышибного заряда. То есть ракета, получив энергию от двигателя, продолжает лететь даже после полного расходования топлива. Замедлитель практически не создает тяги, но часто образует густой дымовой шлейф, чтобы удобней было наблюдать полёт модели.
4 – Вышибной заряд, простейший элемент автоматики, предназначенный для выбрасывания из модели парашюта. Даже легкая модель ракеты из ватмана обладает высокой скоростью полёта, взлетает достаточно высоко, и при свободном падении сломается. Поэтому на модели должна быть в обязательном порядке система спасения.
5 – Пыж из бумаги, прикрывающий вышибной заряд. Служит для сохранности системы спасения, чтобы взрываясь, вышибной заряд не разрушил парашют и нити его подвески.
6 – Корпус двигателя. Служит и ёмкость для хранения топлива, и камерой сгорания. Корпус соединяет все части двигателя в единое целое. При работе двигателя внутри корпуса находятся продукты сгорания с высокой температурой и давлением. Корпус должен быть достаточно прочным. Перед запуском обязательно надо проверить корпус на отсутствие повреждений, ведь любая маленькая трещина может привести к взрыву топлива во время запуска.
Изучим подробно, как работает наш модельный ракетный двигатель (Приложение 14):
1 – электрический воспламенитель поджигает заряд топлива.
2 – топливо горит с выделением тепла и образованием продуктов сгорания высокой температуры и давлением, которые, вырываясь вниз из сопла с высокой скоростью, создают реактивную тягу – толкают двигатель и ракету вверх.
3 – топливо догорает, и воспламеняет замедлитель, который медленно горит, позволяя ракете свободно лететь, оставляя за собой дымный след.
4 – замедлитель воспламеняет вышибной заряд, он выталкивает систему спасения и головной обтекатель из корпуса модели, после чего вся система мягко возвращается на поверхность планеты Земля.
2.3. Запуск модели ракеты
Модель ракеты готова. Теперь необходимо ее правильно запустить. Ведь модель не имеет органов управления, ракета не может в полете поворачивать, и менять траекторию полета. Для запуска мы используем пусковое устройство, пульт дистанционного управления запуском, проводники для подачи электропитания и воспламенитель.
Пусковое устройство обеспечивает движение модели вверх до тех пор, пока не будет достигнута скорость, необходимая для безопасного полёта по намеченной траектории. Самое простое пусковое устройство — направляющая штанга (штырь) из прочной проволоки, которая закрепляется в стартовом столе (Приложение 15). Пусковое устройство задаёт модели ракеты направление полёта и обеспечивает ей достаточную устойчивость в момент старта.
Пульт управления запуском представляет собой обыкновенную коробку, в которую устанавливают электрический элемент питания, сигнальную лампочку, кнопку пуска. Для безопасности, запуск должен осуществляться дистанционно. От пульта до стартового стола идут медные провода. К проводам подключается воспламенитель – проволока, которая сильно нагревается при прохождении по ней электрического тока.
При запуске моделей ракет необходимо строго соблюдать меры безопасности. Запуск модели можно осуществлять только с участием взрослого человека. Старт моделей производится только дистанционно, пульт управления запуском размещается на расстоянии не менее 10 метров от модели. Двигатель необходимо проверить на целостность, нельзя использовать поврежденный двигатель.
Необходимо строго соблюдать порядок действий при запуске и выполнять их непосредственно перед запуском на стартовом столе:
1 – Установить двигатель в готовую модель.
2 – Вставить воспламенитель в двигатель.
3 – Подключить воспламенитель к проводам.
4 – Подключить провода к пульту управления запуском.
По команде «Ключ на старт!» делается трёхсекундный предстартовый отсчёт в обратном порядке.
Мы запустили нашу модель ракеты (Приложение 16). Для запуска мы использовали готовые модельные ракетные двигатели. Двигатель РД1-10-5 массой 22 грамма способен поднять нашу модель на высоту 100 метров. В процессе полета топливо в двигателе сгорает за время чуть более одной секунды. За это короткое время модель получала ускорение, достаточное, чтобы набрать расчетную высоту. После сгорания топлива, воспламенялся замедлитель. Он сгорает за пять секунд, в это время не создается дополнительная тяга, а только остается след для наблюдения за моделью. Затем мы запустили модель с двигателем РД1-30-5 массой 55 грамм. С ним наша модель поднялась на высоту 300 метров!
Заключение
В результате проделанной работы я познакомился с историей развития ракет и узнал, что большой вклад в освоение космоса внесли русские ученые и конструкторы. А простой учитель физики Константин Эдуардович Циолковский более ста лет назад написал множество трудов об освоении космоса, и стал «Отцом космонавтики». Я открыл для себя третий закон Ньютона, что любому действию есть реакция – противодействие, и применил этот закон на практике. Я познакомился с устройством ракет, и узнал, что модель ракеты во многом копирует настоящую. Мне удалось собрать свою модель ракеты и успешно запустить её! Я узнал, что мой родной город Пермь внес большой вклад в развитие ракетостроения нашей страны, а его жители работали над созданием двигателя, прослужившего более 60 лет на благо освоения космоса. И на этом работа не закончилась – впереди разработка и производство двигателя для новой ракеты-носителя «Ангара»!
Список литературы
-
Большая книга экспериментов для школьников «РОСМЭН» 2010г.
-
Коваль А.Д., Сенкевич В.П. «Покорение космоса» 1969г.
-
Гильзин К.А. «Ракетные двигатели» 1950г.
-
Печатные материалы АО «Пермские моторы»
-
https://www.roscosmos.ru/
-
https://element114.narod.ru/Education/edu9phys/edu9phys-soyuz.html
-
https://kia-soft.narod.ru/interests/rockets/rockets.htm
Приложение 1
Ракетный двигатель РД-214, Ракета-носитель «Космос»
Приложение 2
Ракетный двигатель РД-253, Ракета-носитель «Протон»
Приложение 3
Коллектив Конструкторского отдела на 9 мая 1972г.
Приложение 4
Конструкция Ракеты
Приложение 5
Схема Ракеты-носителя «Протон-М»
Приложение 6
Первая ступень Ракеты-носителя «Протон-М»
Приложение 7
Ракета-носитель «Протон-М» с разгонным блоком
Приложение 8
Головной обтекатель Ракеты-носителя «Протон-М»
Приложение 9
Циклограмма 111-го запуска Ракеты-носителя «Протон-М»
Приложение 10
Схема ракетного двигателя
Приложение 11
Модель ракеты
Приложение 12
Процесс сборки модели ракеты
Приложение 13
Схема модельного ракетного двигателя
Приложение 14
Циклы работы модельного ракетного двигателя
Приложение 15
Модель ракеты на стартовом столе
Приложение 16
Запуск модели ракеты