XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

История ракетостроения

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Березин А.С. 1

---

1ОЦ"Протон"

Журавлева Я.А. 1

---

1ГБОУ ОЦ "Протон"

Работа в формате PDF

1.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Изучение трудов Константина Эдуардовича сохраняет высокую актуальность для современного ракетостроения и космонавтики. Позволяет проследить, как формировалась логика ракетостроения. В его трудах содержится множество технических решений, которые могут быть реализованы сегодня на новом технологическом уровне.

Он рассматривал ракету не изолировано, а как часть сложной системы «Земля – космос – человек», что сегодня соответствует методологии системного инжиниринга - инженерно-консультативной деятельности, связанной с созданием или совершенствованием ракетной продукции.

Объект данного исследования: процесс создания и развития ракетно-космической техники и космонавтики.

Предмет исследования: анализ идей, инженерных решений К. Э. Циолковского, которые нашли практическое воплощение и получили дальнейшее развитие в современных космических аппаратах и стратегий освоения космоса.

Гипотеза: доказать, что теоретические труды К.Э. Циолковского заложили фундаментальные основы механики реактивного движения и текущих ракетно-космических проектов.

Цель проекта: показать, как идеи Циолковского воплотились в реальных конструкциях ракетно-космической техники XXI века.

Задачи проекта:
- изучить и выделить ключевые идеи К.Э. Циолковского, касающиеся конструкции ракет (жидкое топливо, многоступенчатость, управление полетом)

- провести сравнительный анализ советской ракеты и американской;

• определить какие идеи К.Э. Циолковского находят свое воплощение в современных ракетно-космических проектах;

• развить навыки исследовательской работы в области ракетостроения.

Для достижения целей проекта был произведен сбор и анализ литературных источников, Интернет-ресурсов, моделирование и анализ полученных данных.

Константин Эдуардович Циолковский

К. Э. Циолковский — советский исследователь с мировым именем, пропагандист освоения космического пространства. Ученый и изобретатель, первопроходец в области изучения космоса. Термин «Реактивный прибор» – это не просто чертеж конкретного устройства, а концептуальное название для аппарата будущего, который сможет преодолеть земное притяжение. Это устройство, создает движущую силу (тягу) путем отбрасывания рабочего тела (массы) в направлении, противоположном желаемому движению. Проще говоря: толкаешь что-то назад – летишь вперед. В космосе не от чего оттолкнуться (нет воздуха и земли), поэтому это единственный способ двигаться. В своих трудах он проработал этот «прибор» от философской идеи до инженерных расчетов.

Три главные части ракеты (см. Приложение 1):

1) Камера сгорания – труба, где смешиваются

топливо и окислитель.

2) Сопло – выжимает максимальную скорость газов

3) Рубашка охлаждения – стенки камеры и сопла делают двойными, между стенками течет горючее перед тем, как попасть внутрь. Топливо забирает тепло от стенок, охлаждая их, а само нагревается.

В своих работах исследователь не только подробно описал теорию полета ракеты, но и перечислил ее преимущества перед альтернативным космическим транспортом, например, гигантской пушкой (по мнению Циолковского, создание ракет было значительно дешевле). Первое изображение «реактивного прибора» должно было появиться в журнале «Научное обозрение» еще в 1903 году, но чертеж не попал в печать и был опубликован только в 1962 году.

На протяжении нескольких лет Циолковский дорабатывал внешний вид и конструкцию своих ракет и составил формулу, обосновавшую возможность космических полетов (См. Приложение 2).

.

Ключевые идеи Циолковского и современные ракетно-космические проекты (см. Приложение 3)

1. Многоступенчатые ракеты – Ракетные поезда. Циолковский вывел формулу, связывающую скорость ракеты с массой топлива - невозможно достичь космических скоростей с одноступенчатой ракетой, поэтому он предложил концепцию «ракетных поездов» Когда топливо в одной ступени заканчивается, она отбрасывается, чтобы не нести лишний груз. Все современные тяжелые ракеты-носители компании Space, Falcon являются многоступенчатыми.

2. Использование жидкого топлива – позволяет регулировать тягу, охлаждать камеру сгорания и дает максимальную энергоотдачу. Элементы жидкого топлива – это горючее и окислитель. Они подаются из разных баков под давлением через форсунки и перемешиваются в камере сгорания. После воспламенения начинается процесс горения, которое продолжается, пока горючее и окислитель поступают в камеру.

3. Жидкостное охлаждение камеры сгорания – использование одного из компонентов топлива для охлаждения. Сейчас это стандарт для всех мощных жидкостных ракетных двигателей. Без этого принципа двигатели бы просто разрушались за секунды работы.

4. Выход в открытый космос (Шлюзирование) - специальное устройство для выхода человека из корабля в вакуум, чтобы не выпускать весь воздух из кабины. Все современные космические корабли (Союз, Dragon, Starliner) и орбитальные станции МКС оснащены шлюзовыми камерами для выхода в открытый космос.

5. Искусственная гравитация (Центрифуга) – Циолковский понимал пагубное влияние невесомости на организм человека. Он предлагал создавать искусственную тяжесть путем вращения космического корабля или станции, чтобы центробежная сила прижимала людей к полу. Прямых действующих станций с искусственной гравитацией пока нет, но эта идея заложена в проекты будущих межпланетных кораблей (проекты Starship), научные эксперименты с центрифугами проводятся на МКС и в наземных лабораториях.

6. Орбитальные станции во Вселенной - пересадочный пункт для полетов к другим планетам. Международная космическая станция (МКС) и китайская станция «Тяньгун» являются прямым воплощением этой идеи.

7. Использование солнечной энергии – Циолковский предвидел, что в космосе, где нет облаков и атмосферы, энергию Солнца можно использовать гораздо эффективнее, чем на Земле. Сейчас почти все спутники и станции питаются от солнечных батарей. Без этого работа аппаратов на орбите была бы невозможна.

СССР против США: главные отличия
«Бурана» от Space Shuttle

Буран – советский орбитальный корабль-ракетоплан многоразового использования. Советские конструкторы не скрывали, что «Буран» появился как прямой ответ на американскую космическую программу Space Shuttle. 

• Он совершил свой первый и единственный космический полет 15 ноября 1988 года. Легендарность – полет был полностью автоматическим (в отличие от американских шаттлов, которые садились вручную).

• Стартовал с космодрома Байконур с помощью ракеты-носителя «Энергия», совершил два витка вокруг Земли и самостоятельно приземлился на взлётно-посадочную полосу. Автоматическая посадка в автономном режиме (без участия экипажа на борту) в условиях сильного бокового ветра стала мировым рекордом и техническим подвигом. Продолжительность: 205 минут.

• Двигатели: у «Бурана» не было собственных маршевых двигателей (как у Шаттла). Он стартовал при помощи ракеты-носителя «Энергия». Это делало его более безопасным при взлёте и позволяло выводить более тяжёлые грузы.

• Спасение экипажа: на «Буране» устанавливались катапультные кресла для двух пилотов.

• Уникальная электроника, теплозащитные плитки более совершенные и легкие.

Программа «Энергия – Буран» стоила Советскому Союзу колоссальных средств, но была закрыта в 1993 году после распада СССР. (см. Приложение 4)

Развитие реактивного движения – ключевые события
В основе этого движения лежит третий закон Ньютона – закон сохранения импульса: действие рождает противодействие

Заключение

В ходе работы над проектом были изучены идеи К.Э. Циолковского, история развития реактивного движения от древних китайский ракет до современных космических кораблей и становится очевидным влияние трудов Константина Эдуардовича, который считается «отцом теоретической космонавтики», которое укладывается в логическую структуру: «От мечты – к формуле – к полету». Он дал миру формулу, обосновавшую возможность космических полетов. Его идеи о многоступенчатых ракетах и жидком топливе стали теоретическим мостом, соединяющим пороховые «огненные стрелы» средневековья с полетом Гагарина и высадкой на Луну.

Идеи Циолковского для инженера – это не история, а фундамент. Подобно тому, как современный строитель не может игнорировать законы гравитации, современный ракетостроитель не может игнорировать законы, выведенные Циолковским. Они вшиты в код программ, в чертежи двигателей и в конструкцию космических станций.

Таким образом, гипотеза исследования доказана, цель и задачи достигнуты.

Модель Истории Ракетостроения

Меня заинтересовала история развития реактивного движения и мне захотелось отразить эти основные этапы в своем макете. (см. Приложение 5)

В макете показывается история ракетостроения в лицах и экспонатах:

• Восток-1- первый космический аппарат, поднявший в космос человека

• Спутник-1- первый искусственный спутник земли

• Луна-9- первый космический аппарат совершивший мягкую посадку на луну

• Буран-советский орбитальный корабль-ракетоплан многоразовой транспортной системы (МТКС)

• Салют- наименование серии пилотируемых советских орбитальных научных станций. Под общим названием «Салют» на орбиту выводились станции по гражданской программе «Долговременная орбитальная станция» (ДОС, «Изделие 17К») разработки ЦКБЭМ и по военной программе «Алмаз» (ОПС, орбитальная пилотируемая станция) разработки ЦКБМ.

• Юрий Гагарин-советский космонавт и военный лётчик, первый человек, совершивший космический полёт. До полёта был военным лётчиком истребительной авиации Северного флота. Родился 9 марта 1934 года 27 марта 1968 года Юрий Гагарин погиб в авиационной катастрофе.

• Алексей Леонов-лётчик-космонавт СССР, первый человек в мире, вышедший в открытый космос. Родился 30 мая 1934 года Умер 11 октября 2019 года в Москве на 86-м году жизни.

• К.Э Циолковский- российский и советский инженер и учёный, пионер космонавтики. Теоретически обосновал многие аспекты космических полётов и ракетного движения.

Список литературы

1. Гонтарук, Т. И. Детская энциклопедия «Я познаю мир. Космос» / Т.И. Гонтарук // М., АСТ 2019, 446с.

2. Циолковский К.Э. «Грезы о земле и небе» из серии «Классика науки», 2017

3. Первушин А. «108 минут, изменившие мир». Эксмо, 2011.

4. Порцевский, К. Моя первая книга о космосе // К. Порцевский// М.: ЗАО «РОСМЭН - ПРЕСС», 2020

5. Глушко В.П. «Развитие ракетостроения и космонавтики в СССР», 1987.

6. https://www.litres.ru/tags/raketostroenie/ «Введение в ракетно-космическую технику» (А.П. Аверьянов и др.): Книги, содержащие как исторические аспекты, так и основы проектирования жидкостных ракетных двигателей.

7. Сайт «Роскосмоса» (www.roscosmos.ru)
8. Сайт «Научная Россия» https://scientificrussia.ru/articles/cem-kormat-rakety-vidy-raketnogo-topliva

Приложение 1

Ракета К. Э. Циолковского

Приложение 2

Внешний вид и конструкция ракет К.Э. Циолковского

Схематический вид ракеты, 1902–1903г

Схема одиночной космической ракеты для полета человека в космос, 1911-1912

«Исследование мировых пространств реактивными приборами» (дополнение к I и II частям труда того же названия), 1914 год

Приложение 3

Ключевые идеи К.Э. Циолковского

Многоступенчатые ракеты – Ракетные поезда.

Использование жидкого топлива

Жидкостное охлаждение камеры сгорания

Выход в открытый космос (Шлюзирование)

Искусственная гравитация (Центрифуга)

Орбитальные станции во Вселенной

Использование солнечной энергии

Приложение 4

СССР против США: главные отличия
«Бурана» от Space Shuttle

Приложение 5

Модель Истории Ракетостроения