VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

- Крылатые ракеты;

- Баллистические ракеты

Место старта и направленность запуска (класс):

- Ракеты класса «земля-земля»; - Ракеты класса «земля-воздух»;

- Ракеты класса «земля-море»; - Ракеты класса «воздух-воздух»;

- Ракеты класса «воздух-поверхность (земля, вода)»;

Дальность полёта:

- Ракеты ближнего радиуса действия; - Ракеты среднего радиуса действия;

- Баллистические ракеты средней дальности; - Ракета-носители;

- Межконтинентальные баллистические ракеты.

Тип двигателя по виду топлива:

- Твёрдотопливный двигатель;

- Жидкостный двигатель;

- Гибридный двигатель.

1.3. Устройство ракеты

Ракета имеет форму веретёнца, так как ей приходится по дороге в космос пролетать через воздух. Воздух мешает лететь быстро. Его молекулы стукаются о корпус и тормозят полёт. Для того чтобы уменьшить воздушное сопротивление, форму ракеты делают гладкой и обтекаемой. 

Ракета-носитель состоит из следующих элементов (см. рис. 1):

- космический корабль (отсек для космонавтов); - двигатели;

- аэродинамические элементы: корпус ракеты, крылья, стабилизаторы.

Рис. 1

1.4. Сила, заставляющая двигаться ракету

Несмотря на всю сложность конструкции современных космических кораблей, ракета — один из самых простых летательных аппаратов. Согласно Википедии Раке́та - летательный аппарат, двигающийся в пространстве за счёт действия реактивной тяги, возникающей только вследствие отброса части собственной массы (рабочего тела) аппарата и без использования вещества из окружающей среды.

Почему так трудно полететь в космос? Дело в том, что там нет воздуха. Там пустота, она называется вакуум. Поэтому там нельзя использовать ни самолёты, ни вертолёты, ни воздушные шары. Самолёты и вертолёты при взлёте опираются на воздух. Воздушный шар поднимается в небо, потому что он лёгкий и воздух выталкивает его вверх.

Среди самых впечатляющих свойств ракеты — ее способность обеспечивать собственное движение даже в полной пустоте космического пространства, а также достигать за счет этой реактивной силы потрясающе высоких скоростей. Ракета толкает сама себя без помощи внешних сил, и создается впечатление, будто эта тяга может сообщить ей сколь угодно большую скорость.

На самом деле ракета создаёт движущую реактивную силу, отбрасывая собственное топливо, а когда запас топлива иссякает, она перестает набирать скорость. Чтобы понять, как ракета извлекает реактивную силу из запаса топлива, я решил посмотреть, как работает третий закон Ньютона (тот самый, что описывает действие и противодействие) применительно к ракетам.

Наблюдения и опыты показывают, что скорость тела сама по себе измениться не может. Изменение скорости тела может произойти только при действии на него другого тела.

Если тело покоится, оно не начнет двигаться, пока на него не подействуют другие тела.

Например, футбольный мяч лежит на поле. Ударом ноги футболист приводит его в движение. То есть, мяч не поменяет свою скорость, пока на него не подействует другое тело.

Уменьшение скорости движения и остановка тела тоже не происходят сами собой, а вызываются действием на действующее тело других тел.

Мяч, катящийся по земле, останавливается из-за трения о землю.

Этот процесс и реализуется в классическом ракетном двигателе. Принцип реактивного двигателя прост (см. рис 2). В нём есть специальная камера, в которой сгорает топливо. При сгорании оно превращается в раскалённый газ. А из этой камеры есть только один выход – сопло. Направлено назад, в сторону, противоположную движению. Раскалённому газу тесно в маленькой камере, и он с огромной скоростью вырывается через сопло. Стремясь поскорее выбраться наружу, он с силой отталкивается от ракеты. А поскольку ракету ничто не держит, то она и летит туда, куда её толкает газ: вперёд. Есть ли вокруг воздух, нет ли воздуха - для горения топлива в камере совсем не важно. Силу, что поднимает ракету, создаёт она сама. Только газу нужно энергично отталкивать от ракеты, чтобы силы его хватило на подъём. Ведь современные ракеты-носители могут весить несколько тысяч тонн! Например, ракета-носитель «Энергия». Это много? Очень много! Грузовик, например, весит всего пять тонн.

Для того чтобы двигаться вперёд, нужно от чего-то отталкиваться. То, от чего ракета будет отталкиваться, она берёт с собой. Именно поэтому на ракетах можно летать в безвоздушном космическом пространстве.

Рис. 2

1.5. Стабилизация движения ракеты

Пока ракета в атмосфере, ей лучше всего лететь носом вперед. Чтобы сохранить правильную ориентацию, ракета должна обладать устойчивостью. Немало ракет было дистанционно уничтожено вскоре после запуска, поскольку они в полете потеряли устойчивость.

Ракетный конструктор обязан принять во внимание две причины возникновения сил. Во-первых, силу тяги двигателя. Расположенный в задней части ракеты, двигатель толкает ракету вперед, и потенциально это может иметь неприятные последствия. В конце концов, даже обычную тележку легче направить в нужную сторону, если тянуть ее спереди, а не толкать сзади. Для того чтобы ракета постоянно была ориентирована носом вперед, двигатель должен создавать силу тяги, направленную точно к центру масс, — тогда на ракету не действует сила. Если один из двигателей не совсем точно ориентирован, его тяга может создать момент силы, который начнет закручивать взлетающую ракету. Сбой в работе самого двигателя или его системы управления может привести к тому, что ракета выйдет из-под контроля.

Во-вторых, на ракету, пока она находится в атмосфере, могут действовать моменты аэродинамических сил, то есть обтекающий ракету воздушный поток помогает ракете лететь носом вперед при условии, что сопротивление воздуха у ее хвостовой части больше, чем спереди. В этом случае аэродинамические силы приложены к хвосту ракеты позади центра масс и направляют ее носом вперед.

Устойчивость простейшей ракеты обеспечивается исключительно аэродинамикой. Хвостовое оперение ракеты способствует формированию аэродинамических сил, которые удерживают ее хвост сзади. Сопла двигателей тоже тщательно выровнены так, чтобы реактивная газовая струя не создавала момента силы относительно центра масс ракеты. Такая ракета летит по прямой, но ею трудно управлять.

У современных высокотехнологичных ракет хвостового оперения нет, они стабилизируются за счет реактивных сил от двигателей. Такие ракеты умеют контролировать собственную ориентацию и поворачивать сопла двигателей таким образом, чтобы скорректировать траекторию. У других ракет используются дополнительные небольшие рулевые двигатели, которые поддерживают правильную ориентацию ракеты.

То, что коррекция траектории полета осуществляется исключительно с помощью реакции от газовой струи, становится принципиально важным, когда космический аппарат покидает атмосферу Земли. В безвоздушном пространстве, где не возникают моменты аэродинамических сил, полет космического корабля направляется лишь специальными рулевыми двигателями, которые короткими выбросами газовых струй поворачивают корабль в нужном направлении. Крылья и хвостовое оперение нужны космическому челноку лишь при возвращении на Землю, когда он начинает полёт в атмосфере. На орбите ни крылья, ни хвост не работают, потому что там нет воздуха, чтобы управлять полётом космического корабля.

Однако любой уважающий себя командир космического экипажа хочет, чтобы его корабль выглядел как можно более элегантно — уж не хуже, чем звездолеты, которые нам показывают в блокбастерах. Космические летательные аппараты в кино почти всегда украшены совершенно бесполезными в космическом пространстве хвостовым оперением и крыльями. И когда вы в очередной раз увидите на экране межгалактический крейсер с элегантными крыльями и хвостом, не забывайте, что ничуть не менее эффективным будет звездолет, похожий, скажем, на неуклюжий школьный автобус.

Выводы по теоретической части:

Движение ракеты происходит под действием реактивной силы, создаваемой газовой струёй – газовая струя, вытекая, создает реактивную силу, которая толкает ракету. Поэтому, чтобы начать движение и продолжить его, ракете нужно иметь запас топлива, которое, сгорая, может создавать газовую струю даже в космосе, в безвоздушном пространстве. Ракета может двигаться независимо от посторонних предметов и наличия атмосферы, что позволяет ей двигаться и в космическом пространстве.

2. Практическая часть

Изучив теоретический материал, я решил провести в домашних условиях эксперименты, связанные с полетом ракеты, отделение ступеней ракеты и ее управлением в движении.

2.1. Эксперимент №1: «Полет ракеты». (Приложение с. 20)

Цель: «Продемонстрировать полет ракеты».

Материалы: шарик, соломинка для питья, веревочка (прочная нитка), стул, скотч, зажим, маркер.

Процесс: надуть шарик и не завязывать хвостик, зажать его хвостик зажимом; нарисовать ракету на шарике; продеть в соломинку веревочку и натянуть между стулом и другим предметом; прикрепить шарик к соломинке скотчем; отпустить шарик.

Итоги: Когда из шарика выходит воздух, он устремляются вперед, тем самым демонстрируя полет ракеты.

2.2. Эксперимент №2: «Ступени» (Приложение с. 20)

Цель: «Продемонстрировать ступени, из которых состоит ракета».

Материалы: бумажный стаканчик, ножни­цы, длинный воздушный шарик, круглый воздушный шарик.

Процесс: отрезать у бумажного стаканчика дно; частично надуть длинный шарик и протащить тот его конец, где находится отверстие, через бумаж­ный стаканчик; оставить шарик в стакане; согнуть конец шарика над краем стакана, чтобы не вышел воздух; поместить в стакан круглый шарик и надуть его; отпустить отверстие круглого шарика.

Итоги: Когда из круглого шарика выходит воздух, оба шарика устремляются впе­ред. Стакан отсоединяется, а последний шарик, сдуваясь, как бы выстреливает впе­ред.

Почему? Шарики представляют собой трехступенчатую ракету. Для того, чтобы поднять и разогнать тяжелый космический аппарат, нужно большое количество топлива. У каждой ракетной ступени есть свой собственный запас топлива и двигатель. Полностью израсходовав топлива, ступень отсоединяется от ракеты и делает ее лег­че. Ступени по очереди разгоняют ракету, пока она не наберет достаточную скорость, чтобы покинуть земную атмосферу и вылететь в открытый космос.

2.3.Эксперимент №3: «Управляемая микро ракета» (Приложение с.21)

Цель: «Продемонстрировать управление ракетой».

Материалы: емкость для воды (таз), плотная бумага, пипетка, блюдечко, мыльные пузыри, маркер, ножницы.

Процесс: положить на поверхность воды в тазике вырезанную из плотной бумаги ракету) с несколькими камерами сгорания и каналами в хвостовой части. Верх ракеты должен быть заострен. Там, где канал выходит наружу, нужно сделать постепенное расширение (вырез в виде треугольника)— это будет сопло. Диаметр сопла должен быть раза в два больше ширины канала.

Взять пипетку, набрать мыльных пузырей и капнуть в «камеру сгорания». Мыльная вода обладает способностью быстро растекаться по чистой воде, она вытечет через канал и сопло наружу и одновременно надавит на противоположную стенку «камеры сгорания». Ракета двинется вперед.

Итоги: движение бумажной ракеты основано на реактивной силе.

Подготовленную микромодель космического корабля, запускали на поверхности воды. Если капнуть мыльную воду в правую «камеру сгорания» —ракета двинется по кривой линии влево, если капнуть в левую «камеру сгорания»— ракета двинется вправо, если капнуть одновременно из двух пипеток в обе «камеры сгорания» или в общую камеру сгорания— ракета двинется вперед. Данный эксперимент наглядно показывает, как можно управлять ракетой при ее полете.

2.4. Эксперимент №4: «Создание модели пневмогидравлической ракеты» (Приложение с. 21)

Проведя различные эксперименты, я решил создать модель пневмогидравлической ракеты.

Действующая модель пневмогидравлической ракеты, предполагается совершит полет под действием реактивной силы.  Ее полет основан на том, что из корпуса ракеты под давлением сжатого воздуха вытесняется струя воды, заставляя ракету двигаться в противоположном направлении.

Рис. 3 Схема пусковой установки для пневмогидравлической ракеты

В качестве корпуса ракеты была взята пластиковая бутылка. В качестве пусковой установки использована вертикально установленная на деревянную станину пластиковая трубка. На эту трубку герметично надевается бутылка, заполненная водою примерно на 1/3. В нижней части трубки установлен ниппель от велосипедной камеры, через который насосом накачивается воздух. При накачивании воздуха в бутылке создается высокое давление над водой в верхней части корпуса ракеты. Воздух выталкивает воду через горлышко. И когда бутылка срывается с пусковой установки, струя воды продолжает вырываться вниз, создавая реактивную тягу, и толкая ракету вверх. Высота взлета ракеты, изготовленной на основе двухлитровой бутылки, при запуске составляла до 10 м.

Несмотря на то, что ракета на водяном реактивном двигателе не более чем игрушка и в реальной жизни такие двигатели не используются, этот же принцип положен в основу работы судов с водометным движителем. Он активно используется на плавающей бронетанковой технике и малых судах, работающих на мелководье.

1,5-х литровая пластиковая бутылка, горлышко от еще одной бутылки, изолента, металлопластиковая водопроводная труба (длина примерно 50 см), стальной уголок, две клипсы для установки труб на стену, ниппель, доска, велосипедный насос.

Изготовление:

В трубку с одного торца эпоксидной жидкостью вклеиваем ниппель, у которого надо будет сначала подрезать резиновую часть. К нему будем подсоединять насос.

На середину трубки надеваем обрезанное горлышко от бутылки и тоже приклеиваем его. Оно нужно для того, чтобы фиксировать горлышко другой бутылки и не давать ей слезать с трубки.

Обматывает трубку изолентой в месте установки голышка бутылки, которая является ракетой. Делаем опору, которая будет удерживать трубку в вертикальном положении. Для этого на металлический уголок, купленный в магазине стройматериалов, прикручиваем пластиковые клипсы. С помощью них можно ставить и снимать трубку с опоры. Уголок для устойчивости прикручиваем на станину - кусок доски или можно ее держать руками. 

Вот так выглядит готовая пусковая установка (рис. 3).

Надеваем нашу ракету-бутылку на пусковую установку. Только перед стартом ее нужно будет наполнить водой. Тут очень кстати окажутся отстегивающиеся клипсы. Трубку можно снять, вставить в бутылку, не боясь разлить воду, надеть на пробку покрепче и потом установить на место. Клипсы можно не застегивать - всё и так неплохо держится.

Запускаем:
Для запуска ракеты надо выйти на пустое пространство, подальше от окон и автомобилей.  (Мы это делали на школьном стадионе).  Ракета летит очень высоко, выше деревьев и девятиэтажных домов. А траектория ее полета практически непредсказуема. Для того, чтобы это исправить, мы наклеить на бутылку стабилизаторы. Из-за этой же непредсказуемости траектории полета человек, который будет непосредственно запускать ракету, должен быть одет с учетом того, что ракета в полете льет струю воды, и она вполне может попасть на него.

Наливаем воду в ракету. Она должна заполнить бутылку примерно на одну треть – это оптимальное соотношение воды и воздуха. Вводим в бутылку трубку, плотно надев ее на пробку. Подсоединяем велосипедный насос. Пристегиваем трубку с надетой на нее бутылкой клипсами к опоре. Теперь надо в бутылку быстро-быстро накачивать насосом воздух. И через 10-20 секунд она под давлением сорвется и полетит вверх. Полет продолжается недолго, но его всегда можно повторить еще, просто налив в бутылку новую порцию воды.

Выводы по практической части:

По результатам проведенных экспериментов я доказал, что ракеты движутся за счет реактивной силы и за счет изменения направления газовой струи можно управлять полетом ракеты.

Заключение

В наш век уже никого нельзя удивить космическими полетами, хотя всего полвека назад это было удивительным достижением науки, а век назад — фантастикой, вызывавшей смех общественности. Космос стал «обыденностью» благодаря труду ученых со всего мира, но родоначальником космонавтики по праву считается русский ученый Константин Эдуардович Циолковский — именно он создал теоретическую базу науки о космических полетах. И именно он был первым человеком, который простым языком рассказал о полетах ракет, о космосе и явлениях, в нем происходящих.

Выбрасывающие языки пламени ракетные двигатели выводят космический корабль на орбиту вокруг Земли. Другие ракеты выводят корабли за пределы Солнечной системы. Во всяком случае, когда мы думаем о ракетах, то представляем себе космические полеты. Но ракеты могут летать и в вашей комнате, например во время празднования дня рождения. Обычный воздушный шарик тоже может быть ракетой. Каким образом? Надуйте шарик и зажмите его горловину, чтобы воздух не выходил наружу. Теперь отпустите шарик. Он начнет летать по комнате совершенно непредсказуемо и неуправляемо, толкаемый силой вырывающегося из него воздуха.

Сила, которая при этом создается, называется отдачей. Именно эта сила заставляет двигаться любую ракету, как в земных условиях, так и в космосе. Какие бы вещества или предметы ни вылетали из движущегося предмета, толкая его вперед, мы будем иметь образец ракетного двигателя.

Ракета намного лучше приспособлена для полетов в космической пустоте, чем в земной атмосфере. Чтобы вывести в космос ракету, инженерам приходится конструировать мощные ракетные двигатели. Свои конструкции они основывают на универсальных законах мироздания, открытых великим английским ученым Исааком Ньютоном. Законы Ньютона описывают силу тяжести и то, что происходит с физическими телами, когда они движутся. Второй и третий законы помогают отчетливо понять, что представляет из себя ракета. Второй закон Ньютона связывает силу движущегося предмета с его массой и ускорением (изменением скорости в единицу времени). Таким образом, для создания мощной ракеты надо, чтобы ее двигатель выбрасывал большие массы сгоревшего топлива с большой скоростью. Третий закон Ньютона гласит, что сила действия равна силе противодействия и направлена в противоположную сторону. В случае ракеты сила действия — это раскаленные газы, вырывающиеся из сопла ракеты, сила противодействия толкает ракету вперед. Ракеты, выводящие на орбиты космические корабли, используют как источник силы раскаленные газы.

Многие думают, что ракета движется оттого, что газы, выброшенные из сопла, отталкиваются от воздуха. Но это не так. Именно сила, которая выбрасывает газ из сопла, толкает ракету в космос. Действительно ракете легче летать в открытом космосе, где нет воздуха, и ничто не ограничивает полет частиц газа, выброшенного ракетой, а чем быстрее распространяются эти частицы, тем быстрее летит ракета.

То есть, между космическим кораблем и воздухом нет трения, которое могло бы затормозить полет. Трения нет, потому что в открытом космосе нет воздуха. Кроме того, при значительном удалении от Земли корабль становится практически невесомым. Поэтому даже слабый толчок двигателя может легко сдвинуть с места очень большой по размерам корабль.

Моя работа способствовала не только собственному самообразованию и расширению кругозора, но и привлекла интерес моих одноклассников. В результате проделанной работы я выяснил, что ракета может двигаться независимо от посторонних предметов и наличия атмосферы, что позволяет ей двигаться и в космическом пространстве. А значит, моя гипотеза подтвердилась.

По результатам проведенных экспериментов я доказал, что ракеты движутся за счет реактивной силы и за счет изменения направления газовой струи можно управлять полетом ракеты.

Список литературы

Гальперштейн Л. Я. / Забавная физика./ - М.: Детская литература/ 1994 г./ 256 с.

Детская энциклопедия./ - М.: Просвещение. / 2007 г. /405 с.

Чуянов В. А.. / Энциклопедический словарь юного физика./ - М.: Педагогика./ 2003 г. / 324 с.

Шабловский В. / Занимательная физика. Нескучный учебник./ С-П.: Тригон./ 1997г. / 416 с.

Интернет источники

http://cezarium.com/about-rocket/

http://www.stavrosha.ru/content/o-raketah/

http://brahmos.com/ru-content.php?id=10&sid=9

https://studfiles.net/preview/2154642/

Приложения

Проведение экспериментов

Эксперимент №1: «Полет ракеты»

Эксперимент №2: «Ступени»

Эксперимент №3: «Управляемая микро ракета»

Эксперимент №4 «Создание модели пневмогидравлической ракеты»