10 класс
§ 25. Реактивные двигатели. Успехи в освоении космического пространства
Реактивные двигатели.
Реактивные двигатели получили широкое применение в связи с освоением космического пространства. Их применяют также для метеорологических и военных ракет различного радиуса действия. В космическом пространстве использовать какие-либо другие двигатели, кроме реактивных, невозможно: нет опоры, отталкиваясь от которой космический корабль мог бы получить ускорение. Использование же реактивных двигателей для самолётов и ракет, не выходящих за пределы атмосферы, связано с тем, что именно такие двигатели способны обеспечить максимальную скорость полёта.
Реактивные двигатели можно разделить на два класса: ракетные и воздушно-реактивные. В ракетных двигателях топливо и необходимый для его горения окислитель находятся непосредственно внутри двигателя или в его топливных баках. На рисунке 4.7 показана схема ракетного двигателя на твёрдом топливе (РДТТ).
Порох или какое-либо другое твёрдое топливо, способное к горению в отсутствие воздуха, помещают внутрь камеры сгорания двигателя. При горении топлива образуются газы, имеющие очень высокую температуру и оказывающие давление на стенки камеры. При этом сила давления на переднюю стенку камеры больше, чем на заднюю стенку, где расположено сопло. Вытекающие через сопло газы не встречают на своём пути стенку, на которую могли бы оказывать давление. В результате появляется реактивная сила, заставляющая ракету лететь вперёд.
Сопло предназначено для увеличения скорости истечения продуктов сгорания, что в свою очередь повышает реактивную силу. Сужение струи газа вызывает увеличение его скорости, так как при этом через меньшее поперечное сечение в единицу времени должна пройти такая же масса газа, что и при большем поперечном сечении.
На практике применяют также ракетные двигатели, работающие на жидком топливе. В жидкостно-реактивных двигателях (ЖРД) в качестве горючего используются керосин, бензин, спирт, анилин, жидкий водород и др., а в качестве окислителя, необходимого для горения, — жидкий кислород, азотная кислота, жидкий фтор, пероксид водорода. Горючее и окислитель хранятся отдельно в специальных баках и с помощью насосов подаются в камеру, где при сгорании топлива достигается температура около 3000 °C и давление до 50 атм (рис. 4.8, а). В остальном двигатель работает так же, как и двигатель на твёрдом топливе. Жидкостнореактивные двигатели применяют для запуска космических кораблей (рис. 4.8, б). На рисунке 4.8, в показан внешний вид современного ракетного двигателя.
Первый работающий ЖРД создал американский изобретатель Роберт Годдард (1882—1945) в 1926 г. В 1931—1933 гг. аналогичные разработки велись в СССР группой учёных во главе с Фридрихом Артуровичем Цандером (1887—1933).
Основное отличие воздушно-реактивных двигателей от ракетных состоит в том, что окислителем для горения топлива является кислород воздуха, поступающего внутрь двигателя из атмосферы.
На рисунке 4.9 изображена схема воздушно-реактивного двигателя турбокомпрессорного тина.
В носовой части расположен компрессор, засасывающий и сжимающий воздух, который затем поступает в камеру сгорания. Жидкое горючее (обычно керосин) подаётся в камеру сгорания с помощью специальных форсунок. Раскалённые газы (продукты сгорания), выходя через сопло, вращают газовую турбину, приводящую в движение компрессор.
Успехи в освоении космического пространства.
Основы теории реактивного двигателя и научное доказательство возможности полётов в межпланетном пространстве были впервые высказаны и разработаны русским учёным Константином Эдуардовичем Циолковским (1857—1935).
В 1903 г. в работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами» он предложил теорию полёта ракеты с учётом изменения её массы в процессе движения и выдвинул идею о применении ракетных двигателей для межпланетных кораблей.
В 1929 г. им была создана теория движения составных (многоступенчатых) ракет. Отдельные ступени, из которых составлена ракета, снабжаются собственными двигателями и необходимым запасом топлива. По мере выгорания топлива каждая следующая ступень отделяется от ракеты. Поэтому в дальнейшем на ускорение её корпуса и двигателя топливо не расходуется. Такие ракеты теперь являются основными в космонавтике. Они используются для вывода на орбиты искусственных спутников Земли и запуска космических аппаратов к Луне и планетам Солнечной системы.
Отметим также теоретические работы профессора Петербургского политехнического института Ивана Всеволодовича Мещерского (1859— 1935). В 1897 г. им была решена задача определения реактивной силы на основе закона сохранения импульса.
Нашей стране принадлежит великая честь запуска 4 октября 1957 г. первого искусственного спутника Земли (рис. 4.10).
Также в нашей стране был осуществлён полёт космического корабля с космонавтом Юрием Алексеевичем Гагариным (1934—1968) на борту.
12 апреля 1961 г. впервые в мире он совершил полёт в космос на корабле-спутнике «Восток», облетев земной шар за 1 ч 48 мин. Этот и последующие полёты были совершены на ракетах, сконструированных отечественными учёными и инженерами под руководством академика, выдающегося учёного, конструктора ракет Сергея Павловича Королёва (1907—1966). Первый искусственный спутник, первый полёт человека в космос невозможно было бы осуществить без его конструкторских идей. Королёв был генеральным конструктором космических кораблей «Восток» и «Восход».
Значительные заслуги в исследовании космического пространства имеют американские учёные, инженеры и астронавты. Два астронавта из экипажа космического корабля «Аполлон-11» — Нил Армстронг (1930—2012) и Эдвин Олдрин — 20 июля 1969 г. впервые совершили пилотируемую посадку на поверхность Луны.
Одним из триумфальных достижений отечественной космонавтики XX в. стало создание уникальной по длительности пребывания на околоземной орбите космической станции «Мир». Она проработала с 20 февраля 1986 г. по 16 марта 2001 г. Станция состояла из нескольких модулей, где проводились исследования в разных областях науки и техники.
В настоящее время работает Международная космическая станция (MKC) — многоцелевой космический исследовательский комплекс (рис. 4.11).
MKC — совместный международный проект, в котором участвуют 15 стран, в том числе Германия, Россия, США и др. Управление MKC осуществляется: российским сегментом — из Центра управления космическими полётами в Королёве, американским сегментом — из Центра управления полётами имени Линдона Джонсона в Хьюстоне.
Одна из основных целей MKC — проведение на станции экспериментов, требующих наличия уникальных условий космического полёта (например, вакуума, космических излучений, не ослабленных земной атмосферой). Исследования выполняются с помощью научного оборудования, в основном расположенного в специализированных научных модулях-лабораториях, часть же оборудования для экспериментов, требующих вакуума, закреплена снаружи станции.
Вопросы:
1. Опишите схему работы ракетного двигателя на твёрдом топливе.
2. Что используется в качестве горючего и окислителя в ЖРД?
3. В чём состоит главное отличие воздушно-реактивных двигателей от ракетных?
4. C именами каких отечественных учёных и конструкторов связаны успехи в освоении космического пространства?
Вопросы для обсуждения:
1. Как можно осуществить торможение космических кораблей?
2. Какой будет траектория спутника при его движении в атмосфере Земли?
