Главная >> Учебник по физике 10 класс. Базовый уровень. Пурышева

 

 

 

Глава 3. Следствия классической механики

 

       

§ 18. Освоение космоса

Реактивное движение

1. Автомобиль может поворачивать, разгоняться и тормозить, поскольку его колёса взаимодействуют с дорожным полотном. Крылья и рули самолёта могут отталкиваться от воздуха. Однако в космическом безвоздушном пространстве нет возможности изменять скорость, взаимодействуя с какой-либо средой. По этой причине для космических полётов используют ракеты, которые совершают реактивное движение.

С реактивным движением вы достаточно часто сталкиваетесь в жизни. Так, например, действие обыкновенной «вертушки» для полива газонов основано на реактивном движении. Струи воды, вырываясь под давлением из трубок с загнутыми концами, заставляют вращаться эти трубки в противоположную сторону (рис. 53). Другой пример реактивного движения: наполненный воздухом и не завязанный надувной резиновый шарик, если его отпустить, будет совершать быстрые беспорядочные движения. Двигать его будет воздух, который под давлением резиновой оболочки вылетает из отверстия. Таким образом, реактивное движение возникает за счёт того, что от системы тел отделяется с некоторой скоростью часть этой системы.

    «вертушки» для полива газонов

Ракеты

2. Рассмотрим упрощённую модель ракеты (рис. 54). Она состоит из двух частей — оболочки и находящегося в ней топлива. При сгорании топлива внутри оболочки образуется газ. Этот газ имеет огромные температуру и давление, поэтому он с большой скоростью вырывается из специального отверстия в оболочке — сопла ракеты, отталкивая оболочку в противоположном направлении.

    Ракеты. Рассмотрим упрощённую модель

Перед полётом ракета покоится относительно Земли, и поэтому её импульс равен нулю. После вылета из оболочки газ приобретает импульс mгυг, а оболочка — mобυоб. Если не учитывать действие силы тяжести, то оболочку и топливо можно считать замкнутой системой и применить закон сохранения импульса:

    0 = mгυг + mобυоб,

откуда скорость оболочки

    скорость оболочки

Из этого выражения видно, что скорость оболочки определяется скоростью газа и отношением массы газа к массе оболочки. Масса газа равна массе сгорающего топлива.

Для осуществления космических полётов необходимо, чтобы оболочка ракеты достигала огромных скоростей — не меньших чем первая космическая скорость. Поэтому масса топлива должна превышать массу оболочки в несколько раз, а достичь этого очень трудно. Именно в оболочке помещаются орбитальные космические аппараты, в которых могут находиться космонавты и специальная аппаратура. Кроме того, топливо не сгорает мгновенно и вследствие этого, во-первых, масса оболочки увеличивается за счёт запасов топлива, во-вторых, импульс вылетающего из сопла газа меньше рассчитанного. Приходится учитывать и тот факт, что топливо не может гореть в безвоздушном пространстве, и необходимо помещать в оболочку запасы окислителя — кислородо- или фторосодержащего вещества. Не забудем ещё, что на стартующую ракету действует сила тяжести. Таким образом, для достижения ракетой первой космической скорости необходимо, чтобы масса топлива превосходила массу оболочки в десятки раз! Например, ракета- носитель «Восток» при полной массе 267 т могла поднять не более 1,35 т полезного груза. Ракета-носитель серии «Союз» при стартовой массе около 310 т могла нести полезный груз массой до 7 т. Современные мощные ракеты-носители позволяют поднимать на орбиту груз массой до 100 т, имея при этом стартовую массу около 2400 т.

Продолжение >>>