Главная
страница 1страница 2страница 3


Управление образования Верхнесалдинского городского округа

Исследовательский проект

Красота реактивного движения:

что за ней стоит?

(научно-техническое направление)



Исполнитель:

Колесников Александр

учащийся 9 м класса МОУ СОШ № 2
Руководитель:

Шевчук Любовь Александровна,

учитель физики МОУ СОШ № 2,

высшая квалификационная категория


г. Верхняя Салда

2010 г.
Содержание


Стр.

Введение 3

1. Реактивное движение в истории 4

2. Физические основы работы реактивного двигателя 9

3. Экспериментальное доказательство формулы Циолковского 12

4. Ему была ясна звездная книга 14

5. Классификация реактивных двигателей и особенности их использования 16

6. Примеры реактивного движения в природе 16

Заключение 21

Список литературы 22

Введение
Во все времена человек мечтал летать как птицы. И вот его мечта путем проб и ошибок, постоянного и тщательного изучения окружающего мира осуществилась – он построил самолет. Но человеку свойственно мечтать. И теперь его мечты связаны с тем, как полететь к звездам, к планетам, которые кажутся такими близкими, но оказываются далекими, к другим галактикам.

Чтобы осуществить космические полеты писатели-фантасты предлагали самые разные средства для достижения этой цели. В XVII веке появился рассказ французского писателя Сирано де Бержерака о полёте на Луну. Герой этого рассказа добрался до Луны в железной повозке, над которой он всё время подбрасывал сильный магнит. Притягиваясь к нему, повозка всё выше поднималась над Землёй, пока не достигла Луны. А барон Мюнхгаузен рассказывал, что забрался на Луну по стеблю боба.

Но все предложенные способы не позволяли человеку преодолеть силу земного притяжения, двигаться в безвоздушном пространстве. И как всегда для решения этой сложнейшей задачи человек обращается к природе, которая подсказывает решение – реактивное движение. Именно реактивное движение является основой современной авиации гражданской и военной, космической техники.

При работе над проектом я ставил перед собой цель: рассмотреть принцип реактивного движения и подтвердить экспериментально формулу Циолковского.

Для себя я выделил следующие задачи:

- познакомиться с историей развития реактивного движения;

- выяснить физические основы работы реактивного двигателя;

- экспериментально доказать формулу Циолковского;

-рассмотреть классификацию реактивных двигателей и особенности их использования;
1. Реактивное движение в истории
Знакомство человечества с реактивным движением состоялось достаточно давно, в 1 тысячелетии до нашей эры. Согласно письменным источникам, в 360 году до нашей эры грек Архитос Тарентийский, основатель механики и сторонник математики Пифагора, впервые продемонстрировал возможности реактивного движения.

Глиняная птица, заполненная водой, подвешивалась на специальной планке над огнём. Вода закипала, а вырывающийся через отверстие пар вращал птицу вокруг оси. Греческие механики ещё около 200 лет ставили подобные опыты, пытаясь использовать энергию воды, огня, масляных и других смесей, но технологии того времени не позволяли создать достаточно прочных материалов для изготовления корпуса для таких механизмов. Поэтому дальнейшие исследования в этом направлении практически прекратились.

Первые управляемые ракеты представляли собой простейшие снаряды, использующие энергию сгорания пороха. Это были знаменитые китайские «огненные стрелы», которые стали применяться в период 200-300 годов нашей эры. К стреле привязывался реактивный снаряд в виде бумажной трубки, заполненной порохом. Стрела выпускалась с зажженной ракетой из обычного воинского лука, а ее оперение из плотного шёлка обеспечивало устойчивость в полете. Дальность полета составляла около 300 метров, то есть почти в два раза превышала дистанцию обычной стрелы. При этом точность поражения цели зависела только от подготовки лучника, которому кроме обычных факторов нужно было учитывать ещё и очень высокую скорость полёта стрелы со снарядом. Иногда в головной части бумажной ракеты размещался зажигательный состав, который взрывался после того, как сгорит весь порох.

В течение следующих 10 веков древнее «ракетное» оружие активно совершенствовалось в локальных военных конфликтах китайцами и индусами, а также греческими и арабскими учёными. Исследовались разные зажигательные смеси, носители (средние и тяжёлые стрелы, копья, дротики), изучалось поведение ракеты в воздухе. Значение ракетного оружия в военном деле возросло настолько, что в 1250 году появился первый учебник по подготовке ракетчиков – «Огненная книга или книга об огне, служащем для сжигания врагов», изданная неизвестным учёным под псевдонимом Марк Грек. В этом фолианте описывались различные огненные смеси, методы их использования в военном деле и давались основы реактивного движения. Однако в Европе развитие ракетостроения долго сдерживалось церковным запретом на использование пороха, а также разгулом инквизиции, которая могла объявить еретиком и сжечь любого учёного.

С середины 13 века ракеты появляются в Аравии, где получают название «воздушные кальмары». Монгольские армии также начинают использовать зажигательные стрелы на порохе. В 1258 году монголы применили их при осаде Багдада, а в 1274 и 1281 годах реактивное оружие широко применялось ими во время нападений на Японию. К концу 13 века Япония, Корея, Индия и остров Ява (Индонезия) тоже осваивают технологию изготовления пороха и военного применения «самоходных стрел», после чего новое оружие начинает быстро распространяться по Азии и Восточной Европе.

Упоминания о первом варианте стационарной ракетной установки встречается в китайских хрониках 1259 года. Она называлась «Копье яростного огня» и представляла собой ракету достаточно большой мощности, привязанную к шесту и располагавшуюся на подставках из бамбука.

Несмотря на приоритет китайских военных в использовании реактивного движения, понятие «ракета» (rochetta) впервые употребляется при описании пороховых зажигательных стрел европейцем, итальянским учёным Маратори в 1379 году. А итальянцы, в свою очередь, узнали о ракетах от своего путешественника Марко Поло, познакомившего Европу с жизнью и бытом Китая, в том числе с порохом, зажигательными смесями и «огненными стрелами». Первые ракеты в Европе появились в 1400 году и сначала использовались только для фейерверков на итальянских праздниках.

В книге другого итальянца, Фонтана, написанной в 1420 году, имеются не только описания боевых ракет, но и рационализаторские предложения, как использовать реактивную струю от выстрела для передвижения на «самобеглой» коляске.

Первенство в массовом использовании ракет во время военных действий в Европе принадлежит французским войскам Жанны д'Арк, применивших их при защите Орлеана в 1429 году. Впоследствии реактивное оружие завоёвывало всё большую популярность, однако оставалось достаточно сложным и ненадёжным в употреблении по сравнению с традиционными методами ведения войн.

Тем не менее, исследования продолжались, и в 1561 году во Франции вышла анонимная публикация «Несколько способов военного применения фейерверков», где впервые был обобщён и проанализирован опыт применения ракет в сражениях. В этом труде давалось также множество рекомендаций, в частности по замене бумажных и бамбуковых ракетных корпусов на кожаные.

Ещё через 30 лет, в 1591 году бельгиец Ян Бив описал и сделал приблизительный чертёж многоступенчатой ракеты, предназначенной для преодоления притяжения земли.

С 1600 года ракеты становятся действенным средством борьбы против кавалерии, которая с древних времён являлась самым эффективным видом войск. С этого периода начался очередной пересмотр тактики ведения сражений в пользу артиллерии и ракетного оружия.

Опыт сражений с применением артиллерии показал, что для нанесения наибольшего урона противнику необходимо всё больше увеличивать калибр орудий, одновременно совершенствуя материалы для их изготовления. Та же тенденция наблюдается и в развитии ракетного оружия, которое по мере повышения надёжности требовало увеличения его разрушительной мощи. В 17 веке такие работы проводились многими странами. В частности в 1668 году немецкий полковник артиллерии Кристоф Фридрих начал экспериментировать с ракетами калибров до 50 кг и с массой пороховой боеголовки до 7 кг.

Значительный вклад в формирование ракетного оружия, сам того не ведая, внёс великий английский учёный, сэр Исаак Ньютон. В 1687 году он опубликовал свою знаменитую книгу «Математические принципы естественной философии», где сформулировал «Универсальные законы движения». Третий закон – «Для каждого действия имеется равная и противоположная реакция», является фундаментальным принципом работы реактивного двигателя. Он и сегодня лежит в основе расчета реактивной тяги. Именно Ньютон впервые определил скорость и высоту подъема, необходимые для вывода ракеты на геостационарную орбиту.

Англичанам пришлось познакомиться с разрушительным действием ракетного оружия и в Азии, и в Северной Америке. В 1792 году, в сражении при Саренгепте, индийские солдаты обстреляли ракетами хорошо подготовленных британских солдат. Несмотря на то, что индийское «секретное оружие» было изготовлено по весьма примитивным технологиям, количество и необычность его воздействия полностью деморализовали английскую армию. То же повторилось и при осаде крупного индийского города Серингапатама в 1799 году. Правитель города Типу-Сагиб имел в рядах своей армии корпус «ракетных стрелков» численностью 1200 человек, который создал его отец, князь Гайдар-Али. Ракеты, за несколько минут практически полностью уничтожившие первые ряды британцев, представляли собой уже достаточно правильные трубки из бамбука с порохом весом 3-6 кг и привязывались к палкам длиной 2,5 метра для стабилизации полёта. Тогда же в качестве корпуса индусы начали применять железную гильзу длиной 30 см, крепившейся на шесте из бамбука длиной 2,5-3 метра.

Во время колонизации англичанами Канады североамериканские индейцы применяли против королевских войск прототипы переносных зенитно-ракетных комплексов – незатейливые ракеты, запускаемые с плеча. Как подтверждают хроники, подвижные краснокожие стрелки поначалу наносили значительно больший урон британцам, чем громоздкая артиллерия европейцев.

Однако Великобритания всегда славилась тем, что не повторяла однажды допущенных ошибок. В 1804 году, чтобы предотвратить наполеоновское вторжение, английское правительство приступило к реализации программы поддержки учёных и изобретателей, работающих в области вооружений. Создавались первые субмарины, новые системы огнестрельного оружия. Тогда же, благодаря полковнику британской армии и военному инженеру, сэру Уильяму Конгреву, появились и первые серьёзные боевые ракеты. После многочисленных экспериментов с реактивными снарядами, захваченными во время индийской кампании, английский изобретатель сформировал теорию проектирования и строительства твердотопливных ракет, включающую технологию поддержания устойчивого процесса горения топлива и методику использования хвостовых стабилизаторов для управления её полетом. Секретная «адская машина» Конгрева представляла собой фугасно-зажигательный заряд на реактивной тяге, который летел на расстояние до 2,7 километров. Боевое применение этого оружия состоялось в 1806 году, когда более 2000 ракет были использованы при обстреле Болоньи. А затем уже индийская армия и североамериканские индейцы испытали на себе боевые качества технологически более совершенных английских ракет.

Примерно в то же время, в 1807 году, состоялось и одно из первых мирных применений ракет. Англичанин Генри Тренгроус предложил закреплять на ракете фал для доставки спасательного троса на терпящее бедствие судно. Этот способ используется и сейчас.

Россия также не осталась в стороне от общемировых тенденций. Первая в Европе отдельная армейская ракетная бригада была сформирована в 1817 году русским артиллерийским офицером, талантливым изобретателем Александром Засядко. Формирование таких же подразделений в Британии и Австрии началось только через год. И вплоть до появления в 1860 году нарезной артиллерии ракеты становятся обязательной и равноправной частью армий всех держав.

Стоит отметить ещё одного русского офицера, «отца русской боевой пороховой ракеты» Константина Константинова, который ознакомился с ракетным делом на Западе, уделив особое внимание производству этого оружия на заводе Конгрева, находящегося в окрестностях Лондона. Заслугой русского учёного, кроме усовершенствования самих ракет и станков для их запуска, является значительное улучшение условий производства ракет, а также создание первого в мире испытательного стенда с баллистическим маятником, с помощью которого определялась реактивная (движущая) сила ракет. В результате этого пороховые ракеты Константинова стали летать дальше, точнее и были намного безопаснее при транспортировке и запуске.

Первый пуск твердотопливной баллистической ракеты длиной 3,7 м с пороховым зарядом массой 4,5 кг состоялся в 1863 году в США. Войска конфедератов собрали и запустили её из Ричмонда на Вашингтон. Ракета успешно стартовала, но куда полетела и где оказалась, так и осталось неизвестным.

После начала перевооружения армий нарезным оружием ракеты потеряли свое военное значение. Почти 40 лет проводились эксперименты по использованию реактивного движения в мирных целях. Так, в начале 20-го века европейские исследователи провели несколько безуспешных опытов по рассеиванию дождевых облаков с помощью метеорологических ракет.

Наиболее успешным можно считать опыт немецкого инженера Альфреда Маула, который в 1906 году запустил твердотопливную ракету с аппаратурой для фотосъемки. Это было сразу оценено картографами всего мира, которые безуспешно пытались составить подробные карты труднодоступных регионов, в которых отсутствовали не только аэродромы, но и дороги.

Незадолго до Первой мировой войны офицер французской артиллерии Рене Лорин сформулировал концепцию конструкции и назначения крылатой ракеты (КР). Однако во время военных действий ракеты использовались в основном для постановки дымовых завес и ночного освещения поля боя. Единственным исключением стали небольшие авиационные твердотопливные ракеты, разработанные лейтенантом ВМФ Франции Ле Приером. Их устанавливали на французские и британские бипланы для уничтожения аэростатов наблюдения противника.

В 1914 году основоположник современного реактивного двигателестроения - американский инженер Роберт Годдард получил два патента, предопределившие историю ракетостроения. Он разработал двигатель для ракеты, работающий на жидком топливе, а также для двух-трехступенчатой твердотопливной ракеты. В 1915 году Годдард запустил свою первую ракету на твердом топливе. Этот талантливый учёный является автором 200 патентов в области ракетостроения, его работы легли в основу программы ракетостроения Германии, а многие из открытых им принципов используются и сегодня.

Несмотря на подавляющее превосходство нарезной артиллерии, исследования в области реактивного оружия продолжались. При этом Россия вновь оказалась «впереди планеты всей». В разгар гражданской войны, 3 мая 1919 года, ученый-химик Николай Тихомиров изложил руководству РСФСР идею создания «самодвижущейся мины реактивного действия». К началу 1921 года в Москве уже действовала государственная механическая мастерская по разработке ракет на бездымном порохе, где кроме самого Тихомирова работал талантливый изобретатель Владимир Артемьев. В 1925 году мастерская переехала в Ленинград, где на Главном артиллерийском полигоне можно было проводить испытания. А 3 марта 1928 года был произведён успешный запуск первой в мире ракеты на бездымном порохе, которая стала фундаментом для дальнейших разработок реактивных снарядов.

27 сентября 1933 года приказом маршала Михаила Тухачевского в Москве образован первый в мире «Реактивный научно-исследовательский институт» (РНИИ, в дальнейшем НИИ-3), занимавшийся разработкой и конструированием реактивных снарядов на твёрдом топливе и пусковых установок к ним. Уже в 1935 году проводились опытные стрельбы ракетами с истребителей И-15, которые дали положительные результаты. Благодаря коллективу этого института к концу 1939 года только советская авиация была вооружена ракетным оружием, опередив США и Великобританию на 3, а Германию — на 4 года. Успехи с авиационными ракетами подтолкнули руководство НИИ-3 к созданию аналогичного оружия для сухопутных войск.

К концу Второй мировой войны (1939-1945 гг.) реактивные снаряды РС-82 и РС-132 на пироксилиновых порохах уже стали штатным оружием советской фронтовой авиации, а также реактивного миномета БМ-13 («Катюша»). Такой же принцип использовали в Германии при создании достаточно эффективного аналога «Катюши» - самоходной реактивной установки «Panzerwerfer» 42 auf Sf «Maultier». К концу войны была создана экспериментальная ракета на твёрдом топливе и в США. Разработанная группой учёных Калифорнийского технологического института во главе с доктором Теодором Корманом, она запускалась с танков, самолётов, кораблей-ракетоносцев. Более 40 000 таких ракет были применены во время высадки американцев во Франции в 1944 году, что, однако не очень помогло союзникам при прорыве мощнейшей линии обороны гитлеровских войск.

После окончания Второй Мировой войны и разделения мира на две политические системы началось существенное ускорение научно-технического прогресса, особое внимание уделялось наукоемким технологиям. Научные, конструкторские и производственные ресурсы использовались державами-победителями, которые получили доступ к уникальным военным разработкам гитлеровской Германии, чтобы выиграть пресловутую «гонку вооружений». Стремительно совершенствовались все виды вооружений, в том числе и твердотопливные ракеты, которые сегодня почти полностью вытеснили ствольную артиллерию и находятся на вооружении всех родов войск, начиная от переносных ракетных установок до ракетных комплексов и межконтинентальных баллистических ракет. К наиболее успешными в мире можно отнести переносной зенитный ракетный комплекс (ПЗРК) «Stinger» (1981, США), реактивная система залпового огня (РСЗО) 9К58 «Смерч» (1987, Россия), межконтинентальная баллистическая ракета «Тополь» (МБР РС-12М, 1988, Россия), ракетный комплекс «Искандер-Э» (1999, Россия), зенитный ракетный комплекс (ЗРК) RBS-23 BAMSE (2002, Швеция), противотанковый ракетный комплекс (ПТРК) «Хризантема» (2002, Россия).

Одним из наиболее «продвинутых» видов современного оружия считаются высокоточные тактические управляемые (крылатые) ракеты, входящие в состав авиационных, корабельных и береговых ракетных комплексов. Они сочетают высокую точность наведения и разрушительную мощь. В оснащении современных крылатых ракет используются различные типы двигателей, но до начала космической эры и стремительного развития жидкостных реактивных двигателей, боевые ракеты в основном использовали твердое топливо.

Первые отечественные ракеты с ТРД относились к классу «воздух-воздух». В 1951 году началось создание первой советской крылатой ракеты РС-1У (реактивный снаряд первый, управляемый) для оснащения истребителей МиГ-15, МиГ-17ПФУ и Як-25П. Она была разработана известным конструктором Дмитрием Томашевичем в ОКБ-2, и запущена в серийное производство на заводе №455 (в настоящее время ОАО «Корпорация «Тактическое ракетное вооружение») в 1956 году. В дальнейшем ракета была усовершенствована и получила индекс РС-2-УС. На её базе вскоре появилась Р-55 (КБ завода №455) с тепловой головкой самонаведения, которой оснащались истребители МиГ-21 бис, Су-9 и Су-15.

В период активных военных действий во Вьетнаме в 1965 году поступил запрос от правительства этой страны на разработку и поставку ракет класса «воздух-поверхность». Этот проект был сначала поручен ОКБ им. Микояна и ГосНИИАС, а затем ОКБ завода № 455. Образец с индексом Х-66 был готов к 1967 году и принят на вооружение в 1968 году.

В конце 1978 года на том же предприятии, которое тогда уже получило название «КПО «Стрела», начались практические работы по созданию первой в мире модульной крылатой ракеты. В конечном счёте, это позволило уменьшить количество типов ракет «воздух-поверхность», просто заменяя боевую часть и головку самонаведения, а также повысить надёжность и упростить их эксплуатацию. На вооружение Х-25М была принята в 1981 году и до сих пор остаётся одной из лучших сверхзвуковых тактических управляемых ракет в мире.

Несмотря на общемировую тенденцию применения в ракетной технике ЖРД, продолжается совершенствование и ракетного оружия с твердотопливным двигателем. Из наиболее известных разработок последнего времени можно отметить противокорабельный ракетный комплекс SLSS (Ship Launched Sea Skua, 1981, Великобритания), а также авиационную ракету средней дальности класса «воздух-воздух» Р-77 (1992, Россия).

2. Физические основы работы реактивного двигателя
Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определённой скоростью относительно тела, например при истечении продуктов сгорания из сопла реактивного летательного аппарата. При этом появляется так называемая реактивная сила, сообщающая телу ускорение.

Примером реактивного движения является движение воздушного шарика, из которого вытекает воздух. Оно будет кратковременным, так как реактивная сила действует лишь до тех пор, пока продолжается истечение воздуха.

Главная особенность реактивной силы состоит в том, что она возникает без какого-либо взаимодействия с внешними телами. Происходит лишь взаимодействие между ракетой и вытекающей из неё струёй вещества.

При истечении продуктов сгорания топлива они за счет давления в камере сгорания приобретают некоторую скорость относительно ракеты и, следовательно, некоторый импульс. Поэтому в соответствии с законом сохранения импульса сама ракета получает такой же по модулю импульс, но направленный в противоположную сторону.

Масса ракеты с течением времени убывает. Ракета в полете является телом переменной массы. Для расчета ее движения удобно применить закон сохранения импульса.

Получим уравнение движения ракеты и найдём выражение для реактивной силы. Будем считать, что скорость вытекающих из ракеты газов относительно ракеты постоянна и равна . Внешние силы на ракету не действуют: она находится в космическом пространстве вдали от звезд и планет.

Пусть в некоторый момент времени скорость относительно инерциальной системы, связанной со звездами, равна , а масса ракеты равна . Через малый интервал времени масса ракеты станет равной

, где - расход топлива (отношение массы сгоревшего топлива ко времени его сгорания).

За этот промежуток времени скорость ракеты изменится на и станет равной . Скорость истечения газов относительно выбранной инерциальной системы отсчета равна , так как до начала сгорания топливо имело ту же скорость, что и ракета.

Тогда закон сохранения импульса для системы ракета-газ:

Раскрыв скобки, получим:

Слагаемым можно пренебречь по сравнению с остальными, так как оно содержит произведение двух малых величин (это величина, как говорят, второго порядка малости). После приведения подобных членов будем иметь: , или


следующая страница >>
Смотрите также:
Проект «Защита окружающей среды» Класс: 11 Тип проекта
38.36kb.
1 стр.
Исследовательский проект «о рейн, великий и могучий! В чем же сила твоя?» на уроке немецкого языка Обоснование актуальности проекта Наш исследовательский проект называется «о рейн, великий и могучий! В чем же сила твоя?»
538.9kb.
3 стр.
Исследовательский проект Расчет величины пожарной риска в здании
494.28kb.
3 стр.
Проект отчета по кейс-стади первичной профсоюзной организации исследовательский проект
161.78kb.
1 стр.
Исследовательский проект Веселина Софья ученица 2 «а» класса моу «сош с. Бердюжье»
140.38kb.
1 стр.
Исследовательский проект «Вожатый – профессия птица»
215.77kb.
1 стр.
Исследовательский проект учащегося 2а класса Тихонина Дмитрия Номинация
65.68kb.
1 стр.
Исследовательский проект «Чудеса»
54.88kb.
1 стр.
Презентация исследовательского проекта «наше немеркнущее наследие» Руководитель проекта: ученица 11-1 класса
64.54kb.
1 стр.
Исследовательский проект «Trade unions in post-socialist society: overcoming the state-socialist legacy»
553.37kb.
3 стр.
Учебно – исследовательский проект «Влияние музыки на рост и развитие растений»
31.87kb.
1 стр.
Семинара-тренинга «Исследовательский проект: от теории к практике»
61.68kb.
1 стр.