Почему перед посадкой ракету разворачивают на 180

Обновлено: 05.10.2024

Презентация на тему: " Презентация по теме: Реактивное движение. Вывод формулы скорости ракеты при взлетепри взлетеы при взлете Согласно третьему закону Ньютона: F 1 = - F 2," — Транскрипт:

1 Презентация по теме: Реактивное движение

2 Вывод формулы скорости ракеты при взлете при взлетеы при взлете Согласно третьему закону Ньютона: F 1 = - F 2, где F 1 – сила, с которой ракета действует на раскаленные газы, а F 2 – сила, с которой газы отталкивают от себя ракету. Модули этих сил равны: F 1 = F 2. Именно сила F 2 является реактивной силой. Рассчитаем скорость, которую может приобрести ракета. Если импульс выброшенных газов равен V г m г, а импульс ракеты V р m р, то по закону сохранения импульса, получаем: V г m г = V р m р, Откуда скорость ракеты: V р = V г m г / m р

3 Константин Эдуардович Циолковский Идея использования ракет для космических полетов была выдвинута в начале 20 – го века русским ученым, изобретателем и учителем Константином Эдуардовичем Циалковским. Циалковский разработал теорию движения ракет, вывел формулу для расчета их скорости, был первым, кто предложил использовать многоступенчатые ракеты.

5 Главный конструктор отечественно- космической техники Сергей Павлович Королёв – советский ученый и конструктор, руководитель всех космических полетов.

6 Реактивное движение Реактивное движение происходит за счёт того, что от тела отделяется и движется какая-то его часть, в результате чего само тело приобретает противоположно направленный импульс.

7 Принцип реактивного движения находит широкое практическое применение в авиации и космонавтики. В космическом пространстве нет среды, с которой тело могло бы взаимодействовать и тем самым изменять направление и модуль своей скорости. Поэтому для космических полётов могут быть использованы только реактивные летательные аппараты, т.е. ракеты.

8 Устройство одноступенчатой ракеты В любой ракете независимо от ее конструкции всегда имеется оболочка и топливо с окислителем.

9 Многосту пенчатая ракета В практике космических полетов обычно используют многоступенчатые ракеты, развивающие гораздо большие скорости и предназначенные для более дальних полетов. На рисунке показана схема такой ракеты. После того как топливо и окислитель первой ступени будут израсходованы, эта ступень автоматически отбрасывается и в действие вступает двигатель второй ступени и т.д. Уменьшение общей массы ракеты путем отбрасывания уже ненужной ступени позволяет сэкономить топливо и окислитель и увеличить скорость ракеты.

11 Для возвращения космического корабля на Землю, или посадки его на другую планету, одну ступень оставляют. Она используется для торможения корабля перед посадкой. При этом ракету разворачивают на 180 градусов, чтобы сопло оказалось впереди.Тогда вырывающийся из ракеты газ сообщает ей импульс, направленный против скорости ее движения, что приводит к уменьшению скорости и дает возможность осуществить посадку.

Рассмотрим несколько примеров, подтверждающих справедливость закона сохранения импульса.

Наверняка многие из вас наблюдали, как приходит в движение надутый воздухом воздушный шарик, если развязать нить, стягивающую его отверстие.

Объяснить это явление можно с помощью закона сохранения импульса.

Пока отверстие шарика завязано, шарик с находящимся внутри него сжатым воздухом покоится, и его импульс равен нулю.

При открытом отверстии из него с довольно большой скоростью вырывается струя сжатого воздуха. Движущийся воздух обладает некоторым импульсом, направленным в сторону его движения.

Согласно действующему в природе закону сохранения импульса, суммарный импульс системы, состоящей из двух тел — шарика и воздуха в нём, должен остаться таким же, каким был до начала истечения воздуха, т. е. равным нулю. Поэтому шарик начинает двигаться в противоположную струе воздуха сторону с такой скоростью, что его импульс равен по модулю импульсу воздушной струи. Векторы импульсов шарика и воздуха направлены в противоположные стороны. В результате суммарный импульс взаимодействующих тел остаётся равным нулю.

Движение шарика является примером реактивного движения. Реактивное движение происходит за счёт того, что от тела отделяется и движется какая-то его часть, в результате чего само тело приобретает противоположно направленный импульс.

На принципе реактивного движения основано вращение устройства, называемого сегне-ровым колесом (рис.). Вода, вытекающая из сосуда конической формы через сообщающуюся с ним изогнутую трубку, вращает сосуд в направлении, противоположном скорости воды в струях. Следовательно, реактивное действие оказывает не только струя газа, но и струя жидкости.

Рис. Демонстрация реактивного движения с помощью сегнерова колеса

Рис. Реактивное движение для своего перемещения используют головоногие моллюски: а — каракатица; б — кальмар; в — осьминог

Вы знаете, что принцип реактивного движения находит широкое практическое применение в авиации и космонавтике. В космическом пространстве нет среды, с которой тело могло бы взаимодействовать и тем самым изменять направление и модуль своей скорости. Поэтому для космических полётов могут быть использованы только реактивные летательные аппараты, т. е. ракеты.

Старт ракеты-носителя с космическим кораблём "Союз"

Рассмотрим вопрос об устройстве и запуске так называемых ракет-носителей, т. е. ракет, предназначенных для вывода в космос искусственных спутников Земли, космических кораблей, автоматических межпланетных станций и других полезных грузов.

В любой ракете, независимо от её конструкции, всегда имеется оболочка и топливо с окислителем. На рисунке изображена ракета в разрезе. Мы видим, что оболочка ракеты включает в себя полезный груз (в данном случае это космический корабль 1), приборный отсек 2 и двигатель (камера сгорания 6, насосы 5 и пр.).

Рис. Схема ракеты

Основную массу ракеты составляет топливо 4 с окислителем 3 (окислитель нужен для поддержания горения топлива, поскольку в космосе нет кислорода).

Топливо и окислитель с помощью насосов подаются в камеру сгорания. Топливо, сгорая, превращается в газ высокой температуры и высокого давления, который мощной струёй устремляется наружу через раструб специальной формы, называемый соплом 7. Назначение сопла состоит в том, чтобы повысить скорость струи.

С какой целью увеличивают скорость выхода струи газа? Дело в том, что от этой скорости зависит скорость ракеты. Это можно показать с помощью закона сохранения импульса.

Для простоты рассуждений будем пока считать, что ракета представляет собой замкнутую систему (т. е. не будем учитывать действие на неё силы земного притяжения).

Поскольку до старта импульс ракеты был равен нулю, то по закону сохранения суммарный импульс движущейся оболочки и выбрасываемого из неё газа тоже должен быть равен нулю. Отсюда следует, что импульс оболочки и направленный противоположно ему импульс струи газа должны быть равны по модулю. Значит, чем с большей скоростью вырывается газ из сопла, тем больше будет скорость оболочки ракеты.

Помимо скорости истечения газа существуют и другие факторы, от которых зависит скорость движения ракеты.

Мы рассмотрели устройство и принцип действия одноступенчатой ракеты, где под ступенью подразумевается та часть, которая содержит баки с горючим и окислителем и двигатель. В практике космических полётов обычно используют многоступенчатые ракеты, развивающие гораздо большие скорости и предназначенные для более дальних полётов, чем одноступенчатые.

На рисунке показана схема трёхступенчатой ракеты. После того как топливо и окислитель первой ступени будут полностью израсходованы, эта ступень автоматически отбрасывается и в действие вступает двигатель второй ступени.

Рис. Схема трёхступенчатой ракеты

Уменьшение общей массы ракеты путем отбрасывания уже ненужной ступени позволяет сэкономить топливо и окислитель и увеличить скорость ракеты. Затем таким же образом отбрасывается вторая ступень.

Если возвращение космического корабля на Землю или его посадка на какую-либо другую планету не планируется, то третья ступень, как и две первых, используется для увеличения скорости ракеты. Если же корабль должен совершить посадку, то она используется для торможения корабля перед посадкой. При этом ракету разворачивают на 180°, чтобы сопло оказалось впереди. Тогда вырывающийся из ракеты газ сообщает ей импульс, направленный против скорости её движения, что приводит к уменьшению скорости и даёт возможность осуществить посадку.

Константин Эдуардович Циолковский(1857—1935)
Российский учёный и изобретатель в области аэродинамики, ракетодинамики, теории самолёта и дирижабля. Основоположник теоретической космонавтики

Идея использования ракет для космических полётов была выдвинута в начале XX в. русским учёным и изобретателем Константином Эдуардовичем Циолковским. Циолковский разработал теорию движения ракет, вывел формулу для расчёта их скорости, был первым, кто предложил использовать многоступенчатые ракеты.

Полвека спустя идея Циолковского была развита и реализована советскими учёными под руководством Сергея Павловича Королёва.

Сергей Павлович Королев (1907-1966)
Советский учёный, конструктор ракетно-космических систем. Основоположник практической космонавтики

SpaceX - была основана в 2002 году прежним акционером PayPal и CEO Tesla Motors Илоном Маском. Главными целями, которые преследовал Маск были сократить расходы на полёты в космос и начать колонизацию Марса.

Спустя четырнадцать лет и пройдя сквозь череду неудач 9 апреля 2016 года произошло историческое событие в аэрокосмической отрасли не только США, но и всего мира. Компании SpaceX удалось удачно посадить первую ступень ракеты Falcon 9 на автоматическую плавучую баржу по среди Тихого океана. В век, когда технологии настолько быстро развиваются этот факт кажется посредственным, но данное событие является действительно важным и вот почему.

Основным моментом является то, что посадка ступени ракеты происходила в полностью автоматическом режиме. Хотя, наверное, сказанное все еще не впечатляет. Однако, здесь нужно представить, как сооружение высотой с 25-этажный дом падает с высоты 100 километров и при этом ему нужно попасть на квадрат, который площадью всего 20 квадратных метров и к тому же качается на волнах. Возникает закономерный вопрос - зачем возвращать ступени ракет? Ранее первые ступени ракет-носителей после отделения просто падали на землю. Точка падения всегда рассчитывалась заранее. Главной проблемой было то, что ступени были одноразовыми и после каждого старта ракета стоимостью в миллионы долларов грубо говоря разбивалась о землю. По словам самого Илона Маска, цитата: "это все равно, что выбрасывать самолет после каждого полета". Илон решил опробовать технологию, по которой ступени ракет SpaceX будут использовать технологию реактивной посадки и садиться будут вертикально.

Данная идея не новая, но SpaceX добились большего успеха, чем остальные подобные компании. Компания начала отрабатывать данную технологию на своем полигоне в штате Техас в 2012 году. Экспериментальным аппаратом, имитировавшим первую ступень ракеты Falcon 9, был аппарат под названием Grasshopper (кузнечик). Всего было выполнено восемь тестовых полетов. Данный аппарат имел всего один двигатель и примитивное посадочное устройство, он совершал взлет и вертикальную посадку. Ему на смену в 2014 году пришел аппарат под названием F9R-Dev1. Он уже оснащался тремя двигателями и четырьмя раскрывающимися посадочными опорами. Этот аппарат отрабатывал маневрирование и зависание, и подымался на высоту в тысячу метров. Однажды после сбоя в системе управления его пришлось взорвать по команде с земли. Далее посадки ракеты проходили штатно. Также, SpaceX дважды пытались посадить ракету на автоматическую баржу на воде, но обе попытки оказались неудачными.

Однако в SpaceX смогли из серии неудач извлечь необходимый опыт для дальнейшего совершенствования аппаратов. И вот основные пункты, из-за которых ракеты Илона Маска совершают мягкую и точную посадку. Первое - это система охлаждения двигателей. Она должна быть намного эффективнее, чем у ракет-носителей. Ведь во время посадки ступень испытывает дополнительные перегрузки, когда входит в плотные слои атмосферы. Инженерами SpaceX данная проблема была решена за счет расположения по бокам ступени две капсулы с содержанием в каждой по четыре двигателя с системой охлаждения. Работа двигателей осуществляется на жидком азоте. Также они помогают контролировать положение ракеты в пространстве, регулируя центр массы, и управляют ракетой, когда основные двигатели отключены. Второе - это применение двигателей, обладающих функцией повторного зажигания. После отделения от ракеты-носителя, ступени должны пройти три этапа торможения, на каждом из которых двигатель необходимо запускать заново. Это является основным критерием плавной посадки. Двигатели SpaceX могут быть повторно запущены как в условиях безвоздушного пространства, так и на малых высотах, обеспечивая мягкую посадку.

Третье - это применение предельно-точной навигационной системы, которая позволяет точно определить как положение ракеты в пространстве, так и положение самой посадочной площадки. Инерционная навигационная система INS вместе с системой GPS позволяют ступеням правильно определить свои координаты, а при малейшем отклонении от курса, автоматически отрегулировать траекторию посадки. Четвертое - это оснащение ступеней ракеты управляемой гидравликой и системами контроля вектора тяги. Если INS и GPS не дают сбиться с курса и контролируют траекторию, то эти системы непосредственно контролируют положение ракеты в пространстве за счет создания реактивной тяги. Особенно эффективно это в безвоздушном пространстве, где использовать крылья для корректировки не представляется возможным. Пятое - это применение специальных четырех посадочных ног, выполненных из сверхпрочного углеродного волокна и алюминия. Они выступают также в качестве амортизаторов при приземлении. Общая длина своеобразного "шасси" составляет 18 метров, а вес всей системы составляет около 2 тонн. И шестое - это применение, малозаметных на первый взгляд, системы титановых сеток. Четыре сетки, развертываемые в верхней части ступени, являются аэродинамическими управляющими поверхностями, которые позволяют более точно контролировать вход ракеты в атмосферу. И именно благодаря им ракета получила возможность попадать в двадцатиметровую посадочную зону с высоты 100 километров.

Совместное использование перечисленных систем, технологий и опыт, полученный после неудачных посадок, позволяют SpaceX сажать свои ракеты с такой необычайно точностью. Технология управляемой посадки первой ступени ракеты-носителя является одним из ключевых достижений ракетостроения, изменив коренным образом подход запуска пилотируемых аппаратов в космос. Также, снижение себестоимости запусков делает возможным увеличить количество полетов и положить начало новой эры освоения и колонизации космоса. Надеюсь мы доживем до этого дня, когда человек начнет колонизировать Марс! И надеюсь, все-таки, первым человеком, ступившим на Марс, будет из России!

Первый ученик записывает у доски закон сохранения импульса в векторной и скалярной форме.

В это время проводится фронтальный опрос всего класса.

Что такое импульс тела?

В каких единицах измеряется эта величина?

Как определяют импульс силы?

Дать определение замкнутой системы тел.

Как определяют знак проекции импульса на выбранную ось?

Затем класс слушает объяснение ученика о законе сохранения импульса.

III. Демонстрация (создание проблемной ситуации)

Сегнерово колесо

1750 - В.Я. Сегнер изобрёл колесо, которое вращалось за счёт вытекания с двух сторон струй воды.

Сегнер Янош Андрош (1704 - 1777). Венгерский математик и физик. Занимался конструированием и совершенствованием различных научных приборов. Разработал теорию капиллярности. Изобретенное им “сегнерово” колесо явилось прообразом первых реактивных гидравлических турбин.

Движение ракеты, укреплённой на тележке, по поверхности демонстрационного стола.

Ученики помогают учителю показать опыт по запуску модели ракеты вертикально вверх.

Учитель просит объяснить причину вращения колеса и движения ракеты.

Даётся определение реактивного движения – т. е. движения, возникающего за счет выброса вещества (отделяется какая-то часть движущегося тела).

IY. Задача на применение закона сохранения импульса тела для определения скорости поднимающейся ракеты.(Учитель вовлекает учащихся в решение задачи)

Принцип реактивного движения находит широкое практическое применение в авиации и космонавтике. В космическом пространстве нет среды, с которой тело могло бы взаимодействовать и тем самым изменять направление и модуль своей скорости, поэтому для космических полетов могут быть использованы только реактивные летательные аппараты, т. е. ракеты.

Скорость ракеты. Закон сохранения импульса позволяет оценить скорость ракеты. Предположим сначала, что весь газ, образующийся при сгорании топлива, выбрасывается из ракеты сразу, а не постепенно, как это происходит в действительности. Обозначим массу газа через m_г, а скорость газа через v_г. Массу и скорость оболочки обозначим соответственно m_об и v_об. Направим координатную ось вдоль направления движения оболочки, тогда проекции скоростей газа и оболочки по модулю будут равны модулям векторов, но знаки их противоположны.

Так как сумма импульсов оболочки и газа должна быть равна нулю, то нулю должна быть равна и сумма их проекций: m_гv_г - m_обv_об = 0, или m_гv_г = m_обv_об.

Из формулы видно, что скорость оболочки тем больше, чем больше скорость выбрасываемого газа и чем больше отношение массы газа к массе оболочки.

Мы считали, что весь газ выбрасывается из ракеты мгновенно. На самом деле он вытекает постепенно, хотя довольно быстро. Это значит, что после выброса какой-то части газа оболочке приходится “возить” с собой еще не вылетевшую часть топлива. Кроме того, мы не учли, что на ракету действуют сила тяжести и сила сопротивления воздуха. Все это приводит к тому, что отношение массы топлива к массе оболочки много больше, чем мы получили. Более точный расчет показывает, что при скорости газа 2000 м/с, для достижения скорости, равной первой космической, масса топлива должна быть в 55 раз больше массы оболочки. Для межпланетных полетов (с возвращением на Землю) масса топлива должна быть в тысячи раз больше массы оболочки.

Y. Работа с плакатами “реактивное движение” и "многоступенчатая ракета"

Учитель кратко рассказывает по плакатам.

В любой ракете, независимо от ее конструкции, всегда имеется оболочка и топливо с окислителем. На рисунке изображена ракета в разрезе. Мы видим, что оболочка ракеты включает в себя полезный груз (в данном случае это космический корабль), приборный отсек и двигатель (камера сгорания, насосы и пр.)

Основную массу ракеты составляет топливо с окислителем (окислитель нужен для поддержания горения топлива, поскольку в космосе нет кислорода).

Топливо и окислитель с помощью насосов подаются в камеру сгорания. Топливо, сгорая, превращается в газ высокой температуры и высокого давления. Благодаря большой разности давлений в камере сгорания и в космическом пространстве, газы из камеры сгорания мощной струей устремляются наружу через раструб специальной формы, называемый соплом. Назначение сопла состоит в том, чтобы повысить скорость струи.

Мы рассмотрели устройство и принцип действия одноступенчатой ракеты, где под ступенью подразумевается та часть, которая содержит баки с горючим и окислителем и двигатель.

В практике космических полетов обычно используют многоступенчатые ракеты, развивающие гораздо большие скорости и предназначенные для более дальних полётов, чем одноступенчатые.

На рисунке показана схема трехступенчатой ракеты. После того как топливо и окислитель первой ступени будут полностью израсходованы, эта ступень автоматически отбрасывается и в действие вступает двигатель второй ступени.

Если возвращение космического корабля на Землю или его посадка на какую-либо другую планету не планируется, то третья ступень, как и две первых, используется для увеличения скорости ракеты. Если же корабль должен совершить посадку, то она используется для торможения корабля перед посадкой. При этом ракету разворачивают на 180 о , чтобы сопло оказалось впереди. Тогда вырывающийся из ракеты газ сообщает ей импульс, направленный против скорости ее движения, что приводит к уменьшению скорости и дает возможность осуществить посадку.

YI. Демонстрация кадров из диафильма

Показывается где ещё встречается реактивное движение (движение водометного катера, движение кальмаров, осьминогов, каракатиц).

YII. История создания реактивной техники

После небольшого вступления учителя, ученики знакомят класс с К. Э. Циолковским, Георгием Бахчаванджи, Ю. А. Гагариным.

Яркую страницу в историю науки вписал участник русской революционной организации “Народная воля” Н.И. Кибальчич (1853-1881). За участие в покушение на царя он был приговорен к смертной казни. Во время короткого тюремного заключения Кибальчич подготовил рукопись “Проекта воздухоплавательного прибора”. Талантливый изобретатель описал “предварительную конструкцию ракетного самолета”. Его рукопись потонула в жандармском архиве.

Иной проект космического корабля с реактивным двигателем предложил в 1893 г. немецкий изобретатель Герман Гансвиндт (1856-1934). Его двигатель должен был работать отдельными взрывами динамитных патронов. С 1907 г. работал в области ракетостроения и межпланетных полетов американский инженер Роберт Годдард (1882-1945). С 1912 г. активно занимался проблемами космических полетов крупный французский ученый и авиаконструктор Робер Эно-Пельтри (1881-1957). Он ввел в употребление термин астронавтика.

Выдающееся место среди пионеров космонавтики принадлежит русскому ученому и философу К.Э. Циолковскому (1857-1935).

Скромный учитель из захолустного губернского города Калуги, страдавший глухотой и не находивший поддержки своим научным устремлениям, К.Э. Циолковский сумел преодолеть на жизненном пути все преграды. Величайшая заслуга Циолковского перед человечеством состоит в том, что он открыл людям глаза на реальные пути осуществления космических полетов.

К.Э. Циолковский первым показал, что ракета - единственно возможное средство овладения космическим пространством. В то время как первые аэропланы с трудом перелетали с холма на холм, из города в город, Циолковский разработал теорию реактивного движения - основу современной ракетно-космической техники.

В двадцатые и тридцатые годы нашего века рекорд за рекордом ставят летательные аппараты легче воздуха: дирижабли и стратостаты. Одновременно, в этот период развернулись интенсивные работы по практическому созданию реактивных двигателей и ракет. Прогресс в этой области стал фундаментом космонавтики.

Первый запуск ракеты с жидким топливом в 1926 г. произвел американец Р. Годдард. За 2,5 сек. полета ракета покрыла расстояние в 56 м, поднявшись на высоту 12,5 м.

В апреле-июне 1927 г. в Москве прошла Первая всемирная выставка проектов и моделей межпланетных аппаратов и механизмов.

В Ленинграде проблемами ракет занимался автор многих ракетных двигателей В.П. Глушко. В Москве разворачивалась деятельность Группы изучения реактивного движения (ГИРД) во главе с Ф. А. Цандером и С.П. Королевым. С конца 1933 г. в Москве начал работу Реактивный научно-исследовательский институт. В этом же году под Москвой были осуществлены первые запуски отечественных ракет ГИРД-09 и ГИРД-Х.

Толчком к дальнейшему развитию ракетостроения послужило военное применение ракет как грозного оружия второй мировой войны.

Военное и мирное использование ракетной техники шагало рука об руку. Арсенал боевых ракет второй мировой войны в послевоенное время видоизменялся и приспосабливался для запуска в верхние слои атмосферы Земли научных приборов. Если самолеты могли вести исследования лишь на высотах до 10 км, а потолок аэростатов и беспилотных шаров-зондов не превышал 30 км, то с помощью ракет зондирование атмосферы можно было осуществлять до высот в несколько сотен километров. Контейнеры с научным оборудованием на ракетах снабжались парашютами, которые обеспечивали их благополучное возвращение на Землю.

4 октября 1957 г. в 22 часа 28 минут московского времени с космодрома Байконур в СССР принял старт первый в мире искусственный спутник Земли (ИСЗ). При поперечнике в 580 мм масса первого спутника составляла 83,6 кг. Он просуществовал 92 суток.

И обращает внимание учеников на подготовленный стенд, который отражает труд многих ученых, инженеров, летчиков, людей других специальностей, ставивших своей целью освоение космоса. В начале XX века люди мечтали о возможности космических полётов, теперь уже работают многоцелевые орбитальные станции. Недавно, а именно в 2001 году, с помощью телескопа, выведенного на космическую орбиту, определили 10 планету в солнечной системе. Невозможное сегодня станет возможным завтра. Циолковский мечтал о времени, когда люди запросто смогут “поехать” в гости на любую планету, смогут путешествовать во всей Вселенной. И вы, ребята, также можете внести свой вклад в интересное дело – в освоение космического пространства.

YIII. Закрепление

Что такое реактивное движение?

Привести примеры реактивного движения.

От чего зависит скорость ракеты?

Как осуществляется торможение ракеты (спуск), космического корабля.

IX. Домашние задание

42, стр.118 самое важное в 6 главе [1]

1) Как будет вести себя сегнерово колесо в вакууме?

2) Почему в космос не летают на вертолетах?

Читайте также: