Физика схемы реактивного двигателя

Физика космического полета

Россия всегда была космической державой. Запуск первого искусственного спутника Земли (4 октября 1957 года), полет первого космонавта (12 апреля 1961 года, Ю.А.Гагарин), полет первой женщины- космонавта (16 июня 1963 года, В. Терешкова), первый выход человека в открытый космос (18 марта 1965 года, А. Леонов), запуск первых космических аппаратов для исследования космических объектов, первые орбитальные станции.

Космические полеты сопровождаются следующими физическими явлениями: реактивное движение, невесомость и явление тяготения.

Реактивное движение. Описано в учебнике А.В.Перышкин, Е.М. Гутник «Физика 9 кл».: учебник для общеобразовательных учреждений/ А. В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2012.

Реактивное движение возникает за счет того, что от тела отделяется и движется какая- то его часть, в результате чего тело приобретает противоположно направленный импульс (из учебника).

Объяснить реактивное движение можно на основе закона сохранения импульса. Согласно закону сохранения импульса, суммарный импульс замкнутой системы тел до взаимодействия равен суммарному импульсу тел после взаимодействия. Самый простой пример реактивного движения – полёт воздушного шарика, из которого выходит воздух. Если мы надуем шарик и отпустим его, он начнёт лететь в сторону, противоположную движению выходящего из него воздуха.

На законе сохранения импульса основана реактивная тяга. При движении ракеты с реактивным двигателем в результате сгорания топлива из сопла выбрасывается, струя жидкости или газа (реактивная струя). В результате взаимодействия двигателя с вытекающим веществом появляется реактивная сила. Так как ракета вместе с выбрасываемым веществом является замкнутой системой, то импульс такой системы не меняется со временем.

Реактивная сила возникает в результате взаимодействия только частей системы. Внешние силы не оказывают никакого влияния на её появление.
До того, как ракета начала двигаться, сумма импульсов ракеты и горючего была равна нулю. Следовательно, по закону сохранения импульса после включения двигателей сумма этих импульсов тоже равна нулю.

История открытия реактивного движения:

  • В конце первого тысячелетия нашей эры в Китае изобрели реактивное движение, которое приводило в действие ракеты — бамбуковые трубки, начиненные порохом, они также использовались как забава. Один из первых проектов автомобилей был также с реактивным двигателем и принадлежал этот проект Ньютону
  • Автором первого в мире проекта реактивного летательного аппарата, предназначенного для полета человека, был русский революционер – народоволец Н.И. Кибальчич. Его казнили 3 апреля 1881 г. за участие в покушении на императора Александра II. Свой проект он разработал в тюрьме после вынесения смертного приговора. Кибальчич писал: “Находясь в заключении, за несколько дней до своей смерти я пишу этот проект. Я верю в осуществимость моей идеи, и эта вера поддерживает меня в моем ужасном положении… Я спокойно встречу смерть, зная, что моя идея не погибнет вместе со мною”.
  • Идея использования ракет для космических полётов была предложена ещё в начале нашего столетия русским учёным Константином Эдуардовичем Циолковским. В 1903 году появилась в печати статья преподавателя калужской гимназии К.Э. Циолковского “Исследование мировых пространств реактивными приборами”. В этой работе содержалось важнейшее для космонавтики математическое уравнение, теперь известное как “формула Циолковского”, которое описывало движение тела переменной массы. В дальнейшем он разработал схему ракетного двигателя на жидком топливе, предложил многоступенчатую конструкцию ракеты, высказал идею о возможности создания целых космических городов на околоземной орбите. Он показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести — это ракета, т.е. аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате.

К. Циолковский создал проект поезда на воздушной подушке, в основе которого принцип реактивного движения. Сейчас много таких машин используется для движения над водой и над землей в условиях бездорожья: над болотами, переувлажненными полями, пашнями.

Видеоролик поясняющий принцип реактивного движения, многоступенчатой ракеты и поезда на воздушной подушке, представленный на областной научно-практической конференции школьников «Россия — космическая держава» (г. Омск, 2017 год) — https://drive.google.com/file/d/0B9vDER 4PAyLzbXBTcGVnTXlCVEU/view

  • Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире растений. В южных странах (и у нас на побережье Черного моря тоже) произрастает растение под названием «бешеный огурец». Стоит только слегка прикоснуться к созревшему плоду, похожему на огурец, как он отскакивает от плодоножки, а через образовавшееся отверстие из плода фонтаном со скоростью до 10 м/с вылетает жидкость с семенами. Сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении. Стреляет бешеный огурец (иначе его называют «дамский пистолет») более чем на 12 м.
  • Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Он передвигается по принципу реактивного движения, вбирая в себя воду, а затем с огромной силой проталкивая ее через особое отверстие — «воронку», и с большой скоростью (около 70 км/час) двигается толчками назад. При этом все десять щупалец кальмара собираются в узел над головой, и он приобретает обтекаемую форму. По такому же принципу движутся осьминоги, каракатицы, медузы.
  • Инженеры уже создали двигатель, подобный двигателю кальмара. Его называют водометом. В нем вода засасывается в камеру. А затем выбрасывается из нее через сопло; судно движется в сторону, противоположную направлению выброса струи. Вода засасывается при помощи обычного бензинового или дизельного двигателя.

Невесомость. Описано в учебнике А.В.Перышкин «Физика 7 кл».: учебник для общеобразовательных учреждений/ А. В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2012. и в учебнике А.В.Перышкин, Е.М.Гутник «Физика 9 кл».: учебник для общеобразовательных учреждений/ А. В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2012.

Данное явление сопровождает космонавтов в космосе.

Невесомость — это состояние, при котором вес тела Р=0. Весом называют силу, с которой тело действует на опору вследствие притяжения его к Земле. Следовательно, невесомость — это такое состояние, при котором тело не действует на опору.

Это явление объясняется тем, что тело движется только под действием силы тяжести- свободно падает. В момент движения падающее тело не действует на падающую вместе с ним опору.

Явление невесомости описывал в своей книге К.Э. Циолковский «Вне Земли». Ю. Гагарин перед своим полетом читал эту книгу и был удивлен тем, что все процессы, происходящие в космосе, были верно описаны.

  • В невесомости можно легко перемещать тяжёлые предметы и перемещаться самому, приложив лишь небольшое усилие. Правда, по этой же причине любые предметы нужно специально закреплять, чтобы они не летали по орбитальной станции, а на время сна космонавты забираются в специальные мешки, прикреплённые к стене.
  • Жидкости в невесомости принимают шарообразную форму. Воду не получится, как мы привыкли на Земле, хранить в открытой посуде, вылить из чайника и налить в чашку, даже вымыть руки не получится привычным для нас способом.
  • Пламя в условиях невесомости очень слабое и со временем затухает.
  • В невесомости можно получать уникальные материалы, которые трудно или вообще невозможно получить в земных условиях. Например, сверхчистые вещества, новые композиционные материалы, большие правильные кристаллы и даже лекарства.
  • Невесомость оказывает существенное влияние на человека и живые организмы.
  • На Земле во время прыжка человек находится в состоянии невесомости.

Явление тяготения. Закон всемирного тяготения. Описано в учебнике А.В.Перышкин «Физика 7 кл».: учебник для общеобразовательных учреждений/ А. В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2012. И А.В.Перышкин, Е.М Гутник «Физика 9 кл».: учебник для общеобразовательных учреждений/ А. В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2012.

Притяжение всех тел во Вселенной друг к другу называется Всемирным тяготением (из учебника «Физика 7 класс»).

Взаимодействие между телами во Вселенной осуществляется особым полем, которое стали называть гравитационным. У этого поля есть некоторые особенности. Самая главная и самая интересная особенность – поле является всепроникающим.

История открытия закона всемирного тяготения:

  • Греческий философ Анаксагор (2 тысячи лет назад) : «Луна, если бы не двигалась, упала бы на Землю».
  • И. Кеплер писал: «если бы планеты не обладали природными сопротивлениями, то нельзя было бы указать причины, почему бы им не следовать в точности вращению Солнца. Но хотя в действительности все планеты движутся в том же самом направлении, в котором совершается и вращение Солнца, скорость их движения не одинакова. Дело в том, что они смешивают в известных пропорциях косность своей собственной массы со скоростью своего движения».
  • Р. Гук. Вот его подлинные слова из работы под названием «Попытка изучения движения Земли», вышедшей в 1674 году: «Я разовью теорию, которая во всех отношениях согласуется с общепризнанными правилами механики. Теория эта основывается на трех допущениях: во-первых, что все без исключения небесные тела обладают направленным к их центру или тяжестью, благодаря которой они притягивают не только свои собственные части, но также и все находящиеся в сфере их действия небесные тела. Согласно второму допущению все тела, движущиеся прямолинейно и равномерным образом, будут двигаться по прямой линии до тех пор, пока они не будут отклонены какой-нибудь силой и не станут описывать траектории по кругу, эллипсу или какой-нибудь другой менее простой кривой. Согласно третьему допущению силы притяжения действуют тем больше, чем ближе к ним находятся тела, на которые они действуют. Я не мог еще установить при помощи опыта, каковы различные степени притяжения. Но если развивать дальше эту идею, то астрономы сумеют определить закон, согласно которому движутся все небесные тела».
  • Закон всемирного тяготения был открыт И.Ньютоном в 1682 году. Ньютон писал: «не может быть сомнения, что природа тяжести на других планетах такова же, как и на Земле. В самом деле, вообразим, что земные тела подняты до орбиты Луны и пущены вместе с Луною, также лишенной всякого движения, падать на Землю. На основании уже доказанного (имеются в виду опыты Галилея) несомненно, что в одинаковые времена они пройдут одинаковые с Луною пространства, ибо их массы так относятся к массе Луны, как их веса к весу ее». Так Ньютон открыл, а затем сформулировал закон всемирного тяготения, который по праву является достоянием науки.
Читать еще:  Эксплуатационные характеристики двигателя трактора

Закон всемирного тяготения, который является одним из универсальных законов природы. Согласно закону, все материальные тела притягивают друг друга, причём величина силы тяготения не зависит от химических и физических свойств тел, от состояния их движения, от свойств среды, где находятся тела. Тяготение на Земле проявляется, прежде всего, в существовании силы тяжести, являющейся результатом притяжения всякого материального тела Землёй. С этим связан термин «гравитация» (от лат. gravitas — тяжесть), эквивалентный термину «тяготение».

Закон тяготения гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1 и m2, разделёнными расстоянием R, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

F = G m1m2 .
R 2

Этот закон нашел свое применение для тел, которые имеют форму шара, его можно использовать для материальных точек, а также он приемлем для шара, имеющего большой радиус, где этот шар может взаимодействовать с телами, гораздо меньшими, чем его размеры.

Интересные факты:

  • Интересный факт из истории открытия закона. Исаак Ньютон гулял по яблоневому саду и вдруг увидел Луну в дневном небе. И тут же на его глазах с ветки оторвалось и упало на землю яблоко. Поскольку Ньютон в это самое время работал над законами движения, он уже знал, что яблоко упало под воздействием гравитационного поля Земли. Знал он и о том, что Луна не просто висит в небе, а вращается по орбите вокруг Земли, и, следовательно, на нее воздействует какая-то сила, которая удерживает ее от того, чтобы сорваться с орбиты и улететь по прямой прочь, в открытый космос. Тут ему и пришло в голову, что, возможно, это одна и та же сила заставляет и яблоко падать на землю, и Луну оставаться на околоземной орбите. Многие считают эту легенду вымыслом.
  • Благодаря этому закону всемирного тяготения, появилась возможность в более точном определении расположения небесных тел и возможность вычисления их траектории.
  • С помощью этого закона можно рассчитать и движение искусственных спутников Земли, а также и созданных других межпланетных аппаратов.
  • С помощью этого закона Ньютон смог объяснить не только то, как движутся планеты, но и почему возникают морские приливы и отливы.
  • Закон всемирного тяготения помог астрономам открыть такие планеты Солнечной системы, как Нептун и Плутон.
  • Важность открытия закона всемирного тяготения заключается в том, что с его помощью появилась возможность делать прогнозы солнечных и лунных затмений и с точностью рассчитывать движения космических кораблей.

Достижения 2018 года

Отдел полимеров и композиционных материалов

ЛОКАЛИЗАЦИЯ КОЛЕБАНИЙ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

(Руководитель – д.т.н., профессор Л.И. Маневич)

Современное развитие технологий предполагает создание микро- и наномасштабных устройств, содержащих углеродные наноструктуры, в частности, углеродные нанотрубки (УНТ). Электрон-фононное взаимодействие является фактором, существенно влияющим на электронные свойства нанотрубок. Поэтому, спонтанная локализация колебаний, вызванная нелинейным взаимодействием нормальных мод, может приводить к значительным изменениям электропроводности нанотрубок. В работе исследовано резонансное взаимодействие нелинейных нормальных мод, принадлежащих различным ветвям колебательного спектра УНТ – изгибной и кольцевой. Показано, что, благодаря зависимости частоты колебаний от их амплитуды, достигается необходимое условие резонанса, при котором нормальные моды образуют связанное состояние, характеризующееся неравномерным распределением амплитуды колебаний по поверхности нанотрубки. При этом энергия колебаний локализуется вдоль образующей на поверхности нанотрубки. Угловая ширина области локализации составляет величину порядка 1 рад. Энергия колебаний в области локализации в 2 – 2.5 раза превышает среднюю (Рис.1). Характерные времена такого процесса составляют порядка 10 6 -10 7 периодов собственных колебаний нанотрубки, т.е.

10 -5 -10 -6 сек. Специфическим свойством такой локализации можно считать тот факт, что эффект связывания нормальных мод проявляется в ограниченном интервале амплитуд колебаний.

Рис. 1 (а) Распределение энергии колебаний по поверхности углеродной нанотрубки; (б) Комбинация изгибных и кольцевых колебаний углеродной нанотрубки.

ДЛЯ СОЗДАНИЯ СКЭФФОЛДОВ МЕТОДОМ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

(Руководитель – д.х.н., профессор А.Б. Соловьева)

В среде сверхкритического диоксида углерода получены полимеризационноспособные биосовместимые композиции на основе полилактидов, модифицированных акрилатами и метакрилатами для аддитивных технологий. Осуществлена лазерная сшивка композиций методом 2-х фотонной полимеризации (двухфотонной 3D печати). Исследован комплекс физико-механических характеристик композиций, скорость их биоразложения, токсичность и адгезия к клеточным культурам. Показано, что лучшими физико-механическими характеристиками (гибкость, прочность), наименьшей токсичностью и наибольшей адгезией к клеточным культурам обладают сшитые системы на основе полилактидов, модифицированных производными метакриловой кислоты. Полученный биосовместимый трехмерно сшитый полимерный материал нетоксичен, обладает хорошей адгезией к клеткам и пригоден для использования в качестве матриц для изготовления имплантатов.

Рис.1. Схема получения сшитых материалов на основе модифицированного олигоуретанметакрилатами полилактида. а) схема реакции; б) 3Д-печать, в) полученные сшитые образцы с отверстиями для посева клеток, г) выживаемость клеточных культур, высеянных на полученном образце (1) и в эталонной токсичной среде (2).

МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ КАПЛИ В КОАКСИАЛЬНЫХ КАПИЛЛЯРАХ В ПСЕВДОПЛАСТИЧНОЙ СРЕДЕ

(Руководитель — д.ф.-м.н. С.А. Патлажан)

Методами численного моделирования изучены закономерности формирования монодисперсных капель ньютоновской жидкости в коаксиальных капиллярах при их обтекании ньютоновской жидкостью или псевдопластичным раствором полимера (модель Carreau-Yasuda). Установлено, что в первом случае диаметр капель D заметно снижается с ростом отношения потоков Qc/Qd во внешнем и внутреннем капиллярах, тогда как при обтекании псевдопластичной средой размер формируемых капель значительно выше и слабо зависит от отношения Qc/Qd (рис. 1а). Данный эффект обусловлен изменением вязкости полимерного раствора при обтекании капли, истекающей из внутреннего капилляра (рис. 1б).

Рис. 1. (а) Зависимость диаметра капли от отношения потоков Qc/em>/Qd для псевдопластичной (заполненные символы) и ньютоновской (открытые символы) сплошных сред. (б) Поле вязкости псевдопластичной жидкой среды, обтекающей каплю ньютоновской жидкости при Qc/Qd = 30. Значения вязкости соответствуют цветам, приведенным на шкале.

Отдел динамики химических и биологических процессов

МОНИТОРИНГ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В КВАНТОВЫХ ТОЧКАХ CdSe В ПРОЦЕССЕ МЕЖФАЗНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПЕРЕНОСА ПРИ ПОМОЩИ АНАЛИЗА ДИНАМИКИ КОГГЕРЕНТНЫХ ФОНОНОВ

(Руководитель — д.х.н., профессор В.А. Надточенко)

2 . Температура излучающей поверхности достигала 1700K, что обусловило высокую мощность ИК излучения. Концентрация монооксида углерода в продуктах сгорания не превышала 5 – 10 ppm при концентрации оксидов азота

30 ppm. Работа имеет практическое значение.

Рис. Рекуперативное ИК — горелочное устройство с излучающей поверхностью 25х25 см с мягкой матрицей из подпрессованной проволоки (а), из мягкого керамического волокна в плоском (б) и объемном(в) вариантах.

Читать еще:  Будет ли работать дизельный двигатель на пропане

Отдел проблем химической безопасности

СЕЛЕКТИВНЫЙ ОКСИКРЕКИНГ ПОПУТНЫХ ГАЗОВ В ГАЗОМОТОРНОЕ ТОПЛИВО

(Руководитель — д.х.н., профессор В.С. Арутюнов)

Разработана и испытана в масштабе пилотной установки простая некаталитическая технология селективного оксикрекинга тяжелых компонентов попутных газов с получением кондиционного газомоторного топлива. Установлено, что влияние примеси алканов С26 в попутных газах на задержку воспламенения определяется только их суммарной концентрацией и не зависит от компонентного состава примеси (Рис. 1). Это позволяет без детального анализа оценивать детонационные характеристики сложных газовых смесей и считать критерием их детонационной стойкости низкую суммарную концентрацию алканов С2+. Показано, что допустимая примесь алканов С2+ в газовом топливе не превышает 1%.

Определены условия, при которых селективный оксикрекинг тяжелых компонентов попутных газов обеспечивает их конверсию в 95% (Рис. 2), что позволяет превращать попутные газы в газомоторное топливо, удовлетворяющее требованиям ведущих мировых производителей газопоршневых электростанций. Технология предназначена для распределенной локальной энергетики удаленных нефтегазодобывающих и арктических регионов. Она повышает их энергонезависимость и энергобезопасность, сокращает объем северного завоза жидкого топлива и факельное сжигание попутных газов.

Рис. 1. Зависимость задержки самовоспламенения τ сложных метан-алкановых смесей от концентрации в них этана. Т = 900 К, Р = 1 атм, j = 1.

Рис. 2. Зависимость конверсии индивидуальных алканов при селективном оксикрекинге попутных нефтяных газов от числа их углеродных атомов Nc.

Отдел строения вещества


СУПЕРКОНДЕНСАЦИЯ НУКЛЕОИДА БАКТЕРИЙ E.Coli ПОД ДЕЙСТВИЕМ СТРЕССА ГОЛОДАНИЯ

(Руководитель — д.ф.-м.н. Ю.Ф.Крупянский)

Одной из молекулярных стратегий, обеспечивающих способность микроорганизмов к выживанию в неблагоприятных условиях является защита нуклеоида от внешних воздействий с помощью связывания с гистоноподобными белками. Методами трансмиссионной электронной микроскопии и дифракции синхротронного излучения изучен структурный ответ на стресс голодания в бактериях E. Coli. В клетках обнаружено, как минимум , два вида структурного адаптивного ответа на стресс : 1) суперконденсация нуклеоида в квази- нанокристаллическую (неидеальную) структуру нуклеоида (рис.1) и 2) суперконденсация нуклеоида в квази — жидкокристаллическую структуру, похожую на холестерическую жидкокристаллическую фазу ДНК (рис.2). Это -результат гетерогенности свойств популяции клеток. Изучение структурного ответа на стресс является попыткой преодоления резистентности патогенных бактерий к действию антибиотиков — важной медицинской проблемы современного мира.

Рис.1. Зависимость интенсивности рассеяния от угла 2Θ для образца голодающих бактерий E. Coli . На врезке — дифракционная картина для этого образца. Широкие пики свидетельствуют о неидеальности (квази — кристалличности) нуклеоида

Рис.2. Квази — жидкокристаллическая структура нуклеоида E. Coli . Упаковка ДНК (в центре клетки) похожа на холестерический жидкий кристалл

Отдел кинетики и катализа

СТРУКТУРА И ПРОТОННАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ЭЛЕКТРОЛИТОВ ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

(Руководитель – д.х.н., профессор Л.Г. Щербакова-Семёнова)

Разработаны новые классы материалов для твердооксидных топливных элементов с протон-проводящим электролитом. Наиболее важным направлением альтернативной энергетики являются поиски новых материалов для протон-проводящих твердооксидных топливных элементов, являющихся электрохимическим преобразователем энергии, который конвертирует химическую энергию топлива (H2, CH4) и воздуха в электрическую энергию при T

600-800°C. Предложены новые соединения со структурой пирохлора и флюорита состава Ln2-xCaxScMO7-δ (Ln = La, Sm, Ho, Yb; M = Nb, Ta; x = 0, 0.05, 0.1) (Рис. 1). Определен вклад протонной проводимости для твердых растворов со структурой пирохлора Ln2-xCaxScNb(Ta)O7 (Ln = La, Sm; x= 0, 0.05, 0.1). Твердые растворы самария – пирохлоры Sm1.9Ca0.1ScNbO6.95 и Sm1.9Ca0.1ScTaO6.95 проявляют максимальную протонную проводимость, сохраняющуюся в них вплоть до температур 800 и 850 °C. Проводимость флюоритоподобных фаз Ho2-xCaxScNbO7 (x= 0, 0.05) и Yb2ScNbO7 определяется только кислородным транспортом. Для нового семейства молибдатов на основе Ln6MoO12 ((Ln = La – Lu) исследуются структурные классы биксбиита, флюорита, тетрагональные и ромбоэдрические фазы. При нагреве не выше 1100°С в вакууме ромбоэдрический La5.5MoO11.25 более устойчив к восстановлению, чем легированный цирконием флюорит Ho5.4Zr0.6MoO12.3. Установлено, что ромбоэдрические молибдаты на основе La6MoO12 успешно функционируют при 600-800°С (рабочий режим твердооксидных топливных элементов).

Рис.1. Структура пирохлора (а) и флюорита (б) через кислородные полиэдры LnO8 и MO6.

НЕОДНОРОДНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАРЯДОВ В НАНОЧАСТИЦАХ

( Руководитель — д.ф.-м.н., профессор Л.И. Трахтенберг)

НЕОДНОРОДНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАРЯДОВ В НАНОЧАСТИЦАХ

Разработана и включена в пакет Chemical Workbench 4.1, Kintech Lab Ltd. коммерческая компьютерная программа NANO http://www.kintechlab.com/uploads/media/Nano_en_v2.pdf для нахождения распределений плотности положительных и отрицательных зарядов как внутри, так и на поверхности полупроводниковых и металлических наночастиц. Такая программа необходима при решении задач, связанных с проводящими, сенсорными, фотоэлектрическими, каталитическими, магнитными, диэлектрическими, плазмонными и другими свойствами наноматериалов. Особенно следует отметить важность программы для решения различных задач нанобиофотоники. Эта программа уже использована для расчета электронной плотности внутри полупроводниковой наночастицы и электрического поля снаружи наночастицы в электрическом поле вдоль направления приложенного поля, а также для определения относительной плотности электронов проводимости в наночастице для различных концентраций водорода в атмосфере. Кроме того, проведено сопоставление экспериментальной и расчетной зависимостей чувствительности к водороду газового сенсора (Рис. 1).

Рис. 1. Экспериментальная (а) и расчетная (б) зависимости чувствительности к водороду от температуры газового сенсора на основе In2O3 для различных концентраций водорода (1 – 1100 ppm; 2 – 2570 ppm; 3 – 260 ppm; 4 – 120 ppm).

Почему ракеты взлетают

Любовь Карась

Один из популярных детских вопросов «Почему ракеты летают?» для многих остается без ответа. Изучение космонавтики требует глубоких знаний по физике, ракетостроению, астрономии и в других отраслях. Т&Р объясняют, как происходит одно из самых завораживающих научных событий, и рассказывают, благодаря чему ракеты сохраняют скорость, не переворачиваются и преодолевают силу притяжения.

Как устроен реактивный двигатель

Русский революционер и изобретатель Николай Кибальчич создал первый в мире проект аппарата с реактивным двигателем. Однако ученый был казнен. В начале XX века эту идею стал развивать К.Э. Циолковский. Ученый разработал саму схему реактивного двигателя, который работал на жидком топливе.

Ракета способна обеспечивать собственное движение в пустоте за счет реактивной силы. То есть она самостоятельно толкает себя, подобно осьминогу или кальмару. Процесс воспламенения смеси в двигателе является непрерывным — это пример простого твердотопливного двигателя. Еще один тип ракетного двигателя — жидкостный . В нем используется жидкий кислород или азотная кислота, при окислении этого вещества увеличивается удельный импульс — показатель эффективности реактивного двигателя или ракетного топлива.

Несмотря на всю сложность конструкции современных космических кораблей, ракета — один из самых простых летательных аппаратов. В основе ее устройства лежит принцип, согласно которому всякое действие рождает противодействие. Ракета летит, выбрасывая определенное вещество из своей хвостовой части. Несмотря на всю эту простоту, ракеты разрабатывались и совершенствовались в течение более чем семисот лет.

Луис Блумфилд. «Как все работает. Законы физики в нашей жизни»

Луис Блумфилд в своей книге «Как все работает. Законы физики в нашей жизни» приводит в пример движение по скользкому льду. Единственный способ сдвинуться — получить какой-то толчок от самого себя . Необходимо бросить кроссовок, и вы начнете двигаться в противоположную сторону. Вы передали импульс брошенной обуви, и она обратно передала его вам. «Величина импульса кроссовка равна величине вашего противоположно направленного импульса. Естественно, ваша масса намного больше массы кроссовка, поэтому вы двигаетесь гораздо медленнее, чем он», — объясняет Блумфилд.

Движение ракеты предполагает действие двух равных и противоположно направленных сил

Аналогично этому работает реактивный двигатель. Топливо и окислитель попадают в рабочую камеру, смешиваются, сгорают в зоне горения, выделяя огромное количество тепла, которого достаточно для движения.

Траектория полета

Многие убеждены, что ракеты взлетают вертикально, однако это не так. Ракетное топливо может закончиться через 10 минут, а при вертикальном взлете этого времени просто не хватит для выхода на орбиту.

Современные ракеты взлетают вертикально на самом первом этапе, а далее меняют траекторию и двигаются под углом по отношению к Земле. Чем выше высота полета, тем заметнее угол. Ракета совершает гравитационный разворот — маневр, при котором направление тяги совпадает или противоположно направлению движения, изменяющемуся под действием силы тяжести. Этот маневр используется в момент выведения на орбиту или при посадке с нее.

Читать еще:  Высокие холостые обороты двигателя ваз 21083 карбюратор

Ускорение ракеты, взлетающей под углом к горизонту: g — ускорение свободного падения, ae — вклад двигателя в ускорение, a — итоговое ускорение ракеты

Как обеспечивается устойчивость ракеты

«Ракета сохраняет динамическую устойчивость, если суммарный момент приложенных к ней сил относительно центра масс равен нулю при ориентации носом вперед», — объясняет Луис Блумфилд. Иными словами, для того чтобы ракета постоянно двигалась носом вперед и не переворачивалась, двигатель должен создавать силу тяги, которая направлена к центру масс. Второе условие устойчивости — действие аэродинамических сил. Воздушный поток обволакивает ракету и помогает лететь, если сопротивление воздуха у хвостовой части больше, чем спереди. Для устойчивого полета модели ракеты необходимо, чтобы центр тяжести модели ракеты был впереди ее центра давления .

Действие трех скоростей

Нет однозначного ответа на вопрос, с какой скоростью летит ракета. Все зависит от ее типа, загрузки и так далее. Однако все летальные аппараты стараются достигнуть космической скорости — первой (7,9 км/с), второй (11,2 км/с) и, соответственно, третьей (46,9 км/с). Первая позволяет «не упасть» и выйти на орбиту, вторая — выйти из орбиты Земли, третья — преодолеть притяжение. Чем дальше объект, с которого стартует ракета, находится от звезды, тем меньше третья космическая скорость . Например, американский космический зонд «Вояджер-1» движется со скоростью 17 км/с.

Существует и четвертая космическая скорость . Она необходима для того, чтобы объект мог преодолеть притяжение Галактики и выйти в межгалактическое пространство. Например, около Солнца четвертая космическая составляет 550 км/с .

Министерство образования и науки Калужской области

  • ГЛАВНАЯ
  • >
  • МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КАЛУЖСКОЙ ОБЛАСТИ
  • >
  • НАУКА

  • МЕРОПРИЯТИЯ

Константин Эдуардович Циолковский

Константин Эдуардович Циолковский

Константин Эдуардович Циолковский [5(17).9.1857 — 19.9.1935] — российский ученый и изобретатель в области аэродинамики, ракетодинамики, теории самолета и дирижабля; основоположник современной космонавтики. Родился в семье лесничего. После перенесенной в детстве скарлатины почти полностью потерял слух: глухота не позволила продолжать учебу в школе, и с 14 лет он занимался самостоятельно. С 16 до 19 лет жил в Москве, изучал физико-математические науки по циклу средней и высшей школы. В 1879 году экстерном сдал экзамены на звание учителя и в 1880 году назначен учителем арифметики и геометрии в Воровское уездное училище Калужской губернии. К этому времени относятся первые научные исследования Циолковского. В 1880-81 годах написал работу «Теория газов», в которой изложил основы кинетической теории газов. Вторая его работа «Механика животного организма» (те же годы) получила благоприятный отзыв И. М. Сеченова, и Циолковский был принят в Русское физико-химическое общество.

Основные работы Циолковского после 1884 года были связаны с четырьмя большими проблемами: научным обоснованием цельнометаллического аэростата (дирижабля), обтекаемого аэроплана, поезда на воздушной подушке и ракеты для межпланетных путешествий. С 1896 года Циолковский систематически занимался теорией движения реактивных аппаратов и предложил ряд схем ракет дальнего действия и ракет для межпланетных путешествий. После Октябрьской революции 1917 года он много и плодотворно работал над созданием теории полета реактивных самолетов, изобрел свою схему газотурбинного двигателя; в 1927 году опубликовал теорию и схему поезда на воздушной подушке.

Первым печатным трудом о дирижаблях был «Аэростат металлический управляемый» (1892), в котором дано научное и техническое обоснование конструкции дирижабля с металлической оболочкой.

В 1892 году Циолковский переехал в Калугу, где преподавал физику и математику в гимназии и епархиальном училище. В этот период он обратился к новой и мало изученной области — созданию летательных аппаратов тяжелее воздуха. Циолковскому принадлежит идея постройки аэроплана с металлическим каркасом.

Циолковский построил в 1897 году первую в России аэродинамическую трубу с открытой рабочей частью, разработал методику эксперимента в ней и в 1900 году на субсидию Академии наук сделал продувки простейших моделей и определил коэффициент сопротивления шара, плоской пластинки, цилиндра, конуса и других тел.

В 1932 году он разработал теорию полета реактивных самолетов в стратосфере и схемы устройства самолетов для полета с гиперзвуковыми скоростями. Важнейшие научные результаты получены Циолковским в теории движения ракет (ракетодинамике). Мысли об их использовании в космосе высказывались Циолковским еще в 1883 году, однако создание им математически строгой теории реактивного движения относится к 1896 году. Только в 1903 году ему удалось опубликовать часть статьи «Исследование мировых пространств реактивными приборами», в которой он обосновал реальную возможность их применения для межпланетных сообщений. В этой статье и последовавших продолжениях ее (1911, 1914) он заложил основы теории ракет и жидкостного ракетного двигателя (ЖРД). Рассмотрение практической задачи прямолинейного движения ракеты привело Циолковского к решению новых проблем механики тел переменной массы. Им впервые была решена задача посадки космического аппарата на поверхность планет, лишенных атмосферы. В 1926-29 годах Циолковский разработал теорию многоступенчатых ракет. Он первым решил задачу о движении ракеты в неоднородном поле тяготения и рассмотрел (приближенно) влияние атмосферы на полет ракеты, а также вычислил необходимые запасы топлива для преодоления сил сопротивления воздушной оболочки Земли.

К.Э. Циолковский — основоположник теории межпланетных сообщений. Его исследования впервые показали возможность достижения космических скоростей, доказав осуществимость межпланетных полетов. Он первым изучил вопрос о ракете — искусственном спутнике Земли (ИСЗ) — и высказал идею создания околоземных станций как искусственных поселений, использующих энергию Солнца и промежуточных баз для межпланетных сообщений; рассмотрел медико-биологические проблемы, возникающие при длительных космических полетах. Циолковский написал ряд работ, в которых уделил внимание использованию ИСЗ в народном хозяйстве и др.

Циолковский выдвинул ряд идей, которые нашли применение в ракетостроении.

Циолковский — первый идеолог и теоретик освоения человеком космического пространства. Он автор ряда научно-фантастических произведений, а также исследований в других областях знаний: лингвистике, биологии и др.

При Советской власти условия жизни и работы Циолковского радикально изменились. Циолковскому была назначена персональная пенсия и обеспечена возможность плодотворной деятельности. Его труды в огромной степени способствовали развитию ракетной и космической техники в СССР и других странах. За «Особые заслуги в области изобретений, имеющих огромное значение для экономической мощи и обороны Союза ССР» Циолковский в 1932 году награжден орденом Трудового Красного Знамени. В связи со 100-летием со дня рождения Циолковского в 1954 году АН СССР учредила золотую медаль им. К. Э. Циолковского «За выдающиеся работы в области межпланетных сообщений». В Калуге и Москве сооружены памятники ученому; создан мемориальный Дом-музей в Калуге; его имя носят Государственный музей истории космонавтики и педагогический институт в Калуге, Московский авиационный технологический институт. Именем Циолковского назван кратер на Луне.

В Калужской области в 1996 году в память о выдающемся ученом и в целях поддержки научных исследований в области технических, естественных и гуманитарных наук, изучения научного наследия и развития идей К.Э.Циолковского постановлением главы администрации – Губернатором Калужской области учреждены премии и стипендии имени К.Э. Циолковского. Это одни из самых первых и престижных наград области за успехи в учебе и научно-исследовательской деятельности.

Ежегодно на конкурсной основе присуждаютсядве премии им. К.Э. Циолковского в размере 50000 рублей каждая победителям конкурса среди ученых или коллективов ученых и шесть стипендий им. К.Э. Циолковского:

две стипендии в размере 3000 рублей — победителю конкурса среди аспирантов;

две стипендии в размере 2000 рублей — победителю конкурса среди студентов вузов;

две стипендии в размере 1000 рублей — победителю конкурса среди обучающихся в учреждениях среднего профессионального и начального профессионального образования, общеобразовательных учреждениях.

Премии вручаются в виде единовременной выплаты.

Стипендии выплачиваются ежемесячно с 1 сентября по 31 августа текущего учебного года.

По традиции областные премии и стипендии им. К.Э. Циолковского торжественно вручаются победителям конкурса в канун дня рождения великого ученого на пленарном заседании ежегодно проводимых в Калуге Научных Чтениях памяти К.Э. Циолковского.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector