Все о ракетах детям. Космическая ракета: виды, технические характеристики

– это летательный аппарат, получивший широкое применение в космонавтике и военном деле. Космические ракеты используются для вывода в космос искусственных спутников, орбитальных станций, космических зондов и так далее. Такие ракеты были названы ракета-носителями.

Для того чтобы поднять ракету в воздух, необходим мощный двигатель. Большинство ракет оснащены несколькими так называемыми ракетными двигателями, количество которых зависит от массы самой ракеты и космического аппарата, который она должна доставить в космос. Ракетный двигатель работает на жидком, твердом или гибком топливе. В камере сгорания происходит химическая реакция между топливом и особым окислителем, в результате чего образуется газ и тепло. Раскаленные газы расширяются в камере сгорания и под большим давлением выбрасываются в сопла двигателя, где происходит их ускорение. Таким образом, выбрасываемый из сопла газ заставляет ракету двигаться в противоположном (движению газа) направлении.

Принцип строения и запуска ракет был разработан великим русским ученым Константином Эдуардовичем Циолковским. Важнейшие научные результаты получены Циолковским в теории движения ракет. Мысли об использовании принципа реактивного движения для целей летания высказывались Циолковским еще в 1883 году, однако создание им математически строгой теории реактивного движения относится к самому концу 19 века. В 1903 году в статье "Исследование мировых пространств реактивными приборами" на основании общих теорем механики Циолковский дал теорию полета ракеты с учетом изменения ее массы в процессе движения, а также обосновал возможность применения реактивных аппаратов для межпланетных сообщений. Строгое математическое доказательство возможности применения ракеты для решения научных проблем, использования ракетных двигателей для создания движения грандиозных межпланетных кораблей целиком принадлежат Константину Циолковскому. В этой статье и в последовавших продолжениях ее он впервые в мире дал основы теории жидкостного реактивного двигателя, а также элементов его конструкции.

В 1929 году Циолковский разработал весьма плодотворную теорию движения составных ракет. Он предлагал к осуществлению два типа составных ракет. Один из типов - последовательная составная ракета, состоящая из нескольких соединенных одна за другой ракет. При взлете толкающей является последняя (нижняя) ракета. После использования ее топлива она отделяется от общей конструкции и падает на землю. Далее начинает работать двигатель ракеты, оказавшейся последней. Эта ракета для оставшихся является толкающей до момента полного использования своего топлива, а затем также отделяется от общей конструкции. К цели полета доходит лишь головная ракета, достигающая значительно более высокой скорости, чем одиночная ракета, т. к. она разогнана отброшенными в процессе движения ракетами.

Второй тип составной ракеты (параллельное соединение ряда ракет) был назван Циолковским эскадрильей ракет. В этом случае, по мысли ученого, все ракеты работают одновременно, до момента использования половины своего топлива. Затем крайние ракеты сливают оставшийся запас топлива в полупустые баки остальных ракет и отделяются от ракетного поезда. Процесс переливания топлива повторяется до тех пор, пока от общей конструкции останется лишь одна головная ракета, набравшая очень высокую скорость.

Циолковский первым решил задачу о движении ракеты в однородном поле тяготения и подсчитал необходимые запасы топлива для преодоления силы притяжения Земли. Приближенно он рассмотрел влияние атмосферы на полет ракеты и вычислил необходимые запасы топлива для преодоления сил сопротивления воздушной оболочки Земли.

Циолковский является основоположником теории межпланетных сообщений. Вопрос о межпланетных путешествиях интересовал Константина Эдуардовича с самого начала его научных изысканий. Его исследования впервые строго научно показали возможность осуществления полета с космическими скоростями, несмотря на большие технические трудности практического осуществления этих полетов. Он первым изучил вопрос о ракете - искусственном спутнике Земли, и высказал идею о создании внеземных станций как промежуточных баз при межпланетных сообщениях, подробно рассмотрел условия жизни и работы людей на искусственном спутнике Земли и межпланетных станциях. Циолковский выдвинул идею газовых рулей для управления полетом ракеты в безвоздушном пространстве. Он предложил гироскопическую стабилизацию ракеты в свободном полете в пространстве, где нет сил тяжести и сил сопротивления. Циолковский понимал необходимость охлаждения стенок камеры сгорания реактивного двигателя, и его предложение охлаждать стенки камеры компонентами топлива широко используется в современных конструкциях реактивных двигателей.

Чтобы ракета не сгорела, как метеорит, при возвращении из космического пространства на Землю, Циолковский предложил специальные траектории планирования ракеты для погашения скорости при приближении к Земле, а также способы охлаждения стенок ракеты жидким окислителем. Он исследовал большое число различных окислителей и горючих и для жидкостных реактивных двигателей рекомендовал следующие топливные пары: жидкий кислород и жидкий водород; спирт и жидкий кислород; углеводороды и жидкий кислород или озон.

Краткая история ракет

Общий принцип реактивного полета, который лег в основу всех ракет, прост - от тела отделяется какая-то часть, приводящая все остальное в движение.

Кто первым реализовал этот принцип – неизвестно, но различные догадки и домыслы доводят генеалогию ракетостроения аж до Архимеда. Доподлинно о первых подобных изобретениях известно, что ими активно пользовались китайцы, которые заряжали их порохом и за счет взрыва запускали в небо. Таким образом они создали первые твердотопливные ракеты. Большой интерес к ракетам появился у европейских правительств в начале

Второй ракетный бум

Ракеты ждали своего часа и дождались: в 1920-х годах начался второй ракетный бум, и связан он в первую очередь с двумя именами.

Константин Эдуардович Циолковский - ученый-самоучка из Рязанской губернии, невзирая на трудности и препятствия, сам дошел до многих открытий, без которых невозможно было бы даже говорить о космосе. Идея использования жидкого топлива, формула Циолковского, которая рассчитывает необходимую для полета скорость, исходя из соотношения конечной и начальной масс, многоступенчатая ракета - все это его заслуга. Во многом под влиянием его трудов создавалось и оформлялось отечественное ракетостроение. В Советском Союзе начали стихийно возникать общества и кружки по изучению реактивного движения, в числе которых ГИРД - группа изучения реактивного движения, а в 1933 году под патронажем властей появился Реактивный институт.

Константин Эдуардович Циолковский.
Источник: Wikimedia.org

Второй герой ракетной гонки - немецкий физик Вернер фон Браун. Браун имел отличное образование и живой ум, а после знакомства с другим светилом мирового ракетостроения, Генрихом Обертом, он решил приложить все свои силы к созданию и усовершенствованию ракет. В годы Второй Мировой фон Браун фактически стал отцом «оружия возмездия» Рейха - ракеты «Фау-2», которую немцы начали применять на поле боя в 1944 году. «Крылатый ужас», как называли её в прессе, принес разрушение многим английским городам, но, к счастью, на тот момент крах нацизма был уже делом времени. Вернер фон Браун вместе со своим братом решил сдаться в плен к американцам, и, как показала история, это был счастливый билет не только и не столько для ученых, сколько для самих американцев. С 1955 года Браун работает на американское правительство, и его изобретения ложатся в основу космической программы США.

Но вернемся в 1930-е. Советское правительство по достоинству оценило рвение энтузиастов на пути к космосу и решило употребить его в своих интересах. В годы войны себя отлично показала «Катюша» - система залпового огня, которая стреляла реактивными ракетами. Это было во многом инновационное оружие: «Катюша» на базе легкого грузовика «Студебеккер» приезжала, разворачивалась, обстреливала сектор и уезжала, не давая немцам опомниться.

Окончание войны подкинуло нашему руководству новую задачу: американцы продемонстрировали миру всю мощь ядерной бомбы, и стало совершенно очевидно, что на статус сверхдержавы может претендовать только тот, у кого есть нечто похожее. Но здесь была проблема. Дело в том, что, помимо самой бомбы, нам нужны были средства доставки, которые бы смогли обойти ПВО США. Самолеты для этого не годились. И СССР решил сделать ставку на ракеты.

Константин Эдуардович Циолковский умер в 1935 году, но ему на смену пришло целое поколение молодых ученых, которое и отправило человека в космос. Среди этих ученых был Сергей Павлович Королев, которому суждено было стать «козырем» Советов в космической гонке.

СССР принялся за создание своей межконтинентальной ракеты со всем усердием: были организованы институты, собраны лучшие ученые, в подмосковных Подлипках создается НИИ по ракетному вооружению, и работа кипит вовсю.

Только колоссальное напряжение сил, средств и умов позволило Советскому Союзу в кратчайшие сроки построить свою ракету, которую назвали Р-7. Именно её модификации вывели в космос «Спутник» и Юрия Гагарина, именно Сергей Королев и его соратники дали старт космической эре человечества. Но из чего состоит космическая ракета?

Конструкция ракеты

Схема двухступенчатой ракеты.

Что мы знаем о космосе? Большинство из нас не может ответить на простейшие вопросы о данном загадочном мире, который, несмотря на это, нас привлекает и интересует. В данной статье представлена самая интересная общая информация о космосе, знать которую будет полезно каждому.

• Мы (все живые существа) летим в космической среде с определенной скоростью, которая равна 530км/секунда. Если взять во внимание скорость перемещения нашей Земли в галактике, то она приравнивается к 225км/секунда. Наша галактика (Млечный путь), в свою очередь, перемещается в космосе со скоростью 305км/секунда.

• Гигантский космический объект – планета Сатурн на самом деле имеет сравнительно небольшой вес. Плотность этой планеты-гиганта в пару раз ниже, чем у воды. Таким образом, если данное космическое тело попытаться притопить в воде, этого сделать не получится.
• Если бы планета-Юпитер была полой, то внутри нее могли бы поместиться все известные нам планеты нашей планетарной системы «Солнечной».
• Сокращение периодичности вращения планеты-Земли отдалят от нее Луну ежегодно приблизительно на четыре сантиметра.
• Первый «звездный каталог» составил Гиппарх (ученый-астроном) в 150 году до нашей эры.

• Когда мы в ночном небе обращаем внимание на самые далекие (тусклые) звезды, мы видим их такими, какими они были примерно четырнадцать миллиардов лет назад.
• Кроме нашего светила, у нас имеется еще одна приближенная звезда «Проскима Центавра». Расстояние до данного космического объекта приравнивается к 4,2 световым годам.
• «Красный гигант» по имени «Бетельгейзе» имеет огромный диаметр. Для сравнения, ее диаметр в пару раз превосходит орбиту нашей Земли вокруг светила.
• Ежегодно галактика, в которой расположена наша планетарная система, производит около 40 новых звезд.
• Если из «нейтронной звезды» изъять одну ложку (чайную) вещества, то вес данной ложки приравняется к 150-и тоннам.

• Масса нашего светила составляет более 99% массы всей его планетарной системы.
• Возраст света, излучаемого нашим светилом, можно приравнять всего к 30 тыс. годам. Именно тридцать тыс. лет назад в светиле образовалась определенная энергия, которая по сей день доходит до Земли. К слову, солнечные фотоны добираются до вышесказанной планеты, на которой мы живем, всего за восемь секунд.
• Затмение нашего светила может длиться не более семи с половиной минут. Лунное затмение, в свою очередь, имеет большую продолжительность – 104 минуты.
• «Солнечный ветер» является причиной потери массы нашего светила. В 1 секунду данное светило теряет более 1 млрд. кг из-за этого «ветра». К слову, одна «ветреная частичка» может погубить обычного человека, приблизившись к нему на расстояние в 160 километров.
• Если бы наша Земля вертелась в иную, противоположную сторону, то длительность года являлась бы меньшей на пару дней.
• Ежедневно наша планета переживает «метеоритную бомбардировку». Почему мы не видим этого? Большая часть падающих на нас космических объектов сильно малы, поэтому они не успевают долетать до поверхности и растворяются в нашей атмосфере.

• У нашей планеты имеется далеко не один спутник. Современные ученые определили, что вокруг нее летает сразу четыре объекта. Конечно же, самым известным из них является Луна. Кроме нее, вокруг нас летает астероид (диаметр 5 километров), который обнаружили в 1896 году. Если быть точнее, то этот объект вращается вокруг светила, но с определенной частотой, такой же, как и наша. Поэтому он постоянно находится возле нас. Увидеть его невооруженным глазом невозможно.
• Сгущение «космического вещества» является причиной периодического возрастания массы нашей планеты. Каждые 500 лет ее масса увеличивается примерно на один миллиард тонн.
• «Большая Медведица» - не созвездие, как многие считают. В реальности, это «астеризм» - визуальное скопление звезд, которые весьма внушительно отдалены друг от друга. Некоторые звезды «Медведицы» размещены даже в разных галактических образованиях.

Изначально планету Уран, открытую У. Гершелем в 1781 году, называли «Звездой Георга». Сделать это приказал Георг III, который желал, чтобы его именем величали последнюю открытую планету «Солнечной системы».

Если две части метеорита соприкоснуться в космическом пространстве, то они спаяются. Если это произойдет на родной для нас планете, то они не соединятся, так как на нашей планете металлам свойственной окисляться. Оборудование, которое астронавты используют во время работы за бортом космостанции, самопроизвольно окисляется на Земле, поэтому в космическом пространстве не слипается.

Созданные инженерами спутниковые аппараты во время полета в космосе подчиняются определенным физическим законам, которые первым описал Ньютон.

С 1980 года участки нашей спутницы – Луны официально продаются, причем стоят они немало. На сегодняшний день продано около семи процентов поверхности естественного спутника. Стоимость сорока соток ныне – не более 150 долларов. Счастливец, купивший участок, получает сертификат и фотоснимки своей «лунной земли».

• В 1992 году в космос отправилась официальная пара Джен и Марк. Их по сей день считают первыми и единственными супругами, которые посетили космос вместе. Супруги полетели в космос на корабле «Эндевер».
• Все те, кто побывал в космосе на протяжении определенного времени (1-2 месяца), вырастают примерно на пять сантиметров из-за растяжения позвоночника, что потом, после возвращения на Землю, может негативно сказаться на здоровье.
• Спутниковая орбитальная система может сфотографировать три миллиона квадратных километров Земли за полчаса, самолет – за двенадцать лет, человек вручную – за 100 лет приблизительно.
• В 2001 году провели интересный эксперимент, после чего выяснили, что храпящие дома космонавты в космическом пространстве лишаются этой дурной привычки.

Почти все дети увлекаются космосом. Кто-то лишь на короткое время, пока узнает о том, как устроен мир. А кто-то - всерьез и надолго, мечтая однажды полететь на Луну или еще дальше, повторить подвиг Гагарина или открыть новую звезду.

В любом случае, ребенку будет интересно узнать о том, что прячется за облаками. О Луне, о Солнце и звездах, о космических кораблях и ракетах, о Гагарине и Королеве. К счастью, есть множество книг, которые помогут и малышам, и школьникам, и даже взрослым открыть для себя Вселенную. А вот несколько отрывков из них:

1. Луна

Луна является спутником Земли. Так астрономы называют ее, потому что она постоянно находится рядом с Землёй. Она вращается вокруг нашей планеты и никуда от неё не может деться, потому что Земля Луну к себе притягивает. И Луна, и Земля - небесные тела, но Луна гораздо меньше Земли. Земля - планета, а Луна - её спутник.

Иллюстрация из книги «Увлекательная астрономия»

2. Месяц

Сама Луна не светит. То свечение Луны, которое мы наблюдаем по ночам, - это отражённый Луной свет Солнца. В разные ночи Солнце освещает спутник Земли по-разному.

Земля, а вместе с ней и Луна вращаются вокруг Солнца. Если взять мячик и осветить его фонариком в темноте, то с одной стороны он будет казаться круглым, потому что свет фонаря падает прямо на него. С другой стороны мячик будет тёмным, потому что он находится между нами и источником света. А если кто-нибудь посмотрит на мячик сбоку, он увидит освещённой только часть его поверхности.

Фонарик - это как будто Солнце, а мячик - Луна. А мы с Земли смотрим на Луну в разные ночи с разных точек зрения. Если свет Солнца падает прямо на Луну, она видится нам полным кругом. А когда свет Солнца падает на Луну сбоку, мы наблюдаем на небе месяц.

Иллюстрация из книги «Увлекательная астрономия»

3. Новолуние и полнолуние

Бывает, что луны на небе вообще не видно. Тогда мы говорим, что наступило новолуние. Оно случается каждые 29 суток. В следующую после новолуния ночь на небе появляется узкий лунный серпик, или, как его еще называют, месяц. Затем серпик начинает расти и постепенно превращается в полный круг, луну - наступает полнолуние.

Потом луна снова уменьшается, «спадает», до тех пор пока опять не превратится в месяц, а затем и месяц исчезнет с небосвода - наступит следующее новолуние.

Иллюстрация из книги «Увлекательная астрономия»

4. Лунный прыжок

Хочешь узнать, как далеко ты мог бы прыгнуть, если бы находился на Луне? Выйди во двор с мелом и рулеткой. Прыгни как можно дальше, пометь свой результат мелом и измерь рулеткой длину своего прыжка. А теперь отмерь от своей пометки ещё шесть таких же отрезков. Вот какие были бы у тебя лунные прыжки! А всё потому, что на Луне меньше сила тяжести. Ты будешь дольше находиться в прыжке и сможешь поставить космический рекорд. Хотя, конечно, скафандр будет мешать тебе прыгать.

Иллюстрация из книги «Увлекательная астрономия»

5. Вселенная

О нашей Вселенной наверняка мы знаем только то, что она очень-очень большая. Вселенная возникла около 13,7 миллиарда лет назад, когда случился Большой взрыв. Его причина по сей день остаётся одной из самых главных загадок науки!

Шло время. Вселенная расширялась во все стороны и наконец начала обретать форму. Из вихрей энергии родились крошечные частицы. Спустя сотни тысяч лет они слились и превратились в атомы - «кирпичики», из которых сложено всё, что мы видим. Тогда же возник и свет, который начал свободно перемещаться в пространстве. Но понадобились ещё сотни миллионов лет, прежде чем атомы объединились в громадные облака, из которых родилось первое поколение звёзд. Когда эти звёзды разделились на группы, образовав галактики, Вселенная стала напоминать то, что мы видим теперь, глядя на ночное небо. Сейчас Вселенная продолжает расти и с каждым днём становится только больше!

6. Рождение звезды

Думаешь, что звёзды видно только ночью? А вот и нет! Наше Солнце - тоже звезда, но его мы видим днём. Солнце мало чем отличается от других звёзд, просто остальные звёзды находятся гораздо дальше от Земли и поэтому кажутся нам такими маленькими.

Звёзды образуются из облаков водородного газа, который остался после Большого взрыва или после взрывов других звёзд, постарше. Постепенно сила тяготения соединяет водородный газ в сгустки, где он начинает вращаться и разогреваться. Это продолжается до тех пор, пока газ не становится достаточно плотным и горячим, чтобы ядра атомов водорода смогли слиться. В результате этой термоядерной реакции происходит вспышка света, и рождается звезда.

Иллюстрация из книги «Профессор Астрокот и его путешествие в космос»

7. Юрий Гагарин

Гагарин был лётчиком-истребителем в Заполярье, потом его отобрали из сотен других военных лётчиков в отряд космонавтов. Юрий отлично учился и идеально подходил по росту, весу и физической подготовке. 12 апреля 1961 года, после знаменитых 108 минут полёта в космосе, Гагарин стал одним из самых известных людей в мире.

Иллюстрация из книги «Космос»

8. Солнечная система

Солнечная система - очень оживленное место. Вокруг Солнца по эллиптическим (слегка вытянутым кольцевым) орбитам вращается восемь планет, в том числе наша Земля. Еще семь - это Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Венера, Марс и Меркурий. Оборот каждой из планет длится по-разному, от 88 суток до 165 лет.

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.

Кто же придумал ракету?

Ракета была известна давно. Очевидно, она появилась много веков назад на Востоке, возможно, в Древнем Китае - родине пороха. Ракеты (см. ниже) использовали во время народных празднеств, устраивали фейерверки, зажигали в небе огненные дожди, фонтаны, колёса.

Древнекитайская ракета:

1 - ствол-направляющая;

2 - пороховой заряд орудия;

3 - пыж;

4 - ракета;

5 - пороховой заряд ракеты.

Ракеты применяли в военном деле. Долгое время ракета была одновременно и оружием, и игрушкой. При Петре I была создана и применялась однофунтовая сигнальная ракета образца 1717 года (см. ниже), остававшаяся на вооружении до конца XIX века. Она поднималась на высоту до \(1\) километра.

Некоторые изобретатели предлагали использовать ракету для воздухоплавания. Научившись подниматься на воздушных шарах, люди были беспомощны в воздухе. Первым, кто предложил использовать ракету как средство передвижения, был российский изобретатель, революционер Николай Иванович Кибальчич, осуждённый на казнь за покушение на царя.

За десять дней до смерти в Петропавловской крепости он завершил работу над своим изобретением и передал адвокату не просьбу о помиловании или жалобу, а «Проект воздухоплавательного прибора» (чертежи и математические расчёты ракеты). Именно ракета, считал он, откроет человеку путь в небо.

Про свой аппарат (см. выше) он написал: «Если цилиндр поставлен закрытым дном кверху, то при известном давлении газов... цилиндр должен подняться наверх».

Какая же сила применима к воздухоплаванию? - ставит вопрос Н.И. Кибальчич и отвечает. - Такой силой, по моему мнению, является медленно горящие взрывчатые вещества... Применить энергию газов, образующихся при воспламенении взрывчатых веществ к какой-либо продолжительной работе возможно только под тем условием, если та громадная энергия, которая образуется при горении взрывчатых веществ, будет образовываться не сразу, а в течение более или менее продолжительного промежутка времени. Если мы возьмём фунт зернистого пороху, вспыхивающего при зажигании мгновенно, спрессуем его под большим давлением в форму цилиндра, то увидим, что горение не сразу охватит цилиндр, а будет распространяться довольно медленно от одного конца к другому и с определённой скоростью... На этом свойстве прессованного пороха основано устройство боевых ракет.

Изобретатель имеет здесь в виду старинные (первой половины XIX века) ракеты, которые перекидывали 50-килограммовые бомбы на \(2-3\) километра при заряде в \(20\) кг. Н.И. Кибальчич вполне ясно и совершенно правильно представлял себе механизм действия ракеты.

Конструкцию космической ракеты с жидкостным реактивным двигателем впервые предложил в \(1903\) году русский учёный Константин Эдуардович Циолковский.

Он разработал теорию движения космических ракет и вывел формулу для расчёта их скорости.

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. 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, который мощной струёй устремляется наружу через раструб специальной формы, называемый соплом. 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.

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:

p оболочки = p газа

m оболочки v оболочки = m газа v газа.

v оболочки = m газа v газа m оболочки.

Значит, чем с большей скоростью вырывается газ из сопла или чем меньше масса оболочки ракеты, тем больше будет скорость оболочки ракеты.

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