Головна
Банківська справа  |  БЖД  |  Біографії  |  Біологія  |  Біохімія  |  Ботаніка та с/г  |  Будівництво  |  Військова кафедра  |  Географія  |  Геологія  |  Екологія  |  Економіка  |  Етика  |  Журналістика  |  Історія техніки  |  Історія  |  Комунікації  |  Кулінарія  |  Культурологія  |  Література  |  Маркетинг  |  Математика  |  Медицина  |  Менеджмент  |  Мистецтво  |  Моделювання  |  Музика  |  Наука і техніка  |  Педагогіка  |  Підприємництво  |  Політекономія  |  Промисловість  |  Психологія, педагогіка  |  Психологія  |  Радіоелектроніка  |  Реклама  |  Релігія  |  Різне  |  Сексологія  |  Соціологія  |  Спорт  |  Технологія  |  Транспорт  |  Фізика  |  Філософія  |  Фінанси  |  Фінансові науки  |  Хімія

Штучні супутники Землі - Фізика

Вступ.

Штучні супутники Землі - космічні літальні апарати, виведені на навколоземні орбіти. Вони призначаються для вирішення різних наукових і прикладних задач.

Людство завжди прагнуло до зірок, вони вабили до себе як магніт і ні що не могло утримати людину на Землі. Дивлячись трансляцію футбольного матчу по телевізору, у мене часто з'являється питання: як людині вдається передавати події, що відбуваються за межами нашого материка. В Югославії йде війна. НАТОвські війська здатні вражати цілі на величезній відстані. Як же їм це вдається? Яку техніку вони використовують? Коли я дивлюся фантастику, я замислююся про те, чи зможе людина здійснити свої фантазії: літати з величезними швидкостями на маневрених космічних об'єктах, зустрітися з позаземними цивілізаціями. Замислюючись про своє майбутнє, мені б хотілося, щоб наша держава не припиняло тенденції до розвитку космічної діяльності, щоб наша країна не здавала лідируючої позиції в галузі космічних наукових досліджень. Адже ми першими змогли запустити штучний супутник Землі, перший полетів у космос громадянин нашої країни, ми єдині змогли встановити космічну станцію на навколоземній орбіті.

Метою своєї роботи я поставив - ознайомитися з фізичними основами польоту космічних об'єктів. Тільки після цього можна знайти відповіді на поставлені мною питання З мого реферату ви дізнаєтеся про фізичні основи пристрою ракети, про рух штучних супутників та посадці космічних кораблів, так само ви зможете дізнатися перспективи ракетної техніки.

Фізичні основи пристрою ракети.

Принцип реактивного руху, відкритий Ісааком Ньютоном в 1686 році, коротко можна сформулювати так: дія дорівнює і протилежно по напрямку протидії. Але застосування цього універсального принципу до вирішення найскладнішої і захоплюючої задачі про польоти на космічних кораблях у світові глибини було блискуче здійснено нашим геніальним співвітчизником К. Е. Циалковского. Саме Циалковского дав повне вирішення проблеми міжпланетних перельотів на основі використання ракети як засіб польоту.

Ракетою, згідно К. Е. Циалковского, називається всякий реактивний прилад, який рухається в напрямку, протилежному напрямку струменя, що утворилася в результаті згоряння палива в спеціальній камері.

Основними частинами космічної ракети є: корпус, двигуни, паливні баки з допоміжними приладами, система управління, стабілізатори, кабіна.

У звичайній одноступеневою ракеті енергія робочого тіла витрачається не цілком раціонально - для розгону не тільки самої ракети, а й звільнилися від палива баків, які вже зробили свою справу і є зайвим вантажем. Найбільш вигідна, звичайно, самоочищається ракета, в якій безперервно згоряє в повному паливо, але і вільні від палива частині баків. Зараз конструювання таких безперервних ракет важко здійснювати з технічних причин, однак можна сказати, що створені по ідеї Циалковского багатоступінчасті ракети - це відоме наближення до безперервним ракетам: вони складаються з декількох ракетних ступенів, які в міру витрати палива автоматично чи за командою з Землі відокремлюються від ракети, звільняючи її від непотрібного вантажу.

У сучасних ракетах реактивні двигуни працюють як на твердому, так і на рідкому хімічному паливі. Основну роль у космічних ракетах грають рідкі палива. З їх допомогою людина вступила в боротьбі з силою земного тяжіння і переміг. Але зараз ведуться пошуки нових видів твердого палива, яке має низку переваг перед рідким. Ракети на твердому паливі можуть заправлятися задовго до запуску і тривалий час перебувати на стартових майданчиках, готові в будь-яку хвилину злетіти вгору. За кордоном нині часто застосовуються комбіновані ракети, у яких частина ступені працює на рідкому паливі, а частина на твердому.

Основною характеристикою реактивних двигунів є сила тяги. Відповідно до третього законом механіки при витіканні газів з'являється відповідна сила, що штовхає ракету в протилежному напрямку. Ця сила і називається силою тяги двигунів. У техніці зазвичай оперують з питомою тягою, тобто з тягою, що розвивається двигуном при згорянні 1 кг. палива в 1 сек. Сила тяги ракетних двигунів обчислюється за формулою: P = cmсек + S (pc-ph), де mсек- маса сгораемого палива, що викидається щомиті, тобто секундний витрата палива, с - швидкість витікання газів, рh- атмосферний тиск на висоті h над рівні моря, S - площа перетину на зрізі сопла.

З формули видно, що збільшення сили тяги ракетних двигунів теоретично можна отримати різним чином. Наприклад, можна домогтися збільшення швидкості закінчення газів або площі вихідного перетину. Однак на практиці збільшення тяги являє собою складну задачу. Так, наприклад, збільшення площі призводить до збільшення сили опору повітря і, отже, до гальмування. Швидкість витікання газів також не може збільшена безмежно. Тому вибирають оптимальне, тобто найбільш вигідне і доцільне рішення з урахуванням багатьох факторів. Це рішення виходить в результаті численних експериментів в різних атмосферних і кліматичних умовах.

Одним з найголовніших умов для здійснення міжпланетних перельотів за допомогою космічних ракет є вибір палива. Під ракетним паливом розуміють сукупність пального і окислювача (так як політ ракети може відбуватися і в безповітряному просторі, то окислювач повинен бути на борту ракети). Як пальне застосовують рідкі вуглеводневі сполуки: гас, спирт, газойль, з'єднання азоту з воднем - гідразин і т.п. В якості окислювача використовують, наприклад, рідкий кисень, перекис водню, азотну кислоту.

Щоб отримати більш повне уявлення про ефективність різних горючих і окислювачів, наведемо таблицю обчислених Зенгером максимальних теоретичних швидкостей витікання газів.

 Пальне Максимальні теоретичні швидкості закінчення, м / сек

 Окислювачі

 Перекис водню Нітратнакислота Кисень Озон Фтор

 Водень 4630 4570 5640 6095 6500

 Октан 4190 3810 4610 5090 4920

 Вуглець 3860 3540 4320 4790 3975

 Етиловий спирт 3980 3700 4400 4840 4750

 Метиловий спирт 3900 3640 4245 4640 4650

 Анілін 3980 3710 4470 4765 4570

 Вініловий спирт 3990 3740 4445 4890 4520

 Гідразингідрат 3960 3760 4280 4610 5610

Однак максимальну швидкість витікання газів (7310 м / сек) дає реакція чистого озону з чистим берилієм. Але, звичайно, в реальних умовах жодну з наведених теоретичних швидкостей закінчення досягти не вдається через вплив багатьох побічних чинників, таких, як неповна реакція в камері згоряння, втрати теплової енергії, неможливість досягнення теоретичного коефіцієнта розширення газів та ін.

Цінність ракетних палив обумовлюється не тільки швидкістю витікання газів, але і вибуховий безпекою, питомою вагою, вартістю та ядовитостью. З наведеної таблиці видно, що одним з найбільш ефективних окислювачів є фтор, широко поширений в природі. Але він володіє і недоліками. Труднощі застосування фтору пов'язана з його ядовитостью і корозійної активністю. Отруйність фтору не буде відігравати ролі, якщо його використовувати окислювачем у другій та наступних щаблях ракети. У цьому випадку атмосфера поблизу стартовою майданчика не буде отруюватися. Але фтор кипить при температурі -180 градусів, тому для його зберігання доводиться використовувати двостінні судини. Заправка в ракети фтору повинна проводитися перед самим стартом.

Навіть з небагатьох наведених прикладів видно, наскільки складний вибір пального та окислювачів.

Три космічні швидкості.

У перший час після запуску штучного супутника Землі часто можна було чути запитання: "Чому супутник після вимкнення двигунів продовжує звертатися навколо Землі, не падаючи на Землю?". Чи так це? Насправді супутник "падає" - він притягується до Землі під дією сили тяжіння. Якби не було тяжіння, то супутник полетів би за інерцією від Землі в напрямку придбаної ним швидкості. Земний спостерігач сприйняв би такий рух супутника як рух вгору. Як відомо з курсу фізики, для руху по колу радіуса R тіло повинно мати доцентровим прискоренням a = V2 / R, де а - прискорення, V - швидкість. Оскільки в даному випадку рольдоцентровий прискорення грає прискорення сили тяжіння, то можна написати: g = V2 / R. Звідси неважко визначити швидкість Vкр, необхідну для кругового руху на відстані R від центру Землі: Vкр2 = gR. У наближених розрахунках приймається, що прискорення сили тяжіння постійно і дорівнює 9,81 м / с 2. Ця формула справедлива і в більш загальному випадку, тільки прискорення сили тяжіння слід вважати змінною величиною. Таким чином, ми знайшли швидкість кругового руху. Яка ж та початкова швидкість, яку потрібно повідомити тілу, щоб воно рухалося навколо Землі по колу? Нам вже відомо, що чим більшу швидкість повідомити тілу, тим на більшу відстань воно полетить. Траєкторії польоту будуть еліпсами (ми нехтуємо впливом опору земної атмосфери і розглядаємо політ тіла в порожнечі). При деякій досить великій швидкості тіло не встигне впасти на Землю і, зробивши повний оборот навколо Землі, повернеться в початкову точку, щоб знову почати рух по колу. Швидкість супутника, що рухається по круговій орбіті поблизу земної поверхні, називається круговою або першою космічною швидкістю і являє собою ту швидкість, яку потрібно повідомити тілу, щоб воно стало супутником Землі. Перша космічна швидкість біля поверхні Землі може бути обчислена за наведеною вище формулою для швидкості кругового руху, якщо підставити замість R величину радіуса Землі (6400 км), а замість g - прискорення вільного падіння тіла, рівне 9,81 м / с 2. В результаті знайдемо, що перша космічна швидкість дорівнює Vкр = 7,9 км / сек.

Познайомимося тепер з другої космічної або параболічної швидкістю, під якою розуміють швидкість, необхідну для того, щоб тіло подолало земне тяжіння. Якщо тіло досягне другої космічної швидкості, то воно може віддалитися від Землі на будь-яке як завгодно велику відстань (передбачається, що на тіло не будуть діяти ніякі інші сили, крім сил земного тяжіння).

Найпростіше для отримання величини другої космічної швидкості скористатися законом збереження енергії. Цілком очевидно, що після виключення двигунів сума кінетичної і потенційної енергії ракети повинна залишатися постійною. Нехай в момент вимикання двигунів ракета знаходилася на відстані R від центру Землі і мала початкову швидкість V (для простоти розглянемо вертикальний політ ракети). Тоді в міру віддалення ракети від Землі швидкість її буде зменшуватися. На деякій відстані rmaxракета зупиниться, так як її швидкість звернеться в нуль, і почне вільно падати на Землю. Якщо в початковий момент ракета володіла найбільшою кінетичної енергією mV2 / 2, а потенційна енергія дорівнювала нулю, то в найвищій точці, де швидкість дорівнює нулю, кінетична енергія звертається в нуль, переходячи цілком у потенційну. Відповідно до закону збереження енергії, знаходимо:

mV2 / 2 = fmM (1 / R-1 / rmax) або V2 = 2fM (1 / R-1 / rmax).

вважаючи rmax, нескінченно, знайдемо значення другої космічної швидкості:

Vпар = 2fM / R = 2 fM / R = 2 Vкр.

Виявляється, вона перевищує першу космічну швидкість в 2

раз. Якщо згадати, що прискорення вільного падіння g = fM / R2, то приходимо до формули Vпар = 2gR. Щоб визначити другу космічну швидкість біля поверхні Землі, слід в цю формулу підставити R = 6400км, в результаті чого отримаємо: Vкр »11,19 км / сек

За наведеними формулами можна обчислити параболічну швидкість на будь-якій відстані від Землі, а також визначити її значення для інших тіл сонячної системи.

Виведений вище інтеграл енергії дозволяє вирішити багато завдань космонавтики, наприклад, дозволяє виробляти прості наближені розрахунки руху супутників планети, космічних ракет і великих планет. Виведена формула параболічної швидкості може бути використана і в наближених розрахунках міжзоряного польоту. Щоб здійснити політ до зірок, необхідно подолати сонячне тяжіння, тобто Зореліт

повинна бути повідомлена швидкість, при якій він буде рухатися відносно Сонця по параболічної або гіперболічної орбіті. Назвемо найменшу початкову швидкість третьої космічною швидкістю. Підставляючи в формулу параболічної швидкості замість М значення маси Сонця, а замість R - середня відстань від Землі до Сонця, знайдемо, що зореліт, що стартує з земної орбіти, повинна бути повідомлена швидкість близько 42,2 км / сек. Отже, якщо тілу повідомити геліоцентричну швидкість в 42,2 км / сек, то воно назавжди покине сонячну систему, описавши щодо Сонця параболічну орбіту. З'ясуємо, якою має бути величина швидкості відносно Землі, щоб забезпечити видалення тіла не тільки від Землі, але і від Сонця? Іноді міркують так: оскільки середня швидкість Землі щодо Сонця дорівнює 29,8 км / сек, то необхідно повідомити космічному кораблю швидкість, рівну 42,2 км / сек - 29,8 км / сек, тобто 12,4 км / сек. Це невірно, тому що в цьому випадку не враховується рух Землі по орбіті під час видалення космічного корабля і притягання з боку Землі, поки корабель перебуває у сфері її дії. Тому третя космічна швидкість відносно Землі більше 12,4 км / сек і дорівнює 16,7 км / сек.

Рух штучних супутників Землі.

Рух штучних супутників Землі не описується законами Кеплера, що обумовлюється двома причинами:

1) Земля не є точно кулею з однорідним розподілом щільності за обсягом. Тому її полі тяжіння не еквівалентно полю тяжіння точкової маси, розташованої в геометричному центрі Землі;

2) Земна атмосфера надає гальмує дію на рух штучних супутників, внаслідок чого їх орбіта змінює свою форму і розміри і в кінцевому результаті супутники падають на Землю.

За відхилення руху супутників від кеплерівського можна вивести висновок про форму Землі, розподілі щільності по її об'єму, будову земної атмосфери. Тому саме вивчення руху штучних супутників дозволило отримати найбільш повні дані з цих питань.

Якби Земля була однорідним кулею і не існувало б атмосфери, то супутник рухався б по орбіті, площина зберігає незмінну орієнтацію в просторі щодо системи нерухомих зірок. Елементи орбіти в цьому випадку визначаються законами Кеплера. Так як Земля обертається, то при кожному наступному обороті супутник рухається над різними точками земної поверхні. Знаючи трасу супутника за один який-небудь оборот, неважко передбачити його положення в усі наступні моменти часу. Для цього необхідно врахувати, що Земля обертається із заходу на схід з кутовою швидкістю приблизно 15 градусів на годину. Тому на наступному обороті супутник перетинає тугіше широту захід на стільки градусів, на скільки Земля повернеться на схід за період обертання супутника.

Через опір земної атмосфери супутники не можуть довго рухатися на висотах нижче 160 км. Мінімальний період обігу на такій висоті по круговій орбіті дорівнює приблизно 88 хв, тобто приблизно 1,5 год. За цей час Земля повертається на 22,5 градуса. На широті 50 градусів цього кутку відповідає відстань в 1400 км. Отже, можна сказати, що супутник, період обертання якого 1,5 години, на широті 50 градусів буде спостерігатися при кожному наступному обороті приблизно на 1400 км західніше, ніж на попередньому.

Однак такий розрахунок дає достатню точність прогнозів лише для декількох обертів супутника. Якщо мова йде про значне проміжку часу, то треба взяти до уваги відміну зоряних доби від 24 годин. Оскільки один оборот навколо Сонця відбувається Землею за 365 діб, то за одну добу Земля навколо Сонця описує кут приблизно в 1 градус (точніше, 0,99) в тому ж напрямку, в якому обертається навколо своєї осі. Тому за 24 години Земля повертається щодо нерухомих зірок не так на 360 градусів, а на 361 і, отже, робить один оборот не за 24 години, а за 23 години 56 хвилин. Тому траса супутника за широтою зміщується на захід не так на 15 градусів на годину, а на 15,041 градусів.

Кругова орбіта супутника в екваторіальній площині, рухаючись по якій він знаходиться весь час над однією і тією ж точкою екватора, називається геостаціонарній. Майже половина земної поверхні може бути пов'язана із супутником на синхронній орбіті прямолінійно поширюється сигналами високих частот або світловими сигналами. Тому супутники на синхронних орбітах мають велике значення для системи зв'язку.

Посадка космічних кораблів

Однією з найскладніших проблем космонавтики є посадка космічного корабля або контейнера з науковою апаратурою на Землю або планету призначення. Методика посадки на різні небесні тіла істотно залежить від наявності атмосфери на планеті призначення, від фізичних властивостей поверхні і багатьох інших причин. Чим щільніше атмосфера, тим простіше погасити космічну швидкість корабля і посадити його, бо планетна атмосфера може бути використана в якості свого роду повітряного гальма.

Можна вказати три способи посадки космічних кораблів. Перший спосіб - жорстка посадка, яка відбувається без гасіння швидкості корабля. Зберігаючи в момент удару з планетою космічну швидкість, корабель руйнується. Наприклад, при зближенні з Місяцем швидкість корабля становить 2,3 - 3,3 км / сек. Створення конструкції, які витримували б ударні напруги, що виникають при цих швидкостях, - завдання технічно нерозв'язна. Така ж картина буде спостерігатися при жорсткій посадці на Меркурій, астероїди і інші небесні тіла, позбавлені атмосфери.

Інший спосіб посадки - груба посадка з частковим уповільненням швидкості. У цьому варіанті при вході ракети в сферу дії планети корабель слід розвернути таким чином, щоб сопла двигунів були направлені у бік планети призначення. Тоді тяга двигунів, будучи направлена в сторону, протилежну руху корабля, буде сповільнювати рух. Поворот корабля навколо його осі можна виконати за допомогою двигунів невеликої потужності. Одне з можливих рішень задачі полягає в установці з боків корабля двох двигунів, зміщених щодо один одного, причому сили тяги цих двигунів мають бути спрямовані протилежно. Тоді виникає пара сил (дві рівних за величиною і протилежних по напрямку сили), яка розгорне корабель в потрібному напрямку. Потім включаються ракетні двигуни, що зменшують швидкість до деякої межі. У момент посадки ракета може володіти швидкістю декілька сотень метрів в секунду, щоб вона могла витримати удар об поверхню.

Нарешті третій метод посадки, найбільш важливий при доставці на планети високоточного наукового обладнання і при висадці членів експедиції, - це м'яка посадка корабля, подібна посадці літака на аеродром. Найбільш важкою є м'яка посадка з приземленням в заздалегідь вказаному місці.

Якщо планета призначення не володіє атмосферою, то м'яка посадка може проводитися тільки за допомогою гальмівних реактивних двигунів, що гасять швидкість корабля до декількох десятків метрів в секунду. При цьому робота двигунів повинна закінчуватися на висоті приблизно 10-30 метрів від поверхні планети в уникненні пилового вихору і пожежі, обумовленого неповним вигорянням палива. Удар про планету можна пом'якшити також за допомогою амортизаційної системи.

Політ космічного корабля поблизу планети призначення, взагалі кажучи, буде відбуватися за гіперболічної орбіті. Тому можливе або відразу здійснити посадку на поверхню планети, гасячи гіперболічний швидкість, або попередньо вивести корабель на супутникову орбіту, вибрати місце для посадки і потім здійснювати спуск.

Небезпеки міжпланетного перельоту.

Небезпека номер один - потоки частинок високих енергій, що проникають через масові перешкоди. Крім жорстких сонячних випромінювань в міжпланетному польоті слід остерігатися впливу космічних людей і потоків частинок високих енергій поблизу планет.

У віддалених областях космічного простору народжуються що мчать з великими швидкостями заряджені частинки, потоки яких іменуються космічними променями. Вриваючись у верхню атмосферу Землі, вони продовжують потоки вдруге заряджених частинок. Останні накопичуються в навколоземному космічному просторі. Сонячна активність також є причиною накопичення частинок високих енергій поблизу Землі. Запуски перших супутників Землі і космічних ракет дали можливість групі американських вчених під керівництвом Дж. Ван-Аллена і радянським ученим, відкрити і вивчити потоки частинок високих енергій в ближньому космосі. В результаті цих досліджень встановлено існування поясів заряджених частинок поблизу Землі. Що це за пояса? Відомо, що наша планета являє собою гігантський магніт, а будь-яке магнітне поле впливає на рух електрично заряджених частинок. Тому частинки, що летять зі світових глибин, - корпускули, які викидають Сонцем, підлітаючи до Землі, затримуються її магнітним полем і розподіляються по певних областям ближнього космосу. З цих часток формується три пояси, що охоплюють Землю.

Найбільш небезпечний внутрішній пояс простягається до полярних широт. Навколополярні області вільні від частинок високих енергій. Ближня до Землі межа внутрішнього поясу в різних районах Землі проходить на різних висотах. Межі також залежать від фази сонячної активності. Висота нижньої межі в східній півкулі може становити близько 1500 км, а в західному - близько 500 км. Таке розташування обумовлено розбіжністю магнітних поясів Землі з її географічними полюсами. Зовнішній радіаційний пояс простягається на відстані 70-150 тис. Км.

Дія космічних променів і радіаційних поясів таке ж, як і дія радіоактивних речовин. Знаходження в радіаційному поясі без усякого захисту протягом однієї-двох діб тягне за собою отримання смертельної дози радіації. Людина буде вражений променевою хворобою в самій важкій формі.

Поставити ефективний захист на космічному кораблі поки не можливо, техніка поки безсила зробити це. Отже, поки існує лише один вихід - безпечні космічні дороги.

У роки спокійного Сонця в ближньому космосі літати можливо на висотах, що не перевищують 600 км. Вище польоти протипоказані: там розташовані кільцеві потоки заряджених частинок. Політ до інших планет потрібно здійснювати через "канали", розташовані поблизу осі обертання Землі. Вихід з Землі в міжпланетний простір можливий тільки в арктичних і антарктичних областях.

Перейдемо до небезпеки номер два - зустрічі з метеоритними частинками.

Як ми бачили раніше, метеорна матерія широко поширена в міжпланетному просторі. Досить сказати, що за рахунок випадають на Землю метеоритів і метеорної пилу маса Землі щодоби зростає на 0,5 * 106кг. Ці метеорні тіла рухається зі швидкостями, значення яких коливається в межах від 11 км / сек до 80 км / сек. Удар метеорита по обшивці корабля може призвести до непоправних наслідків.

Щоб визначити необхідну для захисту товщину стінок корабля, з'ясуємо "пробивну" силу метеоритів. Лист дюралюмінію товщиною 1 мм пробивається будь-яким метеоритом діаметром 0,2 мм і більше. Сталева обшивка товщиною 3 мм пробивається метеоритом діаметром більше 1 мм, а сталь товщиною 12 мм може бути пробита метеоритом діаметром 0,5 см.

Певну небезпеку можуть представляти і метеорити-пилинки, так звані мікрометеорити. Вони малі, але яким буде ефект безперервних ударів їх об стінки корабля? Чи не можуть вони поступово зруйнувати обшивку? Адже навіть пробоїна мікроскопічних розмірів викличе катастрофу: порушиться герметизація кабіни, температура впаде до вкрай низьких значень, і космічний мандрівник загине. проведені розрахунки показали, що обшивка корабля з дюралюмінію товщиною 1,5 мм або з нержавіючої сталі товщиною 0,6 мм забезпечує безпеку від ударів мікрометеоритів приблизно протягом року.

Але сказаним не вичерпуються всі небезпеки космічного польоту. Існує ще небезпека номер три - спопеляюча спека при польотах в атмосфері. При посадці на такі планети, як Земля, Венера, Юпітер, які володіють щільними атмосферами, корабель буде омиватися розпеченими газами. Температура обшивки корабля буде підніматися до таких значень, при яких руйнуються найбільш тугоплавкі матеріали. Можуть спостерігатися такі явища, як плавлення і випаровування оболонки корабля і винесення оплавлених матеріалів набігаючим потоком повітря. Корабель може "випаруватися", подібно метеориту.

Існує ряд методів регулювання температури корабля. Один з них правильний вибір траєкторії входу в атмосферу під малим кутом до горизонту. При повільному "зануренні" корабля в атмосферу втрата швидкості відбувається повільно, тому в меншій мірі відбувається і розігрів корабля.

Реактивні двигуни і балістичні ракети.

Реактивним двигуном називають ракету, встановлену в якості двигуна на який-небудь засіб транспорту. Реактивні двигуни знайшли широке застосування в авіації, у військовій і космічній техніці. У реактивних двигунах часто використовують не порох, а рідке паливо (нафта, гас). Це робить роботу двигуна більш економічною. Реактивна струмінь і в цьому випадку утворена розпеченими газами, що виходять при згорянні палива. Однак згоряння пороху може відбуватися і в порожнечі, а для згоряння нафти необхідна велика кількість повітря. У літакових реактивних двигунах повітря береться з навколишньої атмосфери.

Таким чином, на відміну від порохових ракет, літак з реактивним двигуном не повинен нести з собою всю масу відкидається газу. Сучасні реактивні літаки здатні розвивати величезні швидкості, в два рази і більше перевищують швидкість звуку.

В останні роки отримали великий розвиток балістичні ракети. Так називають ракети з запасом палива, що становить головну частину маси ракети, і з двигунами величезної потужності, що працюють тільки на початку шляху ракети. За порівняно невеликий час роботи (кілька хвилин) двигуни встигають витратити весь запас палива і повідомити ракеті величезну швидкість (до 10 км / сек і вище). Після цього ракета рухається вже під дією тільки сил тяжіння Землі (та інших небесних тіл). Ракети такого ж типу застосовують для запуску штучних супутників Землі і штучних планет.

Балістичні ракети несуть із собою не тільки паливо, але і запас окислювача (в рідкому вигляді), необхідний для стиснення всього палива. Звичайні літаки і навіть літаки з повітряно-реактивними двигунами можуть літати тільки в межах земної атмосфери, реактивний же двигун балістичної ракети (як і порохова ракета) може працювати і в безповітряному просторі.

Балістична ракета повинна повідомити можливо велику швидкість корисного навантаження, що встановлюється на ракеті. Для ракет, службовців для запуску штучних супутників Землі, корисне навантаження - це космічний корабель; для військових ракет - це боєголовка. Розглянемо більш докладно роботу реактивного двигуна, щоб з'ясувати, від чого залежить "кінцева швидкість" ракети - швидкість, що досягається після витрачання всього запасу палива.

Знайдемо раніше всього силу реакції викидається реактивного струменя - силу тяги реактивного двигуна. Швидкість реактивного струменя, тобто швидкість виходу газів з корпусу ракети, позначимо через v. Масу газу, що виходить з корпусу ракети за 1 сек, позначимо через m. по третьому закону Ньютона сила, що діє з боку ракети на викидається газ, дорівнює протидіє силі, прикладеної з боку викидається газу до ракети, тобто дорівнює шуканої силі тяги.

Скористаємося законом імпульсів: зміна кількості руху тіла одно імпульсу діючої сили. Застосуємо цей закон до маси газу, викинутої з ракети за певний проміжок часу t. Так як приріст швидкості викидається газу дорівнює швидкості реактивного струменя, то прирощення кількості руху викинутої маси одно tmn. Значить, імпульс сили, подіяли протягом проміжку часу t на цю масу, також дорівнює tm.n Звідси укладаємо, що сила, що діяла з боку ракети на струмінь, дорівнювала mn. Отже, цієї ж величина дорівнює і сила реакції струменя - тяга реактивного двигуна.

Тепер можна з'ясувати, як впливають ті чи інші характеристики ракети на її кінцеву швидкість. Припустимо спочатку, що сила тяжіння відсутня. Припустимо також, що режим роботи реактивного двигуна не змінюється: паливо витрачається рівномірно і сила тяги залишається постійною у весь час роботи двигуна. Оскільки маса ракети буде весь час зменшуватися в результаті витрачання пального і кисню, то прискорення ракети буде, згідно з другим законом Ньютона, весь час збільшуватися (обернено пропорційно залишається масі). В балістичних ракетах кінцева маса (маса після вигоряння всього палива) в сотні разів менше початкової ("стартовою") маси ракети. Значить, прискорення зростає в міру витрати палива також в сотні разів. Звідси випливає, що приріст швидкості, одержуване ракетою при витрачанні одного і того ж кількості палива, сильно залежить від того, в який момент це палива витрачається: поки запас палива на борту ракети великий і маса ракети велика, приріст швидкості мало; коли палива залишилося мало і маса ракети сильно зменшилася, приріст швидкості велике.

З цієї причини навіть значне збільшення запасу палива не може сильно збільшити кінцеву швидкість ракети: адже додаткову кількість палива буде витрачатися тоді, коли маса ракети велика, а прискорення мало, а значить, мало і що досягається додаткове припинення кінцевої швидкості.

Зате збільшення швидкості реактивного струменя дозволяє при незмінному запасі палива сильно збільшити кінцеву швидкість ракети. Так, якщо, не змінюючи секундний витрата палива, збільшити швидкість реактивного струменя, то в тому ж відношенні збільшиться і прискорення ракети. В результаті кінцева швидкість ракети також зростає в тому ж відношенні.

Для збільшення швидкості реактивний струменя соплу реактивного двигуна надають спеціальну форму. Крім того, вибирають паливо, яке надає можливо велику температуру згоряння, так як швидкість реактивного струменя зростає при збільшенні температури газу, що утворює струмінь. Межа підвищенню температури струменя ставить тільки жароупорность існуючих металів.

Фотонний двигун.

Тип зорельота, розроблений теоретично Е. Зенгером в 1956 р, називається фотонної ракетою. Усередині фотонної ракети є великі запаси речовини (наприклад, водню) і антиречовини (наприклад, антиводню), а також спеціальний Анігіляційний редактор, в якому є сильне магнітне поле. Наявність магнітного поля призводить до того, що виникають при анігіляції речовини і антиречовини гамма-випромінювання носить спрямований характер. Потік гамма фотонів, що випливає через сопла фотонного реактивного двигуна, створює тягу. Головним достоїнством фотонної ракети є максимальна можлива швидкість витікання, рівна швидкості світла у вакуумі. Проте численні труднощі принципового характеру, пов'язані з отриманням і тривалим зберіганням величезних кількостей антиречовини, а також створенням гамма фотонної тяги, приводять до висновку, що спорудження фотонних ракет незмірно складніше, ніж термоядерних і іонних.

В даний час на підставі релятивістської механіки тіла зі змінною масою спокою можна побудувати загальну теорію ракет з однокомпонентної і навіть багатокомпонентної реактивної струменем. Розрахунки показують, що для термоядерної і фотонної ракет з однокомпонентної реактивної струменем має місце рівність: 1- (w2: c2) = 1-a2, де a - відношення енергії, що виділяється при згорянні палива, а w - швидкість витікання щодо ракети, вважає постійний . Для термоядерної реакції перетворення водню в гелій a = 0,0066, так що w / c = 0,115. При реакції анігіляції речовини в антиречовини a = 1, так що згідно з формулою w = c. Розрахунки також показують, що для одного з принципово можливих варіантів іонної ракети справедливе співвідношення:

1-w2: c2 = 1-b2: (1-b2 (1-a) 2, де b - частка стартовою маси, що припадає на джерело енергії. Можна сказати, що b не перевищує 0,5. Якщо джерелом енергії служить термоядерний реактор , то w / c мало і складає 0,12 при b = 0,5. Таким чином, застосування на іонної ракеті в якості джерела енергії анігіляційного реактора дозволяє досягти величезних швидкостей закінчення.

Розглянемо для прикладу багатоступеневу фотонну ракету, призначену для прямого і зворотного перельоту. Перший ступінь розганяє зореліт до максимальної швидкості v, а друга гальмує його до нуля поблизу обраної для дослідження планетної системи. Третя і четверта ступені служать відповідно для розгону зорельота на зворотному шляху до тієї ж максимальної швидкості і для гальмування до нуля біля Землі. На землю повертається тільки житлова частина зорельота. Припустимо спочатку, що всі чотири ступені складаються тільки з палива, а маса спокою житлової частини не змінюється за час міжзоряного перельоту. Механіка тіла зі змінною масою спокою дозволяє визначити стартову масу такого зорельота. Зауважимо що можна провести і більш реальні розрахунки, що враховують маси конструкції щаблі. Крім того, можна розглянути і одноступенчатую фотонну ракету з житловою частиною як для випадку щаблі з палива, так і з урахуванням маси конструкції щаблі.

Перспективи ракетної техніки.

Хоча польоти перших автоматичних міжпланетних станцій здійснені за допомогою ракетних двигунів, що працюють на хімічному паливі, проте навіть перспективні термохімічні палива не дозволять збільшити швидкість витікання газів понад 4,8 км / сек. У зв'язку з цим конструктори космічних ракет все більш і більш замислюються над створенням ракет з ядерними двигунами.

Принцип роботи атомних теплових ракет нескладний. У цих ракетах буде встановлюватися ядерний реактор. Виділяється їм тепло піде на розігрів робочого тіла: рідкий водень, аміак або вода будуть перетворюватися в розпечений газ, який, стікаючи з сопла з величезною швидкістю, створить реактивну силу тяги. Якщо швидкість витікання струменя в хімічних двигунах становить кілька кілометрів в секунду, то в теплових атомних ракетних двигунах можна очікувати швидкостей порядку 10 км / сек. Тому питома тяга рухових установок атомних ракет буде набагато вище тяги рідинно-реактивних двигунів з самими високоефективними хімічними паливами.

Теоретично швидкості закінчення робочого тіла в атомних реакторах необмежені. Але практично вони не зможуть перевищувати деяких меж, залежних від властивостей матеріалу реактора і сопла. Щоб питома тяга атомних ракет набагато перевершувала тягу ракет з хімічним паливом, температура надходять в сопло газів повинна бути порядку 3000-4000 градусів. Конструювання атомних реактивних двигунів ускладнюється також трудністю створення жароміцних матеріалів для реактора і сопла, необхідністю встановлення великих за габаритами і вагою холодильників і низкою інших причин. Деякі труднощі викликані проблемою управління атомними реакціями при високих внутрішніх температурах, при яких навіть уран буде знаходитися в розплавленому стані.

Останнім часом стала інтенсивно розроблятися теорія нового типу ракетних двигунів - так званих електрореактивних двигунів (електричних ракетних двигунів). У звичайних ракетах для збільшення швидкості витікання газів використовується хімічна енергія робочого тіла. Передана теплова енергія переходить у кінетичну енергію газів, що вириваються із сопла. Можливі принципово інші шляхи розгону часток, що створюють силу тяги. Електрично заряджені частинки за допомогою електричного або електромагнітного поля можна розігнати до високих швидкостей. В якості електрично заряджених частинок можна використовувати потік іонізованого газу, що виділяється з легко іонізіруемих речовин (наприклад, натрію або цезію). Для розгону іонів в космічній ракеті повинен бути встановлений потужний малогабаритний джерело енергії. Енергію можна отримувати, наприклад, від ядерної установки. Такого роду двигун часто називають іонним. Характерною особливістю іонних ракет є висока швидкість виділення реактивного струменя (до 200 км / сек). На жаль, в більшості випадків питома тяга іонних ракет вельми мала, тому іонна ракета не зможе самостійно злетіти з поверхні планети. Для виведення її на навколоземну еліптичну орбіту необхідно буде використовувати багатоступінчасту ракету на хімічному паливі. Розрахунки показують, стартова вага цих ракет-носіїв у багато десятків разів повинен перевершувати вага іонної ракети.

Іонна ракета являє собою двигун, що забезпечує тривалу постійну малу тягу. Розгін іонних ракет може тривати протягом ряду тижнів, тому їх можна використовувати при тривалому польоті в периферійні області сонячної системи.

Які ж принципи пристрою плазмових двигунів? З плазмою, четвертий станом речовини, ми зустрічаємося часто в повсякденному житті. Полум'я сірника - приклад низькотемпературної плазми, неонова реклама - плазма газового розряду. Вольтова дуга - ще один приклад плазми. Плазма складається з суміші електронів, іонів та нейтральних атомів. Фізики поділяють плазму на гарячу і холодну. У гарячій плазмі нейтральних атомів немає.

У електрореактивних двигунах використовується гаряча плазма, що складається з вільних електрично заряджених частинок і володіє хорошою електропровідністю. Якщо плазму помістити в магнітне поле і пропустити через неї електричний струм, то вона подібно провіднику зі струмом прийде в рух і буде прискорено рухатися.

Ця властивість плазми використано в електрореактивних двигунах. Закінчення сильно нагрітої плазми з великою швидкістю через сопло ракети створює реактивну силу. Перевага електрореактивних плазмових двигунів - висока швидкість витікання газів.

Висновок

Коли я писав реферат, найцікавішим в моїй роботі була робота з науково-популярною літературою. Я дізнавався багато нового і цікавого. Я дізнався, як рухаються штучні супутники Землі, які передають мої улюблені передачі, і як вони приземляються на Землю, якими можуть стати космічні об'єкти, коли я виросту, які небезпеки будуть підстерігати мене, якщо я стану космонавтом.

Найбільше мені була цікава інформація про фізичні основи пристрою ракети, тому що мені цікаво все що пов'язано зі зброєю та військовою технікою. Як працює балістична ракета мені було невідомо, тому я зробив для себе цікаве відкриття.

Я вважаю, що наша країна може розвинути свої технології до того, що можна буде літати зі понад світловими швидкостями, переміщатися між галактиками, освоювати нові планети. Для вирішення цих завдань потрібно створювати нові і розвивати старі галузі науки і техніки такі, як кібернетика і техніка електронних обчислювальних машин і аналізаторів, без яких немислимо створення космічних кораблів і штучних супутників; космічну біологію та медицину, а так само техніку.

Велику роль, звичайно, відіграє вивчення фізики космічних рухів. На основі цих знань розвиваються ідеї про будову космічних кораблів таких, як атомні теплові ракети, кораблі з електрореактивних або плазмовим двигуном, ракети з термоядерним двігателем.Література

1. "Космічна техніка" під редакцією К. Гетланда. Видавництво "Світ". 1986 Москва.

2. "Енциклопедичний словник юного техніка" під редакцією Т. З .Хачатурова. Видавництво "Педагогіка". 1987 Москва.

3. "Елементарний підручник фізики" за редакцією Г. С. Ландсберг. Видавництво "Наука". 1983 Москва.

4. "Міжпланетні польоти" автор Е. А. Гребеніков. Видавництво "Наука". 1975 Москва.

5. "Цікава фізика" автор В. Шаболовской Видавництво "Тригон". 1997 Санкт-Петербург.

6. "Населений космос" редактор Б. П. Константинов Видавництво "Наука". 1972 МоскваСодержаніе

Вступ ... ... 1

Фізичні основи пристрою ракети ... 2

Три космічні швидкості ... 5

Рух штучних супутників Землі ... 8

Посадка космічних кораблів ... 10

Небезпеки міжпланетного перельоту ... 12

Реактивні двигуни і балістичні ракети .15

Фотонний двигун ... .. 18

Перспективи ракетної техніки ... 20

Висновок ... ... 23

Список літератури ... ... 24
Аналіз методів збільшення прибутку
Практична форма для оцінки можливостей збільшення прибутку, яка може застосовуватися для будь-якого бізнесу як в довгостроковій, так і в короткостроковій перспективі. Містить аналіз дій для збільшення частки ринку і розробки нових методів конкурування. Річард Кох (Richard Koch), викладач економіки

Макс Планк
Німецький фізик Макс Карл Ернст Людвіг Планк народився в 1858 році в м. Киле (тоді Пруссия), в сім'ї професора цивільного права Іоганна Юліуса Вільгельма фон Планка, професора цивільного права, і Емми (в дівоцтві Патциг) Планк. У дитинстві хлопчик вчився грати на фортепіано і органі, виявляючи

Магнітні матеріали для мікроелектроніки
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ Кафедра фізичної електроніки РЕФЕРАТ по курсу: '' ЕДСС '' на тему: '' Магнітні матеріали для мікроелектроніки '' Виконав студент групи ФЕ-01 Захаров І. В. СУМИ - 2003 План ВСТУП МАГНІТНІ МАТЕРІАЛИ ДЛЯ ПРИСТРОЇВ НА ЦМД МАТЕРІАЛИ

Маркетинг як ведення бойових дій
Конкуренти - "вороги", торгові представники - "піхота", реклама - "артилерія", показник успіху - "захоплена" частка ринку. На конференцію з питань збуту по тривозі стягуються війська. А найславетніші люди опиняються в рядах "карального батальйону".

Лінійний прискорювач
Зміст. 1. Методи променевої терапії...2 1. Класифікація методів променевої терапії... 2 2. Прискорювачі і ізотопні установки в променевій терапії...4 1. Порівняльна характеристика прискорювачів і ізотопних установок...5 3. Лінійний прискорювач...7 1. Принцип генерування випромінювань високих

Лазери. Основи пристрої та їх застосування
ЛАЗЕР. 1) Короткі історичні дані. Лазер, джерело електромагнітного випромінювання видимого, інфрачервоного і ультрафіолетового діапазонів, заснований на вимушеному випромінюванні атомів і молекул. Слово "лазер" складене з початкових літер (абревіатура) слів англійської фрази "Light

Лазер на барвниках
Міністерство освіти РФ Томський Політехнічний УніверсітетКафедра ЛИСТ Реферат «Лазер на барвниках» Виконав: студент гр. 1В80 Федоренко А. П. Перевірив: викладач Куликов В. Д.Томск 2001р. Зміст Введення ... 3 1. Лазери на органічних барвниках ... 4 1.1. Активне середовище ... ... 4 1.2. Накачування

© 2014-2022  8ref.com - українські реферати