Реактивное движение

Движение, которое  возникает как результат отделения  от тела какой-либо части, либо как результат  присоединения к телу другой части, называется реактивным движением.

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

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 ее конструкции, всегда имеется оболочка и топливо  с окислителем.

На рисунке 2 изображена ракета в  разрезе. Мы видим, что оболочка ракеты включает в себя полезный груз (в  данном случае это космический корабль), приборный отсек и двигатель (камера сгорания, насосы и пр.).

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

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

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

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

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

С какой скоростью движется оболочка ракеты? Запишем закон сохранения импульса для замкнутой системы  двух тел: газа и оболочки.

Помимо скорости истечения газа существуют и другие факторы, от которых  зависит скорость движения ракеты.  
Ясно, что выведенная формула справедлива только для случая мгновенного сгорания топлива. Мгновенное сгорание – это взрыв, такого быть не может. На практике масса топлива уменьшается постепенно, поэтому точного расчета используются более сложные расчеты.

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

Современные технологии производства ракетоносителей не могут позволить  превысить скорости 8-12 км/с. Для третьей космической скорости (16,4 км/с) необходимо, чтобы масса топлива превосходила массу оболочки носителя почти в 55 раз, что на практике невозможно. Для этого используют многоступенчатые ракеты, развивающие гораздо большие скорости и предназначенные для более дальних полетов, чем одноступенчатые.

На рисунке 3 показана схема трехступенчатой  ракеты. После того как топливо   и   окислитель   первой    ступени   будут   полностью израсходованы, эта ступень автоматически отбрасывается и в действие вступает двигатель второй ступени.

Уменьшение общей массы ракеты путем отбрасывания уже ненужной ступени позволяет  
сэкономить топливо и окислитель и увеличить скорость ракеты. Затем таким же образом отбрасывается вторая ступень.  
Если возвращение космического корабля на Землю или его посадка на какую-либо другую планету не планируется, то третья ступень, как и две первых, используется для увеличения скорости ракеты. Если же корабль должен совершить посадку, то она используется для торможения корабля перед посадкой. При этом ракету разворачивают на 180°, чтобы сопло оказалось впереди. Тогда вырывающийся из ракеты газ сообщает ей импульс, направленный против скорости ее движения, что приводит к уменьшению скорости и дает возможность осуществить посадку.  
Идея использования ракет для космических полетов была выдвинута в начале XX в. русским ученым, изобретателем и учителем Константином Эдуардовичем Циолковским. Циолковский разработал теорию движения ракет, вывел формулу для расчета их скорости, был первым, кто предложил использовать многоступенчатые ракеты.  
Полвека спустя идея Циолковского была развита и реализована советскими учеными под руководством Сергея Павловича Королева.