Космические полеты: основы ракетостроения
*Снег за окном был предвестником праздников, поэтому ученики нехотя заходили в кабинет и садились за рабочие места. Профессор с пониманием смотрела на представителей четырех факультетов, но изучение материала, увы, нельзя было отложить.*
— Доброе утро! Давайте просыпаться, так как материал сегодня очень серьезный, поэтому придется внимательно слушать и вести конспект.//Слишком часто я начала говорить эту фразу. Интересно, увеличивает ли она эффективность?//Начнем с того, что быстрый самолет может достигать скорости в 3500 км/ч, а скорость шаттла на орбите составляет 28 000 км/ч. Думаю, разница очевидна, правда? Для сравнения посмотрите на картинку, которая наглядно показывает разницу в полете. Если шаттл не наберет достаточную скорость, то просто не сможет пройти последние этапы и прорваться в космос. Этот момент очень важен.
Шаттл (спейс-шаттл) — многоразовый космический корабль
|
Но даже при скорости 28 000 км/ч дорога к Марсу займет около 18 месяцев. Проблема заключается не в том, как долететь до места назначения, а в том, чтобы запустить ракету в космос. Космические корабли намного тяжелее самолетов, и поднять их в воздух значительно сложнее. Я думаю, что все прекрасно понимают, что сделать космические корабли такими же легкими практически невозможно. Условия, в которых они летают, и силы, которые на них воздействуют, существенно отличаются от тех, на которые рассчитаны самолеты.
Двигатель космического корабля кардинально разнится от двигателя самолета. Он намного мощнее, обеспечивает значительно большие скорости, но и топлива потребляет во много раз больше. Даже если предположить, что на самолете можно долететь до Марса (что невозможно, так как в космосе нет воздуха, необходимого для работы воздушно-реактивного двигателя), запустить его в космос не получится. Потому что реактивный самолет не сможет развить
вторую космическую скорость, то есть ту, которой достаточно для преодоления притяжения Земли.
| Топливо | вещество, при горении выделяющее энергию, которая используется для работы двигателя |
| Двигатель | машина, которая превращает энергию в механическую работу |
— Профессор, а зачем так сильно разгоняться? Разве нельзя просто направить самолет вертикально вверх, как ракету, и лететь, лететь, пока не долетишь до космоса? — *протараторил гриффиндорец, после чего обратно сел на место.*К сожалению, нет. Это то же самое, что подбрасывать мячик: некоторое время он будет подниматься вверх, но потом упадет вниз под действием силы тяжести. Даже если помочь ему магией, он поднимется вверх на тысячи метров, однако затем под действием сопротивления воздуха его скорость замедлится, и мячик станет падать вниз под действием всё той же силы притяжения, так и не достигнув космоса.
Самолет, конечно же, взлетит намного выше мячика, но принцип останется тем же. Он сможет разогнаться до скорости 3500 километров в час, но не более. К тому же его двигатель не в состоянии поддерживать такую скорость долгое время.
В верхних слоях атмосферы содержание кислорода понижено, поэтому двигатель не сможет работать на полную мощность и довольно быстро выработает все запасы горючего. В конце концов мощность двигателя ослабнет, и самолет упадет на землю под действием силы тяжести, точно так же, как и подброшенный мячик. Сейчас объясню более детально.
| Самолет — воздушное судно, которое перемещается в атмосфере. Вмещает в себя около 471 пассажира (бывает меньше) |
Во-первых, в состав
ракетного двигателя входят запасы воздуха, необходимого для его работы. Поэтому он может функционировать даже в разреженном воздухе верхних слоев атмосферы. Более того, принцип работы ракетного двигателя отличается от реактивного.
В воздушно-реактивном двигателе воздух попадает внутрь, сжимается и смешивается с горючим, затем происходит взрыв. В результате этого самолет двигается вперед, а крылья помогают ему удерживать равновесие в воздухе. Ракетам, в отличие от самолетов, не нужны крылья и потоки воздуха. Поэтому в ракетном двигателе нет входного устройства для забора воздуха, как в реактивном, а есть только выходное отверстие либо
сопло. Внутри
ракетного двигателя твердое либо жидкое горючее смешивается с окислителем (к примеру, жидким кислородом). В результате взрыва топлива продукты сгорания нагреваются до высоких температур и, расширяясь, выходят из сопла, тем самым толкая космический корабль. Благодаря этому ракета движется вертикально вверх и получает ускорение.
| Воздушно-реактивный двигатель (самолет) | |
Но есть одно «но». Для достижения скорости, достаточной для того, чтобы ракета не упала назад на землю (или даже лучше сказать, чтобы ракета смогла отлететь от земли на достаточное расстояние, где не действует земное притяжение), двигателям необходимо очень много топлива. К примеру, запасы топлива составляют около 90% массы спейс-шаттла или ракеты, а это означает, что для запуска необходимы тысячи тонн топлива. Поэтому, пока не появятся новые, суперлегкие и супермощные двигатели, ракеты не станут легче. К счастью, у инженеров-ракетостроителей есть уже новые разработки. Но об этом позже.
Идем дальше. Во время полета части ракеты отваливаются, почему? Ответ прост — снижение веса. Чтобы масса ракеты уменьшилась, а спускаемый аппарат, орбитальный летальный аппарат или командный модуль космического корабля разогнался до высокой скорости. Если скорость будет недостаточной, то ракета не сможет преодолеть земное притяжение и упадет на землю, так и не выйдя на земную орбиту или так и не покинув ее.
Давайте поговорим немного об истории. Первые ракеты были как снаряды или «огненные стрелы». Они падали на землю в той же форме, что и взлетали. Но космический корабль «Восток-1», на котором совершил первый полет в космос Юрий Гагарин, и ракета-носитель «Сатурн-5», доставившая на Луну астронавтов космического корабля «Аполлон-11», были совсем другими. Они состояли из нескольких ступеней, которые отделялись по мере того, как ракета начинала набирать высоту.
Самое интересное, что большая часть горючего используется в момент запуска и выхода на орбиту (или за ее пределы). После этого топлива требуется совсем немного, потому что в космосе нет воздуха, а значит, и трения, которое могло бы замедлить скорость движения. Поэтому ракета в космосе, если ее не трогать, может вечно двигаться в выбранном направлении с постоянной скоростью. Например, орбитальный аппарат будет вечно кружить по орбите , а космический корабль устремится прямо в глубины космоса, пока капитан с помощью вспомогательного двигателя не изменит его курс или скорость движения.
Чтобы вернуться на Землю, горючего нужно гораздо меньше. Поэтому «Восток-1» и «Сатурн-5» состояли из нескольких ступеней, которые отделялись по мере использования топлива. Плюсы такой конструкции заключаются в том, что с отсоединением каждой ступени ракета становится легче и получает ускорение, — ведь масса ракеты делается меньше, а значит, уменьшается и нагрузка на двигатели. Поэтому чем выше поднимается ракета, тем легче она оказывается и быстрее двигается. Такая конструкция позволяет преодолеть земное притяжение и вывести орбитальный аппарат или командный модуль в космос.
Спейс-шаттл работает по принципу многоступенчатой ракеты. При запуске масса орбитального аппарата (он похож на самолет) составляет довольно малую часть от массы всего спейс-шаттла. Основная масса приходится на огромный внешний топливный бак, расположенный в нижней части шаттла, и два твердотопливных ускорителя, расположенных по бокам.
Внешний топливный бак питает главные двигатели, которые позволяют шаттлу взлететь. В течение нескольких минут после старта используется горючее в
ускорителях, после чего они отсоединяются. В результате шаттл становится легче и разгоняется до орбитальной скорости. После этого главные двигатели работают еще минуту или немного больше, пока не будет использовано всё горючее из внешнего топливного бака. Ну а дальше — вы догадались, да? — внешний топливный бак отсоединяется, и скорость орбитального аппарата вновь возрастает, ведь теперь он на 90% легче, чем был в момент запуска. Он подлетает вверх очень стремительно, легко достигает орбитальной скорости и глушит моторы, если задача аппарата — выйти на земную орбиту. Если же нужно долететь до Луны или другой планеты, потребуется оставить моторы включенными и использовать еще немного топлива. Хотя шаттлы еще никогда не летали к другим планетам, потому что были сконструированы как недорогие космические корабли многоразового использования для полетов между околоземной орбитой и Землей. Но и для них принцип остается тем же, что и для многоступенчатых ракет — сбросить всё лишнее после запуска.
И опять-таки, почему мы не можем полететь на другие планеты. Мы можем это сделать, но вот вернуться будет сложновато. Для возвращения на Землю шаттлу понадобится совсем немного топлива, ведь по большому счету ему придется просто снизить скорость и изменить направление полета. Обычно возвращение шаттла с земной орбиты происходит так:
1) корабль резко поворачивает и на короткое время включает двигатели. Шаттл сходит с орбиты и начинает падать на Землю, при этом нос корабля должен смотреть вверх;
2) трение воздуха в земной атмосфере позволяет снизить скорость с более чем 322 000 километров в час до нескольких сотен километров в час;
3) приблизившись к взлетно-посадочной полосе, шаттл раскрывает парашюты;
4) в результате скорость снижается и составляет менее 160 километров в час — это безопасная скорость для приземления.
Спейс-шаттлу, подлетающему к Марсу, будет сложно сделать то же самое. Но даже если бы посадка удалась, космонавты всё равно бы не смогли вернуться на Землю. Ведь чтобы вывести шаттл в открытый космос, снова понадобятся ускорители и довольно большое количество топлива, которого неоткуда брать на Марсе. Одним словом, назад дороги нет.
Это могло бы стать хорошим названием для фильма, но оказаться в такой ситуации не пожелаешь и врагу. Кроме того, НАСА почти наверняка не станет использовать шаттлы для высадки людей на Марс. Уже имеются разработки ракет и спускаемых аппаратов, которые смогут не только доставить космонавтов на Марс, но и забрать их потом на Землю.
*Профессор сделала паузу, переводя дыхание. Информации было так много, но ее обязательно нужно было дать в этой лекции.*
— Еще чуть-чуть, потерпите. Вижу, что устали. Много планов и надежд связано с построением и запуском космических кораблей в космосе с орбитальных космических станций или даже с лунных баз. Конечно же, это должно быть сделано до того, как отправлять людей на Марс. Ведь перед тем, как отправлять космонавтов в такое долгое путешествие, нужно еще многому научиться. В первую очередь — как поддерживать жизнь в космосе в течение длительного периода времени. Особенно если мы собираемся пробыть на Марсе не день-два, а дольше. И если уж строить внеземную космическую базу, то сперва нужно потренироваться где-нибудь ближе к Земле, чтобы потом, прилетев на Марс, не обнаружить вдруг, что она не работает. Поэтому космические станции (КС) и лунные базы — это ступеньки к главной цели, высадке космонавтов на Марс.
Хотя НАСА уже давно лелеет планы по сооружению лунных баз, осуществятся они, похоже, еще не скоро. А вот с космическими станциями дела обстоят лучше...
*Звон колокола так оживил учеников, что профессор невольно нахмурила брови.*
— Запишите домашнее задание и можете идти.
Задания
- Почему так важно снижать вес ракеты при запуске? Что произойдёт, если этого не сделать?
- Использует ли ракета топливо в открытом космосе? Почему?
(Минимальный объем ответа на основное задание 500 символов) - (Эта лекция только для 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 курсов)
Дополнительные задания
- Сочинение-рассуждение. Как вы думаете, что толкает людей стать астронавтами? Учитывая опасность и все существующие риски? Объясните свою точку зрения. Минимум 800 символов.
- Сочинение-рассуждение. Придумайте не менее 5 причин, зачем землянам может пригодиться лунная база? Объясните каждый пункт. Минимум 800 символов.
- Задание на фантазию. Придумайте не менее 4 вариантов того, как можно решить проблему возвращения с Марса (не обязательно научно-обоснованные). Опишите, как бы они сработали. Минимум 800 символов.
- (Эта лекция только для 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 курсов)
