Номер 6, страница 63 - гдз по физике 9 класс учебник Кабардин

6. Космические ракеты.

Введение: Что такое космическая ракета?

Космическая ракета — это летательный аппарат, который движется в пространстве за счет реактивной тяги, возникающей при отбрасывании части собственной массы (рабочего тела). Ракеты являются единственным на сегодняшний день средством, способным выводить полезную нагрузку (спутники, космические корабли, межпланетные станции) в космос и разгонять её до космических скоростей.

Ответ: Космическая ракета — это транспортное средство, использующее принцип реактивного движения для полетов в космос.

Принцип действия: Реактивное движение

В основе движения любой ракеты лежит третий закон Ньютона: «Действию всегда есть равное и противоположное противодействие». Ракета с большой скоростью выбрасывает продукты сгорания топлива (реактивную струю). В соответствии с законом сохранения импульса, сама ракета получает импульс в противоположном направлении и ускоряется. Важно, что для этого движения не требуется внешняя опора или среда (воздух), поэтому ракеты могут эффективно работать в вакууме.

Математически конечную скорость, которую может развить ракета (без учета сопротивления воздуха и гравитации), описывает формула Циолковского:

$$ \Delta v = u \cdot \ln\frac{M_0}{M_k} $$

где:
$ \Delta v $ — приращение скорости ракеты (характеристическая скорость);
$\text{u}$ — скорость истечения газов из сопла (удельный импульс двигателя);
$ M_0 $ — начальная (стартовая) масса ракеты (конструкция + топливо + полезная нагрузка);
$ M_k $ — конечная масса ракеты (конструкция + полезная нагрузка, после сгорания всего топлива);
$ \ln $ — натуральный логарифм.

Из формулы видно, что для достижения большой скорости необходимо иметь высокую скорость истечения газов ($\text{u}$) и большое отношение начальной массы к конечной ($ M_0 / M_k $), что означает, что бóльшая часть массы ракеты должна приходиться на топливо.

Ответ: Движение ракеты основано на третьем законе Ньютона и законе сохранения импульса. Ракета ускоряется, отбрасывая часть своей массы (продукты сгорания топлива). Конечная скорость ракеты описывается формулой Циолковского.

Конструкция ракеты

Современная космическая ракета состоит из нескольких основных частей:
• Головная часть: Здесь размещается полезная нагрузка (космический аппарат, спутник, пилотируемый корабль) и головной обтекатель, который защищает её от аэродинамических и тепловых нагрузок при прохождении плотных слоев атмосферы.
• Приборный отсек: Содержит систему управления, которая обеспечивает навигацию, стабилизацию и управление полетом ракеты.
• Ракетные ступени: Большинство ракет — многоступенчатые. Каждая ступень представляет собой, по сути, отдельную ракету с собственными топливными баками и двигателями. Внутри ступеней находятся:
– Топливные баки: Емкости для хранения компонентов топлива — горючего (например, керосин, жидкий водород) и окислителя (например, жидкий кислород).
– Двигательная установка: Ракетный двигатель (или группа двигателей), который создает реактивную тягу. Двигатели бывают жидкостными (ЖРД) и твердотопливными (РДТТ). ЖРД позволяют управлять тягой и многократно включаться, а РДТТ проще по конструкции и надежнее, но после запуска их уже нельзя выключить или отрегулировать.

Ответ: Основными компонентами ракеты являются головная часть с полезной нагрузкой, система управления и ракетные ступени, включающие топливные баки и двигатели.

Многоступенчатые ракеты

Как следует из формулы Циолковского, достичь космических скоростей с помощью одной ступени крайне сложно. Отношение масс $ M_0 / M_k $ оказывается слишком большим, так как ракете приходится разгонять не только полезную нагрузку, но и массу пустых баков и двигателей. Для решения этой проблемы используются многоступенчатые ракеты.

Принцип работы прост: после того как в первой, самой большой ступени, заканчивается топливо, она отделяется от ракеты. Это позволяет значительно уменьшить массу, которую нужно разгонять дальше. Затем включаются двигатели второй ступени, которая разгоняет оставшуюся часть ракеты (включая третью ступень и полезную нагрузку) до еще большей скорости. Этот процесс может повторяться несколько раз. Отбрасывание отработавших ступеней позволяет эффективно использовать топливо и достигать необходимых скоростей для выхода на орбиту и межпланетных перелетов.

Ответ: Многоступенчатые ракеты используются для эффективного набора скорости путем сброса отработавших ступеней с пустыми баками, что уменьшает общую массу разгоняемого аппарата.

Космические скорости

Для вывода аппарата в космос ракета должна сообщить ему определенную скорость. Различают три основные космические скорости (для Земли):
• Первая космическая скорость ($ v_1 $): Минимальная скорость, которую необходимо сообщить телу у поверхности планеты, чтобы оно стало ее искусственным спутником, движущимся по круговой орбите. Для Земли она составляет примерно $ 7,9 $ км/с.
$$ v_1 = \sqrt{\frac{GM}{R}} $$ где $\text{G}$ — гравитационная постоянная, $\text{M}$ — масса Земли, $\text{R}$ — радиус Земли.
• Вторая космическая скорость ($ v_2 $): Минимальная скорость, которую нужно сообщить телу, чтобы оно преодолело гравитационное притяжение планеты и ушло на параболическую орбиту (стало спутником Солнца). Для Земли она составляет примерно $ 11,2 $ км/с.
$$ v_2 = \sqrt{\frac{2GM}{R}} = v_1 \sqrt{2} $$
• Третья космическая скорость ($ v_3 $): Минимальная скорость, необходимая телу, чтобы покинуть пределы Солнечной системы, преодолев притяжение и Земли, и Солнца. Ее значение зависит от направления запуска относительно движения Земли по орбите и составляет около $ 16,7 $ км/с при старте с Земли в направлении ее орбитального движения.

Ответ: Космические скорости — это расчетные скорости, необходимые для вывода объекта на орбиту Земли ($ v_1 \approx 7,9 $ км/с), для преодоления ее притяжения ($ v_2 \approx 11,2 $ км/с) и для выхода за пределы Солнечной системы ($ v_3 \approx 16,7 $ км/с).

Современные и перспективные ракеты

Современная космонавтика активно развивается в сторону снижения стоимости запусков. Ключевым направлением стало создание многоразовых ракет-носителей. Ярким примером являются ракеты семейства Falcon компании SpaceX, у которых первая ступень способна совершать управляемую посадку на Землю для повторного использования. Это значительно удешевляет вывод полезной нагрузки на орбиту.

Другие перспективные направления включают:
• Разработку новых ракетных двигателей, работающих на более эффективном и экологичном топливе, например, метане (CH₄) и кислороде (O₂). Примеры: двигатели Raptor (SpaceX), BE-4 (Blue Origin).
• Создание сверхтяжелых ракет для пилотируемых миссий к Луне и Марсу (например, Starship от SpaceX, SLS от NASA).
• Исследование альтернативных способов вывода в космос, таких как космические лифты или электромагнитные катапульты, которые пока остаются на уровне теоретических разработок.

Ответ: Главные тренды в современном ракетостроении — это создание многоразовых систем для удешевления запусков, разработка новых типов двигателей и проектирование сверхтяжелых ракет для освоения дальнего космоса.