Номер 5, страница 103 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

5. В чём заключается преимущество многоступенчатых ракет перед одноступенчатыми?

5. Основное преимущество многоступенчатых ракет перед одноступенчатыми заключается в значительно более высокой эффективности достижения больших скоростей, необходимых для выхода на орбиту или для межпланетных перелетов. Это достигается за счет сброса лишней массы в процессе полета.

Принцип работы ракеты описывается формулой Циолковского:

$ \Delta v = v_e \ln \frac{m_0}{m_f} $

где $ \Delta v $ — приращение скорости ракеты, $ v_e $ — скорость истечения газов из сопла, $ m_0 $ — начальная масса ракеты (топливо + конструкция + полезная нагрузка), а $ m_f $ — конечная масса ракеты (конструкция + полезная нагрузка после сгорания всего топлива).

Для одноступенчатой ракеты, чтобы достичь, например, первой космической скорости (~7,9 км/с), отношение начальной массы к конечной $ \frac{m_0}{m_f} $ должно быть очень большим. Это означает, что масса топлива должна многократно превышать массу конструкции и полезного груза. Однако увеличение массы топлива требует более крупных и тяжелых баков и более мощных двигателей, что, в свою очередь, увеличивает массу конструкции ($ m_f $). Возникает порочный круг, который делает создание эффективной одноступенчатой ракеты для выхода на орбиту чрезвычайно сложной, а порой и невозможной задачей при текущем уровне технологий.

Многоступенчатая ракета решает эту проблему. Она состоит из нескольких отдельных секций (ступеней), каждая со своим двигателем и запасом топлива.

• После того как топливо в первой, самой большой ступени, заканчивается, она отделяется от ракеты.
• Включается двигатель второй ступени, которая теперь разгоняет уже значительно более легкую ракету (без массы конструкции и двигателей первой ступени).
• Этот процесс повторяется для каждой последующей ступени.

Каждый раз, когда отработавшая ступень сбрасывается, конечная масса для следующего этапа разгона резко уменьшается, что согласно формуле Циолковского позволяет получить значительно большее приращение скорости $ \Delta v $ от того же количества топлива. Суммарное изменение скорости равно сумме приращений от каждой ступени. Таким образом, многоступенчатая схема позволяет эффективно избавляться от "мертвого груза" (пустых баков и двигателей) и достигать необходимых скоростей с гораздо меньшей стартовой массой, чем потребовалось бы для одноступенчатой ракеты.

Ответ: Преимущество многоступенчатых ракет заключается в возможности сбрасывать отработавшие ступени (двигатели и топливные баки) во время полета. Это уменьшает массу, которую необходимо дальше разгонять, и позволяет достичь гораздо более высоких скоростей по сравнению с одноступенчатой ракетой при той же общей стартовой массе, что делает их более эффективными для вывода полезной нагрузки на орбиту Земли и за ее пределы.

6. Посадка космического корабля (спускаемого аппарата) — это сложный многоэтапный процесс, который начинается на орбите и заканчивается на поверхности Земли. В общем виде он включает следующие фазы:

1. Сход с орбиты. Находясь на орбите, корабль разворачивается двигателями вперед по направлению движения. Включается тормозная двигательная установка, которая сообщает кораблю тормозной импульс. Его скорость уменьшается, из-за чего траектория полета начинает пересекаться с плотными слоями атмосферы Земли.
2. Атмосферное торможение (аэродинамическое). Корабль входит в атмосферу с огромной скоростью (около 7-8 км/с). За счет сопротивления воздуха происходит основное гашение скорости. Спускаемый аппарат, как правило, имеет затупленную аэродинамическую форму. Это создает перед ним мощную ударную волну, которая принимает на себя основную часть тепловой энергии, возникающей от трения об атмосферу. Для защиты от перегрева корпус аппарата покрыт теплозащитным экраном, который может работать по принципу абляции (постепенное сгорание и унос материала, который отводит тепло). Во время этой фазы экипаж испытывает значительные перегрузки.
3. Развертывание парашютной системы. Когда скорость аппарата снижается до сверхзвуковой или дозвуковой (обычно на высоте около 10-12 км), происходит активация парашютной системы. Сначала выпускается вытяжной (стабилизирующий) парашют, который стабилизирует вращение и дальнейшее падение аппарата. Затем вводится в действие основной парашют (или несколько основных), который гасит скорость до безопасного значения для приземления (порядка 5-10 м/с).
4. Приземление (или приводнение). Финальная стадия посадки может осуществляться по-разному:
   • Посадка на сушу. Используется, например, на российских кораблях "Союз". Непосредственно перед касанием земли (на высоте около 1-2 метров) срабатывают двигатели мягкой посадки — небольшие твердотопливные ракеты, которые дополнительно гасят вертикальную скорость, смягчая удар.
   • Посадка на воду (приводнение). Используется на американских кораблях, таких как "Dragon" компании SpaceX или "Orion". Спускаемый аппарат опускается на парашютах в океан, где его подбирает специальное судно. Удар о воду также является способом погасить остаточную энергию.

После успешной посадки к аппарату прибывает поисково-спасательная группа для эвакуации экипажа.

Ответ: Посадка космического корабля осуществляется путем его торможения для схода с орбиты, последующего аэродинамического торможения в атмосфере с использованием теплозащитного экрана, развертывания парашютной системы для снижения скорости падения и, наконец, мягкого приземления на сушу с помощью тормозных двигателей или приводнения в океан.