Номер 5, страница 125 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

Ответь на вопросы. § 25. Реактивное движение. Ракеты. Глава 1. Законы движения и взаимодействия тел - номер 5, страница 125.

5. В чём заключается преимущество многоступенчатых ракет перед одноступенчатыми?

5. Решение

Основное преимущество многоступенчатых ракет перед одноступенчатыми заключается в их способности достигать значительно более высоких скоростей, в частности первой космической скорости (около 7,9 км/с), необходимой для выхода на орбиту Земли. Это достигается за счет последовательного сброса отработавших ступеней.

Принцип работы описывается формулой Циолковского, которая связывает изменение скорости ракеты ($ \Delta v $) с эффективной скоростью истечения газов ($ v_e $) и отношением начальной массы ракеты ($ m_0 $) к её конечной массе ($ m_f $):

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

У одноступенчатой ракеты конечная масса ($ m_f $) включает в себя массу полезной нагрузки, а также всю конструкцию ракеты: двигатели, баки, системы управления. По мере расхода топлива масса пустых баков становится "мертвым грузом", который ракете приходится продолжать разгонять. Это сильно ограничивает максимальное отношение масс ($ \frac{m_0}{m_f} $) и, следовательно, максимальную скорость ($ \Delta v $).

В многоступенчатой ракете эта проблема решается кардинально. После того как топливо в первой ступени заканчивается, она вместе со своими двигателями и баками отделяется от ракеты. В этот момент включается двигатель второй ступени. Для второй ступени начальной массой ($ m_0 $) является масса оставшейся части ракеты, которая уже значительно меньше первоначальной. Сбрасывая отработавшую ступень, ракета избавляется от огромной "мертвой" массы.

Таким образом, каждая последующая ступень начинает свою работу, имея уже большую начальную скорость, и разгоняет значительно меньшую массу, что позволяет достичь гораздо большего суммарного приращения скорости. Это делает возможным вывод тяжелых полезных нагрузок на высокие орбиты и осуществление межпланетных перелетов, что практически недостижимо для одноступенчатых ракет при текущем уровне технологий.

Ответ: Преимущество многоступенчатых ракет заключается в сбросе отработавших ступеней, что позволяет уменьшить массу, которую необходимо разгонять на последующих этапах полета. Это ведет к значительно более эффективному использованию топлива и позволяет достичь высоких скоростей (например, орбитальной), недоступных для одноступенчатых ракет.

6. Решение

Посадка космического корабля (спускаемого аппарата) — это сложный, многоэтапный процесс, главной задачей которого является безопасное гашение огромной орбитальной скорости (около 8 км/с) до нуля при приземлении. Процесс можно разделить на несколько ключевых этапов:

1. Сход с орбиты. Корабль разворачивается двигателями вперед по направлению движения и на короткое время включает их. Этот тормозной импульс уменьшает скорость корабля, в результате чего его орбита начинает снижаться и траектория пересекается с плотными слоями атмосферы Земли.
2. Разделение отсеков. Перед входом в атмосферу от спускаемого аппарата, в котором находится экипаж и/или груз, отделяются ненужные для посадки части — например, бытовой и приборно-агрегатный отсеки. Это уменьшает массу и улучшает аэродинамику спускаемого аппарата.
3. Аэродинамическое торможение. Спускаемый аппарат входит в атмосферу на огромной скорости под определенным углом. Сопротивление воздуха создает мощную тормозящую силу и сильно разогревает корпус аппарата из-за трения. Для защиты от перегрева используется абляционный теплозащитный экран, внешний слой которого испаряется, унося с собой избыточное тепло. На этом этапе гасится до 99% скорости.
4. Ввод парашютной системы. Когда скорость снижается до сверхзвуковой (примерно 1-2 Маха), а высота — до 10-12 км, вводится в действие парашютная система. Сначала выпускается вытяжной, а затем основной парашют (или система из нескольких парашютов). Парашюты стабилизируют спуск и снижают скорость аппарата до безопасной посадочной скорости (около 5-10 м/с).
5. Мягкая посадка. Непосредственно перед касанием земли включаются двигатели мягкой посадки — небольшие твердотопливные ракеты, которые срабатывают на высоте 1-2 метра и дополнительно гасят скорость падения, смягчая удар о поверхность. Альтернативным вариантом является приводнение в океан (как у американских кораблей Apollo, Dragon), где роль амортизатора выполняет вода.

Ответ: Посадка космического корабля осуществляется путем последовательного снижения скорости: сначала за счет тормозного импульса двигателей для схода с орбиты, затем за счет аэродинамического торможения в атмосфере с использованием теплозащитного экрана, далее с помощью парашютной системы и, наконец, за счет двигателей мягкой посадки или приводнения.