Реферат на тему «Происхождение ракет и их первые конструкторы в Европе и в России»

Содержание

Введение

1 История разработки ракет и их конструкторы в Европе и в России

2 Ракетостроение сквозь века

Заключение

Список использованной литературы

Введение

«Ракета сама собой не полетит» — эту фразу приписывают многим известным ученым. И Сергею Королеву, и Вернеру фон Брауну, и Константину Циолковскому. Считается, что идею полета ракеты сформулировал чуть ли ни сам Архимед, но даже он не представлял себе, как заставить ее полететь.

К настоящему времени существует много разновидностей ракетных двигателей. Химические, ядерные, электрические, даже плазменные. Впрочем, ракеты появились задолго до того, как человек изобрел первый двигатель. Слова «ядерный синтез» или «химическая реакция» едва ли говорили что-то жителям Древнего Китая. А ведь ракеты появились именно там.

К тем временам относятся и первые упоминания о порохе. Ракета, которая поднималась вверх благодаря силе, возникшей при взрыве пороха, использовалась в те времена исключительно в мирных целях — для фейерверков. Ракеты эти, что характерно, имели собственный запас горючего, в данном случае, пороха.

Цель работы – происхождение ракет и их первые конструкторы в Европе и в России.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

1. Рассмотреть историю разработки ракет и их конструкторы в Европе и в России;
2. Ознакомиться с ракетостроением сквозь века;
3. Узнать о типах ракет;
4. Исследовать историю развития ракетостроения.

1 История разработки ракет и их конструкторы в Европе и в России

В 1556 году немецким изобретателем Конрадом Хаасом, который был специалистом по огнестрельному оружию в армии Фердинанда I — Императора Священной Римской Империи. Хаас считается создателем первой боевой ракеты. Хотя, строго говоря, изобретатель не создал ее, а лишь заложил теоретические основы. Именно Хаасу принадлежала идея многоступенчатой ракеты (рисунок 1) [3].

Рисунок 1. Макет многоступенчатой ракеты

Ученый подробным образом описал механизм создания летательного аппарата из двух ракет, которые разделялись бы в полете. «Такой аппарат, — уверял он, — мог бы развивать огромную скорость». Идеи Хааса вскоре развил польский генерал Казимир Семенович (рисунок 2).

В 1650 году он предложил проект создания трехступенчатой ракеты. В жизнь, впрочем, эта идея воплощена так и не была. То есть, конечно, была, но только в ХХ веке, через несколько столетий после смерти Семеновича [13].

Рисунок 2. Титульный лист книги, в которой Семенович описал ракеты

Военные, разумеется, никогда не упустят возможность принять на вооружение новый вид разрушительного оружия. В XIX веке у них появилась возможность применить в бою ракету. В 1805 году британский офицер Уильям Конгрив продемонстрировал в Королевском Арсенале созданные им пороховые ракеты небывалой по тем временам мощности [17]. Существует предположение, что большинство идей Конгрив «украл» у ирландского националиста Роберта Эммета, применившего некое подобие ракеты во время восстания 1803 года. Спорить на эту тему можно вечно, но тем не менее ракета, которую взяли на вооружение британские войска, называется ракетой Конгрива, а не ракетой Эммета (рисунок 3).

Оружие многократно применялось во время Наполеоновских войн. В России пионером ракетостроения считается генерал-лейтенант Александр Засядко.

Рисунок 3. Запуск Ракеты Конгрива, 1890

Он не только усовершенствовал ракету Конгрива, но и задумался над тем, что энергию этого разрушительного оружия можно было бы использовать и в мирных целях. Засядко, например, первым высказал идею, что с помощью ракеты можно было бы совершить полет в космос. Инженер даже точно подсчитал, сколько пороха понадобиться, чтобы ракета достигла Луны.

Идеи Засядко легли в основу многих работ Константина Циолковского. Этот знаменитый ученый и изобретатель теоретически обосновал возможность полета в космос при помощи ракетных технологий. Правда, в качестве топлива он предлагал использовать не порох, а смесь жидкого кислорода с жидким водородом. Аналогичные идеи высказывал младший современник Циолковского Герман Оберт (рисунок 4) [11].

Рисунок 4. Портрет Германа Оберта.

Он также разрабатывал идею межпланетных перелетов. Оберт прекрасно понимал сложность задачи, но его работы вовсе не носили фантастический характер. Ученый, в частности, предложил идею ракетного двигателя. Он даже проводил экспериментальные испытания подобных устройств. В 1928 году Оберт познакомился с молодым студентом Вернером фон Брауном. Этому юному физику из Берлина в скором времени предстояло совершить прорыв в ракетостроении и воплотить в жизнь многие идеи Оберта [2]. Но об этом позже, ибо за два года до встречи двух этих ученых была запущена первая в истории ракета на жидком топливе.

Произошло это знаменательное событие 16 марта 1926 года. А главным героем стал американский физик и инженер Роберт Годдард. Еще в 1914 году он запатентовал многоступенчатую ракету [10]. Вскоре ему удалось воплотить в жизнь идею, предложенную Хаасом почти за четыреста лет до этого. В качестве топлива Годдард предлагал использовать бензин и оксид азота. После серии неудачных запусков, он добился успеха. 16 марта 1926 года на ферме своей тетушки Годдард запустил в небо ракету размером с человеческую руку. За две с небольшим секунды она взлетела в воздух на 12 метров. Любопытно, что позднее на основе трудов Годдарда будет создана Базука (рисунок 5).

Рисунок 5. Роберт Годдард и его ракета

Открытия Годдарда, Оберта и Циолковского имели большой резонанс. В США, Германии и Советском Союзе стали стихийно возникать общества любителей ракетостроения. В СССР уже в 1933 году был создан Реактивный институт. В том же году появился и принципиально новый тип оружия — реактивные снаряды. Установка для их запуска вошла в историю под именем «Катюша» [9].

В Германии развитием идей Оберта занимался уже знакомый нам Вернер фон Браун. Он создавал ракеты для германской армии и не оставил этого занятия после прихода к власти нацистов. Более того, Браун получил от них баснословное финансирование и неограниченные возможности для работы (рисунок 6).

Рисунок 6. Вернер фон Браун с «Фау-2»

При создании новых ракет использовался рабский труд. Известно, что Браун пытался протестовать против этого, но получил в ответ угрозу, что сам может оказаться на месте подневольных работников. Так была создана баллистическая ракета, появление которой предсказал еще Циолковский. Первые испытания прошли в 1942 году. В 1944-м баллистическая ракета дальнего действия «Фау-2» была принята на вооружение Вермахтом. С ее помощью обстреливали, в основном, территорию Великобритании (до Лондона с территории Германии ракета долетала за 6 минут) [4]. «Фау-2» несла страшные разрушения и вселяла страх в сердца людей. Ее жертвами стали как минимум 2700 мирных жителей Туманного Альбиона. В британской прессе «Фау-2» именовали «крылатым ужасом».

Американские и советские военные с 1944 года вели «охоту» за Брауном. Обе страны были заинтересованы в его идеях и разработках. Ключевую роль в решении этого вопроса сыграл сам ученый. Еще весной 1945 он собрал свою команду на совет, на котором решался вопрос о том, кому по окончании войны лучше сдаться в плен. Ученые пришли к выводу, что сдаваться лучше американцам. Сам Браун оказался в плену почти случайно. Его брат Магнус, увидев американского военного, подбежал к нему и сказал: «Меня зовут Магнус фон Браун, мой брат изобрел «Фау-2», мы хотим сдаться» [14].

В США Вернер фон Браун продолжил работу над ракетами. Теперь, однако он трудился в основном для мирных целей. Именно он дал колоссальный толчок к развитию американской космической отросли, сконструировав для США первые ракеты-носители (разумеется, создавал Браун и боевые баллистические ракеты). Его команда в феврале 1958 запустила в космос первый американский искусственный спутник Земли. Советский Союз опередил США с запуском спутника почти на полгода [12]. 4 октября 1957 года на орбиту Земли был выведен первый искусственный спутник. При его запуске была использована советская ракета Р-7, созданная Сергеем Королевым.

Р-7 стала первой в мире межконтинентальной баллистической ракетой, а также первой ракетой, использованной для космического полета.

В 1912 году в Москве был открыт завод по производству авиационных двигателей. Предприятие входило во французское общество «Гном». Здесь создавались, в том числе, и моторы для самолетов Российской Империи в годы Первой мировой. Завод успешно пережил Революцию, получил новое название «Икар» и продолжил работу уже при советской власти [8].

Авиационные двигатели создавались тут и в 1930-е, и в 1940-е, военные, годы. Моторы, которые производились на «Икаре», ставились на передовые советские самолеты. А уже в 1950-е предприятие стало выпускать турборакетные двигатели, в том числе и для космической отрасли. Сейчас завод принадлежит ОАО «Кузнецов», которое получило свое название в честь выдающегося советского авиаконструктора Николая Дмитриевича Кузнецова. Предприятие входит в структуру госкорпорации «Ростех».

«Ростех» продолжает выпуск ракетных двигателей, в том числе и для ракетной отрасли. В последние годы объемы производства растут. В прошлом году появилась информация о том, что заказов на производство двигателей «Кузнецов» получил аж на 20 лет вперед. Двигатели создаются не только для космической отрасли, но также для авиации, энергетики и грузовых железнодорожных перевозок [5].

В 2012-м «Ростехом» были проведены испытания лунного двигателя. Специалистам удалось возродить технологии, которые создавались для советской лунной программы. Сама программа, как мы знаем, в итоге была свернута. Но забытые, вроде бы, наработки теперь обрели новую жизнь. Ожидается, что лунный двигатель получит широкое применение в российской космической программе [16].

2 Ракетостроение сквозь века

Историю ракетостроения можно условно разделить на две эпохи. Первая – донаучная возня, и вторая — научный подход после эры Просвещения. Принцип в основе ракетного двигателя, по сути, остался тот же, в то время как детали исполнения и подход к разрабатыванию ракет сильно изменился [6].

Фундаментальный принцип работы ракетного двигателя, выброс горячих газов через сопло для возникновения движения в противоположном направлении, замечательно иллюстрируют два примера из истории. Римский писатель Авл Геллий рассказывает об Архите, который около 400 г. до н.э. построил летающего деревянного голубя. Голубь держался на лету благодаря струе пара или сжатого воздуха, которая выбрасывалась через сопло.

Три века спустя, Герон из Александрии изобрел эолипил, основанный на том же принципе выброса струи пара в качестве движущей силы. В эолипиле пустую сферу и резервуар с водой соединяли трубки, которые выступали в роли опоры, поддерживая сферу на весу. Огонь под резервуаром в итоге создавал пар, который попадал в сферу по трубкам. Единственным выходом для газа были два Г-образных отвода, направленных в разные стороны. Выбрасываемый пар создавал момент, разворачивая таким образом сферу вокруг оси на шарнирах [1].

В обоих примерах движением аппарата управляет сохранение импульса. Когда ракета и газы внутри неё движутся как единое целое, суммарный импульс, произведение массы и скорости, равняется . Тогда общая масса ракеты и газа, , движется со скоростью .

Когда газы выбрасываются из хвоста ракеты, суммарный импульс ракеты и топлива остается постоянным, пока на систему не влияют внешние силы. Так, если очень небольшое количество газа  выбрасывается со скоростью  относительно ракеты (в направлении   или ему обратном), то суммарный импульс системы равен

Поскольку для сохранения импульса  должно быть равно ,

выделив изменение скорости ракеты ,

«Минус» в уравнении выше означает, что ракета всегда изменяет скорость в направлении, обратном выбрасываемому газу. Поэтому, если газ выбрасывается в направлении v, обратном движению, (т.е.  отрицательно), то изменение скорости ракеты будет положительным (т.е.  ракета будет ускоряться).

В любой момент времени  количество  равняется общей массе ракеты (сухая масса плюс топливо), а  определяет её изменение. Если предположить, что скорость выбрасывания газа не изменяется на протяжении всего времени, то можно легко проинтегрировать выражение выше и найти постепенное изменение скорости, в то время как общая масса ракеты (сухая масса плюс топливо) меняется от начальной массы  до конечной массы . Поэтому,

Это уравнение известно, как уравнение Циолковского, и применимо к любому телу, которое ускоряется с помощью сбрасывания части своей массы с определённой скоростью [7].

Зачастую нас больше интересует тяга ракеты и её ускорение . Так, разделив уравнение  на небольшое изменение времени ,

и сопутствующую тягу , которая действует на ракету,

где — секундный расход массы, выбрасываемой ракетой. В этом простом уравнении — фундаментальная физика ракетного двигателя. Ракета производит тягу или выбрасывая больше массы с набором скорости (или увеличивая скорость, с которой масса выбрасывается. В идеальном случае – это всё! Под идеальным подразумевается, что ve постоянна и отсутствуют внешние силы, например, аэродинамическое трение в атмосфере или сила тяжести. При реальных расчётах требуемой массы топлива нужно учитывать эти силы и другие факторы, которые влияют на эффективность ракеты [18].

На графике уравнения хорошо заметна самая большая загвоздка ракетостроения: чтобы ускорить ракету с определённым изменением скорости при известном значении второй космической скорости, нужное для этого количество топлива (рисунок 8) (т.е. отношение массы) экспоненциально возрастает вместе с увеличивающимся [15]. Поскольку стоимость ракеты тесно связана с её массой, то становится понятно, почему что-нибудь существенное так дорого отправить на орбиту (скорость составляет 28,800 км/ч для низкой околоземной орбиты).

Рисунок 8. Экспоненциальное увеличение массы топлива, необходимой для ускорения ракеты с конкретным изменением скорости.

Заключение

  Ракетостроение развивалось более 2000 лет. Современные ракеты – результат долгой традиции изобретения и экспериментов, они совмещают достижения широкого круга инженерных дисциплин. Мало какие изобретения человечества, если такие вообще есть, способны выдерживать такие же экстремальные условия, как ракеты.

Ракеты испытывают сильнейшие перегрузки во время старта и выдерживают точки сильного нагревания — в местах, наиболее подверженных аэродинамическому трению, — и замерзания — из-за жидкого водорода/кислорода криогенной температуры. Управлять ракетой – дело тонкое: зачастую от успешного запуска до взрывной катастрофы один шаг. Ни одна другая инженерная конструкция не сравнится в сложности и взаимной зависимости систем, которые должны идеально взаимодействовать для слаженной работы. Не случайно говорят «rocket science», когда речь заходит о чём-то невероятно сложном.

Как можно увидеть, за последние 2000 лет ракеты развились от простых игрушек и военного оружия до сложных машин, способных отправить человека в космос. Сегодня ракеты – единственная возможность попасть в места вне Земли. Более того, видно, что развитие ракет не всегда следовало одним путём к совершенствованию.

Наши возможности по отправке всё более тяжелой полезной нагрузки в космос достигли пика вместе с разработкой ракеты Saturn V. Этот большой технологический прыжок был обязан, по большому счету, духу соперничества между США и СССР.

Ракетчикам в 1950-1970-х были доступные невообразимые бюджеты. Более того, мечтатели и провидцы вроде Жюля Верна, Константина Циолковского и Джина Родденберри взбудоражили воображение публики и подготовили поддержку космических программ. После катастрофы Columbia в 2003 году, интерес людей в трате денег налогоплательщиков на программы, превышающие свои бюджеты, естественно, спал. Тем не менее, успехи соответствующих компаний, их активная конкуренция и фантастические цели колонизировать Марс снова вдохновляют молодое поколение. Это, наконец, снова потрясающее время для ракетостроения.

Список использованной литературы

1. Бурдаков В.П., Данилов Ю.И. Ракеты будущего. — 2-е изд. — М.: Энергоатомиздат, 2016.
2. Глушко В.П. Развитие ракетостроения и космонавтики в СССР. — М.: Наука, 2017.
3. Жеребцов А.А. Можно ли управлять взрывом? // Артиллерия: Сб. — М.: Воениздат, 2018.
4. Исаченко И.И. Экономический эффект применения ракетно-космической техники // Вопросы экономики. — 2018. — №3.
5. Кондратюк Ю.В. Тем, кто будет читать, чтобы строить. — Новосибирск, 2018.
6. Каневский Н. Биография генерал-лейтенанта А.Д. Засядко второго // Артиллерийский журнал. — 2017. — №3.
7. Ленгемак Г.Э., Глушко В.П. Ракеты, их устройство и применение. — М.: Л.: ОНТИ НКТП, 2016.
8. Михайлов О. Устав ратных, пушечных и других дел, касающихся до воинской науки. — СПб., 2017.
9. Никифоров Н. К. Боевые ракеты // Артиллерия. — М., 2018.
10. Победоносцев Ю. А., Кузнецов К. М. Первые старты. — М.: Изд-во ДОСААФ, 2017.
11. Рогожин Н. А. Пионеры реактивного движения. — Киев, 2016.
12. Романов А. П. Ракетам покоряется пространство. — Полит, лит., 2016.
13. Сокольский В. Н. Ракеты на твердом топливе. — М.: Изд-во АН СССР, 2018.
14. Суботович М. Развитие ракетной техники и космических исследований в Польше / Мат. XIII Международный конгресс по истории науки. — М., 2018.
15. Терзиоглу А. Рукописи из области техники и аэродинамики, а также первые попытки полета в IX-XII веках в странах тюрко-мусульманской культуры / Мат. XIII Международный конгресс по истории науки. — М., 2017.
16. Цандер Ф. А. Проблемы полета при помощи ракетных аппаратов. — М., 2017.
17. Циолковский К. Э. Реактивные летательные аппараты // Собр. соч. — Т. 2. — М., 2016.