Реферат на тему «Способы передвижения в безвоздушном пространстве»

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 Безвоздушное пространство

2 Способы перемещения в безвоздушном пространстве

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Безвоздушное пространство – это космос, который непостижим даже на сегодняшний день. Ученые всего мира стараются разгадать главные секреты, которые скрывает космическое пространство.

В течение многих веков человечество мечтало о космических полётах. Писатели-фантасты предлагали самые разные средства для достижения этой цели. В XVII веке появился рассказ французского писателя Сирано де Бержерака о полёте на Луну. Герой этого рассказа добрался до Луны в железной повозке, над которой он всё время подбрасывал сильный магнит. Притягиваясь к нему, повозка всё выше поднималась над Землёй, пока не достигла Луны. А барон Мюнхгаузен рассказывал, что забрался на Луну по стеблю боба.

Но ни один учёный, ни один писатель-фантаст за многие века не смог назвать единственного находящегося в распоряжении человека средства, с помощью которого можно преодолеть силу земного притяжения и улететь в космос [3].

Это смог осуществить русский учёный Константин Эдуардович Циолковский (1857-1935). Он показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести — это ракета, т.е. аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате.

Способов передвижения в безвоздушном пространстве не много, в данной работе расскажу о самом распространенном – реактивное движение.

На сегодняшний день космос изучен на 10-15%, но даже эти проценты позволяют использовать космическое пространство как для нашей защиты, так и для изучения. Например, использование стратосферы в нынешнее время хорошо влияют и помогают каждому из нас, будь то прогноз погоды, именно благодаря спутникам, которые располагаются в стратосфере, мы можем знать на ближайшее время погоду. Этим всем и обусловлена актуальность выбранной темы.

Цель работы – изучить способы перемещения в безвоздушном пространстве.

Задачами работы можно считать:

— разобраться что скрывается за понятием «безвоздушное пространство» и их каких частей оно состоит;

— описать реактивное движение;

— изучить способы перемещения в безвоздушном пространстве.

1 Безвоздушное пространство

Воздушное пространство с давних пор пытаются изучить. Сейчас уже известно, что воздух состоит из множества примесей, но основными являются азот и кислород, соответственно 78% одного вещества и 21% другого. Большая часть воздуха примерно около 80%, с которым непосредственно контактирует человек находится в тропосфере. Тропосфера является нижней подушкой атмосферы и достигает от поверхности Земли в высоту примерно около 15 км [11]. Выше тропосферы располагается именно безвоздушное пространство, в котором воздух находится в разряженном состоянии, а это означает, что для всего живого, что существует на Земле, не представляется возможным находится в таком пространстве. Это безвоздушное пространство принято называть стратосфера.

Если рассматривать все пространство над Землей, его можно разделить на несколько ступеней. Стратосферу в научных кругах называют «дверь в космос», так как именно на данном промежутке начинают наблюдаться множество особенностей, с которыми мы в обычной жизни не сталкиваемся. Например, главной чертой принято считать, что при увеличении высоты подъема температура уменьшается в геометрической прогрессии. Конвекция воздуха, водяной пар и многое другое отсутствует напрочь в стратосфере, но вместе с этим есть наблюдения, что изредка на высоте 25 км от Земли наблюдаются «перламутровые» облака. Данное явление изучают и до сих пор ученые со всех стран мира.

Не стоит забывать, что в стратосфере присутствует озоновый слой, который достигает 3 мм в толщину, его основная функция – защита земной поверхности, всего живого от ультрафиолетового излучения.

            Как говорилось ранее, безвоздушное пространство – это космос, в котором располагаются различные, отличимые друг от друга галактики, расстояние до некоторых исчисляется световыми годами [4,3]. Самой большой проблемой изучения космоса, конечно же, является разряженный воздух и низкое атмосферное давление, которое никак не сочетается с условиями жизнедеятельности человека. Было немало попыток изучения космоса людьми, некоторые из них заканчивались печально, поэтому в большинстве случаев сейчас безвоздушное пространство исследуется с помощью технологических средств, таких как самоуправляемые ракеты, роботы и другие.

            Стоит отметить, что вакуум является тоже безвоздушным пространством, так как вакуум свободно от любого вида материи и состоит из разряженного воздуха.

2 Способы перемещения в безвоздушном пространстве

Передвижение в безвоздушном пространстве изучалось еще в древности, но не удавалось преодолеть земное притяжение. Константин Эдуардович Циолковский (1857-1935) смог представить общественности первое сооружение, напоминавшее ракету, с реактивным двигателем, которое было основным элементом механизма для движения аппарата. Реактивный двигатель, предложенный К. Э. Циолковским, создает силу тяги для передвижения аппарата (ракеты) путем преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию струйного тока рабочей жидкости. Принцип работы реактивного двигателя, в соответствии с законом сохранения импульса, заключался в том, что горючее и окислитель при взаимодействии создают реактивную силу, которая в свою очередь отталкивает аппарат в противоположном направлении движения [6].

Мы с своей жизни очень часто сталкиваемся с реактивным движением. По данному принципу движения передвигаются каракатицы, осьминоги, медузы, кальмары, они вбирают в себя воду и выбрасывают в определенные моменты, тем самым передвигаются, иногда их скорость достигает 70 км/ч. Также в мире растений есть такие же примеры, примером может служить плоды «бешеного» огурца, которые в любом прикосновении отскакивают и разделяются на две противоположные части, одна часть семена и сам огурец,

Перемещения в безвоздушном пространстве на данный момент возможны только благодаря реактивному движению [7]. Космический агрегат в современном мире – сложная высокоточная установка, которая состоит из миллионов многономенклатурных элементов и деталей. Ракета весит очень много, так как масса ее складывается из двух составляющих: первая – рабочее тело (топливо и газы) и вторая – «сухая» масса, т.е. конечная установка, которая остается после всех выбросов. В конечной установке располагается вся электроника, датчики и многое другое.

Ракеты состоят из многих уровней, чтоб по истечении времени и перемещения установки в безвоздушном пространстве они могли отслаивать использованные (прогоревшие) уровни. Обтекаемая форма ракетной установки помогает уменьшить сопротивление воздуха при полете в атмосфере Земли.

Устройство ракетной установки представлен далее [9]. Ракета – это саморегулируемое беспилотное летательное средство (выведенное на траекторию силой броска, выстреливания и др. путём), предназначенное для доставки полезного груза (боевого заряда) с целью уничтожения объекта-цели. Ракета проектируется с учётом следующих факторов: цели поражения, траектории полёта, несомой боеголовки, дальности и скорости полёта и платформы базирования.

Основные технические и технологические средства, используемые в ракетах:

• Двигатель ракеты
• Система управления и наведения
• Аэродинамические элементы: корпус ракеты, крылья, стабилизаторы, хвост
• Наведение на конечном участке траектории (если это относится к точному управляемому оружию)
• Боеголовка.

Устройство ракеты представлено на рисунке 1.

Рисунок 1 – Устройство ракеты

Двигательная установка в ракете необходима для обеспечения конечных характеристик: дальности полёта, скорости, способности нести боеголовку. Ракета приводится в движение при помощи ракетного или реактивного двигателей с использованием твёрдого или жидкого топлива [12]. В некоторых ракетах для выведения их на заданный уровень используются технологии гибридных видов топлива.

Функция системы наведения заключается в том, чтобы поддерживать выбранную траекторию движения ракеты, используя механизм контроля высоты. Это осуществляется через управление её тангажём (поперечное вращение), креном (вращение по вертикальной оси) и рысканием (вращение по продольной оси). Система наведения работает по автопилотному принципу, уменьшая колебания, способные отклонить ракету от заданного курса.

В некоторых ракетах команды наведения генерируются изнутри – бортовым компьютером. В других ракетах команды ракете передаются от внешних источников.

Для управления полётом ракеты используются аэродинамические элементы ракеты, которые также называют «управляющими поверхностями». Стабилизаторы, крылья и хвост являются тремя основными поверхностями, посредством которых осуществляется управления ракетой [13]. Направление полёта ракеты можно изменить, приводя в движение эти поверхности управления.

В случае высокоточного оружия, когда ракета начинает поиск цели, включается в действие головка самонаведения. Это устройство определяет также время активации боеголовки. После обнаружения цели устройство посылает электрический импульс для срабатывания пускового механизма и активации боеголовки. Головка самонаведения имеет в своей основе радар или устройства инфракрасного, или лазерного излучения [4].

Боеголовка ракеты выбирается с учётом цели, которую нужно поразить. Она наносит удар по цели, тем самым задействуя поражающую способность ракетного оружия. Чтобы достичь желаемого эффекта в зоне поражения, выбирается оптимальная точка удара – чем ближе к цели производится удар, тем меньшая требуется боеголовка. В других случаях, когда требуется нанесение удара ракетой по укреплённым объектам, перед детонацией боеголовки применяются различного рода технологии, увеличивающие глубину проникновения ракетного удара.

Вернемся к реактивному движению. Реактивное движение можно спокойно объяснить законами Ньютона, в частности, второй и третий. Напомним второй закон Ньютона:

В инерциальной системе отсчёта скорость изменения импульса материальной точки равна равнодействующей всех приложенных к ней внешних сил. Формула [3]:

Где импульс точки.

Третий закон Ньютона: Материальные точки взаимодействуют друг с другом силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, равными по модулю и противоположными по направлению [6].

Разберем подробнее закон сохранения импульса, как следствие законов Ньютона.

Для замкнутой системы тел векторная сумма импульсов всех тел, находящихся в системе в любой промежуток времени остается величиной постоянной:

Необходимо учитывать, что закон сохранения импульсов будет работать, когда тело, под действием внутренних сил распадается. Разберем следующий момент, когда тело до распада на части находится в состоянии покоя, то после распада два тела будут двигаться друг от друга, а скорости их будут обратно пропорциональны их массам, этот момент принято называть явлением отдачи. Явление отдачи разберем именно на примере ракетной установки [7]. Ракетная установка – замкнутая система тел (оболочка ракеты – топливо), начинает движение при сгорании топлива и выброса его в виде газа из сопла ракеты. Схематически действия изображены на рисунке 2 а. При этом газ уносит импульс , а ракета получает импульс , который направлен в другую сторону.

      а                                                                           б

Рисунок 2 – Эскиз установки и направления движения

Примечанием будет являться, то что, когда топливо еще не сгорает и ракета находится в состоянии покоя, общий импульс равен нулю [10].

            Закон сохранения импульса для системы ракета – топливо в векторной и скалярной форме в проекции на ось Х:

Согласно полученному уравнению (1) ракета получает скорость тем большую, чем больше скорость газа и чем больше отношение массы топлива к массе ракеты (в действительности скорость меньше). Введем следующие обозначения:

 ежесекундный расход топлива (масса газа, выбрасываемая из сопла ракеты за 1 с),  скорость самой ракетной установки относительно поверхности Земли в определенный момент времени (рисунок 2 б), U –скорость истечения газа, и ( – скорость газа относительно поверхности Земли.

Реактивную силу  двигателя находится через приращение импульса топлива:

Где .

Импульс топлива массой  до сгорания равен , так как топливо двигалось вместе с ракетой со скоростью  относительно поверхности Земли.

Импульс, уносимый газом массой  относительно поверхности Земли:

Проведя расчеты видно, что реактивная сила пропорциональна ежесекундному расходу топлива и скорости истечения газа.

Аналитическим образом в 1897 году К. Э. Циолковский смог вывести точную формулу для нахождения скорости ракеты в безвоздушном пространстве:

 С помощью этой формулы можно рассчитать, как запасы топлива, так и скорость перемещения, она является фундаментом для расчета современных ракетных установок.

Далее представлена справочная таблица 1, в которой приведены отношения массы начальной ракетной установки, т.е. «сухой» массы к конечной с топливом.

Пояснения: если необходимо развить скорость, которая в 4 раза будет больше начальной (), необходимо, чтоб начальная масса всей установки превосходила конечную в 55 раз.

Хочу отметить следующий момент, который касается физический основ работы реактивного двигателя. В основе современных мощных реактивных двигателей различных типов лежит принцип прямой реакции, т.е. принцип создания движущей силы (или тяги) в виде реакции (отдачи) струи вытекающего из двигателя «рабочего вещества», обычно — раскалённых газов. Во всех двигателях существует два процесса преобразования энергии. Сначала химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, а затем тепловая энергия используется для совершения механической работы. К таким двигателям относятся поршневые двигатели тепловозов, автомобилей, паровые и газовые турбины электростанций и т.д. После того, как в тепловом двигателе образовались горячие газы, заключающие в себя большую тепловую энергию, эта энергия должна быть преобразована в механическую. Чтобы тепловая энергия газов перешла в механическую, их объём должен возрасти. При таком расширении газы и совершают работу, на которую затрачивается их внутренняя и тепловая энергия [16].

Реактивное сопло может иметь различные формы, и, тем более, разную конструкцию, в зависимости от типа двигателя. Главное отличие, заключается в той части, с которой газы вытекают из двигателя, она и влияет на скорость. Если эта скорость истечения не превосходит скорости, с которой в вытекающих газах распространяются звуковые волны, то сопло представляет собой простой цилиндрический или суживающий отрезок трубы. Если же скорость истечения должна превосходить скорость звука, то соплу придается форма расширяющейся трубы или же сначала суживающейся, а за тем расширяющейся (сопло Лавля). Только в трубе такой формы, как показывает теория и опыт, можно разогнать газ до сверхзвуковых скоростей, перешагнуть через «звуковой барьер».

Было разобрано как передвигаются устройства в безвоздушном пространстве, а как же передвигаются люди? Рассмотрим далее. Первое устройство, с помощью которого космонавты могли передвигаться в космосе, создали американцы. HHMU было похоже на ручное оружие, простое, но жутко неудобное, поэтому дальнейшая его разработка была приостановлена. HMNU (Hand-Helded Maneuvring Unit, или «ручное устройство маневрирования») работало на основе сжатого кислорода, и всякий раз, когда астронавт корабля «Джемини-4» Эдвард Уайт выходил в космос, он брал его с собой. Разумеется, с таким пистолетом до Луны не долетишь, но он все же давал куда более прочную надежду, чем страховочный фал связи с кораблем [16]. Однако минимум одна рука астронавта была занята, и это было не очень хорошо. Реактивный пистолет HHMU представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Реактивный пистолет HHMU

            Советскими учеными была изобретена «реактивная подкова» — это первое советское устройство перемещения и маневрирования космонавта (УПМК), выполненное в форме подковы с твердотопливными двигателями, так и не было испытано в космосе. «Подкова» как бы обнимала скафандр с астронавтом. Перемещение обеспечивали два блока: разгонный и тормозной, каждый из 42 пороховых двигателей, каждый из которых разгонял космонавта на 20 см/с. Облететь стометровую МКС с такой скоростью можно было за 10 минут. Медленное движение было невыгодным, быстрое — опасным и тоже невыгодным. Система управлялась джойстиком на подлокотнике, а автоматика ограничивала скорость разворота. Весило УПМК 90 кг, а аккумуляторы позволяли работать в открытом космосе до четырех часов в автономном режиме. Если бы космонавта унесло в космос, он мог бы разогнаться и лететь в одном направлении со скоростью 32 м/с [17]. В космонавтике этот параметр называется характеристической скоростью устройства.

            Предыдущие варианты установок для перемещения использовали в основном твердое ракетное топливо. Но ради повышения характеристической скорости и улучшения маневренности пытались использовать и жидкое.

AMU (Astronaut Maneuvering Unit) — первый американский реактивный ранец — использовал в качестве топлива 90-процентную перекись водорода. Весила штуковина 75 кг, из которых 20 занимали системы жизнеобеспечения, а 11 — топливо. Характеристическая скорость AMU превышала советскую модель почти в два раза — 76 м/с. На орбите AMU крепилось на приборно-агрегатном отсеке корабля снаружи. Будучи в скафандре, космонавт выходил из гермокабины, при помощи поручней добирался до устройства и напяливал его как ранец. После этого можно отрываться от аппарата и начинать маневры. В общей сложности астронавт и AMU весили 185 килограммов. Движение в космосе обеспечивали 16 небольших ракетных двигателей [15].

Реактивный ранец 21КС (СПК), разработанное в Советском Союзе, мог работать в двух режимах: экономичном и форсированном. Первый режим ограничивал линейные и угловые скорости возле станции или спутника-мишени. Разворот кругом, поскольку угловая скорость была крайне ограничена, длился не менее 20 секунд. Форсированный режим служил для быстрого перемещения на безопасном от станции расстоянии и для экстренного реагирования в случае столкновения [11]. Сжатый воздух, который служил топливом для реактивных сопел, хранился как у дайверов в двух 20-литровых баллонах под давлением 350 атмосфер и выпускался через 32 сопла. Пульты управления располагались на двух консолях — под руками космонавта. Реактивный ранец 21КС (СПК) представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Реактивный ранец 21КС (СПК)

Первые летные испытания 21КС прошли в феврале 1990 года. Серебров и Викторенко выходили в открытый космос из модуля «Квант-2» и удалялись от станции на 35-45 метров. Они использовали страховочную лебедку, но в штатном режиме СПК должен был работать без нее, удаляясь от станции «Мир» на 60 метров и от станции «Буран» на 100.

На сегодняшний момент известно, что, если космонавт случайно удалился от станции во время выхода в открытый космос, например. УСК (российское устройство спасения космонавта) крепится сзади к скафандру «Орлан-М» и питается от его батарей. С ним можно выйти через люк диаметром 0,8 метра. Американцы используют похожее УСК — SAFER (Simplified Aid for EVA Rescue, или упрощенное устройство для спасения космонавта при внекорабельной деятельности), и применяли его уже не менее чем сто раз во время выхода в открытый космос.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя итог данной работе, необходимо отметить следующие важные моменты работы:

—          Все пространство над Землей можно разделить на несколько ступеней, а именно тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, ионосфера и экзосфера. Стратосферу в научных кругах называют «дверь в космос», так как именно на данном промежутке начинают наблюдаться множество особенностей, с которыми мы в обычной жизни не сталкиваемся. Именно с стратосферы начинается безвоздушное пространство.

—          Безвоздушное пространство – это космос.

—          Самой большой проблемой изучения космоса является разряженный воздух и низкое атмосферное давление, которое никак не сочетается с условиями жизнедеятельности человека.

—          Перемещения в безвоздушном пространстве на данный момент возможны только благодаря реактивному движению.

—          Космический агрегат в современном мире – сложная высокоточная установка, которая состоит из миллионов многономенклатурных элементов и деталей. Ракета весит очень много, так как масса ее складывается из двух составляющих: первая – рабочее тело (топливо и газы) и вторая – «сухая» масса, т.е. конечная установка, которая остается после всех выбросов. В конечной установке располагается вся электроника, датчики и многое другое.

—          Ракеты состоят из многих уровней, чтоб по истечении времени и перемещения установки в безвоздушном пространстве они могли отслаивать использованные (прогоревшие) уровни. Обтекаемая форма ракетной установки помогает уменьшить сопротивление воздуха при полете в атмосфере Земли.

—          Закон сохранения импульса для системы ракета – топливо:  .

—          Аналитическим образом в 1897 году К. Э. Циолковский смог вывести точную формулу для нахождения скорости ракеты в безвоздушном пространстве:

—          Можно считать, цель и задачи данного проекта выполненными.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ильин В. А. Физика: учебник и практикум для прикладного бакалавриата / В. А. Ильин, Е. Ю. Бахтина, Н. Б. Виноградова, П. И. Самойленко; под редакцией В. А. Ильина. — Москва: Издательство Юрайт, 2019. — 399 с.
2. Бучаченко, А.Л. От квантовых струн до тайн мышления…: Экскурс по самым завораживающим вопросам физики, химии, биологии, математики / А.Л. Бучаченко. — М.: Ленанд, 2017. — 188 c.
3. Детлаф, А.А. Курс общей физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. — М. Высшая школа, 2017. — 245 с.
4. Родионов, В. Н. Физика для колледжей: учебное пособие для среднего профессионального образования / В. Н. Родионов. — Москва: Издательство Юрайт, 2019. — 202 с.
5. Савельев, И.В. Курс физики. В 3-х т. Т. 1. Механика. Молекулярная физика / И.В. Савельев. — СПб.: Лань, 2016. — 352 c.
6. Перельман, Я.И. Занимательная физика. Книга 2 / Я.И. Перельман. — М.: Центрполиграф, 2017. — 287 c.
7. Перельман, Я.И. Занимательная физика. Книга первая / Я.И. Перельман. — М.: Центрполиграф, 2017. — 252с.
8. Лехов, О. С., & Туев, М. С. (2018). Теоретическая механика: учебное пособие. Russia, Europe: РГППУ. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsbas&AN=edsbas.316EF422
9. Рюмин, В.В. Год вне Земли. Дневник космонавта / В.В. Рюмин. — М.: Молодая Гвардия, 2017. — 56 c.
10. Сушков, Ю.Н. Полеты в космос / Ю.Н. Сушков. — М.: Воениздат, 2012. — 104 c.
11. Ю.И. Агеенко, И.Г. Панин, И.В. Пегин, И.А. Смирнов. Основные достижения в ракетных двигателях малой тяги разработки конструкторского бюро им. А.М. Исаева // Двигатель, №2, 2014, С. 24-
12. Фаритов, Т.А. Курс общей физики: Учебник / Т.А. Фаритов. — СПб.: Лань П, 2016. — 656 c.
13. Трофимова, Т.И. Курс физики: Учеб. пособие / Т.И. Трофимова. — М.: Academia, 2015. — 66 c.
14. Padaleisky D. J. the Use of jet propulsion. 2017 No. 28 — 196-201 p.
15. Posturale V. K. Reactive movement in space. 2019 No. 12 — 78-83 p.
16. Farel I. M., Hun I. D., Huyan V. L. Space. Energy of physics. 2019 #5 — 45-51 p.
17. Кочетков Ю.М. Реактивное движение – М., Двигатель: 2019, №125 – 14-16 с.
18. Родионов А.К. Прорывы в космосе – М., 2017, Двигатель №124 – 45-49 с.