Реактивное движение

Всем известно так называемое явление отдачи. Если выстрелить из незакрепленной пушки, то пушка в результате отдачи после выстрела начнет двигаться в сторону противоположную скорости вылета снаряда. Если человек, стоя на гладком льду, оттолкнет от себя какой-либо тяжелый предмет, то сам начнет двигаться в противоположную сторону. Если надуть детский резиновый шарик и отпустить, то, выталкивая из себя воздух, сам шарик начнет быстро двигаться. На этом явлении отдачи основано реактивное движение.

В камере сгорания реактивного двигателя происходит сгорание топлива. Образовавшиеся при этом продукты сгорания (в основном газы) имеют очень большую температуру и с большой скоростью вылетают из сопла двигателя. При этом сам двигатель приобретает скорость отдачи. Если реактивный двигатель находится в космической ракете, то масса ракеты по мере сгорания топлива уменьшается. То есть сама ракета во время полета является телом переменной массы.

Рассмотрим ракету, летящую в космосе вдали от звезд и планет. Пусть продукты сгорания вылетают из сопла ракеты с постоянной скоростью u относительно ракеты. Пусть в некоторый момент времени масса ракеты равна М, а ее скорость относительно инерциальной системы отсчета, связанной со звездами, равна v. Спустя очень маленький промежуток времени Δt масса ракеты станет равна (Δm – масса топлива, сгоревшего за время Δt), скорость ракеты немного возрастет и станет равна , а сгоревшая масса топлива вылетит из сопла ракеты и будет иметь скорость . Так как система ракета – продукты сгорания изолированная, то должен выполняться закон сохранения импульса:

Раскрыв скобки и приведя подобные, получаем:

Так как Δt очень малая величина, то и Δm тоже очень малая величина. Значит последнее слагаемое в последнем уравнении является произведением двух очень малых величин (бесконечно малая второго порядка). Поэтому этим слагаемым можно пренебречь. Пусть - секундный расход топлива – масса топлива, сгорающая в единицу времени. Окончательно имеем:

Это уравнение называется уравнением Мещерского. Величина называется реактивной силой. Она обусловлена отдачей при истечении продуктов сгорания из сопла реактивного двигателя. Она приложена к ракете и не зависит от устройства двигателя, а определяется только секундным расходом топлива и скоростью истечения газов из сопла. Направлена реактивная сила противоположно направлению скорости истечения газов.

Принцип реактивного движения заключается в том, что при истечении из сопла газы приобретают импульс. Согласно закону сохранения импульса ракета приобретает в противоположном направлении равный по модулю импульс.

Примером реактивного движения является и движение космической ракеты.

Основные элементы космической ракеты следующие (по плакату “Основные элементы космической ракеты” объясняется устройство ракеты):

головная часть (космический корабль, приборный отсек);

бак с окислителем и бак с топливом (в качестве топлива может использоваться, например, жидкий водород, а в качестве окислителя жидкий кислород);

насосы, камера сгорания топлива;

сопло (сужение камеры для увеличения скорости истечения продуктов сгорания).

– Суть многоступенчатой космической ракеты заключается в том, что после того, как топливо и окислитель первой ступени (часть ракеты, кроме головной части) будут полностью израсходованы, эта ступень автоматически отбрасывается, и в действие вступает двигатель второй ступени и т.д.