Часто о вещах, не столь сложных, как они выглядят изначально, говорят, что это — «не наука о ракетах». Все, что связано с запусками космических аппаратов, действительно требует основательных знаний по математике и физике. Однако основные принципы работы реактивных двигателей не так сложны, как может показаться.
1. Как реактивные двигатели отталкиваются от пустоты?
Для движения в космосе необходимо уметь оттолкнуться от пустоты, поскольку больше там ничего нет. Реактивный двигатель является одним из немногих двигателей, которые могут это сделать. Для этого он использует закон сохранения импульса. Если оттолкнуть от себя определенную массу с определенной скоростью, то сам получишь импульс, численно равный произведению этой массы на ее скорость и направленный в противоположную сторону.
В реактивных двигателях в качестве рабочего тела выступают газы, образующиеся в результате сгорания топлива. Они имеют небольшую массу относительно всей ракеты, но очень большую скорость. Соответственно, каждую секунду при включенном двигателе космический аппарат получает небольшое, но постоянное ускорение.
2. Почему реактивные самолеты не могут полететь в космос?
На первый взгляд может показаться, что двигатель ракеты — это то же, что позволяет двигаться атмосферным летательным аппаратам. И то, и другое называется реактивными двигателями и использует для ускорения принцип сохранения импульса. Но есть существенная разница. Двигателям самолетов для работы нужен окружающий воздух.
Для того, чтобы топливо сгорело и химическая энергия превратилась в импульс, необходимо, чтобы в двигатель под определенным давлением попадал кислород. Именно поэтому самолеты не могут летать даже на больших высотах, не говоря уже о вакууме. Их двигатели там просто прекращают работать.
3. Что горит в ракетных двигателях?
Отсутствие воздуха в космосе означает, что то, с чем будет реагировать топливо, нужно брать с собой. Именно поэтому ракеты содержат емкости не только для топлива, но и для окислителя. Эти два компонента подаются в камеру сгорания и реагируют, образуя газы и выделяя определенное количество теплоты.
Тепловая энергия переходит в механическое движение молекул. Газ пытается расшириться, но единственное направление, в котором он это может делать, — сквозь отверстие, называемое соплом. Так образуется поток вещества, создающий ускорение космического корабля. Конечно, вся эта система требует большого количества топлива для длительной работы.
4. Что такое тяга?
Тяга является основной характеристикой ракетного двигателя. По сути, это сила, которую он может создавать. Если разделить ее на массу ракеты или космического аппарата, получим ускорение, которое он приобретает в результате работы двигателя в космическом пространстве. В свою очередь, эта сила численно равна произведению массы вытекших из него газов на полученное ускорение. Наконец, ускорение газов — это скорость, которую они приобрели за секунду.
Чтобы ракета взлетела, тяга двигателя должна быть больше силы тяжести и сопротивления воздуха, которые на нее действуют. Разница этих сил, разделенная на массу ракеты, дает ее ускорение при старте.
5. Почему ракетам нужно так много топлива?
Однако тяга — лишь одна из основных характеристик ракетных двигателей. Вторая называется удельным импульсом. Это импульс, который создается при выбрасывании из сопла одного килограмма газов, образовавшихся в результате реакции горения. Численно эта величина всегда равна скорости газов, а она не может быть больше, чем та, которую придала им химическая реакция.
Именно поэтому современным ракетам для старта с Земли требуется так много топлива и окислителя. Их удельный импульс не превышает 4,5–5 км/с. Поэтому отношение массы вещества, которое надо сжечь, к массе всей ракеты настолько большое.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
