Реферат: Циолковский

Работы Константина Эдуардовича по теоретической и экспериментальной аэродинамике, несомненно, обуслов­лены необходимостью дать аэродинамический расчет лет­ных характеристик дирижабля и аэроплана.

Циолковский был настоящим ученым-естествоиспыта­телем. Наблюдения, мечты, вычисления и размышления соединялись у него с постановкой опытов и моделиро­ванием.

В 1890—1891 годах он пишет работу «К вопросу о ле­тании посредством крыльев. Выдержка из этой руко­писи, опубликованная при содействии знаменитого физика профессора Московского университета А. Г. Столетова в трудах Общества любителей естествознания в 1891 году, явилась первой напечатанной работой Циолковского. Он был полон идей, весьма деятелен и энергичен, хотя внешне казался спокойным и уравновешенным. Выше среднего роста, с длинными черными волосами и черными немного печальными глазами, он был неловок и застенчив в обществе. У него было не много друзей. В Боровске Константин Эдуардович близко сошелся с коллегой по школе Е. С. Еремеевым, в Калуге ему много помогали В. И. Ассонов, П. П. Каннинг и С. В. Щербаков. Однако при защите своих идей он был решителен и настойчив, мало считаясь с пересудами коллег и обывателей.

Зима. Изумленные боровские жители видят, как на коньках по замерзшей реке мчится учитель уездного учи­лища Циолковский. Он воспользовался сильным ветром и, распустив зонт, катится со скоростью курьерского по­езда, влекомый силой ветра. «Всегда я что-нибудь зате­вал. Вздумал я сделать сани с колесом так, чтобы все сидели и качали рычаги. Сани должны были мчаться по льду... Потом я заменил это сооружение особым парус­ным креслом. По реке ездили крестьяне. Лошади пуга­лись мчащегося паруса, проезжие ругались. Но, по глухоте, я долго об этом не догадывался. Потом уже, завидя лошадь, заранее поспешно снимал парус».

Почти все сослуживцы по школе и представители мест­ной интеллигенции считали Циолковского неисправимым фантазером и утопистом. Более злые люди называли его диле­тантом и кустарем. Идеи Циолковского казались обыва­телям невероятными. «Он думает, что железный шар под­нимется в воздух и полетит. Вот чудак!» Ученый всегда был занят, всегда трудился. Если не чи­тал и не писал, то работал на токарном станке, паял, строгал, мастерил для своих учеников много действующих моделей. «Сделал огромный воздушный шар... из бумаги. Спирта достать не смог. Поэтому внизу шара приспосо­бил сетку из тонкой проволоки, на которую клал не­сколько горящих лучинок. Шар, имевший иногда причуд­ливую форму, поднимался вверх, насколько позволяла привязанная к нему нитка. Однажды нитка перегорела, и шар мой умчался в город, роняя искры и горящую лу­чину! Попал на крышу сапожнику. Сапожник зааресто­вал шар».

Обыватели смотрели на все опыты Циолковского, как на курьезы и баловство, многие, не размышляя, считали его чудаком и «немножко тронутым». Нужны были изу­мительная энергия и настойчивость, величайшая вера в пути прогресса техники, чтобы в таком окружении и в тяжелых, почти нищенских условиях ежедневно работать, изобретать, вычислять, двигаясь все вперед и вперед.

4. РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ

«Практические дела делаются только исходя из общих начал, только при знакомстве с абстрактами, до них относящимися».

(Д. И. Менделеев)

Среди великих технических и научных достижений XX столетия одно из первых мест, несомненно, принад­лежит ракетам и теории реактивного движения. Годы второй мировой войны (1941 —1945) привели к необы­чайно быстрому совершенствованию конструкций реак­тивных аппаратов. На полях сражений вновь появились пороховые ракеты, но уже на более калорийном бездым­ном тротил - пироксилиновом порохе («катюши»). Были созданы самолеты с воздушно-реактивными двигателями, беспилотные самолеты с пульсирующими воздушно-реак­тивными двигателями (Фау-1) и баллистические ракеты с дальностью полета до 300 км (Фау-2).

Ракетная техника становится сейчас очень важной и быстро растущей отраслью промышленности. Развитие теории полета реактивных аппаратов — одна из насущных проблем современного научно-технического развития.

К. Э. Циолковский много сделал для познания основ теории движения ракет. Он был первым в истории науки, кто сформулировал и исследовал проблему изучения прямолинейных движений ракет, исходя из законов теоретической механики.

Простейший реактивный двигатель на жидком топливе (рис. 3) представляет собой камеру, похожую по форме на гор­шок, в котором жители сельских местно­стей хранят молоко. Через форсунки, рас­положенные на днище этого горшка, происходит подача жидкого горючего и окислителя в камеру горения. Подача компонентов топлива рассчитывается та­ким образом, чтобы обеспечить полное сгорание. В камере сгорания (рис. 3) происходит воспламенение топлива, и продукты горения — горячие газы — с большой скоростью выбрасываются через специально про­филированное сопло. Окислитель и горючее помещаются в специальных баках, располагающихся на ракете или самолете. Для подачи окислителя и горючего в камеру сгорания применяют турбонасосы или выдавливают их сжатым нейтральным газом (например, азотом). На рис. 4 приведена фотография реактивного двигателя не­мецкой ракеты Фау-2.

Струя горячих газов, выбрасываемая из сопла реактив­ного двигателя, создает реактивную силу, действующую на ракету в сторону, противоположную скорости частиц струи. Величина реактивной силы равняется произведению массы отбрасываемых в одну секунду газов на относи­тельную скорость. Если скорость измерять в метрах в се­кунду, а массу секундного расхода через вес частиц в ки­лограммах, разделенных на ускорение силы тяжести , то реактивная сила будет получаться в ки­лограммах. Возьмем, например, реактивный двигатель, в котором каждую секунду сгорает 4,9 кг топлива. Пусть от­носительная скорость отбрасываемых частиц (продуктов сгорания) будет , тогда реактивная сила, кото­рую обозначим через , будет равна

У немецкой ракеты Фау-2 весовой секундный расход со­ставляет в среднем 127,4 кг. Скорость истечения продук­тов сгорания из сопла двигателя равна 2000 м/сек. Реак­тивная сила в этом случае равна

Приведенные примеры показывают, что реактивная сила тем больше, чем больше секундный расход топлива и чем больше относительная скорость отбрасывания частиц.

В некоторых случаях для сжигания горючего в камере реактивного двигателя приходится забирать воздух из ат­мосферы. Тогда в процессе движения реактивного аппа­рата происходит присоединение частиц воздуха и выбра­сывание нагретых газов. Мы получаем так называемый воздушно ─ реактивный двигатель. Простейшим примером воздушно ─ реактивного двигателя будет обыкновенная трубка, открытая с обоих концов, внутри которой помещен вентилятор. Если заставить вентилятор работать, то он будет засасывать воздух с одного конца трубки и выбрасывать его через другой конец. Если в трубку, в пространство за вентилятором, впрыснуть бензин и поджечь его, то скорость выходящих из трубки горячих газов будет зна­чительно больше, чем входящих, и трубка получит тягу в сторону, противоположную струе выбрасываемых из нее газов. Делая поперечное сечение трубки (радиус трубки) переменным, можно соответствующим подбором этих се­чений по длине трубки достигнуть весьма больших скоро­стей истечения выбрасываемых газов. Чтобы не возить с собой двигатель для вращения вентилятора, можно за­ставить струю текущих по трубке газов вращать его с нужным числом оборотов. Некоторые трудности будут воз­никать только при запуске такого двигателя. Простейшая схема воздушно-реактивного двигателя была предложена еще в 1887 году русским инженером Гешвендом. Идея ис­пользования воздушно-реактивного двигателя для совре­менных типов самолетов была с большой тщательностью самостоятельно разработана К. Э. Циолковским. Он дал первые в мире расчеты самолета с воздушно-реактивным двигателем и турбокомпрессорным винтовым двигателем. На рис. 5 дана схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя, у которого движение частиц воздуха по оси трубы создается за счет начальной скорости, получен­ной ракетой от какого-либо другого двигателя, а дальней­шее движение поддерживается за счет реактивной силы, обусловленной увеличенной скоростью отброса частиц по сравнению со скоростью входящих частиц.

Энергия движения воздушного реактивного двигателя получается за счет сжигания горючего, так же как и в простой ракете. Таким образом, источником движения любого реактивного аппарата является запасенная в этом аппарате энергия, которую можно преобразовать в механическое движение выбрасываемых из аппарата с большой скоростью частиц вещества. Как только будет соз­дано выбрасывание таких частиц из аппарата, он получает движение в сторону, противоположную струе извергаю­щихся частиц.

Направленная соответствующим образом струя выбра­сываемых частиц — основное в конструкциях всех реак­тивных аппаратов. Методы получения мощных потоков извергающихся частиц очень разнообразны. Проблема получения потоков отбрасываемых частиц простейшим и наиболее экономичным способом, разработка методов ре­гулирования таких потоков — важная задача изобретате­лей и конструкторов.

Если рассмотреть движение простейшей ракеты, то легко понять, что ее вес изменяется, так как часть массы ракеты сгорает и отбрасывается с течением времени. Ра­кета представляет собой тело переменной массы. Теория движения тел переменной массы создана в конце XIX века у нас в России И. В. Мещерским и К. Э. Циолковским.

Замечательные работы Мещерского и Циолковского прекрасно дополняют друг друга. Изучение прямолиней­ных движений ракет, проведенное Циолковским, сущест­венно обогатило теорию движения тел переменной массы благодаря постановке совершенно новых проблем. К со­жалению, работы Мещерского не были известны Циолков­скому, и он в ряде случаев повторял в своих работах более ранние результаты Мещерского.

Изучение движения реактивных аппаратов представ­ляет большие трудности, так как во время движения вес любого реактивного аппарата значительно изменяется. Уже сейчас существуют ракеты, у которых во время ра­боты двигателя вес уменьшается в 8—10 раз. Изменение веса ракеты в процессе движения не позволяет использо­вать непосредственно те формулы и выводы, которые по­лучены в классической механике, являющейся теоретиче­ской базой расчетов движения тел, вес которых постоянен во время движения.

Известно также, что в тех задачах техники, где про­ходилось иметь дело с движением тел переменного веса (например, у самолетов с большими запасами горючего), всегда предполагалось, что траекторию движения можно разделить на участки и считать на каждом отдельном уча­стке вес движущегося тела постоянным. Таким приемом трудную задачу изучения движения тела переменной массы заменяли более простой и уже изученной задачей о движении тела постоянной массы. Изучение движения ра­кет как тел переменной массы было поставлено на твердую научную почву К. Э. Циолковским. Мы называем теперь теорию полета ракет ракетодинамикой. Циолковский яв­ляется основоположником современной ракетодинамики. Опубликованные труды К. Э. Циолковского по ракетодинамике позволяют установить последовательное разви­тие его идей в этой новой области человеческого знания. Каковы же основные законы, управляющие движением тел переменной массы? Как рассчитывать скорость по­лета реактивного аппарата? Как найти высоту полета ра­кеты, выпущенной вертикально? Как выбраться на реак­тивном приборе за пределы атмосферы — пробить «пан­цирь» атмосферы? Как преодолеть притяжение земли — пробить «панцирь» тяготения? Вот некоторые из вопросов, рассмотренных и решенных Циолковским.

С нашей точки зрения, самой драгоценной идеей Ци­олковского в теории ракет является добавление к класси­ческой механике Ньютона нового раздела — механики тел переменной массы. Сделать подвластной человеческому разуму новую большую группу явлений, объяснить то, что видели многие, но не понимали, дать человечеству новое мощное орудие технических преобразований — вот те задачи, которые ставил перед собой гениальный Циолков­ский. Весь талант исследователя, вся оригинальность, творческая самобытность и необычайный взлет фантазии с особой силой и продуктивностью выявились в его рабо­тах по реактивному движению. Он на десятилетия вперед предсказал пути развития реактивных аппаратов. Он рас­смотрел те изменения, которым должна была подверг­нуться обыкновенная фейерверочная ракета, чтобы стать мощным орудием технического прогресса в новой области человеческого знания.

В одной из своих работ (1911 г.) Циолковский выска­зал глубокую мысль о простейших применениях ракет, ко­торые были известны людям очень давно. «Такие жал­кие реактивные явления мы обыкновенно и наблюдаем на земле. Вот почему они никого не могли поощрить к мечтам и исследованиям. Только разум и наука могли указать на преобразование этих явлений в грандиозные, почти не­постижимые чувству» 9 .

При полете ракеты на сравнительно небольших высо­тах на нее будут действовать три основные силы: сила тя­жести (сила ньютоновского тяготения), сила аэродинами­ческая, обусловленная наличием атмосферы (обычно эту силу разлагают на две: подъемную и лобового сопротив­ления), и реактивная сила, обусловленная процессом от­брасывания частиц из сопла реактивного двигателя. Если учитывать все указанные силы, то задача изучения дви­жения ракеты получается достаточно сложной. Естест­венно поэтому начать теорию полета ракеты с простейших случаев, когда некоторыми из сил можно пренебречь. Ци­олковский в своей работе 1903 года прежде всего исследо­вал, какие возможности заключает в себе реактивный принцип создания механического движения, не учитывая действия аэродинамической силы и силы тяжести. Такой случай движения ракеты может быть при межзвездных пе­релетах, когда силами притяжения планет солнечной си­стемы и звезд можно пренебречь (ракета находится до­статочно далеко и от солнечной системы и от звезд — в «свободном пространстве» — по терминологии Циолков­ского). Эту задачу называют сейчас первой задачей Циол­ковского. Движение ракеты в этом случае обусловлено только реактивной силой. При математической формули­ровке задачи Циолковский вводит предположение о по­стоянстве относительной скорости отброса частиц. При полете в пустоте это предположение означает, что реак­тивный двигатель работает при установившемся режиме и скорости истекающих частиц в выходном сечении сопла не зависят от закона движения ракеты.

Вот как обосновывает эту гипотезу Константин Эдуар­дович в своей работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами». «Чтобы снаряд получил наи­большую скорость, надо, чтобы каждая частица продуктов горения или иного отброса получила наибольшую относи­тельную скорость. Она же постоянна для определенных веществ отброса. ...Экономия энергии тут не должна иметь места: она невозможна и невыгодна. Другими словами: в основу теории ракеты надо принять постоянную относи­тельную скорость частиц отброса».

Циолковский составляет и подробно исследует урав­нение движения ракеты при постоянной скорости частиц отброса и получает весьма важный математический ре­зультат, известный сейчас как формула Циолковского.

Если обозначить буквой скорость ракеты в момент, когда ее масса равна а через обозначить постоянную скорость отбрасываемых из сопла двигателя частиц, то формула Циолковского будет иметь следующий вид:

где — масса ракеты в момент старта, когда ее скорость равна нулю; — знак десятичного логарифма.

Участок полета ракеты при работающем двигателе на­зывают активным участком полета. Скорость ракеты в конце активного участка будет наибольшей. Если масса ракеты при полностью израсходованном топливе будет равна , а наибольшая скорость, то из формулы ?