Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение
«Гимназия №1 имени Героя Советского Союза Дмитрия Захаровича Тарасова»

Проект

на тему

«Реактивное движение»

2025 г.

Содержание

Введение

Реактивное движение представляет собой одно из наиболее интересных и важных явлений в физике, которое находит свое применение как в природе, так и в технике.

Актуальность данной работы обусловлена недостатком знаний о механизмах реактивного движения и его проявлениях в различных областях. Несмотря на то, что реактивное движение активно используется в современных технологиях, многие аспекты этого явления остаются недостаточно изученными. Это создает пробелы в понимании, которые могут затруднить дальнейшие исследования и разработки.

Цель работы: изучить основы реактивного движения, его принципов и примеров, а также на проведение экспериментальных исследований, (разработать и собрать работоспособную модель ПуВРД для экспериментального изучения его характеристик и проверки принципов работы в лабораторных условиях).

Задачи:

1. Изучить и проанализировать информацию по теме «Реактивное движение».

2. Проанализировать типы реактивных двигателей.

3. Разработать и собрать действующую модель реактивного двигателя.

4. Улучшить конструкцию модели для повышения КПД.

Объект исследования: изучение реактивного движения.

Предмет исследования: свойства реактивного движения.

При выполнении работы были выполнены следующие методы исследования:

1. Теоретические (анализ литературы);

2. Экспериментально-теоретические (проведение экспериментов).

Гипотеза: горение спиртовоздушной смеси в стеклянной банке
с открытым горлышком (упрощённая модель ПуВРД) создаёт реактивную тягу за счёт направленного истечения горячих газов, при этом эффективность процесса зависит от площади выходного отверстия и концентрации паров спирта.

Глава 1. Основы реактивного движения

1.1. История открытия реактивного движения

История открытия реактивного движения берёт начало в античности, когда Герон Александрийский в I веке н.э. изобрёл эолипил (Приложение 1. Рис. 1) – первый известный прибор, демонстрирующий принцип реактивной тяги. Однако практическое применение этого открытия началось лишь в XIII веке с появлением пороховых ракет в Китае. Научное обоснование реактивного движения было дано Исааком Ньютоном, который в 1687 году сформулировал третий закон механики, ставший теоретической основой для всех последующих разработок.

Настоящий прорыв произошёл в начале XX века благодаря трудам Константина Циолковского (Приложение 1. Рис. 2), который в 1903 году опубликовал фундаментальную работу по теории реактивного движения и космонавтике. Практическую реализацию этих идей осуществил американский учёный Роберт Годдард, успешно запустивший в 1926 году первую в мире жидкостную ракету. Параллельно в 1930-х годах британский инженер Фрэнк Уиттл и немецкий конструктор Ганс фон Охайн независимо друг от друга разработали первые работоспособные турбореактивные двигатели.¹

Реактивная эра в авиации началась 27 августа 1939 года с полёта немецкого Heinkel He 178 – первого в истории самолёта с турбореактивным двигателем. Вторая мировая война ускорила развитие реактивных технологий: в 1944 году Германия применила баллистическую ракету Фау-2 с жидкостным ракетным двигателем, созданную под руководством Вернера фон Брауна. После войны эти разработки легли в основу космических программ СССР и США, приведя к запуску первого искусственного спутника в 1957 году и полёту человека в космос в 1961 году. Современный этап развития реактивного движения характеризуется революционными прорывами и разнонаправленным развитием технологий. Ключевым достижением последнего десятилетия стало создание многоразовых космических систем, среди которых особенно выделяются ракеты Falcon 9 и Starship компании SpaceX, совершившие переворот в экономике космических запусков. Параллельно развиваются перспективные двигательные технологии – от метановых двигателей нового поколения до экспериментальных ядерных тепловых установок для межпланетных перелётов. Особое внимание уделяется гиперзвуковым технологиям: ведущие мировые державы активно разрабатывают гиперзвуковые прямоточные двигатели (scramjet) как для военных, так и для потенциальных гражданских применений. В авиации наметился тренд на электрификацию и создание гибридных силовых установок, в то время как космическая отрасль осваивает ионные и плазменные двигатели для дальних миссий. Военная сфера демонстрирует качественный скачок в разработке высокоточных крылатых ракет и противоспутниковых систем. Примечательно, что современный этап характеризуется активной коммерциализацией космоса - частные компании предлагают всё более доступные решения для вывода грузов на орбиту. Эти инновации открывают путь к амбициозным проектам будущего: принципиально новым транспортным системам, стирающим границы между атмосферными и космическими полётами.²

1.2. Физические основы реактивного движения

Реактивное движение, основывающееся на третьем законе Ньютона, представляет собой сложный физический процесс, имеющий множество применений в технике и природе. Согласно этому закону, на действие всегда есть равное и противоположное противодействие, что иллюстрирует принцип работы реактивных двигателей. Применяя его, ракеты и реактивные самолеты выбрасывают газы с высокой скоростью, что создает силу тяги, позволяющую им двигаться в противоположном направлении.

Одним из простых примеров, иллюстрирующих работу реактивного движения, служит воздушный шарик (Приложение 1. Рис. 3). При выходе воздуха из шарика создается импульс, направленный в сторону противоположную движению струи.

Импульс материальной точки – физическая величина, равная произведению массы материальной точки на её скорость:

=

в СИ [] = кг · м/c

Закон сохранения импульса предоставляет дополнительную основу
для понимания реактивного движения. Согласно этому закону, сумма импульсов в системе до и после взаимодействия остается неизменной.
Он справедлив для систем, содержащее произвольно число тел:

m11 + m22 + ... = m1′1 + m2′2 ... +³

В контексте реактивного движения это означает, что при выделении определенного количества газа в одном направлении, система, состоящая
из ракеты и выбрасываемого газа, будет двигаться в противоположном направлении с определенной скоростью. Это также объясняет, как реактивные двигатели обеспечивают необходимую тягу, позволяя преодолевать гравитационные силы и инерцию.

В случае реактивного двигателя ракеты, сила, осуществляющая движение, появляется за счет выделения реактивной массы в виде газа, который, покидая двигатели, оказывает воздействие на саму ракету (Приложение 1. Рис. 4). Это взаимодействие и создает необходимую силу для подъемов и маневров в атмосфере и в открытом космосе. Важным аспектом является то, что реактивное движение не требует взаимодействия с внешней опорой, что отличает его от большинства других видов двигательной силы. Таким образом описать реактивное движение можно формулой:

V = u * (m / (M – m))

– где v – приобретённая скорость ракеты, u – скорость истечения газов относительно ракеты, m – масса выброшенных газов, M – начальная масса ракеты. ⁴

Важные замечания:

1. Формула справедлива для одного мгновенного «импульса» выброса газов.

2. Для реальных ракет с непрерывным истечением используется формула Циолковского.

3. При m << M формула сводится к более простому виду v ≈ u*(m/M).

4. В данном случае предполагается, что начальная скорость ракеты равнялась нулю.

На самом деле истечение происходит постепенно в течение всего времени ускоренного движения ракеты. Каждая последующая порция газа выбрасывается из ракеты, которая уже приобрела некоторую скорость. Для получения более точной формулы необходимо ввести понятие реактивной силы тяги. Реактивная сила тяги действует на ракету со стороны истекающих газов, она направлена в сторону, противоположную относительной скорости:

F = u⋅dm / dt

– где F – сила тяги, u – скорость истечения газов относительно ракеты, dm/dt – расход топлива.

Сила реактивной тяги создает ускорение:

a(t) = F/M(t) = u⋅(dt/dm) / M(t)

Чтобы найти итоговую скорость (Δv), нужно проинтегрировать
все маленькие приращения скорости dv = a(t) ⋅ dt за всё время работы двигателя. После интегрирования получается уравнение Циолковского:

Δv = u ⋅ ln (M1/M0)

Из неё следует, что конечная скорость ракеты может превышать относительную скорость истечения газов. Следовательно, ракета может быть разогнана до больших скоростей, необходимых для космических полётов. Но это может быть достигнуто только путём расхода значительной массы топлива, составляющей большую долю первоначальной массы ракеты. Стартовая масса одноступенчатой ракеты должна примерно в 14 раз превышать конечную массу. Значительное снижение стартовой массы ракеты может быть достигнуто при использовании многоступенчатых ракет, когда ступени ракеты отделяются по мере выгорания топлива. Из процесса последующего разгона ракеты исключаются массы контейнеров, в которых находилось топливо, отработавшие двигатели, системы управления и т. д. Именно по пути создания экономичных многоступенчатых ракет развивается современное ракетостроение.⁵

1.3. Примеры реактивного движения в природе

Реактивное движение в природе встречается в различных формах и служит основным механизмом передвижения многих морских организмов. Головоногие моллюски – осьминоги, кальмары (Приложение 1. Рис. 5) и каракатицы – используют мантийную полость и сифон для резкого выброса воды. Медузы двигаются, сокращая купол и выталкивая воду с эффективностью до 70%, преодолевая 10–15 метров за одно сокращение. Морские гребешки создают двойную струю, хлопая створками раковины до 50 раз подряд. Некоторые ракообразные используют ногочелюсти для серийных прыжков. Эти природные системы отличаются высокой энергоэффективностью (КПД
30–70%), возможностью мгновенного старта (0,1–0,5 сек) и превосходной маневренностью. Особенно впечатляют кальмары, сочетающие реактивное движение с аэродинамическими плавниками, и осьминоги, способные
к серийным импульсам по 3–5 выбросов в секунду. Эти биологические механизмы вдохновляют инженеров на создание перспективных подводных аппаратов, демонстрируя эволюционно отработанные решения
для эффективного перемещения в водной среде.⁶

Однако принципом реактивного движения пользуются не только животные, но и некоторые виды растений. Наиболее яркий пример – бешеный огурец (Приложение 1. Рис. 6), который при созревании создает внутри плода давление до 6 атмосфер. Когда плод отделяется от плодоножки, семена с силой выстреливаются через образовавшееся отверстие со скоростью до 10 м/с на расстояние 10–12 метров. Другой пример – кислица, чьи семенные коробочки при созревании резко растрескиваются, выбрасывая семена под действием накопленного напряжения в тканях.⁷

1.4. Техническое проявление реактивного движения

В современной технике используются четыре основных типа реактивных двигателей, каждый со своими особенностями и сферами применения. Турбореактивные двигатели (Приложение 1. Рис. 7) (ТРД) – наиболее распространённый тип для авиации, где воздух сжимается компрессором, смешивается с топливом в камере сгорания, а образующиеся газы создают тягу через сопло, одновременно вращая турбину. Для большей эффективности существуют турбовентиляторные двигатели (ТРДД) с дополнительным внешним контуром, обеспечивающие лучшую топливную экономичность, что делает их идеальными для пассажирских авиалайнеров. Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели (ПуВРД) отличаются простотой конструкции без подвижных частей, работая только на высоких скоростях, поэтому применяются преимущественно в крылатых ракетах, тогда как их сверхзвуковая версия (СПВРД) используется в гиперзвуковых аппаратах. Наиболее мощными являются ракетные двигатели: жидкостные (Приложение 1. Рис. 8) (ЖРД), где топливо и окислитель подаются насосами в камеру сгорания, обеспечивая огромную тягу для космических ракет, и твердотопливные (РДТТ) с простой, но нерегулируемой конструкцией, часто применяемые в ускорителях и баллистических ракетах. Для длительных космических миссий разработаны ионные (Приложение 1. Рис. 9) и плазменные двигатели, создающие малую, но чрезвычайно эффективную тягу за счёт ускорения частиц электрическим полем, что позволяет достигать рекордных значений удельного импульса. Каждый тип двигателя оптимизирован под конкретные задачи, будь то преодоление атмосферы, межконтинентальные перелёты или исследование дальнего космоса.⁸

1.5. История создания ПуВРД и патент

Детально рассмотрим простейший тип ВРД, для дальнейшего моделирования реактивного движения. Первые патенты на пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД) были получены независимо друг от друга в 1860-х годах Шарлем де Луврье (Франция) и Николаем Афанасьевичем Телешовым (Приложение 1. Рис. 10) (Россия). Телешов получил патент на постройку пассажирского самолёта на реактивной тяге – усовершенствованную систему воздухоплавания «Дельта». Конструкция представляла собой моноплан с треугольным крылом и подвешенную под ним гондолу, рассчитанную на 120 пассажиров. За два года до Телешова французский изобретатель Шарль де Луврье запатентовал проект самолёта «Аэронав», также имевшего ПуВРД. Конструкция этого самолёта напоминала воздушного змея на мачте, прикреплённой сверху к фюзеляжу. Долгое время изобретение оставалось невостребованным.⁹

1.6. Принцип работы ПуВРД

Как следует из названия двигатель работает в режиме пульсации. Его тяга развивается не непрерывно как у прямоточных или турбореактивных двигателей, а в виде серии импульсов следующих друг за другом с частотой от 10 Герц (для крупных двигателей) до 250 Герц (для малых двигателей). ПуВРД (Приложение 1. Рис. 11 и 12) обладает большим удельным импульсом
по сравнению с ракетными двигателями, но сильно уступает турбореактивным. Сначала топливно-воздушная смесь под давлением подает в камеру сгорания, при этом открываются клапаны. Затем за счет свечи зажигания происходит воспламенение топливно-воздушной смеси, давление возрастает и клапаны закрываются. Газы двигаются по длинной трубе наружу, из-за инерции в камере сгорания появляется разряжение, клапаны открываются и засасывается новая порция топливно-воздушной смеси. Одновременно с этим небольшая часть горячих газов в трубе останавливается и начинает двигаться в сторону камеры сгорания, при этом создается подпор топливно-воздушной смеси и ее воспламенении (Приложение 1. Рис. 13).

Преимущества:

1. Простота конструкции (отсутствие компрессора, турбин и подвижных частей).

2. Лёгкость и компактность.

3. Меньший тепловой след по сравнению с ТРД (нет раскалённой турбины).

Недостатки:

1. При переходе на сверхзвук требуется сопло Лаваля.

2. Не работает в вакууме (в отличие от ракетных двигателей).

3. Плохо адаптируется к резким изменениям скорости/высоты.

Глава 2. Практическая часть

2.1. Создание модели ПуВРД

Для эксперимента используется пустая стеклянная банка (объемом 1,5 л), изопропиловый спирт, пластиковая крышка для банки, компрессор, газовая горелка.

Первым делом на токарном станке проделываем отверстие в крышке банки (оно выполняет роль сопла). В качестве камеры сгорания выступает стеклянная банка. Добавляем в банку спирт (около 100 мл). После встряхивания (для образования топливно-воздушной смеси) поджигаем пары у отверстия.
В ходе горения создается избыточное давление, и горячие газы вырываются через отверстие, создавая реактивную тягу (Приложение 2. Рис. 1). Измерение тяги осуществляется при помощи электронных весов.

2.2. Результаты эксперимента

Серия экспериментов (Приложение 2. Рис. 2 и 3) привела к удачному моделированию реактивного движения. Наблюдения показывают, что слишком маленькое отверстие приводит к слабой тяге из-за ограниченного выхода газов, а слишком большое – к неэффективному истечению без создания достаточного реактивного импульса.

Достоинства модели:

1. Не требует сложных материалов.

2. Показывает, почему в ПуВРД важен баланс топлива и воздуха.

3. Хорошо видно, как горение создает тягу.

Недостатки модели:

1. Отсутствия системы клапанов → воздух/топливо смешиваются как попало.

2. Нет прочных материалов (в реальных ПуВРД – жаропрочная сталь).

3. Тягу сложно измерить точно.

4. Непредсказуемость (движение банки становится хаотичным).

Оптимизация модели для получения большего КПД.

1. Использование металлической камеры сгорания вместо стеклянной.

2. Проделать второе отверстие для забора воздуха.

3. Поместить в банку медную сетку (катализатор).

Вывод: эксперимент с горением спиртовоздушной смеси в стеклянной банке подтвердил, что реактивная тяга действительно возникает за счёт направленного истечения горячих газов, однако её эффективность критически зависит от параметров системы. Для более точных исследований требуются усовершенствования.

Заключение

Проект по изучению реактивного движения на примере модели ПуВРД из стеклянной банки наглядно продемонстрировал фундаментальные принципы работы реактивных двигателей. Эксперимент подтвердил, что даже простейшая конструкция способна создавать реактивную тягу за счёт направленного истечения горячих газов, однако её эффективность оказалась крайне низкой из-за отсутствия ключевых элементов реальных двигателей: системы подачи воздуха, точного дозирования топлива и жаропрочных материалов. Проект показал, что создание работоспособного реактивного двигателя - это сложный процесс, где даже небольшие погрешности в расчётах приводят к значительному снижению КПД или авариям. Полученные знания могут быть применены для разработки более совершенных моделей и понимания принципов работы реальных авиационных и ракетных двигателей. Все цели и задачи нашего проекта выполнены.

Список литературы

1. Движение ракеты – физика, а также ее строение и устройство [Электронный ресурс] // wika.tutoronline.ru – Режим доступа: https://wika.tutoronline.ru/fizika/class/10/reaktivnoe-dvizhenie, свободный. – Загл. с экрана.

2. Реактивное движение – формула, теория, принцип [Электронный ресурс] // obrazovaka.ru – Режим доступа: https://obrazovaka.ru/fizika/reaktivnoe-dvizhenie-formula.html, свободный. – Загл. с экрана.

3. Реактивное движение – Википедия [Электронный ресурс] // tr-page.yandex.ru – Режим доступа: https://en.wikipedia.org/wiki/jet_propulsion, свободный. – Загл. с экрана.

4. Реактивное движение. История и развитие [Электронный ресурс] // school-science.ru – Режим доступа: https://school-science.ru/20/11/56368, свободный. – Загл. с экрана.

5. «За счет чего происходит реактивное движение ракеты в космосе?» – Яндекс Кью [Электронный ресурс] // yandex.ru – Режим доступа: https://yandex.ru/q/science/9053333505/, свободный. – Загл. с экрана.

6. Закон сохранения импульса. Реактивное движение [Электронный ресурс] // zaochnik-com.com – Режим доступа: https://zaochnik-com.com/spravochnik/fizika/zakony-sohranenija-v-mehanike/zakon-sohranenija-impulsa/, свободный. – Загл. с экрана.

7. Работа ракеты и реактивного самолета в терминах Третьего закона Ньютона. [Электронный ресурс] // qsstudy.com – Режим доступа: https://qsstudy.com/working-of-rocket-and-jet-plane-in-terms-of-newtons-third-law/, свободный. – Загл. с экрана.

8. Билет № 3. Третий закон Ньютона. Импульс. Закон сохранения... [Электронный ресурс] // studfile.net – Режим доступа: https://studfile.net/preview/8764881/page:2/, свободный. – Загл. с экрана

9. Реактивное движение в природе: основа, закон реактивного движения. [Электронный ресурс] // wika.tutoronline.ru – Режим доступа: https://wika.tutoronline.ru/fizika/class/10/osnovnye-svedeniya-o-reaktivnom-dvizhenii-v-prirode, свободный. – Загл. с экрана.

10. Реактивное движение в живой природе | Биофизика [Электронный ресурс] // iralebedeva.ru – Режим доступа: https://iralebedeva.ru/sitesb_19.html, свободный. – Загл. с экрана.

11. Реактивное движение в природе и технике – презентация онлайн [Электронный ресурс] // ppt-online.org – Режим доступа: https://ppt-online.org/875959, свободный. – Загл. с экрана.

12. Реактивное движение морских животных медузы, кальмара, осьминога. [Электронный ресурс] // zhaltyrkol.edu.kz – Режим доступа: http://zhaltyrkol.edu.kz/public/files/2022/11/18/181122_132947_reaktivnoe-dvighenie-morskih-ghivotnyh-meduzy-kalymara.pptx, свободный. – Загл. с экрана.

13. Физика. Реактивное движение в природе и в технике [Электронный ресурс] // fb.ru – Режим доступа: https://fb.ru/article/240941/fizika-reaktivnoe-dvijenie-v-prirode-i-v-tehnike, свободный. – Загл. с экрана.

14. Принцип реактивного движения на примере модели ракеты [Электронный ресурс] // school-science.ru – Режим доступа: https://school-science.ru/12/11/48346, свободный. – Загл. с экрана.

15. Реактивное движение • Физика, Законы сохранения в механике... [Электронный ресурс] // foxford.ru – Режим доступа: https://foxford.ru/wiki/fizika/reaktivnoe-dvizhenie, свободный. – Загл. с экрана.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Рис. 1. Эолипил

Рис. 2. Циолковский

Рис. 3. Движение шарика

Рис. 4. Схема движения ракеты

Рис. 5. Схема движения кальмара

Рис. 6. Схема движения бешенного огурца

Рис. 7. ТРД

Рис. 8. ЖРД

Рис. 9. Ионный ракетный двигатель

Рис. 10. Телешов

Рис. 11. Бесклапанный ПуВРД

Рис. 12. ПуВРД с клапанным механизмом

Рис. 13.

Приложение 2

Рис. 1.

Рис. 2. Таблица

Рис. 3.