Важно понимать, как скорость газов влияет на увеличение скорости оболочки, т. е., чем больше скорость вырывающихся газов, тем больше скорость самой оболочки. Заметим, что эта формула записана для мгновенного сгорания газов, а в ракетах не происходит такого: топливо сгорает постепенно.

Как движется ракета?

Ракета движется благодаря выбрасыванию горючего в сторону, противоположную движению ракеты.

Рассмотрим движение ракеты (рис. 5).

Рис. 5. Движение ракеты

Пусть в начальный момент скорость ракеты равна , а масса ракеты вместе с газами и окислителем равна . Газы вытекают со скоростью относительно ракеты. Через некоторое время скорость ракеты станет , а масса ракеты . Масса вытекшего газа за время равна разности масс и . Скорость газов относительно Земли равна разности скорости и . В начальный момент времени суммарный импульс равен . После промежутка времени импульс равен сумме импульса ракеты и импульса вытекающих газов. Запишем закон сохранения импульса:

Если спроектировать закон сохранения импульса на ось и провести преобразования, можно получить закон, который описывает движение ракеты:

Знак минуса говорит о том, что ракета и газы движутся в разных направлениях. Разделим обе части этого уравнения на промежуток времени, в течение которого ракета разгонялась до скорости . Слева у нас получится сила тяги:

Слева у нас получится массовый расход , умноженный на скорость газов. В итоге получаем выражение для реактивной силы тяги:

Реактивная сила тяги зависит от двух параметров: от скорости, которой выбрасываются газы, и от массового расхода.

Постепенно масса ракеты уменьшается за счет сгорания топлива, и газы, вырывающиеся из ракеты, соответственно увеличивают скорость уже тела с уменьшающейся массой (рис. 6). В данном случае нужно говорить о законе сохранения импульса с переменной массой.

Рис. 6. Уменьшение массы ракеты

Реактивное движение бывает двух видов. Реактивное движение само по себе характерно для ракет в космосе. Ракеты летают во всех средах, в том числе в вакууме, и движение ракет обеспечивается наличием топлива и окислителя для него внутри самой ракеты.

Воздушно-реактивное движение – второй вид реактивного движения, характерный для реактивных самолетов. В этом случае никакой окислитель не нужен, потому что самолет летит в воздушном пространстве и, двигаясь с большой скоростью, прокачивает через себя большое количество воздуха (кислорода), который и окисляет топливо, дает большую температуру сгорания. Образуются газы, которые заставляют двигаться самолет вперед (рис. 7).

Рис. 7. Движение самолета

Ракетный двигатель содержит все компоненты рабочего тела на борту и способен работать в любой среде.

Воздушно-реактивный двигатель использует энергию окисления горючего кислородом воздуха, забираемого из атмосферы.

Чтобы перемещаться дальше в пространстве, необходимо постоянно увеличивать массу горючего. Так, например, чтобы создать такую ракету, которая преодолела бы силу притяжения Солнца, потребуется масса топлива в 55 раз больше, чем масса самой ракеты.

Расчет запаса топлива для ракеты

Сколько необходимо взять топлива на ракету, чтобы она стала искусственным спутником Земли?

Представим, что масса ракеты . Ускорение, которое будет у ракеты во время подъема на орбиту, равно . Посчитаем силу тяги:

У современных ракет скорость выброса газов равна .

Найдем массовый расход:

Если учесть, что первая космическая скорость , то при заданном ускорении этой скорости можно достигнуть за время .

Тогда нам понадобится горючего:

Обратите внимание, что масса топлива в 2 раза больше массы ракеты. Наши расчеты не совсем точны. Ведь в начальный момент масса ракеты не 10 тонн, а 30 тонн, с учетом массы топлива.