Даньшин Г.В - Многопрофильной инженерной олимпиаде

Шифр
Многопрофильная инженерная олимпиада
«Будущее России»
РЕГИСТРАЦИОННЫЙ ЛИСТ УЧАСТНИКА
7-8 класс
Профиль: Авиационные и ракетно-космические технологии
Фамилия: Даньшин
Имя: Глеб
Отчество: Владимирович
Общеобразовательная организация (в соответствии с уставом):
МБОУ «Лицей №1»
Наименование населенного пункта: город Нефтеюганск
Класс: 7В
Результат
Подписи членов жюри
______________/_______________
______________/_______________
______________/_______________
Многопрофильная инженерная олимпиада «Будущее России»
Космический звездолет «Альтаир»
Автор: Даньшин Глеб,
Ученик 7в класса МБОУ «Лицей №1»
Руководитель: Комков В. Е.
Нефтеюганск
2015 год
Введение
Человек давно обратил своё внимание к звёздам. На сегодняшний день,
когда люди вплотную подошли к полетам на другие планеты, именно вопрос
"как это сделать?", наиболее сложен.
Конечно, рано или поздно Солнечная система будет нами освоена и "облётана", и когда-то мы полетим к другим звёздам, но, как это всегда бывает, с
чего-то нужно начинать.
Четвертая планета Солнечной системы - Марс - всегда была объектом
пристального внимания обитателей Земли. До недавнего времени считалось:
красная планета настолько похожа на нашу, что там наверняка есть жизнь,
возможно, даже разумная. Поэтому полет человека на Марс всегда представлялся делом естественным и даже необходимым.
Как эту задачу решать? Так вот, задавшись целью исследовать проблему
полетов на Марс, можно прийти к совершенно неожиданному выводу: земляне не только не готовы к экспедициям на Марс и другие планеты Солнечной системы, ну и в обозримом будущем это долгожданное событие вряд ли
произойдёт.
Цели и задачи
Цель: разработать конструкцию межзвездного звездолета.
Задачи:
1. Проанализировать существующие проекты по созданию космических звездолетов.
2. Разработать собственную модель звездолета.
Основной доклад
Одной из главных задач, которые придется решить человеку при подготовке экспедиции на Марс, является расчёт времени полета. Это очень существенно, так как необходимо создать такую автономную систему жизнеобеспечения, которая гарантировала бы успех всего труднейшего предприятия.
Оговоримся сразу, что современная ракетно-космическая техника, использующая принципы реактивного движения сумела достичь только первой (7,9
км/с) и второй (11,2 км/с) космических скоростей, необходимых для выхода
космического корабля на околоземную орбиту и полетов к другим планетам.
Третья космическая скорость была достигнута американскими станциями
"Пионер" не за счет силы тяги двигателей, а за счет ускорения в гравитационном поле планет-гигантов (Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна) при пролете мимо них. Вот и все наши успехи. Тем не менее, второй космической скорости вполне достаточно для полета на Марс и возвращения обратно. Для
полета на Марс предполагается использовать время наибольшего сближения
планет, так называемое Великое противостояние. Оно наступает раз в 15-17
лет, когда расстояние между Марсом и Землей минимально, примерно, 55-57
млн. км.
Если разделить расстояние между планетами в период Великого противостояния на приращение скорости для достижения второй космической 3,3
км/с (11,2- 7,9), получим время полёта к Марсу - примерно 7 месяцев. Однако
по прямой в космосе летать невозможно. Космический корабль увлекается
силой инерции вращения Земли вокруг Солнца, и поэтому он летит по сильно вытянутой дуге от орбиты Земли к орбите Марса. Поскольку Земля "догоняет" Марс, вылетать нужно заранее, чтобы подлет к нему приходился на период противостояния.
Ракетный двигатель — реактивный двигатель, источник энергии и рабочее тело которого находится в самом средстве передвижения. Ракетный
двигатель — единственный практически освоенный для вывода полезной нагрузки на орбиту искусственного спутника Земли и применения в условиях
безвоздушного космического пространства тип двигателя. Сила тяги в ракетном двигателе возникает в результате преобразования исходной энергии в
кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. В зависимости от
вида энергии, преобразующейся в кинетическую энергию реактивной струи,
различают химические ракетные двигатели, ядерные ракетные двигатели и
электрические ракетные двигатели.
Электрический ракетный двигатель (ЭРД) — ракетный двигатель,
принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии
в направленную кинетическую энергию частиц.
Различают следующие типы двигателей:
электротермические ракетные двигатели (ЭТД);
электростатические двигатели (ИД, СПД);
сильноточные (электромагнитные, магнитодинамические) двигатели;
импульсные двигатели.
В настоящее время электрические ракетные двигатели широко используются
как в двигательных установках спутников Земли, так и в двигательных установках межпланетных космических аппаратов.
Электротермические двигатели делятся по типу нагрева газа. Самый простой — электронагревный. В нём газ нагревается за счёт теплообмена
с нагревательным элементом. Нагревательный элемент делается из электропроводящего материала, выдерживающего высокие термические нагрузки
(графит, сплавы вольфрама, молибдена, рения). В электродуговом электрическом двигателе газ нагревается в электрической дуге постоянного или переменного тока.
Так как газ не может быть нагрет выше температуры нагревателя, наибольшую скорость истечения можно получить при той же температуре с газом
малой молекулярной массы (водород, гелий). На практике использование водорода затруднено из-за сложности его хранения. Иногда используются аммиак или гидразин, которые хранятся в жидком виде. Также возможно использование азота и других химически инертных газов.
Анализ
Я нашел несколько моделей космических звездолетов. Например:
Проанализировав эти проекты, я решил создать собственную модель космического звездолета.
Модель моего звездолета
Принцип работы моего космического звездолета
Для полетов на Марс предлагаю использовать звездолет с электротермическим двигателем с использованием ядерного реактора. В механическом отсеке находится ядерный реактор, выделяющий энергию в виде тепла. Это тепло
нагревает бак с водой, образуется пар, который поступает в турбину. Вырабатывается электричество, которое вместе с рабочим телом поступает в электродуговой электротермический ракетный двигатель. Рабочее тело нагревается, и его тепловая энергия преобразуется в кинетическую энергию струи в
сопле. В результате этого ракета приобретает скорость, направленную противоположно вылету струи. При этом происходят следующие преобразования
энергии: энергия, выделяющаяся при распаде ядерного топлива, переходит во
внутреннюю энергию пара, пар вращает турбину, то есть энергия пара переходит в кинетическую энергию турбины. Турбина вырабатывает электрическую энергию, за счет которой нагревается дуга. От дуги нагревается рабочее
тело, поступающее из хранилища. В дальнейшем внутренняя энергия рабочего тела преобразуется в кинетическую энергию ракеты.
EТоп QВоды EТурб EЭл QДуги QРаб. тело EКин
Выводы
Цели и задачи, поставленные мной в проекте, выполнены. Представлена модель звездолета для космических путешествий как внутри галактики, так и за
ее пределами.