Физико-технические достижения в освоении космического пространства: реактивное движение и альтернативные способы космических путешествий

Предлагаемый урок был дан в апреле 2005 года ученикам девятых классов. В качестве научной основы использовались труды Георгия Георгиевича Полякова, профессора, доктора физико-математических наук, долгие годы преподававший механику (в том числе небесную) в Астраханском государственном университете. Идея космических путешествий, впервые появившаяся в фантастических произведениях Э.А. По, Г. Уэльса, А. Толстого, Ж. Верна, нашла свое техническое воплощение благодаря стараниям К.Д. Циолковского, С.П. Королева и многих других, отрывочные сведения о которых мы узнаем на недавно появившихся телеканалах.

На данный момент мысль о ракете, способной выводить полезный груз на орбиту родной Земли, доставить этот груз на другую планету (Луну, Марс и т.п.), в том числе и вывести за пределы Солнечной системы (американский проект “Пионер”) стала привычной.

Основу урока составило рассмотрение альтернативных (может быть и спорных) способов выведения полезного груза на орбиту Земли. В ходе его проведения были сделаны доклады о нескольких из более ста признанных космических проектов Г.Г. Полякова, основу которых составляет космический лифт. Когда материал готовился к опубликованию, вышла статья В.В. Порфирьева “О космическом лифте Ю.В. Арцутанова” (журнал “Физика”,  № 1, 1–15 января 2007), свидетельствующая о том, что названный вопрос вызывает большой интерес, и уже как минимум рассмотрение его может служить стимулом, способным разбудить фантазию девятиклассника.

К сожалению Г.Г.Поляков умер в августе 2005 года.

Идея американского космического лифта, суть которой не отличается от идеи профессора Г.Г. Полякова, но стоимость значительно выше, принята к реализации в проектах NACA.

ОТКРЫТЫЙ УРОК ПО ФИЗИКЕ

Тема: “Физико-технические достижения в освоении космического пространства: реактивное движение и альтернативные способы космических путешествий”

Девиз урока: “Земля – колыбель разума, но нельзя им вечно жить в колыбели”.

Цели урока:

Образовательные: подготовить учащихся усвоивших следующие знания:

• существует движение, возникающее при отделении от тела с некоторой скоростью какой-то его части; такое движение называют реактивным;
• скорость реактивно – движущегося тела зависит от скорости отделяемой от него части и от соотношения масс отделяемой части и самого тела;

Развивающие: подготовить учащихся, овладевших следующими видами деятельности

• создание экспериментальной установки по изучению реактивного движения;
• научить учащихся работать с дополнительной литературой, анализировать биографии ученых, значение их работ для развития науки

Воспитательные: подготовить учащихся, убедившихся в том что:

• представления о физических явлениях, которые возникают в нашем сознании в результате их изучения соответствуют действительности, т.е. являются отражением объективно существующего мира;
• знакомство учащихся с творчеством и биографией классиков науки и техники как средство воспитания и самореализация личности;
• воспитание познавательного интереса к физике и науке в целом при изучении творчества ученых и инженеров для формирования личности учащегося;

 ХОД УРОКА:

I. Организационный момент (2 мин.)

Проверяется готовность класса к уроку. Ученики открывают рабочие тетради и записывают число и тему урока.

Учитель сообщает цель урока.

II. Основная часть

Учитель: На протяжении всей первой четверти мы изучаем движение тел. Предлагаю вспомнить, что мы говорили про тело массой т , движущееся со скоростью V ? Какой физической величиной мы его характеризуем?

Ученик: Мы говорим, что тело обладает импульсом.

Учитель: Какую физическую величину называют импульсом?

Ученик: Импульс тела – это физическая величина, равная произведению массы тела на его скорость.

Учитель: А если перед вами несколько тел, можно ли для них применить закон сохранения импульса.

Ученик: Такая система называется замкнутой , для нее справедлив закон сохранения импульса: геометрическая сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной при любых движениях и взаимодействиях тел этой системы.

Учитель: С каким явлением мы познакомились на предыдущем уроке?

Ученик: Мы познакомились с реактивным движением.

Учитель: Дайте определение реактивного движения.

Ученик: Реактивное движение – это движение тела, возникающее в результате выброса им вещества. Реактивное движение объясняется законом сохранения импульса.

Учитель: На предыдущем уроке каждая из творческих групп получила домашнее задание: изготовить прибор для демонстрации реактивного движения.

Отчет творческих групп, демонстрация опытов:

• I-я творческая группа: пластмассовый стаканчик и две гибкие соломинки, загнутые в противоположные стороны, стаканчик подвешен на нити к штативу;
• II-я творческая группа: воздушные реактивные шарики с катушкой от ниток.

Учитель: Что вы можете сказать, наблюдая за работой этих приборов? Могут ли прийти в движение другие тела, если из них выбрасывается вода, воздух?

Ученик: Кто впервые предложил использовать ракеты для полетов с людьми на борту?

Ученик: Н.И. Кибальчич, К.Э Циолковский.

Заслушивается сообщение о биографии и работах Циолковского К.Э. или проводится беседа по вопросам:

1. Кто предложил первую конструкцию ракеты на жидком топливе?
2. Что вы знаете о формуле К.Э. Циолковского?
3. Какое предложение К.Э.Циолковского открыло дорогу в космос?

Учитель: Сделайте вывод о значении работ К.Э.Циолковского.

Ученики делают вывод и после обсуждения записывают его в тетрадь.

Вывод:

• предложил первую конструкцию ракеты на жидком топливе;
• вывел формулу для определения скорости ракеты (формула Циолковского – Мещерского);
• предложил использовать жидкий водород (H₂ ), а в качестве окислителя – жидкий кислород ( O₂ );
• предложил идею создания реактивных поездов, т.е. создания многоступенчатых ракет;

Учитель: Идеи К.Э.Циолковского о космических полетах были на столько смелы и оригинальны, что современники считали их утопией, и никто по достоинству не смог оценить его труд “Исследование мировых пространств реактивными приборами”. И прошло несколько лет, возрос интерес к проблеме ракетных двигателей. В 1931 году была создана Группа изучения реактивного движения (ГИРД), с 1932 г. это группу возглавлял С.П.Королев. В 1933 г. на базе этой группы был создан Реактивный научно-исследовательский институт (РНИИ) . А 17 августа 1933 г. на подмосковном испытательном полигоне в Нахабине была испытана первая советская экспериментальная ракета ГИДР – 09 (стартовый вес 19 кг, длина 2,4 м, диаметр 180 мм).

Заслушивается сообщение о жизни С.П. Королева.

Учитель: Мы посетили с вами Планетарий, слышали голос Ю.А. Гагарина. Его речь перед стартом.
Что вы почувствовали слушая голос Ю.А. Гагарина, дошедший до нас через десятилетия?

Ученики: Гордость, радость и т.д.

Учитель: В Астраханском Государственном университете работает доктор физико-математических наук, профессор Георгий Григорьевич Поляков. Многочисленные и разнообразные проекты автора посвящены грядущему освоению человечеством Солнечной системы, причем область их применения весьма обширна, ибо простирается от кольцевых гемоэлектростанций, движущихся вблизи Солнца, до транспортно-энергетических систем (ТЭС) у далекой двойной планеты. При этом главное внимание уделяется освоению системы Земля – Луна и большого числа более далеких от Солнца небесных – гигантов. Более 90% всех проектов Г.Г. Полякова относятся к перспективной и быстроразвивающейся тросовой космонавтики, у которой большое будущее. Она включает в себя использование в космосе не только тросов, но также нитей лент, труб, протянувшихся с небесных тел на орбитальные объекты между ними.
А сейчас предлагаю заслушать отчет о проектах Г.Г. Полякова.

• III-я творческая группа: возвращение грузов и космонавтов с орбитальной станции на Землю с помощью троса (рис. 1).

Рис. 1. Возвращение грузов и космонавтов с орбиты и космонавтов с орбиты на Землю с помощью троса

Сначала аппарат (состоящий из капсулы с полезным грузом, радиопередатчика (1–3) и парашютной системы (5) спускается с орбитальной станции на тросе на расчетную высоту.
Затем он отделяется от троса и пролетает через атмосферу по баллистической траектории (4). Завершается полет плавным спуском на парашюте. Таким же методом (с помощью троса ( в специальной капсуле могут возвращаться на Землю и космонавты).

Учитель: Известно, что в недалеком будущем в космосе появятся орбитальные заводы, оранжереи и даже города, для функционирования которых потребуется много воздуха и кислорода. Доставка их на орбитальные объекты в больших масштабах с помощью ракет очень неэкономично.
Для доставки воздуха в космические города Г.Г. Поляков предложил орбитальный воздухоподъемник и космический корабль – воздухозаборщик.

• IV-я творческая группа: орбитальный воздухоподъемник.

С космической станции (1), летящей на низкой орбите на высоте 200 – 250 км, спускается в верхнюю атмосферу Земли (до 130 – 110 км) нижний конец орбитального конвейера (2), вдоль которого равномерно расположены контейнеры (4) (рис. 2). Он вращается электродвигателем (3), питаемым от солнечной батареи. Давление набегающего воздушного потока открывает клапаны нижних контейнеров – баллонов и наполняет их воздухом. Затем они поднимаются на борт станции и там автоматически разгружаются.

Рис. 2. Орбитальный воздухоподъемник

• V-я творческая группа: космический корабль воздухозаборщик (рис. 3).

Учитывая, что под орбитой находится воздушный океан, транспортировку воздуха можно реализовать с помощью специального корабля, в носовой части которого помещается воздухозаборное устройство, состоящее из последовательно соединенных заборной воронки, теплообменника, компрессора и двух баллонов высокого давления (рис.3).
Сначала космический воздухозаборщик, летящий по низкой траектории переводится на траекторию спуска в атмосферу (с помощью реактивного двигателя и погружается в довольно плотные ее слои на глубину, 100 км, а затем выводится на исходную орбиту. Во время такого кратковременного нырка в плотную атмосферу включается носовое воздухозаборное устройство, которое производит забор воздуха.

Рис. 3. Космический корабль воздухозаборщик
1 – космический корабль, 2 – заборная воронка, 3 – теплообменник,
4 – компрессор, 5 – клапаны, 6 – баллоны, 7 – траекторная маневра

Если урок рассчитан на 2 часа, то можно разобрать следующие проекты:

• Космический сачок (творческая группа VI) экологическая проблема засорение околоземного космического пространства (рис. 4).

Рис. 4. Космический сачок

Как известно, степень загрязнения околоземного космического пространства элементами и осколками отслужившей космической техники постепенно возрастает и скоро может достигнуть опасных размеров.
Ввиду этого, для очистки окружающего Землю пространства от технического мусора предлагается использовать космический сачок (см. рис. 4), который состоит из орбитального буксира (ОБ), с которого вниз и вверх спущены на силовых тросах два многокилометровых устройства, напоминающих огромные сачки с мусоросборниками на свободных концах. Набегающие потоки космической пыли и газа, вращающиеся вокруг Земли, сориентируют вход верхнего сачка в сторону кругового движения ОБ, а нижнего  –   обратном направлении.
Поскольку космический мусор, расположенный выше ОБ, движется с меньшими, а ниже  – с большими круговыми скоростями, чем расположенные на таких же высотах элементы космического сачка, то верхний сачок будет набегать на частицы космического мусора и захватывать их, а в нижний сачок мусор станет влетать сам. После гашения пленкой сачков относительной скорости влетающих в них частиц мусора, они под действием силы тяжести станут скользить вдоль соответствующего сачка и падать в верхний и нижний мусоросборники, откуда транспортные корабли доставят их на орбитальные заводы в качестве вторсырья для космического производства и строительства. ОБ позволит переводить систему из двух космических сачков с одной орбиты на другую. Возможны связки ОБ только с нижним или верхним сачком.
Особенно эффективнс космические сачки поработают в метеорных кольцах планет-гигантов, вылавливая метеорное вещество как сырье для орбитальных заводов, которые могут располагаться на ОБ.

• Самодвижущийся космический конвейер – электростанция (творческая группа VII) транспортировка грузов на орбиты с одновременным получением электроэнергии от генератора.

Рис. 5. Электростанция
1 – большой астероид; 2 – лента с контейнерами; 3 – барабаны или шкивы;
4 – электрогенератор; 5 – нагруженные контейнеры; 6 – силовой трос; 7 – накопитель

Устройство, показанное на рисунке, представляет собой обычный конвейер (с электрогенератором на нижнем барабане), закрепленный на экваторе вращающегося астероида или планеты.
Он приводится в движение избытком центробежной силы инерции (вызванной вращением) над гравитационной, которые действуют на полезную нагрузку, находящуюся в контейнерах на поднимающейся ветви конвейера. Для этого длина конвейера должна превышать некоторое критическое значение, которое составляет, например, для самого большого астероида Цереры 2210 км, а для Марса 65,7 тыс. км. Аналогичный избыток удерживает конвейер от падения.
Транспортировка грузов на орбиты с одновременным получением электроэнергии от генератора происходит за счет кинетической энергии собственного вращения небесного тела, которая практически неограниченна. Необходимо лишь непрерывно загружать конвейер в нижней его части и совершить пусковую работу электродвигателем (в который на время превращается электрогенератор) по подъему нагруженных контейнеров на высоту большую критической за счет солнечных батарей.
Вверху же грузы станут сначала поступать в накопитель, а затем большими партиями сбрасываться на заданные гиперболические траектории и переходить на эллиптические орбиты вокруг Солнца с последующим использованием в космическом строительстве.

• 3. Кольцеград (творческая группа VIII)

В будущем вокруг Земли (да и других небесных тел) станут вращаться кольцевые города, в которых будет значительная сила тяжести, но направленная не вниз, а радиально вверх от Земли. Вдоль обеих боковых стенок Кольграда на всем его протяжении расположатся дома, предприятия, оранжереи и т.д., между ними пройдет кольцевая дорога с электротранспортом.
Для обеспечения устойчивости кольца оно должно содержать упругие вставки и спецустройства, позволяющие ему немного изменять размеры. По наружному ободу Кольцеграда пройдут инженерные сооружения и канализация, а по внутреннему – планетно – кольцевая электростанция. (рис. 6).

Рис. 6. Кольцеград
1 – жилые кварталы, 2 – упругие соединения и спецустройства, 3 – почва и инженерные коммуникации,
4 – плането-кольцевая электростанция, Р – сила тяжести

Учитель: Проекты и идеи Г.Г. Полякова имеют приоритетное значение для России. За научные достижения бюро Президиума Федерация космонавтики России наградила Г.Г. Полякова Гагаринским дипломом Федерации космонавтики РФ и пятью медалями, в том числе медалью К.Э Циолковского.

После обсуждения проектов учащиеся формулируют вывод о значении работ профессора Полякова и записывают его в тетрадь.

Выводы:

1. Ряд проектов можно использовать уже в близком будущем.
2. Проекты закрепляют приоритет России в грядущем освоении человечеством Солнечной системы.
3. Все проекты могут служить хорошей основой для создания увлекательных и познавательных научно – популярных кинофильмов, посвященных перспективам космонавтики в XXI веке и привлечению талантливой молодежи в космонавтику.
4. Ознакомление со множеством оригинальных проектов будит воображение, научную фантазию и даст толчок для возникновения новых еще более интересных идей и проектов.
5. Теоретические исследования и многочисленные формулы, полученные автором для расчета своих тросовых систем найдут применение при разработках других космических систем и проектов.

Ученик зачитывает предисловие английского ученого и писателя Артура Кларка опубликованное к его роману “Фонтана рая”.

III. Итог урока.

Учитель: А сейчас я прошу Вас ответить письменно на следующие вопросы:

– Какие чувства Вы испытали во время проведения сегодняшнего урока?
– Что вам понравилось на уроке?
– Что бы Вы хотели пожелать Г.Г. Полякову? Если есть предложения, то сформулируйте их.

IV. Домашнее задание:

1. § 21 – 23, повторить.
2. Придумать проект космических путешествий и т.д. (для желающих).
3. Современные методы и средства космонавтики.