Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Воздушный старт

Предмет: физика

Тип проекта: практико-ориентированный

Срок выполнения проекта: 14 сентября 2014 г. по 28 февраля 2015 г.

Выполнила:

Семчанкова К.В.

МКОУ ДОД СЮТ

(МБОУ Школа № 97, 10 класс)

Руководители:

Коноплев Ю.В.

педагог ЦМИТ МКОУ ДОД СЮТ

Содержание

Введение

Основная часть

1 этап. Информационно-аналитический

История Воздушного старта
Воздушный старт и его назначение

1.3 Аэростат, его виды и назначения

этап. Технологический (подготовка)

Теоретическое обоснование

2.2 Конструкция воздушного старта

этап. Технологический (сборка)

Аэростат № 1
Аэростат № 2
Спортивная модель ракеты класса S3A

3.4 Крепление

этап. Испытание комплекса

Испытание комплекса воздушного старта

Заключение

Введение

В наше время мы часто слышим новости о том, как какая-нибудь страна вывела на орбиту спутник или доставила своего космонавта на МКС. Но не каждый представляет себе насколько это сложный и дорогостоящий процесс - процесс запуска ракетоносителей. Не случайно в последнее время правительства некоторых стран прекращают или сокращают поддержку космических программ.

Система космодромов уже постепенно теряет свою рентабельность и необходимость, как единственный вариант запуска ракет. Необходимо что-то более мобильное, дешёвое, актуальное и перспективное.

Воздушный старт - это оперативный и значительно более дешевый запуск малых спутников с субтропосферной аэростатической платформы на низкие опорные орбиты вокруг Земли. Оперативный старт комплекса из любой точки планеты и на любой азимут позволяет сразу же направить космический аппарат в необходимый район и мгновенно получить результат, при этом экономия средств может в теории достигать порядков. Средством доставки чаще всего служит другой самолет, но такой способ сопровождается рядом проблем, решить которые можно используя дирижабль в качестве средства доставки. Подобные программы уже активно развиваются в нашей стране.

В данной работе я предлагаю модельный эксперимент запуска ракеты с платформы, находящейся на аэростате. Для проведения пробного запуска была разработана конструкция аэростата и применена пороховая ракета, выполненная учащимися объединения «Ракетомоделирование».

Цель: Смоделировать проведение воздушного старта пороховой ракеты, используя аэростат с платформой в качестве средства доставки.

Задачи:

Изучить необходимые элементы физической теории: воздухоплавание, молекулярно-кинетическая теория газов, оптика, динамика;
Провести необходимые расчеты и подобрать материалы и комплектующие для комплекса;
Собрать комплекс;
Провести испытание комплекса;
Обработать и провести анализ результатов, сделать рекомендации для использования.

Методы: изучение и анализ информационных источников, моделирование, эксперимент, наблюдение, описание анализа полученных результатов.

В работе представлены теоретические аспекты разработки комплекса воздушного старта и необходимые расчеты для подбора материалов и разработки конструкции комплекса и его составляющих.

Произведены сборка комплекса и его испытания в действии. Проведен анализ результатов испытаний, сделаны предложения по дальнейшему развитию проекта и технических доработок комплекса на базе его практического использования.

Основная часть

Название этапа		Сроки реализации	Цели, задачи	Средства
Информационно-аналитический	Изучение и анализ существующих моделей воздушного старта	Сентябрь 2014	Подобрать и изучить информацию для предстоящей работы	Интернет ресурсы
Информационно-аналитический	Изучение рынка стоимости и наличие элементов для строительства	Октябрь 2014	Изучить и приобрести элементы для изготовления комплекса Составить список материалов и аналогов к ним необходимых для конструирования	Интернет магазин Магазин строительных материалов
Проектирование, конструирование и сборка модели для воздушного старта	Проектирование и конструирование аэростата для запуска ракеты	Ноябрь 2014	Разработать конструкцию аэростата, подобрать материалы для изготовления	Autodesk AutoCAD Интернет ресурсы
	Изготовление спортивной модели ракеты класса S3A	Декабрь 2014	Выполнить по шаблонам модель ракеты класса S3A	Картон, клей, лавсан, заряд
	Изготовление устройства дистанционного запуска ракеты	Январь 2015	Разработать устройство дистанционного запуска ракеты	Радиоэлектронное оборудование
	Сборка аэростата №1 и №2, тестовые испытания	Декабрь 2014	Собрать дирижабль, проверить работоспособность	Деревянные рейки Клей, фанера
Экспериментальный	Проведение экспериментального запуска пороховой ракеты с платформы дирижабля	Январь 2015	Смоделировать запуск ракеты Запуск ракеты	модель для высокого старта (аэростат, платформа, ракета, устройство дистанционного запуска)
Подведение итогов		Февраль 2015	Подвести итоги. Сделать выводы	Результаты эксперимента

План реализации проекта

Название этапа	Ожидаемые результаты	Критерии
Название этапа	Ожидаемые результаты	Качественные	Количественные
Информационно-аналитический	Полностью изучена конструкция комплекса для осуществления воздушного старта	Найдена информация	Отсмотрено не менее 20 интернет страниц. Просмотрено не менее 10 видео
Информационно-аналитический	Получены все необходимые элементы конструкции	Соотношение цены и качества	Отсмотрено не менее 7 интернет - магазина
Проектирование, конструирование и сборка комплекса для осуществления воздушного старта	Разработан проект комплекса Разработаны чертежи элементов комплекса и построена конструкция	Разработана работающая модель аэростат	Рассмотрены различные схемы строения аэростата.
	Произведена сборка аэростата и проведены тестовые испытания	Изготовлены рабочие модели, готовые к запуску	Изготовлено 2 аэростата
Экспериментальный	Произведен запуск пороховой ракеты с платформы аэростата	Удачный запуск	Проведено 2 эксперимента
Подведение итогов	Сделаны выводы. Подведены итоги.	Определены итоги работы	Подведено? вывода

Возможные риски и их устранения

Название этапа	Риски	Предотвращение риска
Информационно-аналитический	Получение информации не соответствующей действительности	Проконсультироваться с руководителями и консультантом
Информационно-аналитический	Заказ бракованного элемента	Проверить работоспособность элемента Проверить на наличие дефектов
Проектирование, конструирование и сборка дирижабля	Неправильно разработана схема	Проконсультироваться с руководителями и консультантом
Проектирование, конструирование и сборка дирижабля	Получение повреждения оболочки. Недостаток гелия.	Подобрать прочную ткань в качестве оболочки Изолировать модель во время хранения
Экспериментальный	Потеря контроля над управлением	Провести ряд пробных запусков, использовать благоприятные погодные условия

1 этап. Информационно-аналитический

История Воздушного старта

В докосмическую эпоху было реализовано много проектов воздушного старта экспериментальных и прочих самолётов (в т.ч. некоторые как воздушный авианосец) и крылатых ракет.

Дата	Страна	В чем неудача?
Конец 50-х годов	США	"Первый воздушный шар поднялся правильно 70000 футов. Но ракетный висит под ним не срабатывала. Второй Rockoon себя в той же сумасшедшей пути. На теории, что экстремальный холод на большой высоте, возможно, остановил часовой предполагается зажечь ракеты Ван Аллен подогревом банки апельсинового сока, прижалась их в третьем гондоле Rockoon, а завернул весь бизнес в изоляции. ракета, выпущенная ".
Конец 90-х	Россия «Авгурь»	Они сконструировали специализированный тепловой дирижабль, но на этом финансирование от спонсоров закончилось и проект заморозили.
Настоящее время	США «Пегас»	Действует

Воздушный старт и его назначение

Воздушный старт — способ запуска ракет или самолётов с высоты нескольких километров, куда доставляется запускаемый аппарат. Средством доставки чаще всего служит другой самолёт, но может выступать и воздушный шар или дирижабль.

Наиболее часто данный способ в настоящее время используется для запуска аппаратов по суборбитальной траектории, либо для вывода спутников на околоземную орбиту в системах, состоящих из самолёта-носителя и ракеты-носителя (РН) или крылатых авиационно-космических системах (АКС).

Для того чтобы иметь ясную картину о положении проекта следует рассмотреть существующие способы. Стартов ракет.

Прежде всего, вспомним, что большинство запусков полезных грузов в космос осуществляется челноками Space Shuttle, с помощью ракет-носителей, методами воздушного старта.

Что же еще дает "Высокий старт" кроме существенного (в разы) снижения стоимости вывода килограмма груза?

Первое - и возможно главное, это мобильность комплекса. Запуск может быть осуществлен практически из любой точки планеты, где существуют "поля падения" первой ступени ракеты. В частности, возможно сочетание преимуществ "высокого" и "морского" старта, так как дирижабль способен взлетать и производить посадку с палубы не очень большого судна. Сам же комплекс способен перевозиться на обычном грузовике с прицепом и осуществлять развертывание буквально в "чистом поле".

Второе. При старте из разряженных слоев атмосферы возможно сразу запускать ракету на любой азимут в пределах 360 градусов по горизонту. При этом ракета избавляется от тяжелых и дорогих систем управления и стабилизации.

Третье. При отсутствии большей части сопротивления атмосферы, сама конструкция ракеты может быть сильно изменена. Возможно использование композитных решетчатых ферм, облегченных обтекателей, сферических баков, что невозможно в традиционной "карандашной" схеме.

Четвертое. Существует теоретическая возможность сделать ракету условно одноступенчатой. При отсутствии "поля падения" запуск может осуществляться в относительно густонаселенных районах планеты.

Пятое. Экономическая выгода возможна в первую очередь за счет снижения аэродинамических и во вторую гравитационных потерь, а также благодаря отказу от традиционной тяжелой и громоздкой первой ступени, что как минимум облегчает ракету на 30-40 процентов, что в свою очередь позволяет увеличить полезную нагрузку до 5 раз

В этой работе будет использоваться аэростат. Так как это наиболее простой и быстрый вариант работы.

Аэростат, его виды и назначения

Аэростат — летательный аппарат легче воздуха, использующий для полёта подъёмную силу заключённого в оболочке газа (или нагретого воздуха) с плотностью меньшей, чем плотность окружающего воздуха.

Различают привязные, свободнолетящие и аэростаты с двигателем — дирижабли.

По типу наполнения аэростаты делятся на:

газовые — шарльеры,
тепловые — монгольфьеры,
комбинированные (газовые и тепловые одновременно) — розьеры.

Для наполнения шарльеров применялись и применяются водород и (реже) светильный газ; но эти газы горючи, а их смеси с воздухом взрывоопасны, что требует дополнительных мер предосторожности. Данного недостатка лишён инертный гелий, который также используется в шарльерах; однако гелий достаточно дорог, что препятствует его повсеместному применению в воздухоплавании.

Монгольфьеры наполняют нагретым воздухом.

Аэростаты впервые позволили человеку подняться в воздух, а позднее и достичь стратосферы.

С историей аэростата вы можете ознакомиться в таблице 5.

2 этап. Технологический (подготовка)

2.1 Теоретическое обоснование

Подъемная сила аэростатных средств определяется из закона Архимеда.

Чем меньше плотность газа, заполняющего воздушный нар данного объема плотность газа, заполняющего воздушный шар данного объема, тем меньше действующий на него сила тяжести и потому тем больше возникающая подъемная сила. При нагревании воздуха от 0 до 100 градусов Цельсия его плотность уменьшается только в 1,37 раз, подъемная сила составляет 0,3 кГ/м³.

Для того, чтобы аэростат поднялся в воздух, газ должен быть легче воздуха. При заданной температуре и давлении плотность газа пропорциональна молекулярной массе. Для того, чтобы газ был легче воздуха, его молекулярный вес должен быть ниже 28,7. Грузоподъемность пропорциональна разности между 28,7 и молекулярным весом газа.

Считая температуру газа-наполнителя и воздуха одинаковым, подъемную силу аэростата можно выразить формулой:

Здесь F – подъемная сила в килограммах на 1 м³ газа-наполнителя при нормальных условиях, M – молекулярный вес газа-наполнителя.

Подъемная сила аэростата на 1 м³ газа-наполнителя при нормальных условиях представлена в таблице 1:

Поэтому подъемная сила аэростата, заполненного теплым воздухом, оказывается небольшой. Плотность же водорода в 14 раз меньше плотности воздуха, и подъемная сила аэростата, наполненного водородом, более чем в три раза превышает подъемную силу нагретого воздуха того же объема. Водород, однако, горит и образует с воздухом легко воспламеняющую смесь. Негорючим и одновременно легким газом является гелий. Именно гелий мы и будем использовать.

Плотность воздуха уменьшается с увеличением высоты над уровнем земли. Поэтому по мере поднятия аэростата действующая на него сила Архимеда становится меньше.

После того, как сила Архимеда достигнет значения, равного силе тяжести, подъем аэростата прекратится.

Для того, чтобы опуститься на землю, используется привязной трос.

2.2 Конструкция воздушного старта

В работе предлагается комплексная модель воздушного старта. Данный комплекс включает в себя:

аэростат;
крепление ракеты;
ракета S3A

Модель аэростата состоит из двух конусов и двух цилиндров, из-за этого объем модели есть сумма объемов всех его составляющих частей.

Максимальная грузоподъемность аэростата определяется с помощью расчетов и зависит от общей массы полезной нагрузки.

Подробные характеристики элементов модели комплекса приведены в таблице.

Элемент системы	Материал/комплектация/ разработка/покупка	Масса, г
Аэростат №1	Воздушный аппарат, наполненный гелием. Разработано нами	Незначительна
Аэростат № 2	Воздушный аппарат, наполненный гелием. Разработано нами	Незначительна
Пороховая ракета	Разработана учащимися объединения «Ракетомоделирование»	?
Крепление ракеты	Разработано нами.	?

2.3 Аэростат

Прежде чем осуществить сборку комплекса, необходимо было рассчитать подъемную силу.

На все тела в воздухе действует выталкивающая (архимедова) сила. Чтобы найти архимедову силу, действующую на тело в воздухе, надо рассчитать ее по формуле:

где ** – ускорение свободного падения, p-плотность воздуха, Vт-объем тела.

Если эта сила окажется больше силы тяжести, действующей на тело, то тело взлетит. На этом основано воздухоплавание.

Для того чтобы определить, какой груз может поднять аэростат, надо знать его подъемную силу.

Подъемная сила аэростата равна разности между архимедовой силой и действующей на аэростат тяжести.

Согласно I закону Ньютона для обеспечения равномерного движения необходимо, чтобы сумма действующих сил была равна нулю:

Для того, чтобы тело всплывало в жидкости или газе должно выполняться условие:

Предельный случай для возможного состояния неустойчивого равновесия необходимо, чтобы

В нашем случае сила тяжести определяется общей массой нагрузки, массой оболочки и массой гелия внутри шаров:

Масса гелия рассчитана по формуле:

плотность гелия взята при нормальном атмосферном давлении.

Объем нара рассчитан по формуле:

Силу Архимеда можно рассчитать по формуле:

где плотность воздуха взята при нормальном атмосферном давлении.

Полученный счет вы можете увидеть в таблице 4.

3 этап. Технологический (сборка)

3.1 Аэростат № 1

Работа началась с проектирования, выбора материала и конечных расчетов будущего каркаса. Он будет сделан из деревянных реек размером 2 м 97 см.

На концах реек были просверлены дырки, чтобы закрепить и установить нужную форму крепежом.

Для жесткости каркаса были сделаны из реек окружности с диаметром 0,95 и 0,85 метров. И все это склеено суперклеем.

Мы разработали клапан для закачки гелия.

И последним этапом сборки являлось приклеивание оболочки аэростата, которой является укрывной материал.

3.2 Аэростат № 2

Работа началась с проектирования, выбора материала и конечных расчетов будущего каркаса. Он будет сделан из укрывного материала и скотча.

Укрывной материал был разрезан на четыре равных объемных треугольника и склеен скотчем.

Далее, мы заполнили модель гелием, предварительно изготовив отверстие для заполнения конструкции «легким воздухом».

Приложение:

Таблица 1

Газ наполнитель	Молекулярный вес	Подъемная сила (кГ/м³)
Водород	2	1,205
Гелий	4	1,116
Метан	16	0,580
Аммиак	17	0,536
Азот	28	0,045

Таблица 2

Высота, м	Давление, мм рт. ст./Па		Температура, °С/°К

0	760	101300	15,0	288
1000	674	89870	8,5	281,5
2000	596	79490	2,0	275
3000	526	70100	-4,5	268,5
4000	462	61630	-11	262
5000	405	54010	-17,5	255,5
6000	354	47170	-24	249
7000	308	41050	-30,5	242,5

Таблица 3

Темпе- ратура, °С	Удельная подъемная сила, кг/м3
Темпе- ратура, °С	воздух	вода	метан	гелий	водород
20	0.021	—	0.559	1.057	1.140
40	0.098	—	0.602	1.068	1.145
60	0.165	—	0.639	1.077	1.150
80	0.225	—	0.672	1.085	1.154
100	0.279	0.636	0.702	1.093	1.158
120	0.327	0.666	0.728	1.099	1.161
140	0.370	0.693	0.752	1.105	1.164
160	0.410	0.718	0.774	1.111	1.167
180	0.445	0.740	0.794	1.116	1.169
200	0.478	0.760	0.812	1.120	1.172

Таблица 4. Полученные расчеты

Масса груза, г
Масса оболочки, г
Масса гелия, г	22,4
Объем аэростата № 1, м³	1,170
Объем аэростата № 2, м³
Плотность гелия, кг/м³	0,179
Плотность воздуха, кг/м³	1,290
Сила Архимеда, Н	12,95
Сила тяжести

Таблица 5

Годы	Применение в истории
1894	В России одним из организаторов полётов на аэростатах для научных исследований атмосферы был А. М. Кованько.
1942-1945	Во время Второй мировой войны аэростаты широко применялись для защиты городов, промышленных районов, военно-морских баз и других объектов от нападения с воздуха. Действие аэростатов заграждения было рассчитано на повреждение самолётов при столкновении с тросами, оболочками или подвешиваемыми на тросах зарядами взрывчатого вещества. Наличие в системе ПВО аэростатов заграждения вынуждало самолеты противника летать на больших высотах и затрудняло прицельное бомбометание с пикирования.Кроме использования в системе ПВО привязные аэростаты применялись для наблюдения за полем боя, корректировки артиллерийского огня и разведки.
Июнь 1985	Два аэростата летали в атмосфере Венеры. С советских автоматических межпланетных станций «Вега-1» и «Вега-2», пролетавших в окрестностях планеты, было «сброшено» по посадочному модулю и по атмосферному зонду. Аэростатные зонды произвели снижение на парашютах и после наполнения их оболочек гелием начали дрейф в атмосфере планеты на высоте 53-55 км, проводя измерения метеорологических параметров. Продолжительность работы обоих зондов составила более 46 часов.
Конец 1920	Немецкий физик Плаусон с успехом применил привязные аэростаты в качестве приемников атмосферного электричества. С одиночного аэростата в ясную погоду удавалось снять до 3,5 киловатт электрической мощности при напряжении около 120 киловольт. Позже с этим эффектом столкнулись при использовании тросов аэростатов заграждения в качестве антенн дальней радиосвязи. Эта технология может применяться для автономного энергоснабжения. Выход энергии может быть повышен с помощью дугового разрядника, подвешенного на тросе под аэростатом для ионизации атмосферы.