Кабанова А.А - Многопрофильная инженерная олимпиада

Многопрофильная инженерная олимпиада
«Будущее России».
Самара, 2015г.
1
Содержание:
1. 1.1Введение……………………………………………………………3
1.2 Цель работы
1.3 Задачи
2. Основная часть.
2.1. Сила
сопротивления………………………………………………….........4
2.2. Тела, рассматриваемые в школьном курсе математики
2.2.1. Платоновы
тела………………………………………………………5
2.2.2. Архимедовы тела
2.2.3. Тела
вращения…………………………………………….................6
2.3. Формы многоразовых и одноразовых космических
кораблей…….7-10
2.4. Подсчёт фигур, используемых в каждом космическом
корабле…...11
2.5. Для чего космические корабли изготавливают обтекаемой
формы?
3. Заключение………………………………………………………………
………13
4. Список
литературы……………………………………………………………..14
2
Введение:
Уже в 20-ом веке сдали создаваться космические корабли.
Первым пилотируемым космическим кораблём стал советский корабль Восток-1, на
котором Юрий Гагарин совершил первый полноценный космический полёт, облетев
Землю с первой космической скоростью.
Знание о космических частицах высокой энергии приводило к мыслям о радиационных
поражениях (и даже после полётов регулярно в газетах всплывали жуткие версии о
лучевой болезни летавших космонавтов). Поэтому первые корабли были рассчитаны на
небольшое время нахождения в космосе. Длительность первых полётов измерялась
минутами, последующих — часами, или витками вокруг Земли.
Ввиду высочайшей сложности создания пилотируемых космических кораблей, их имеют
только три страны — СССР/Россия, США, Китай, при этом китайские космические
корабли во многом повторяют советский космический корабль «Союз».
Одной из основных проблем при конструировании данного класса космических
аппаратов является создание безопасной, надёжной и точной системы возвращения
экипажа на земную поверхность. Кроме того важной частью при создании космических
кораблей является его форма.
Какой она должна быть? И для чего делают именно такую форму?
Эти вопросы лежат в основе моего реферата.
Цель работы: анализ геометрических тел и выявление форм, наиболее часто
используемых в конструкциях кораблей.
Задачи: 1) выяснить, какие геометрические тела рассматриваются в
школьном курсе математики;
2) выбрать необходимый материал для исследования;
3) выявить геометрические тела, наиболее часто используемые в конструкциях
космических кораблей.
4) провести анализ связи формы корабля с условиями эксплуатации
3
Что такое сила сопротивления?
При любом движении между поверхностями тел или в среде, в которой оно
движется, всегда возникает сила сопротивления. Она зависит от формы тела,
от его агрегатного состояния, скорости движения и степени гладкости его
поверхности. Если тело не движется относительно среды, то сила
сопротивления равна нулю.
На малых высотах атмосфера оказывает
большое сопротивление. Поэтому
для того, чтобы уменьшить силу
сопротивления, телу придают обтекаемую
форму. ОБТЕКАЕМАЯ ФОРМА — форма,
дающая наименьшее лобовое
сопротивление при обтекании данного тела
струями воздуха или воды. Наиболее
выгодна в этом отношении сигарообразная форма, близкая к форме
падающего дождя или рыбы. По сравнению с телом сигарообразной формы,
для шара такого же сечения сила сопротивления больше в несколько раз, а
для плоского диска, площадь которого перпендикулярна направлению
скорости - в несколько десятков раз.
На рисунке показано влияние формы тела на силу сопротивления на примере
цилиндра. Если модуль силы сопротивления для цилиндра F0, то
конусообразная насадка на него уменьшает силу сопротивления в два четыре раза, в зависимости от угла при вершине конуса. Сглаженная насадка
уже - в пять раз, а если придать телу сигарообразную форму, то силу
сопротивления можно уменьшить в 25 раз.
Какой же формы изготавливают космические корабли и для чего?
4
1) Для начала, выясним, какие тела рассматриваются в школьном
курсе математики:
1. Платоновы тела:
Тетраэдр - простейший многогранник, гранями
которого являются четыре треугольника.
Куб- правильный многогранник, каждая грань
которого представляет собой квадрат
Октаэдр — один из пяти выпуклых правильных
многогранников, так называемых Платоновых
тел. Октаэдр имеет 8 треугольных граней, 12
рёбер, 6 вершин, в каждой его вершине сходятся
4 ребра.
Икосаэдр — правильный выпуклый
многогранник, двадцатигранник, одно из
Платоновых тел. Каждая из 20 граней
представляет собой равносторонний
5
треугольник. Число ребер равно 30, число вершин — 12.
Икосаэдр имеет 59 звёздчатых форм.
Додекаэдр — один из пяти возможных
правильных многогранников. Додекаэдр
составлен из двенадцати правильных
пятиугольников, являющихся его гранями.
2. Архимедовы тела:
Призма— многогранник,
две грани которого являются
конгруэнтными (равными)
многоугольниками, лежащими в параллельных
плоскостях, а остальные грани —
параллелограммами, имеющими общие стороны с
этими многоугольниками.
Пирамида— многогранник, основание которого — многоугольник,
а остальные грани — треугольники, имеющие
общую вершину.
Параллелепипед—призма, основанием
которой служит параллелограмм, или
многогранник, у которого шесть граней и
каждая из них — параллелограмм.
3. Тела вращения:
Конус — это тело в евклидовом пространстве,
полученное объединением всех лучей,
6
исходящих из одной точки и проходящих через плоскую
поверхность.
Усеченный конус – часть конуса, расположенная между его
основанием и секущей плоскостью,
параллельной основанию.
Цилиндр – геометрическое тело, ограниченное
цилиндрической поверхностью и двумя
параллельными плоскостями, пересекающими
её.
Шар — геометрическое
тело; совокупность всех точек пространства, находящихся от
центра на расстоянии, не больше заданного. Это
расстояние называется радиусом шара. Шар
образуется вращением полукруга около его
неподвижного диаметра.
Существуют многоразовые и одноразовые космические корабли. В чем
отличие формы многоразовых космических кораблей от формы
одноразовых?
Рассмотрим некоторые космические
2)
корабли:
1.Космический корабль из серии «Восток»:
«Восток» — наименование серии одноразовых советских
космических кораблей, предназначенных для
пилотируемых полётов по околоземной орбите. Первый
пилотируемый «Восток», запуск которого состоялся 12
апреля 1961 года, стал одновременно и первым в мире
космическим аппаратом, позволившим осуществить
7
полёт человека в космическое пространство.
Корабль состоял из сферического спускаемого аппарата и
конического приборного отсека.
2.Космический корабль из серии «Союз»:
«Союз» — наименование серии одноразовых советских
и российских многоместных космических кораблей для
полётов по околоземной орбите.
На фотографии корабля мы видим, что его корпус
состоит из шара, цилиндра и усечённого конуса.
3.Космический корабль из серии «Меркурий»:
«Меркурий»— первая пилотируемая
космическая программа США. Также —
название серии одноразовых космических
кораблей, использовавшихся в этой программе.
Корпус корабля выполнен из нескольких
составных частей, некоторые имеют
цилиндрическую форму, а одна часть имеет
форму усечённого конуса.
4.Космический корабль серии «Прогресс»:
«Прогресс» — серия транспортных
беспилотных грузовых космических кораблей,
выводимых на орбиту с помощью ракетыносителя «Союз».
Отделы корабля также имеют формы
цилиндров, усечённых конусов и шаров.
5.Космический корабль из серии «Апполон»:
«Аполлон»— серия американских 3-местных
одноразовых космических кораблей, которые
8
использовались в программах полётов к Луне «Аполлон»,
орбитальной станции «Скайлэб» и советско-американской
стыковки ЭПАС.
Корпус данного космического корабля состоит из отсеков
сигарообразной, цилиндрической и усечено конической формы.
6.Космический корабль серии «Шеньчжоу»:
Шеньчжоу - третья программа космических
пилотируемых полётов КНР. Космический корабль
«Шэньчжоу» во многом повторяет российский
космический корабль «Союз». Имеет примерно такие
же размеры. Вся конструкция корабля и все его
системы примерно идентичны советским
космическим кораблям серии «Союз». Форма: цилиндр,
усечённый конус
7.Космический корабль серии «Джемини»:
Джемини— американский пилотируемый
космический корабль. Космические корабли серии
«Джемини» продолжили серию кораблей
«Меркурий».
Форма спускаемого аппарата подобна кораблям
серии «Меркурий». Несмотря на некоторое
внешнее сходство двух кораблей, «Джемини»
значительно превосходит «Меркурий» по возможностям.
Корпус представлен деталями цилиндрической и усечено
конической форм.
8.Космический корабль серии
«Спейс Шаттл»:
Спейс Шаттл - американский многоразовый
транспортный космический корабль. Шаттлы
использовались в рамках осуществляемой НАСА
государственной программы «Космическая
транспортная система».
9
В отличие от одноразовых космических кораблей,
Спейс Шаттл состоит из внешнего топливного
бака, твердотопливного ускорителя и орбитера.
Внутри ракетоплан (орбитер) разделён на отсек
экипажа, находящийся в передней части
фюзеляжа, большой грузовой отсек и хвостовой
двигательный отсек.
Приблизительно через две минуты после
подъёма, на высоте 45 км, боковые ускорители
отделяются от системы. На высоте около 113 км
производится отделение внешнего топливного
бака. Непосредственно после формирования
низкой опорной орбиты производится сброс остатков топлива из
системы маршевых двигателей SSME и вакуумирование их
топливных магистралей. Кораблю придаётся необходимая осевая
ориентация. Раскрываются створки грузового отсека, которые
служат также и радиаторами системы терморегуляции корабля.
Системы корабля приводятся в конфигурацию орбитального
полёта.
После гашения основной части орбитальной скорости корабль
продолжает снижаться как тяжёлый планёр с невысоким
аэродинамическим качеством, постепенно уменьшая тангаж.
По форме орбитер напоминает самолёт. Остальные части
космического корабля имеют сигарообразную или
цилиндрическую форму.
9. Космический корабль «Клипер:
«Клипер» — многоцелевой пилотируемый
многоразовый космический корабль,
проектировавшийся в РКК «Энергия» с 2000 года на
смену кораблям серии «Союз».
Основные отличия от «Союзов»:
1. «Многоразовость;
2. «Клипер» может выводить на орбиту 6 человек и до 700 кг полезного груза
(«Союз» — только 3 человека и 200 кг груза);
3. Больший внутренний объём повышает комфортность и позволяет
увеличить время автономного полёта;
4.«Клипер» сможет возвращать до 500 кг полезного груза («Союз-ТМА» —
100 кг);
10
5. Универсальность: корабль может быть использован для доставки экипажа
и груза на орбитальную станцию, экстренной эвакуации экипажа станции,
для вывода на орбиту «космических туристов», при межпланетных полётах и
т. д.;
6.«Клипер» способен совершать более сложные маневры на орбите.
Предполагается, что он будет более безопасен и комфортен.
«Клипер» состоит из деталей конической формы, цилиндрической и усечено
конической. Также по бокам корабля имеются крылья обтекаемой формы.
10. Космический корабль «Буран»:
Многоразовый космический корабль «Буран» аналог системы Space Shuttl. Вертикальный
старт, горизонтальная посадка с боковым
маневром 2000 км. Советский «Буран» подавался
в отечественной (да и в зарубежной) печати как
безусловный успех. Однако, совершив
Россия
США
Япония
единственный 6ecпилотный полет 15 ноября 1988 года, этот корабль канул в
Лету. Справедливости ради надо сказать, что «Буран» оказался не менее
совершенен, чем Space Shuttle. А в отношении безопасности и
универсальности применения даже превосходил заокеанского конкурента.
Корабль состоит из двух основных частей, похожих на самолёты.
Таблица форм исследуемых нами космических кораблей:
11
Цилиндрическая,
Форма
многоразовых коническая,
усечено
кораблей
коническая, по
бокам «Клипера»
расположены
кры-лья. «Буран»
состоит из основных частей,
выпол-ненных в
форме самолётов
Цилиндрическая,
Форма
одноразовых шарообразная,
усечено
кораблей
коническая
Орбитер «Спейс
Шаттла» изготовлен
в форме самолёта.
Остальные части
корабля
цилиндрической,
конической и
усечено конической
форм
Цилиндрическая,
усечено коническая
Цилиндрическая
Подсчёт фигур, используемых в каждом космическом корабле:
1) Корабль «Восток»: сфера (шар) – 1; усечённый конус – 1; цилиндр – 1;
2) «Союз»: сфера – 1; полусфера – 1; усечённый конус – 1; цилиндр – 2;
3) «Меркурий»: усечённый конус – 1; цилиндр – 4;
4) «Прогресс»: сфера – 1; цилиндр – 3; полусфера – 1; усечённый конус – 1;
5) «Апполон»: конус – 2; сопла конической формы; усечённый конус – 2;
цилиндр – 4;
6) «Шеньчжоу»: цилиндр – 3; усечённый конус – 3;
7) «Джемини»: цилиндр – 1; усечённый конус – 2; полусфера – 1;
8) «Спейс Шаттл»: цилиндр – 4; конус – 4; усечённый конус – 2; обтекаемые
крылья.
9) «Клипер»: цилиндр – 1; конус – 1; усеченный конус – 2; полусфера – 1.
10) «Буран»: цилиндр – 2; конус – 2.
Можем построить таблицу фигур, используемых в кораблях:
12
«Вос «Со «Мер
куток» юз» рий»
Ци1
линдр
2
4
«Пр
огресс
»
3
«Апп
олон»
«Кл «Буиран»
пер»
4
«Шень «Джем «Спе
ч-жоу» и-ни» йс
Шатт
л»
3
1
4
1
2
Конус -
-
-
-
2
-
-
4
1
2
Усечё 1
н-ный
конус
Сфе- 1
ра
1
1
1
2
3
2
2
2
-
1
-
1
-
-
-
-
-
-
Полу- сфера
1
-
1
-
-
1
-
1
-
По составление данной таблицы мы видим, что почти в каждом корабле
прослеживается использование деталей усечено конической и
цилиндрической форм.
13
Так для чего же космические корабли изготавливают обтекаемой (в
основном цилиндрической) формы?
1) Чтобы уменьшить силу сопротивления при взлёте и посадке.
Для этого на кораблях использовался головной обтекатель. На ракетах
головной обтекатель состоит из камеры, в которой содержится полезная
нагрузка (например, спутник), и внешней поверхности, рассчитанной на
воздействие высоких температур. Обычно обтекатели имеют форму
конусообразного тела вращения.
Чтобы уменьшить силу сопротивления, необходимо предать кораблю такую
форму, чтобы изменение давления вдоль него происходило
по возможности медленно и плавно. Этого можно достичь
приданием телу удлинённой формы, причём оно плавно
заостряется в направлении обтекания так, что «стекающие» с разных сторон
поверхности тела потоки как бы плавно смыкаются. Этим свойством
обладает именно сигарообразная форма.
2) Для удобного планирования (в многоразовых космических кораблях).
14
Заключение:
Проанализировав 8 серий космических кораблей мы установили, что многие
страны изготавливают космические корабли обтекаемой формы (чаще
сигарообразной), для того, чтобы уменьшить силу сопротивления при
подъёме и посадке корабля и для удобного планирования многоразовых
космических кораблей.
1) Российские космические корабли чаще конструируют из составных частей
цилиндрической, шарообразной и конусообразной форм;
2) Для конструкции американских космических кораблей используют части
цилиндрической и усечено конической форм, но в многоразовых кораблях
ещё используется форма конуса.
3) Японские и китайские корабли изготавливаются в форме цилиндра.
В приведённых нами космических кораблях
Во всех исследуемых космических кораблях прослеживается использование
составных частей цилиндрической формы.
15
Список литературы:
1. Энциклопедия «Техника». — М.: Росмэн 2006
2. Пилотируемые космические корабли. Проектирование и испытания. Сб.
ст., пер. с англ., М., 1968; Освоение космического пространства в СССР, М.,
1971. Г.А.Назаров
3. Труды по космонавтике. Исследование мировых пространств реактивными
приборами. К. Э. Циолковский; Под ред. и М. К. Тихонравова — М.:
Машиностроение, 1967.
4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Пилотируемый_космический_корабль
5.
6.https://ru.wikipedia.org/wiki/%CC%ED%EE%E3%EE%F0%E0%E7%EE%E2
%FB%E9_%F2%F0%E0%ED%F1%EF%EE%F0%F2%ED%FB%E9_%EA%EE
%F1%EC%E8%F7%E5%F1%EA%E8%E9_%EA%EE%F0%E0%E1%EB%FC
16