номер 5, страница 157 - гдз по физике 9 класс учебник Исаченкова

5. Почему для запуска космических кораблей используются многоступенчатые ракеты?

Ответ:

Многоступенчатые ракеты используются потому, что современная одноступенчатая ракета физически не способна развить первую космическую скорость (около $v_1 \approx 7{,}9\text{ км/с}$), необходимую для выхода на околоземную орбиту, при использовании существующего химического топлива.

Принцип движения ракеты основан на законе сохранения импульса и реактивном движении: при выбросе сгорающих газов с высокой скоростью ракета получает импульс в противоположную сторону. Согласно формуле Циолковского, конечная скорость ракеты зависит от скорости истечения газов и отношения начальной массы ракеты с топливом к её конечной массе без топлива.

Основные причины применения нескольких ступеней:

• Сброс «лишней» массы: По мере выгорания топлива пустые топливные баки, вспомогательные агрегаты и отработавшие двигатели превращаются в бесполезный груз. Разгонять эту массу дальше крайне невыгодно, так как на это требуется дополнительное топливо.
• Поэтапный разгон: Когда отработанная ступень отделяется, масса ракеты скачкообразно уменьшается. Двигатели следующей ступени начинают разгонять уже значительно более легкую конструкцию, что позволяет ракете эффективно наращивать скорость дальше.
• Оптимизация двигателей под разные условия: Двигатели первой ступени работают в плотных слоях атмосферы и преодолевают сопротивление воздуха и максимальную силу тяжести Земли, а двигатели последующих ступеней спроектированы для работы в разреженной атмосфере или в условиях космического вакуума.

Таким образом, разделение ракеты на ступени и последовательное отделение отработанных частей конструкции позволяет сэкономить массу топлива и развить космическую скорость, достаточную для вывода полезной нагрузки на орбиту.