Человечество всегда мечтало о путешествии в космос. Самые разные средства для достижения этой цели предлагали писатели - фантасты, учёные, мечтатели. Но единственного находящегося в распоряжении человека средства, с помощью которого можно преодолеть силу земного притяжения и улететь в космос за многие века не смог изобрести ни один учёный, ни один писатель-фантаст. Например, герой рассказа французского писателя Сирано де Бержерака, написанного в XVII веке, добрался до Луны, подбрасывая сильный магнит над железной повозкой, в которой находился сам. Повозка всё выше поднималась над Землёй, притягиваясь к магниту, пока не достигла Луны, барон Мюнхгаузен рассказывал, что забрался на Луну по стеблю боба.
Впервые мечту и стремления многих людей впервые смог приблизить к реальности русский учёный Константин Эдуардович Циолковский(1857-1935), который показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести - это ракета, он впервые представил научное доказательство возможности использования ракеты для полётов в космическое пространство, за пределы земной атмосферы и к другим планетам Солнечной системы. Ракетой Цоилковский назвал аппарат с реактивным двигателем, использующим находящиеся на нём горючее и окислитель.
Реактивным двигателем называют двигатель, способный преобразовать химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, и приобрести при этом скорость в обратном направлении.
На каких же принципах и физических законах основывается действие реактивного двигателя?
Как известно из курса физики, выстрел из ружья сопровождается отдачей. По законам Ньютона, пуля и ружьё разлетелись бы в разные стороны с одинаковой скоростью, если бы имели одинаковую массу. Отбрасываемая масса газов создаёт реактивную силу, благодаря которой может быть обеспечено движение, как в воздухе, так и в безвоздушном пространстве, так возникает отдача. Тем большую силу отдачи ощущает наше плечо, чем больше масса и скорость истекающих газов, и, следовательно, чем сильнее реакция ружья, тем больше реактивная сила. Эти явления объясняются законом сохранения импульса:
- векторная (геометрическая) сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остаётся постоянной при любых движениях и взаимодействиях тел системы.
Максимальную скорость, которую может развить ракета, рассчитывают по формуле Циолковского:
, где
v max – максимальная скорость ракеты,
v 0 – начальная скорость,
v r – скорость истечения газов из сопла,
m – начальная масса топлива,
M – масса пустой ракеты.
Представленная формула Циолковского является фундаментом, на котором зиждется весь расчёт современных ракет. Числом Циолковского называют отношение массы топлива к массе ракеты в конце работы двигателя - к весу пустой ракеты.
Таким образом, получили, что максимально достижимая скорость ракеты зависит в первую очередь от скорости истечения газов из сопла. А скорость истечения газов сопла в свою очередь зависит от вида топлива и температуры газовой струи. Значит, чем выше температура, тем больше скорость. Тогда для настоящей ракеты нужно подобрать самое калорийное топливо, дающее наибольшее количество теплоты. По формуле видно, что кроме всего прочего скорость ракеты зависит от начальной и конечной массы ракеты, от того, какая часть её веса приходится на горючее, и какая - на бесполезные (с точки зрения скорости полёта) конструкции: корпус, механизмы, и т.д.
Основной вывод из этой формулы Циолковского для определения скорости космической ракеты состоит в том, что в безвоздушном пространстве ракета разовьёт тем большую скорость, чем больше скорость истечения газов и чем больше число Циолковского.
Устройство баллистической ракеты.
Представим в общих чертах современную ракету сверхдальнего действия.
Такая ракета необходимо должна быть многоуровневой. В её головной части размещается боевой заряд, позади - приборы управления, баки и двигатель. Стартовый вес ракеты превышает вес полезного груза в 100-200 раз в зависимости от топлива! Таким образом, настоящая ракета должна весить несколько сотен тонн, а в длину должна, как минимум, достигать высоты десятиэтажного дома. К конструкции ракеты предъявляется ряд требований. Так, необходимо, например, чтобы сила тяги проходила через центр тяжести ракеты. Ракета может отклониться от заданного курса или даже начать вращательное движение, если не выполнить обозначенные условия.
Рис.1 Внутреннее устройство ракеты.
Восстановить правильный курс можно с помощью рулей. В разреженном воздухе работают газовые рули, отклоняющие направление газовой струи, предложенные Циолковским. Аэродинамические рули работают при полёте ракеты в плотном воздухе.
Современные баллистические ракеты преимущественно работают на двигателях, использующих жидкое топливо. В качестве горючего обычно используют керосин, спирт, гидразин, анилин, а в качестве окислителей - азотную и хлорную кислоты, жидкий кислород и перекись водорода. Самыми активными окислителями являются фтор и жидкий озон, но они применяются редко из-за крайней взрывоопасности.
Двигатель -самая важный элемент ракеты. Самый важный элемент двигателя - камера сгорания и сопло. В камерах сгорания, из-за того, что температура сгорания топлива доходит до 2500-3500 О С, должны использоваться особо жаропрочные материалы и сложные методы охлаждения. Таких температур не выдерживают обычные материалы.
Очень сложны и остальные агрегаты. Например, насосы, которые должны подавать окислитель и горючее к форсункам камеры сгорания, уже в ракете ФАУ-2, одной из первых, были способны перекачивать 125 кг топлива в секунду.
В ряде случаев вместо обычных баллонов применяют баллоны со сжатым воздухом или каким-нибудь другим газом, способным вытеснить горючее из баков и загнать его в камеру сгорания.
Газовые приходиться делать из графита или керамики, поэтому они очень хрупкие и ломкие, поэтому современные конструкторы начинают отказываться от применения газовых рулей, заменяя их несколькими дополнительными соплами или поворачивая самое главное сопло. Действительно, в начале полёта, при высокой плотности воздуха, скорость ракеты мала, поэтому рули плохо управляют, а там, где ракета приобретает большую скорость, мала плотность воздуха.
На американской ракете, построенной по проекту “Авангард”, двигатель подвешен на шарнирах, и его можно отклонять на 5-7 О. Мощность каждой следующей ступени и время её действия меньше, потому что каждая ступень ракеты работает в совершенно различных условиях, которые и определяют её устройство, поэтому и конструкция самой ракеты может быть проще.
Запуск баллистическая ракета происходит со специального стартового устройства. Обычно это ажурная металлическая мачта или даже башня, около которой ракету собирают по частям подъёмными кранами. Участки такой башни размещаются против необходимых для проверки и отладки оборудования смотровых люков. Башня отъезжает, когда ракету заправляют топливом.
Ракета стартует вертикально, а затем начинает медленно наклоняться и вскоре описывает почти строго эллиптическую траекторию. Большая часть траектории полёта таких ракет лежит на высоте больше 1000 км над Землёй, где сопротивление воздуха практически отсутствует. Приближаясь к цели, атмосфера начинает резко тормозить движение ракеты, при этом её оболочка сильно нагревается, а, если не принять меры, ракета может разрушиться, а её заряд - преждевременно взорваться.
Представленное описание межконтинентальной баллистической ракеты устарело и соответствует уровню развития науки и техники 60-х годов, но, ввиду ограниченности доступа к современным научным материалам, отсутствует возможность дать точное описание работы современной межконтинентальной баллистической ракеты сверхдальнего радиуса действия. Несмотря на это, в работе были освещены общие свойства, присущие всем ракетам. Работа также может быть интересна в целях ознакомления с историей развития и использования описанных ракет.
Дерябин В. М. Законы сохранения в физике. – М.: Просвещение, 1982.
Гельфер Я. М. Законы сохранения. – М.: Наука, 1967.
Кузов К. Мир без форм. – М.:Мир, 1976.
Детская энциклопедия. – М.: Издательство АН СССР, 1959.
работу выполнила ученица 7Б класса Власова Людмила.
Теория космического полёта заключает в себе собрание переводов и изложений классических работ по этому вопросу, главным образом, иностранных авторов и некоторых русских. Изучение работ, посвященных проблеме межпланетных сообщений, показывает, что в разных странах разные лица пришли независимо один от другого к одному и тому же заключению, что межпланетные сообщения возможны, но практическое осуществление их пока встречает ряд технических и финансовых затруднений. Однако, эти затруднения в будущем должны быть преодолены, и человек пробьет, наконец, мешающие его полету панцири атмосферы и земного тяготения, унесется в загадочное и сулящее много новых впечатлений и открытий межпланетное пространство!
Первое затруднение, с которым мы встречаемся, это то, что между звездами нет атмосферы, и поэтому для полета в мировом пространстве невозможно применить аэроплан, для которого она необходима, как опора. Затруднения физиологического порядка будут рассмотрены позже. Теперь же ограничим наши рассуждения разрешением вопроса, позволяют ли наши знания механики допустить возможность существования двигателя, который, исключая какую либо внешнюю опору, мог бы передвигать аппарат. Хотя это и покажется странным для того, кто не занимался этим вопросом, тем не менее сегодняшние познания ученых указывают, что такой двигатель существует уже давно - это ракета. Часто говорят, что ракета движется благодаря реакции „на воздух“. Первая часть этого утверждения верна, но вторая „на воздух“ - ложна. Ракета движется так же хорошо в пустоте и даже лучше, чем в воздухе.
После израсходования горючего, начинается свободный полет ракеты в пространстве с некоторою скоростью v 1 слагающейся из собственной скорости v 1 ракеты и касательной скорости w , которую ракета получила благодаря вращению земли и ветру. Следует заметить, что пока ракета проходит в пределах земной атмосферы, сопротивление воздуха уменьшает скорость свободного полета ракеты, однако, это уменьшение незначительно на больших высотах, и, по вычислению ученого Герберта Оберта, при скорости v1 = 1000 м/с. равно всего 69 м/с, а при v1 = 10 000 м/с - всего лишь 2.2 м/с*, чем можно пренебречь В случае эллиптической орбиты, это уравнение имеет два корня, один для нас мнимый (внутри земли или под нею), другой - действительный, определяющий наивысшую точку подъема. Обратное падение ракеты не произойдет в точку взлета. Это происходит благодаря 1) влиянию ветра, 2) вращению земли и 3) условиям полета ракеты
Цель аппарата: Исследование высоты, состава и температуры земной атмосферы, определение закона сопротивления воздуха при разных высотах и скоростях, а также исследование работы самой ракеты. Аппарат состоит из двух ракет: верхней, внутренней - водородной (Н. R.) и нижней, в то же время внешней - спиртовой (A. R.) Длина аппарата 5 метров, ширина 55.6 см, вес 544 кг, из коих 6.9 кг приходятся на Н. R. Кроме того предвидена еще вспомогательная ракета. Вопрос о материале ракеты окончательно не решен. Материал ее работает, благодаря внутреннему сверхдавлению, на растяжение
1.Предварительные опыты Оберта должны заключаться в испытании работы дюзы и распылителя; в испытании истечения жидкостей из мелких отверстий и т. п.). 2. Вспомогательная ракета имеет назначением поднять вышеописанную составную ракету с высоты 5550 м до 7750 м и дать, по истощении своего горючего, главной (A. R.) ракете начальную скорость 500 м/с. Вес ее с горючим - 220 кг, продолжительность работы - 8 с; она сообщит A. R. ускорение 100 м/с2. Она своими прорезами (b) вставляется в стабилизаторы A. R., а ее баллон с кислородом (а) помещается в дюзе A. R. Для прочности, A. R. укрепляется снаружи кольцами, которые спадают одновременно со спадением вспомогательной ракеты. На фиг. 54 схематически показано взаимное расположение всех трех ракет: водородной (пунктир), спиртовой (сплошные линии) и вспомогательной (заштриховано). 3. Значение помп Р 1,2 будет тем больше, чем больше вся ракета.
Вообще человек может выдержать больший эффект ускорения, направленный от головы к ногам, нежели обратно. Еще больший эффект он может выдержать в лежачем положении или по касательной. Неприятным бывает эффект ускорения при движении по кругу, еще более неприятным при слабых подниманиях и опусканиях. Наоборот, быстрые торможения влияют слабее. На основании этих и иных соображений Оберт считает вероятным, что человек может выдерживать эффект ускорения около 51.2 м/с2 в течение 200-400 секунд. Ослабленное же ускорение не имеет никакого физического вреда. А при полете ракеты с пассажирами Оберт предлагает отправлять ракету не вертикально, т. е. вдоль земного радиуса, а наклонно, по кривой, названной им „синергией“. При этом можно повысить ускорение при взлете, так как почти парализуется влияние земного ускорения, благодаря полету едва ли не параллельно поверхности Земли.
Академик М.В. Келдыш.
Механика космического полета
Академик Т.М. Энеев
Зам. директора ИПМ им. М.В. Келдыша, профессор Э.Л. Аким
Пятьдесят лет назад, 4 октября 1957 года человечество впервые вывело в космос устройство, которое длительное время летало по околоземной орбите, подавая сигналы о функционировании его бортовых приборов. С помощью ракеты Р-7 был запущен первый искусственный спутник Земли.
Запуск этого спутника имел длительную и сложную предысторию. О космических полетах люди мечтали с давних пор. Впервые эта мечта приобрела реальную базу после пионерской работы Циолковского, показавшего, что такие полеты осуществимы с помощью ракетной техники. Им была выведена знаменитая формула, по которой можно рассчитать запас топлива, необходимый для приобретения нужной скорости ракеты, разработаны начала теории составных ракет.
Однако реальная работа по реализации идеи космического полета началась уже после войны благодаря крайней необходимости в развитии ракетной техники для военных целей. Чтобы противостоять возникшей тогда угрозе ядерного нападения на Советский Союз, потребовалось создать межконтинентальную составную баллистическую ракету. В конструкторском бюро блестящего инженера и конструктора Сергея Павловича Королева такая ракета — знаменитая Р-7 — была создана. Разумеется, королевское КБ работало в кооперации с другими организациями, создававшими двигатели, систему управления, стартовое устройство и т. п. Здесь следует упомянуть главных конструкторов В.П. Глушко, Н.Н. Пилюгина, М.С. Рязанского, В.И. Кузнецова, В.П. Бармина. Нельзя не вспомнить и о прекрасных помощниках Сергея Павловича Королева, его заместителях В.П. Мишине, В.А. Воскресенском, К.Д. Бушуеве, Б.Е. Чертоке.
Но уже в период напряженной работы по созданию ракет некоторые ее активные участники думали о космическом полете. Наиболее серьезные исследования проводились двумя коллективами — группой М.К. Тихонравова в одном из военно-технических институтов и группой М.В. Келдыша в Математическом институте имени В.А. Стеклова. Эти исследования горячо поддерживал Королев, который с самого начала работ по созданию больших ракет предвидел их космическое применение. В 1950 г. он поразил ученых стекловского института, обсуждавших с ним вопросы проектирования Р-7, брошенной вскользь фразой: "Облетим мы все-таки вокруг земного шарика!"
Конечно, главной фигурой в реализации первых советских космических полетов был Королев. Однако наряду с ним следует упомянуть еще одного человека, внесшего сравнимый вклад в развитие нашей ракетной и космической техники, — Мстислава Всеволодовича Келдыша.
Рис. 1. Мстислав Всеволодович Келдыш
В 1946 г. в тридцатипятилетнем возрасте, только что избранный действительным членом Академии наук СССР, М.В. Келдыш был назначен начальником Реактивного научно-исследовательского института (РНИИ) — ныне Исследовательский центр им. М.В. Келдыша. С 1948 г. он начал работы по ракетодинамике и прикладной небесной механике в руководимом им отделе механики Математического института им. В.А. Стеклова АН СССР.
Следует отметить, что первоначально основное внимание Мстислава Всеволодовича, естественно, было сосредоточено на военных аспектах применения ракетной техники. Однако есть все основания полагать, что он, также как и С.П. Королев, уже на ранних этапах исследовательских работ думал и об их "космическом" будущем. Во всяком случае, в самом начале пятидесятых годов в ответ на вопрос одного из сотрудников отдела механики МИАН о возможности развивать в отделе теорию космического полета он не только горячо поддержал эту идею, но и предложил начать работу, не откладывая на будущее.
С 1948 г. М.В. Келдышем сначала в МИАНе, а затем в Институте прикладной математики АН СССР в отделе, возглавляемом академиком Д.Е. Охоцимским, был развернут широкий фронт работ по ракетодинамике и механике космического полета. Уже в первый период этих работ, еще до запуска первого искусственного спутника Земли, коллективом, руководимым М.В. Келдышем, был получен ряд принципиально важных результатов, оказавших серьезное влияние на развитие ракетной и космической техники. Отметим некоторые, наиболее важные из них.
В 1949-1951 гг. выполнен цикл работ, посвященный анализу и определению оптимальных схем и характеристик составных ракет. Эти работы помогли С.П. Королеву сделать окончательный выбор схемы составной ракеты Р-7. В этот период выполнены работы по определению оптимального программного управления. Результаты этих работ помогли серьезно улучшить летные характеристики ракеты Р-7 и межконтинентальных крылатых ракет, а впоследствии послужили теоретической основой для многих дальнейших исследований. В этот же период были решены трудные задачи движения ракеты около центра масс, в которых учитывалась подвижность жидкости, имевшей свободную поверхность в баках ракеты.
В ходе летных испытаний баллистических ракет сотрудниками Института были выполнены на первой универсальной ЭВМ "Стрела-1" прогнозы точек падения головных частей ракет. Эти оперативные определения проводились по данным траекторных измерений, поступавшим в Институт от наземных средств слежения по телеграфным каналам связи. В машинном зале "Стрелы-1" стоял связной аппарат, который связывал Институт с измерительно-управляющими пунктами МО. Это был обычный полевой аппарат, на крышке которого было написано "осторожно, враг подслушивает". По этому аппарату поисковой группе передавали прогнозируемые координаты точки падения головной части ракеты. Позже получали информацию о достоверности переданного прогноза.
В 1953 г. в Институте был впервые предложен баллистический спуск космического аппарата с орбиты на Землю и показана возможность его использования при пилотируемых полетах. В результате применения этого метода космический полет Ю.А.Гагарина был завершен удачным приземлением. В 1954 г. сотрудниками Института разработан первый конкретный вариант системы гравитационной (пассивной) стабилизации искусственного спутника и построена теория такой стабилизации. Все упомянутые работы были выполнены впервые в мире.
В 1954 г. М.В. Келдыш совместно с С.П. Королевым и М.К. Тихонравовым выдвинул предложение о создании искусственного спутника Земли и принял непосредственное участие в подготовке докладной записки для правительства на эту тему. В 1956 г. Мстислав Всеволодович был назначен председателем специальной комиссии Президиума АН СССР по ИСЗ (комиссия по объекту "Д"). В 1958 г. решением ЦК КПСС и СМ СССР М.В. Келдыш был назначен председателем Межведомственного совета по космическим исследованиям при Академии наук (МНТС по КИ). С этого момента и как руководитель комплексных научно-технических разработок, и как председатель МНТС по КИ М.В. Келдыш нес особую ответственность за ход выполнения космической программы СССР, даже в самый напряженный период его многосторонней деятельности, когда с 1961 г. по 1975 г. он был президентом Академии наук СССР.
Став президентом АН СССР, Мстислав Всеволодович получил возможность на новом, более высоком уровне руководить разработкой и реализацией советской космической программы. Круг научных проблем, которые решались в эти годы, необычайно широк и разнообразен. С его непосредственным участием исследовались общие проблемы космонавтики, тенденции и перспективы ее развития. В поле его зрения постоянно находились механика космического полета, теория управления, навигация, ориентация.
Творческий контакт и дружба Мстислава Всеволодовича Келдыша с Сергеем Павловичем Королевым имели историческое значение. Именно благодаря этому контакту и дружбе наша ракетная техника развивалась очень быстро, и особенно быстро — техника космического полета. Вообще, в плеяде перечисленных выше замечательных людей Мстислав Всеволодович играл особую роль. Благодаря именно его идеям и инициативе удавалось преодолеть очень трудные моменты в становлении нашей ракетной и космической техники, организовать систематическое проведение космических исследований в нашей стране.
После запуска первого искусственного спутника Земли фронт руководимых М.В. Келдышем работ в ОПМ МИАН существенно расширился, и в последующие годы в механике космического полета практически не было более или менее серьезных вопросов, которые в той или иной мере не были затронуты М.В. Келдышем и его "командой". Так, сразу после запуска первого ИСЗ в ОПМ МИАНа были развернуты работы по обеспечению слежения за полетом спутников Земли и других космических аппаратов. Сотрудниками М.В. Келдыша разработана методика и впервые осуществлено определение орбиты с помощью ЭВМ. Позднее при ОПМ МИАН был создан Баллистический центр, который вошел в общую систему координационно-вычислительных центров СССР. В их задачу входили сбор и обработка траекторной информации с целью определения истинных орбит летящих объектов, а также выработка соответствующих управляющих команд. Центр стал неотъемлемой частью замкнутого контура управления полетом космических аппаратов и способствовал успешному выполнению космических программ.
Были развернуты работы по комплексному баллистическому проектированию космических полетов к Луне, Марсу и Венере. М.В. Келдыш не только руководил этими проектными исследованиями. Огромное внимание он уделял реализации проектов.
Первоначально главные усилия были направлены на решение задачи достижения Луны и исследования окололунного пространства. Соответствующие работы были проведены в сжатые сроки под общим руководством М.В. Келдыша. Блестящим примером работы из "лунного" цикла явился выбор траекторий облета и фотографирования невидимой с Земли стороны Луны для КА "Луна-3".
Рис. 2. Схема полета КА "Луна-3"
Здесь впервые в мировой практике был предложен и успешно реализован "гравитационный маневр" — целенаправленное изменение траектории КА в результате возмущения его движения небесным телом (Луной).
Рис. 3. Первая фотография обратной стороны Луны, полученная КА "Луна-3"
В Институте выполнены и реализованы в ЛКИ совместно с промышленностью проектные исследования, связанные с навигационным обеспечением полетов к Луне всех отечественных лунных КА. Перечень этих 24 КА представлен на следующем рисунке.
Рис. 4. Перечень полетов к Луне
Особо следует отметить первую мягкую посадку на поверхность Луны автоматической станции "Луна-9", первый искусственный спутник Луны "Луна-10" и станцию "Луна-16" (Проект "Е-8"), впервые осуществившую забор и доставку на Землю образцов лунного грунта.
Рис. 5. "Луна 20". Контейнер с лунным грунтом
В разгар работ по подготовке лунных экспедиций Мстислав Всеволодович Келдыш и Сергей Павлович Королев приняли совместное решение начать баллистическое проектирование беспилотных полетов к Марсу и Венере. В Институте были разработаны принципиальные технические решения, сыгравшие в дальнейшем большую роль в развитии космической техники: разработка метода разгона аппарата с промежуточным выведением на незамкнутую орбиту искусственного спутника Земли (рис. 6), который стал впоследствии универсальным способом разгона космических аппаратов; принципиальная схема управления полетом КА, которая легла в основу всех работ как по баллистическому проектированию, так и по практическому управлению полетами межпланетных КА.
Рис. 6. Метод разгона аппарата с промежуточным выведением на незамкнутую орбиту искусственного спутника Земли
Эта схема обеспечивала достижение как максимальной точности управления в ходе полета, так и минимальных массовых затрат, связанных с созданием самой системы управления. Под руководством М.В. Келдыша коллектив ОПМ участвовал во всех проектно-баллистических работах, а также работах по баллистико-навигационному обеспечению полетов космических аппаратов, предназначенных для исследования межпланетного космического пространства, планет и малых тел солнечной системы. Наиболее наглядными являются полеты наших 16 КА к Венере, представленные на рис. 7.
Рис. 7. Перечень полетов к Венере
Особо следует отметить "Венеру-4", осуществившую впервые передачу на Землю параметров атмосферы планеты; первые искусственные спутники Венеры "Венеру-9", "Венеру-10" и их посадочные аппараты (рис. 8), обеспечившие передачу на Землю первых панорам с поверхности этой загадочной планеты; ИСВ "Венера-15" и "Венера-16", позволившие с помощью уникального эксперимента по радиокартографированию Венеры (рис. 9) построить качественные изображения планеты и ее рельефа, создать первый атлас Венеры.
Рис. 8. Районы посадки АМС "Венера-4" - "Венера-14"
Рис. 9. Орбита космических аппаратов
"Венера-15" - "Венера-16"
Необходимо также отметить полеты наших КА "Вега-1 и 2" к комете Галлея (рис. 10), с доставкой в атмосферу Венеры аэростатных зондов и выведением к ядру кометы европейской межпланетной станции "Джотто" (Международный проект "Лоцман") (рис. 11).
Рис. 10. АМС "Вега-1" и "Вега-2"
Рис. 11. Схема полета АМС "Вега-1"
Под руководством М.В. Келдыша в ИПМ АН были развернуты работы в новом направлении, имеющем важное естественнонаучное и прикладное значение для навигации и управления полетом космических аппаратов. Это — уточнение астрономических постоянных и построение высокоточных теорий движения небесных тел. Впервые в мировой практике были определены по данным траекторных измерений параметры нецентральности гравитационного поля Луны. Создана первая в нашей стране высокоточная теория движения Венеры. Уточнены гравитационные постоянные Земли и Луны, динамическое сжатие Венеры.
Наконец, под руководством М.В. Келдыша проводились проектно-баллистические работы по созданию ряда уникальных искусственных спутников Земли, новых и перспективных систем управления и стабилизации спутников (пассивные системы стабилизации), а также работы по определению фактического движения вокруг центра масс свободнолетящих искусственных спутников Земли (например, "Протон").
С начала интенсивных разработок в США проекта многоразовой космической системы Space Shuttle остро встал вопрос о целесообразности создания аналогичной системы в нашей стране. М.В. Келдыш неоднократно обсуждал круг задач, которые можно решать с помощью многоразовой космической системы, трудности ее создания и пути их преодоления. В результате сложилась концепция универсального транспортного средства, способного решать научные, народнохозяйственные и оборонные задачи. Принятое техническое решение рассматривалось в качестве промежуточного шага к созданию полностью многоразового аэрокосмического аппарата для полетов на любых высотах в атмосфере и даже за ее пределами. Вместе с тем, создание системы "Энергия"-"Буран" позволяло решить проблемы разработки тяжелой ракеты-носителя грузоподъемностью порядка 100 т и кислородно-водородных двигателей, конструирования аэрокосмического аппарата с весьма сложной и совершенной системой управления.
Не без внутренних колебаний и сомнений приняв решение о необходимости создания ракетно-космической системы "Энергия-Буран", М.В. Келдыш много сил, таланта и организаторских способностей отдал реализации этого проекта.
Рис. 12. С чего начинался Буран
Рис. 13. "Энергия-Буран"
Рис. 14. Посадка Бурана
В Мстиславе Всеволодовиче прекрасно сочетались качества дерзновенного мечтателя, стремившегося к пределам возможного, и трезвого реалиста, знавшего, где эти пределы кончаются. Когда под впечатлением первых успехов космических полетов некоторые всерьез рассматривали проект пилотируемого полета к Марсу в 1964 году (в облетном варианте), Мстислав Всеволодович сразу указал на нереальность подобного рода проектов по целому ряду причин и отмечал, что беспилотные автоматические аппараты еще долгие годы будут основным средством исследования дальних планет. Это не мешало, однако, ему обсуждать пилотируемые полеты к дальним планетам и подробно рассматривать различные их проекты в обозримом будущем.
По предложению С.П.Королева и М.В. Келдыша в Институте был создан Баллистический центр (БЦ ИПМ). На него возложены работы по баллистико-навигационному обеспечению (БНО) управления полетом пилотируемых кораблей и автоматических космических аппаратов научного и народно-хозяйственного назначения. Вместе с баллистическими центрами Минобороны и Роскосмоса он успешно обеспечивает полеты отечественных КА.
М.В. Келдыш очень внимательно следил за работой нашего БЦ. Очень радовался успехам и расстраивался в случае неудач. Когда он приезжал на заседания Госкомиссии в НИИ-4 МО (где в первые годы проходили эти заседания), он ревниво анализировал текущие данные прогноза двух БЦ (ИПМ и НИИ-4), которые вывешивались в виде таблицы на стене зала заседания. Если обнаруживал большие рассогласования в прогнозах, то по возвращении в ИПМ задавал вопрос: "У кого точнее и почему?"
М.В. Келдыш подчеркивал, что наш БЦ не должен быть просто мощным вычислительным центром, оперативно выполняющим необходимые расчеты. Он требовал, чтобы Центр принимал непосредственное участие во всех этапах работ по созданию и испытаниям нового КА.
Более 40 лет БЦ ИПМ успешно решает сложные проблемы баллистико-навигационного обеспечения управления полетами пилотируемых кораблей "Восток", "Восход", "Союз", долговременных орбитальных станций "Салют" и "Мир", грузовых кораблей "Прогресс", многоразовой космической системы "Буран", автоматических КА "Луна", "Венера", "Марс", "Вега", "Фобос", "Астрон", "Гранат", "Интербол" и др. Эти работы БЦ проводит в тесном взаимодействии с организациями-разработчиками КА — РКК "Энергия", НПО им. С.А.Лавочкина, с ЦНИИМАШ и др.
Следуя наказам и традициям М.В. Келдыша, ИПМ продолжает передовые исследования по механике космического полета. В последние годы в Институте совместно с НИИПМиЭ МАИ проведены исследования по баллистике и навигации КА, использующих электроракетную двигательную установку в качестве маршевого двигателя. Институтом совместно с НПО им.С.А.Лавочкина, НИИПМиЭ МАИ, ГЕОХИ и ИКИ РАН разработан проект доставки на Землю реликтового вещества Солнечной системы — образцов грунта малого небесного тела, естественного спутника Марса Фобоса (проект "Фобос-Грунт", старт к Марсу 2009 г.). Проект имеет фундаментальное научное и важное научно-техническое значения. В проекте ИПМ решал задачи баллистики, навигации и управления полетом КА на всех этапах полета (рис. 15).
Рис. 15. Схема перелета КА "Фобос-Грунт"
Проект имеет важное общественно-политическое значение. После 20-летнего перерыва в полетах наших КА к Луне и планетам успешное осуществление такого проекта позволит восстановить авторитет страны в планетных космических исследованиях.
Подводя итог краткому обзору деятельности М.В. Келдыша в области механики космического полета, можно сказать, что он внес выдающийся вклад в развитие советской ракетной и космической науки и техники, дающий ему право занять в ее истории почетное место.
Методика проведения 4
урока
"Основы космонавтики"
Цель урока: формирование знаний о теоретических и практических основах космонавтики.
Задачи обучения:
Общеобразовательные: формирование понятий:
О теоретических и практических
предпосылках, задачах и методах
космических исследований;
- о связи космонавтики с астрономией,
физикой и другими естественно-математическими
науками и с техникой;
- о средствах космонавтики - космических
летательных аппаратах (КЛА);
- об основных типах реактивных ракетных
двигателей (РДТТ, ЖРД, ЭРД, ЯРД);
- о траекториях, скоростях и особенностях
движения КЛА, особенностях межпланетной и
межзвездной навигации.
Воспитательные: формирование научного мировоззрения учащихся в ходе знакомства с историей человеческого познания. Патриотическое воспитание при ознакомлении с выдающейся ролью российской науки и техники в развитии космонавтики. Политехническое образование и трудовое воспитание при изложении сведений о практическом применении космонавтики.
Развивающие: формирование умений решать задачи на применение законов движения космических тел, формул Циолковского и космических скоростей к описанию движения КЛА.
Ученики должны знать :
О космонавтике (предмете, задаче
и методах космонавтических исследований,
связи ее с другими науками);
- о средствах космонавтики: основных типах
КЛА, их устройстве и характеристиках;
- об основных типах ракетных двигателей, их
устройстве и характеристиках
- формулу Циолковского, формулы и значения I,
II, III космических скоростей (для Земли);
- о траекториях полета КЛА и связи между
формой их орбит и скоростью движения.
Ученики должны уметь : решать задачи на применение формулы Циолковского и законов движения космических тел для расчета характеристик движения КЛА.
Наглядные пособия и демонстрации:
Диафильмы: "Элементы
механики космических полетов".
Кинофильмы
: "Искусственные спутники
Земли"; "Космические полеты".
Таблицы
: "Космические полеты"; "Космические
исследования".
Приборы и инструменты
: прибор для
демонстрации движения ИСЗ.
Задание на дом:
1) Изучить материала учебников:
- Б.А. Воронцов-Вельяминова
: §§ 14 (4), 16
(4).
- Е.П. Левитана
: §§ 7-11 (повторение).
- А.В. Засова, Э.В. Кононовича
: § 11;
упражнения 11 (3, 4)
2) Выполнить задания из сборника задач Воронцова-Вельяминова Б.А. : 174; 179; 180; 186.
3) Подготовить доклады и сообщения к уроку "История космонавтики".
План урока
|
Этапы урока |
Методы изложения |
Время, мин |
|
|
Актуализация темы занятия |
Рассказ |
||
|
Формирование понятий о теоретических и практических предпосылках, задачах и методах космонавтических исследований |
Лекция |
7-10 |
|
|
Формирование понятий о средствах космонавтики и основных типах ракетных двигателей |
Лекция |
10-12 |
|
|
Формирование понятий о траекториях, скоростях и особенностях движения КЛА, особенностях межпланетной и межзвездной навигации |
Лекция |
10-12 |
|
|
Решение задач |
|||
| Обобщение пройденного материала, подведение итогов урока, домашнее задание | |||
Методика изложения материала
Данный урок лучше всего проводить в форме лекции, в ходе которой осуществляется систематизации, обобщение и развитие "донаучных" космонавтических знаний учеников и сведений по космонавтике и реактивному движению, изученных ими в курсах природоведения, естествознания и физики за весь период школьного обучения. Авторы пособия предлагают ограничиться разбором вопросов об орбитах и скорости ИСЗ, полетах КЛА к Луне и простейших траекториях межпланетных перелетов. Мы считаем необходимым дополнить и расширить этот материал, теоретизировать его так, чтобы в результате обучения школьник обрел целостное понятие о теоретических и практических основах космонавтики. Изложение материала должно опираться на ранее изученный материал по физике (основы классической механики: законы Ньютона, закон Всемирного тяготения, закон сохранения импульса, реактивное движение) и астрономии (астрометрии и небесной механики: законы Кеплера, сведения о космических скоростях, орбитах космических тел и возмущениях). Патриотический аспект воспитания реализуется в акцентировании внимания учащихся на достижениях отечественной науки и техники, вкладе российских ученых в возникновение, становление и развитие ракетостроения и космонавтики. Исторических подробностей следует избегать, откладывая их на последующее занятие.
Космонавтика - полеты в космическом пространстве; совокупность отраслей науки и техники, обеспечивающих исследование и освоение космического пространства и космических объектов и их систем с помощью различных космических летательных аппаратов (КЛА): ракет, искусственных спутников Земли (ИСЗ), автоматических межпланетных станций (АМС), космических кораблей (КК), пилотируемых или управляемых с Земли.
Теоретический фундамент космонавтики образуют:
1. Астрономия (астрометрия, небесная механика и астрофизика).
2. Теория космических полетов - космодинамика - прикладная часть небесной механики, исследующая траектории полета, параметры орбит КЛА и т. д.
3. Ракетная техника, обеспечивающая решение научно-технических проблем создания космических ракет, двигателей, систем управления, связи и передачи информации, научного оборудования и т.д.
4. Космическая биология и медицина.
Основным и вплоть до настоящего времени единственным средством передвижения в космическом пространстве является ракета. Законы ракетного движения выводятся на основе законов классической механики: кинематики и динамики (II закона Ньютона, закона сохранения импульса и т. д.).
Формула К. Э. Циолковского описывает движение ракеты в космическом пространстве без учета действия внешних условий и характеризует энергетические ресурсы ракеты:
, - число Циолковского, где m 0 - начальная, m к - конечная массы ракеты, w - скорость истечения отбрасываемой массы по отношению к ракете (скорость реактивной струи), g - ускорение свободного падения.
 |
| Рис. 73 |
Ракета-носитель (РН) - многоступенчатая баллистическая ракета для выведения в космос полезного груза (ИСЗ, АМС, КК и др.). Ракетоносителями обычно являются 2-4 ступенчатые ракеты, сообщающие полезному грузу I - II космическую скорость (рис. 73).
Ракетный двигатель (РД) - реактивный двигатель, предназначенный для ракет и не использующий для работы окружающую среду. В РД происходит не только преобразование подводимой к двигателю энергии (химической, солнечной, ядерной и т. д.) в кинетическую энергию движения рабочего тела двигателя, но и непосредственно создается движущая сила тяги в виде реакции струи вытекающего из двигателя рабочего тела. Таким образом РД представляет собой как бы сочетание собственно двигателя и движителя.
Удельная тяга РД определяется формулой: .
В настоящее время широкое применение нашли только химические РД.
Ракетный двигатель твердого топлива (РДТТ) применяется около 2000 лет - широко в ракетной артиллерии и ограниченно в космонавтике. Диапазон тяг РДТТ колеблется от грамм до сотен тонн (для мощных РД). Топливо в виде зарядов (вначале - дымного пороха, с конца XIX века - бездымного пороха, с середины ХХ века - специальные составы) полностью помещается в камеру сгорания. После запуска горение обычно продолжается до полного выгорания топлива, изменение тяги не регулируется. По конструкции и эксплуатации наиболее прост, но имеет ряд недостатков: низкая удельная тяга, однократность запуска и т. д. Устанавливается на некоторых РН США ("Скаут", "Тор", "Титан"), Франции и Японии. Применяется также в качестве тормозных, спасательных, корректирующих и т. д. систем (рис. 74).
 |
 |
 |
 |
Жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) - РД, работающий на жидком ракетном топливе. Предложен К. Э. Циолковским в 1903 году. Основной двигатель современной космической техники. Тяга от долей грамма до сотен тонн. По назначению ЖРД делятся на основные (маршевые), тормозные, корректирующие и т. д. В качестве топлива применяют: из окислителей - кислород жидкий, четырехокись азота, перекись водорода; из горючих - керосин, гидразин, аммиак жидкий, водород жидкий. Наиболее перспективны сочетание жидких водорода и кислорода (РН "Энергия") (рис. 75).
Для увеличения удельной тяги перспективно использование ядерной энергии. Экспериментальные образцы ядерных ракетных двигателей (ЯРД ) разрабатывались с середины 60-х годов в СССР и США. В настоящее время Россия является единственным государством, располагающим маршевым ЯРД (рис. 76).
Продолжаются разработки электрических РД (ЭРД) - электротермических, электромагнитных, ионных. Первые экспериментальные образцы ЭРД были созданы в СССР в 1929-30 г.г.; в настоящее время ЭРД используются в качестве двигателей ориентации КЛА России и США. Маршевый ионный двигатель установлен на АМС, запущенной в конце 90-х гг. в США (рис. 77).
С точки зрения механики космического полета РД разделяются на:
1. Двигательные системы с ограниченной скоростью истечения w » 3 - 30 км/с, определяемой наибольшей температурой реактивной струи (химические, ядерные и т. д.). Они работают непродолжительное время (минуты, секунды) в атмосфере и вакууме на малых активных участках траектории полета (сотни км).
2. Системы ограниченной мощности с отдельным источником энергии, от которого зависит их эффективность (электрические и др.).
3. Системы с ограниченной тягой (парусные и радиоизотопные).
На активных участках полета движение КЛА зависит от работы его двигателей; на пассивных участках траекторий на движение КЛА влияют силы притяжения со стороны космических тел, давление света и солнечный ветер, а в верхних слоях атмосфер - аэродинамические силы трения.
Основные характеристики пассивного движения КЛА можно определить при решении задачи 2-х тел.
В центральном поле тяготения массивных космических тел КЛА движутся по кеплеровским орбитам, причем:
1. Траектория движения КЛА прямолинейна в случае, когда его начальная скорость u 0 = 0 и КЛА равноускоренно падает к центру притяжения.
2. КЛА движутся по эллиптическим траекториям, когда начальная скорость направлена под углом к центру притяжения, при . По эллиптическим орбитам вокруг Земли движутся ее ИСЗ, современные космические корабли и орбитальные станции, а также АМС, вращающиеся вокруг исследуемых ими планет.
3. По параболическим траекториям при u 0 = u II , когда конечная скорость КЛА в бесконечно удаленной точке пространства равна нулю.
4. По гиперболическим траекториям (u 0 > u II), почти неотличимым от прямолинейных на большом удалении от центра притяжения.
Траектории межпланетных полетов различаются по форме, длительности перелета, энергетическим затратам и другим факторам, зависящим от цели и особенностей космического полета. Интересно отметить, что КЛА практически никогда не движутся по прямой линии: траектории их движения (кроме некоторых идеализированных случаев) представляют собой отрезки кривых II порядка (окружности, эллипса, параболы и гиперболы), соединяющие орбиты космических тел или сами тела.
Выделяют 3 пассивных участка траекторий межпланетных полетов: 1) внутри "сферы действия" Земли, в которой движение КЛА определяется только силой земного притяжения; 2) от границы сферы действия Земли до границы сферы действия космического тела - цели полета, самому длинному и продолжительному, на котором движение КЛА определяется притяжением Солнца; 3) внутри сферы действия космического тела - цели полета.
Выше уже отмечалось, что для
выхода из сферы действия Земли КЛА должен
иметь скорость u
> u
II; .
Добавочная скорость, которую находящийся
на орбите искусственного спутника КЛА
должен обрести для того, чтобы выйти из
сферы действия Земли, называется скоростью
выхода u
в
. 
,
где r
- расстояние от космического тела, R
дÅ
- радиус сферы действия Земли (R
дÅ
= 925000 км).
При запуске КЛА с поверхности Земли необходимо учитывать:
1) скорость и направление
вращения Земли вокруг своей оси;
2) скорость и направление вращения Земли
вокруг Солнца (u
Å
= 29,785 км/с).
Весьма сложен требующий больших энергетических затрат запуск ИСЗ, вращающихся в направлении, противоположном направлению вращения Земли вокруг своей оси; более сложен запуск КЛА по траектории, не лежащей в плоскости эклиптики.
Если скорость выхода совпадает
по направлению со скоростью движения Земли v Å
, орбита КЛА, кроме перигелия,
лежит вне орбиты Земли (рис. 79в).
При противоположной направленности
скорости u
в
орбита
КЛА, за исключением афелия, лежит внутри
орбиты Земли (рис. 79а).
При той же направленности и равенстве
скоростей u
в
= u
Å
орбита КЛА становится прямой, по
которой КЛА будет падать на Солнце около 64
суток (рис. 79г).
При u
в
= 0 орбита КЛА
совпадает с орбитой Земли (рис. 79б).
Чем выше скорость u
в
КЛА, тем больше эксцентриситет его
эллиптической орбиты. Путем сравнительно
несложных расчетов определяется значение v в
,
необходимое для того, чтобы перигелий или
афелий орбит КЛА лежал на орбите внешней
или внутренней планет,
.
Траектории полета КЛА, одновременно касающиеся орбит Земли и космических тел - целей межпланетного полета, называются гомановскими траекториями (в честь рассчитавшего их немецкого ученого В. Гоманна).
Для внешних планет: 
.
Для внутренних планет:
, где r
- среднее расстояние планетного
тела от Солнца.
Продолжительность перелета по
гомановской траектории рассчитывается по
формуле: 
средних
солнечных суток.
При расчетах траектории межпланетного полета по гомановским траекториям необходимо учитывать взаимное расположение (начальную конфигурацию) Земли, Солнца и планеты-цели, характеристики и особенности движения планет по их орбитам. Например, полет к Марсу по кратчайшей гомановской траектории займет всего 69,9 d , к Юпитеру - 1,11 года, к Плутону - 19,33 года. Однако реально оптимальное взаимное положение Земли, Солнца и этих планет происходит исключительно редко и для уменьшения времени перелета требуется повысить u в , что требует дополнительных энергозатрат. Поэтому, в числе прочих причин, пилотируемые полеты к планетам Солнечной системы существенно дороже и сложнее, нежели исследование этих планет с помощью АМС, которые могут годами лететь к своим целям по самым экономичным траекториям. С учетом действия возмущений со стороны планет и Солнца АМС и космические корабли должны иметь двигатели для корректировки траектории движения.
При достижении сферы действия планеты-цели, для выхода на эллиптическую или круговую орбиту вокруг нее КЛА должен уменьшить скорость до значения, меньшего II космической для данной планеты.
В межпланетной навигации широко используется маневр КЛА в гравитационном поле планет Солнечной системы.
При движении в центральном поле тяготения массивного космического тела на КЛА действует сила притяжения со стороны этого тела, изменяющая скорость и направление движения КЛА. Направленность и величина ускорения КЛА зависят от того, насколько близко пролетит КЛА от космического тела и от угла j между направлениями входа и выхода КЛА в сферу действия этого тела.
Скорость КЛА изменяется на
величину: 
Наибольшее ускорение КЛА
приобретает при движении по траектории,
проходящей на минимальном расстоянии от
космического тела, если скорость входа КЛА
в сферу действия равна I космического
скорости u
I у
поверхности этого тела, при этом 
.
При облете Луны КЛА может увеличить свою скорость на 1,68 км/с, при облете Венеры - на 7,328 км/с, при облете Юпитера - на 42,73 км/с. Скорость выхода КЛА из сферы действия планеты можно значительно увеличить включением двигателей в момент прохождения перицентра.
На рис. 80-81 приведены некоторые расчетные траектории межпланетных перелетов.
Астронавтика - раздел космонавтики, исследующий проблемы межзвездных полетов. В настоящее время изучает в основном теоретические проблемы механики перелета, поскольку современная наука не располагает сведениями для решения технических вопросов достижения звезд.Для межзвездного полета КЛА должен выйти за пределы сферы действия Солнца, равной 9× 10 12 км. Межзвездные расстояния огромны: до ближайшей звезды 270000 а.е.; внутри описанной вокруг Солнца сферы радиусом 10 пк находится всего около 50 звезд.
В настоящее время в полет за пределы Солнечной системы отправились АМС "Пионер-10 и -11" и "Вояджер-1 и -2", которые удалятся на расстояние 1 светового года через тысячи лет.
Существующие и даже перспективные виды РД не пригодны или малопригодны для межзвездных перелетов, поскольку не могут обеспечить разгон КЛА до скорости свыше 0,1 скорости света с .
К ближайшим из звезд теоретически возможны лишь полеты "в один конец" автоматических межзвездных зондов (АМЗ) или пилотируемые перелеты с целью колонизации подходящих планет с экипажем в состоянии "обратимой смерти" (гибернации) или со сменой поколений внутри корабля, что требует решения множества не только технических, но и этических, психологических, биологических проблем (экипаж никогда не возвратится на Землю; большую часть жизни или даже всю жизнь при смене поколений ему предстоит провести внутри корабля; необходимо создание полностью замкнутой экосистемы КЛА и т. д.); еще до старта земные астрономические наблюдения должны дать гарантии существования планет земной группы с подходящими для жизни условиями у звезды - цели полета (иначе полет теряет смысл).
"Голубой мечтой" современной астронавтики является теоретически идеальный квантовый (фотонный) РД с w = c - единственно пригодный для осуществления межзвездных перелетов в пределах Галактики (рис. 78).
Движение физических тел со скоростями, близкими к скорости света, рассматриваются в общей теории относительности (ОТО), исследующей пространственно-временные закономерности любых физических процессов.
В рамках ОТО формула Циолковского
обобщается и принимает вид:
,
где z - число Циолковского, m 0 - начальная, m 1 - конечная массы КЛА, u 1 - конечная скорость КЛА в земной системе отсчета, w - скорость реактивной струи относительно корабля.
Скорости света не сможет достигнуть даже
фотонный звездолет при w
= c
,
поскольку:
.
Полет со скоростью выше скорости света согласно современной науке невозможен для любых материальных объектов. Однако (теоретически) звездолет может перемещаться со скоростью, близкой скорости света, .
Возможны варианты межзвездного полета:
1. Полет в 3 этапа: разгон КЛА до
наибольшей скорости; полет по инерции с
выключенными двигателями; торможение до
нулевой скорости.
2. Полет в 2 этапа с постоянным ускорением:
первую половину пути КЛА увеличивает
скорость с ускорением g~
gÅ
= 10 м/с 2 , а затем начинает торможение
с тем же ускорением.
Согласно основным положениям ОТО для наблюдателя на борту КЛА при приближении к скорости света все физические процессы будут замедляться в раз, и во столько же раз будут сокращаться расстояния вдоль направления движения КЛА: пространство и время как бы "сжимаются". В системе отсчета корабля он будет неподвижен, а относительно Земли и цели полета будет перемещаться со скоростью u £ c .
Собственное (корабельное) время
полета и независимое время, протекающее с
момента старта на Земле, рассчитываются по
разным формулам: 
,
где 
и
- функции гиперболического косинуса и
гиперболического синуса, r
- расстояние
до цели полета.
При непрерывном ускорении g = 10 м/с 2 полет до звезды a Центавра займет по корабельным часам 3,6 года, по земным - 4,5 года; полет к центру Галактики займет по корабельным часам Т к = 19,72 года, по земным Т Å = 27000 лет; полет к галактике М31 ("туманности Андромеды"), ближайшей из спиральных галактик, займет соответственно Т к = 28 лет и Т Å = 3,5 миллиона лет!
Такова плата за межзвездные полеты согласно "парадоксу близнецов": облетевшие пол-Галактики и постаревшие на десятки лет астронавты возвратятся на Землю тысячи и миллионы лет спустя после старта. Помимо чисто этических проблем вернувшихся из, по сути, "полета в один конец" пришельцев из далекого прошлого в мир будущего, встает важная проблема ценности доставленной астронавтами информации: за время полета наука на Земле не стоит на месте!
Очень важны энергетические проблемы межзвездных полетов: если для достижения II космической скорости межпланетного пилотируемого перелета Земля - Марс будет затрачена энергия около 8,4× 10 9 кВт× ч (вырабатываемой электростанцией мощностью 100 МВт за 8,5 часов), то для разгона КЛА до 0,2с потребуется энергия 10 15 кВт× ч - вся энергия, вырабатываемая электростанциями Земли за 10 лет. Увеличение скорости до 0,4 с влечет увеличение расхода энергии в 16 раз при 100 % КПД двигателей! Запасы топлива для термоядерного РД составят свыше 99 % массы КЛА. Для синтеза антивещества для единственного полета фотонного звездолета требуется такое количество энергии, что современная наука не может указать его источника в переделах Солнечной системы.
Таким образом, по законам физики на современном уровне развития земной цивилизации межзвездные пилотируемые полеты КЛА практически невозможны. Исследования ближайших звезд межзвездными беспилотными АМЗ вполне возможны (в настоящее время в США и России разрабатываются проекты запуска АМЗ к Проксиме Центавра, звезде Барнарда и некоторым другим объектам в середине XXI века). Имеющие несколько десятков тонн массы полезной нагрузки АМЗ будут разгоняться до скорости 0,1-0,2с солнечными, радиоизотопными или термоядерными РД, время полета составит десятки или даже сотни лет.
Изученный материал закрепляется в ходе решения задач:
Упражнение 10:
1. Почему проще запустить КЛА к Плутону, нежели к Солнцу?
2. Возможна ли излюбленная в фантастике 60-х годов ситуация, когда КЛА с вышедшим из строя двигателем притягивается и падает на Солнце?
3. Где и почему выгоднее располагать космодромы: на полюсах или на экваторе Земли?
4. Определите скорость выхода КЛА за пределы Солнечной системы. Как долго он будет лететь к ближайшей из звезд?
5. Почему внутри космического корабля на пассивном участке траектории полета наступает невесомость?
6. Какова скорость АМС, вращающейся по круговой орбите вокруг Юпитера на расстоянии: а) 2000 км; б) 10000 км от планеты?
7. Изобразите на чертеже конфигурацию Земли, Солнца и Марса, считая их орбиты круговыми, при полете советских АМС "Марс-2" и "Марс-3", достигших Марса 21.11.1971 года и 2.12.1971 года после 192 и 188 суток полета, если противостояние планет произошло 10 августа 1971 года.
По мнению В.В. Радзиевского следует обратить внимание учителей и учащихся "на огромное практическое значение астрономии в связи с активным освоением космоса, на роль космонавтики в решении экологических проблем загрязнения окружающей среды (перенос загрязняющих атмосферу предприятий в космос, выброс в космос вредных отходов производства, демографические перспективы)… Необходимо усилить элементы космонавтики в самой программе, ввести вопросы: закон сохранения энергии в задаче 2-х тел (элементарный вывод)...
В 60-80-е годы в школах Советского Союза преподавался факультативный курс А.Д. Марленского "Основы космонавтики" (IX класс, 70 часов учебных занятий по 2 ч. в неделю) . Сведения о его структуре, содержании и планировании занятий могут пригодиться современному учителю физики и астрономии для использования соответствующего материала на уроках физики и астрономии (особенно в физико-математических классах) и внеклассных занятиях:
1) История космонавтики (2 ч.) (Первые фантастические проекты космических полетов. К.Э. Циолковский – основоположник научной космонавтики. Основные этапы развития ракетной техники. Запуск первого советского ИСЗ и начало космической эры. Полет человека в космос).
2) Движение и устройство ракет (4 ч.) (Принцип действия ракеты. Понятие о механике тел переменной массы. Формула Циолковского. Основные части и числовые характеристики одноступенчатой ракеты. Многоступенчатые ракеты. Ракетные двигатели и топлива). Начинать с повторения закона сохранения импульса; с опорой на него проанализировать одноимпульсный выброс массы из ракеты. Рассмотреть серию последовательных выбросов и показать, что результирующая скорость ракеты при однонаправленных выбросах равна сумме скоростей, которые она получает при каждом выбросе массы. Сообщить формулу Циолковского (без подробного вывода, но с детальным анализом физического смысла и решением соответствующих задач). Рассмотреть движение ракеты с точки зрения законов динамики, в зависимости от реактивной силы. Продемонстрировать на опытах возникновение реактивной силы на примерах вытекающих водяных струй и показать, как можно изменить силу тяги (приводится схема установки). Ознакомить учеников с числовыми характеристиками одноступенчатых и многоступенчатых РН. Предложить (дома) разработать проекты ракет с различными характеристиками, разобрать на следующем уроке. Работа РД изучается в общих чертах. Рассматриваются схемы их устройства, подачи топлива и графики изменения характеристик (скорость, температура и давление продуктов сгорания вдоль оси РД). Обратить внимание на основные данные РД и ракетного топлива в сравнении с тепловыми двигателями и топливом наземного транспорта. Полезно продемонстрировать действующие модели ракет.
3) Свободное движение ракеты в поле тяготения (8 ч) (Центральное поле тяготения. Задача 2-х тел. Закон сохранения механической энергии при движении в поле тяготения. Гравитационный параметр. Формула скорости тела, движущегося по эллиптической орбите. Траектории движения в поле тяготения (кеплеровы орбиты). Законы Кеплера. Круговая скорость, скорость освобождения, гиперболический избыток скорости. Понятие о возмущенном движении. Сфера действия. Невесомость). Повторить закон Всемирного тяготения применительно к 2 материальным точкам и подробно проанализировать его формулу; указать на возможность представления массивных космических тел в виде материальных точек. Формируется представление о поле тяготения как поле центральных сил и его характеристиках: ускорения свободного падения (позволяют определять силовые воздействия центрального поля на тела, вносимые в разные точки поля) и потенциалы (для определения энергетических затрат при различных перемещениях тел в этом поле). Обосновать выбор нулевого значения гравитационного потенциала для бесконечно удаленных точек в этом случае гравитационные потенциалы всех космических тел отсчитываются от нулевого уровня и их легко сравнивать. Сравнивая гравитационные потенциалы точек на поверхности планет, можно судить о величине работы для удаления тела из данной точки в бесконечность (введение понятия о II космической скорости). Решение задачи 2-х тел опирается на законы сохранения энергии и момента импульса (следует сформировать понятие о законе сохранения момента импульса на основе демонстрации скамьи Жуковского, определения понятия момента импульса и ряде опытов)
4) Движение ракеты под действием тяги (6 ч.) (Вывод КА на орбиту. Потери скорости. Начальная и суммарная характеристические скорости. Управление КА. Коррекции траектории. Перегрузки в полете. Понятие о космической навигации. Инерциальная, астро- и радионавигация. Ориентация и стабилизация КА). 5) Искусственные спутники Земли (8 ч.) (Орбиты ИСЗ. Возмущение орбит, вызванное несферичностью Земли, сопротивлением атмосферы, притяжением Луны и Солнца. Движение ИСЗ относительно поверхности Земли. Вывод ИСЗ на орбиту. Многоимпульсные маневры. Встреча на орбите. Орбиты ожидания. Гомановские переходы. Стыковка. Орбитальные станции. Спуск с орбиты. Основные физические явления при входе в атмосферу. Баллистический и планирующий спуски). 6) Полеты к Луне и планетам (8 ч.) (Траектории полетов к Луне. Искусственные спутники луны. Посадка на Луну. Траектории полета к планетам. Оптимальные траектории. Окна запуска. Коррекции траектории. Многоимпульсные траектории. Использование гравитационного поля планет для изменения траекторий КА. Облет планет. Посадка на планеты. Использование атмосферы при посадке. Коридор входа. Жесткая и мягкая посадки). 7) Условия космического полета (2 ч.) (Радиационная опасность. Метеоритная опасность. Способы защиты. Жизнеобеспечение в КК. Космическая психология. Ритм жизни в КК. Влияние невесомости и перегрузки на организм). 8) Научное и практическое использование космонавтики (6 ч.) (Успехи СССР в использовании космоса. Научная аппаратура ИСЗ, КА и АМС. Исследования Земли, околоземного космического пространства, Луны, планет, межпланетного пространства средствами космонавтики. Практическое использование космонавтики: в геодезии, метеорологии, для навигации, связи, разведки земных ресурсов). 9) Перспективы космонавтики (2 ч.) (Проекты дальнейших космических полетов в Солнечной системе. Проекты освоения Луны и планет. Возможность межзвездных перелетов). 10 часов практических работ (в том числе астрономических наблюдений).
| << Предыдущая наблюдения - лабораторные работы - практические работы - учебная программа - учебные пособия - лекции - педагогический эксперимент - дидактика - контрольные работы - задача | |
| См. также: Все публикации на ту же тему >> | |
Константин Эдуардович Циолковский родился 5 (17) сентября 1857 года в селе Ижевском Рязанской губернии в семье лесничего. Из-за болезни он не смог учиться в школе и вынужден был заниматься самостоятельно. Освоив большую часть курса своими силами в единственной бесплатной библиотеке Москвы, сдал экзамен на звание учителя народных училищ и получил должность учителя в Боровском уездном училище. Позже его переводят преподавать в Калугу - там и прошла вся дальнейшая жизнь. В свободное время Циолковский занимался наукой. За работу «Механика животного организма» был избран действительным членом Русского физико-химического общества. После революции его работы стали востребованными, были признаны новаторскими и будоражили умы современников. В 1926–1929 годах Циолковский занимался практическими вопросами космических полетов. В это время рождаются самые смелые и даже фантастические идеи, которым суждено сбыться в будущем. Циолковский рассчитал оптимальную высоту для полета вокруг Земли, отстаивал идею разнообразия форм жизни во Вселенной, придумал первые колесные шасси, разработал принципы движения на воздушной подушке, писал о будущем открытии лазера и предсказал проникновение математики во все области науки. Умер Циолковский 19 сентября 1935 года.
За многочисленные и сомнительные с точки зрения науки философские труды Циолковского можно было бы назвать великим мечтателем и чудаком из далекого космоса, если бы не одно «но»: Константин Эдуардович - первый идеолог и теоретик освоения космического пространства человеком. Циолковский всегда грезил о космосе и стремился свои мечтания обосновать теоретически и даже практически. Первые мысли об использовании ракет для полета в космос высказывались ученым еще в 1883 году, однако стройной математической теории реактивного движения суждено было появиться лишь тринадцать лет спустя.
В 1903 году в пятом выпуске журнала «Научное обозрение» он опубликовал часть статьи «Исследование мировых пространств реактивными приборами», но, как и многие открытия и работы Циолковского, она была слишком далека от реалий современной жизни. Однако именно в этой статье ученый привел математические выкладки и обоснования реальной возможности применения ракет для межпланетных путешествий. Циолковский не ограничился тем, что указал на средство проникновения человека в космос - ракету, он также и дал подробное описание двигателя. Многие теории Константина Эдуардовича можно назвать пророческими, например о выборе жидкого двухкомпонентного топлива и о возможности использования других видов топлива, в частности энергии распада атомов. Циолковский выдвинул революционную по тем временам идею создания электрореактивных двигателей, в присущей ему манере написав, что «может быть, с помощью электричества получится со временем придавать громадную скорость выбрасываемым из реактивного прибора частицам».
Его идеи о регенеративном охлаждении камеры сгорания и сопла двигателя компонентами топлива, керамической изоляции элементов конструкции, раздельном хранении и насосной подаче топлива в камеру сгорания, оптимальных траекториях спуска космического аппарата при возвращении из космоса с успехом применяются сегодня.
Ученый активно совмещал теорию и практику, стараясь найти возможные пути реального осуществления всего, что он задумал. Циолковский научно обосновал проблемы, связанные с ракетным космическим полетом. Например, он детально рассмотрел все, что касается ракеты: законы движения, ее конструкцию, вопросы управления, проведение испытаний, обеспечение надежной работы всех систем, создание приемлемых условий полета и даже подбор психологически совместимого экипажа.
Любопытно, что, не имея практически никаких приборов, Циолковский рассчитал оптимальную высоту для полета вокруг Земли - промежуток от трехсот до восьмисот километров над планетой. Именно на этих высотах и проходят современные космические полеты. Циолковский вывел формулу, которая впоследствии будет названа его именем, позволяющую определить скорость летательного аппарата под воздействием тяги ракетного двигателя. При этом ученому удалось получить ответ на важный практический вопрос: сколько нужно взять топлива в ракету, чтобы получить нужную скорость отрыва от Земли и благополучно покинуть планету? Результат расчета был таков: чтобы ракета с экипажем развила скорость отрыва и отправилась в межпланетный полет, нужно взять топлива в сто раз больше, чем весят корпус ракеты, двигатель, механизмы, приборы и пассажиры, вместе взятые. Но как вместить в корабль столько топлива? Ученый нашел оригинальный выход - ракетный поезд, состоящий из нескольких ракет, соединенных между собой. В передней ракете находятся определенное количество топлива, пассажиры и оборудование. Далее ракеты работают поочередно, разгоняя весь межпланетный поезд. Как только топливо в одной ракете выгорит до конца, она сбрасывается: в результате удаляются опустошенные баки и корабль становится легче. Далее начинает работать вторая ракета, затем - третья и т. д. На основании формулы Циолковского был сделан важный вывод о том, что возможности ракеты в первую очередь определяются характеристиками двигателя и совершенством ракетной конструкции.
Циолковский оставил богатейшее научное наследие. Не все его идеи представляют большую ценность для науки, но все же ко многим вопросам ученый обратился первым. Его взгляды даже сейчас кажутся немного фантастическими. Поражает то, с какой точностью ученый предсказывал будущее. Так, ему принадлежит первенство в изучении вопроса об искусственном спутнике Земли и его роли для народного хозяйства. Он высказал идею о создании будущими поколениями околоземных станций в качестве искусственных поселений, которые будут использовать энергию Солнца и служить промежуточными базами для межпланетных сообщений. Данная идея межпланетных станций была главным средством достижения заветной мечты - освоения человеком околосолнечного пространства и создания в будущем «эфирных поселений».