نظرية الرحلات الفضائية. استكشاف الفضاء في المستقبل

مقدمة.

لطالما حلمت البشرية بالسفر إلى الفضاء. اقترح الكتاب - كتاب الخيال العلمي والعلماء والحالمون - مجموعة متنوعة من الوسائل لتحقيق هذا الهدف. لكن لعدة قرون، لم يتمكن أي عالم أو كاتب خيال علمي من اختراع الوسيلة الوحيدة المتاحة للإنسان والتي يمكن من خلالها التغلب على قوة الجاذبية والطيران إلى الفضاء. على سبيل المثال، وصل بطل القصة للكاتب الفرنسي سيرانو دي برجراك، المكتوبة في القرن السابع عشر، إلى القمر عن طريق رمي مغناطيس قوي فوق العربة الحديدية التي كان موجودًا فيها. ارتفعت العربة أعلى وأعلى فوق الأرض، منجذبة إلى المغناطيس، حتى وصلت إلى القمر؛ قال البارون مونشاوزن إنه صعد إلى القمر على طول ساق الفاصوليا.

لأول مرة، أصبح حلم وتطلعات كثير من الناس أقرب إلى الواقع من خلال العالم الروسي كونستانتين إدواردوفيتش تسيولكوفسكي (1857-1935)، الذي أظهر أن الجهاز الوحيد القادر على التغلب على الجاذبية هو الصاروخ، وقدم لأول مرة دليل علمي على إمكانية استخدام الصاروخ للرحلات إلى الفضاء الخارجي، إلى ما وراء الغلاف الجوي للأرض وإلى كواكب أخرى في النظام الشمسي. أطلق تسويلكوفسكي على الصاروخ اسم جهاز مزود بمحرك نفاث يستخدم الوقود والمؤكسد عليه.

المحرك النفاث هو محرك قادر على تحويل الطاقة الكيميائية للوقود إلى طاقة حركية لنفاثة الغاز، وبالتالي اكتساب السرعة في الاتجاه المعاكس.

على أي المبادئ والقوانين الفيزيائية يعتمد تشغيل المحرك النفاث؟

كما تعلم من دورة الفيزياء، فإن طلقة البندقية تكون مصحوبة بالارتداد. وفقًا لقوانين نيوتن، فإن الرصاصة والمسدس سيطيران في اتجاهين مختلفين بنفس السرعة إذا كان لهما نفس الكتلة. تخلق كتلة الغازات المقذوفة قوة تفاعلية، بفضلها يمكن ضمان الحركة، سواء في الهواء أو في الفضاء الخالي من الهواء، وبالتالي يحدث الارتداد. كلما زادت قوة الارتداد التي يشعر بها كتفنا، زادت كتلة الغازات المتسربة وسرعتها، وبالتالي، كلما كان رد فعل البندقية أقوى، زادت قوة رد الفعل. يتم تفسير هذه الظواهر من خلال قانون الحفاظ على الزخم:

• يظل المجموع المتجه (الهندسي) لنبضات الأجسام التي يتكون منها النظام المغلق ثابتًا لأي حركات وتفاعلات لأجسام النظام.

يتم حساب السرعة القصوى التي يمكن للصاروخ تطويرها باستخدام صيغة تسيولكوفسكي:

، أين

v max – السرعة القصوى للصاروخ

الخامس 0 - السرعة الأولية،

v r - سرعة تدفق الغاز من الفوهة،

م - الكتلة الأولية للوقود،

M هي كتلة الصاروخ الفارغ.

صيغة Tsiolkovsky المقدمة هي الأساس الذي يعتمد عليه الحساب الكامل للصواريخ الحديثة. رقم تسيولكوفسكي هو نسبة كتلة الوقود إلى كتلة الصاروخ عند نهاية تشغيل المحرك - إلى وزن الصاروخ الفارغ.

وهكذا وجدنا أن السرعة القصوى التي يمكن تحقيقها للصاروخ تعتمد في المقام الأول على سرعة تدفق الغاز من الفوهة. ويعتمد معدل تدفق غازات الفوهة بدوره على نوع الوقود ودرجة حرارة نفاث الغاز. وهذا يعني أنه كلما ارتفعت درجة الحرارة، زادت السرعة. ثم بالنسبة لصاروخ حقيقي، تحتاج إلى اختيار الوقود عالي السعرات الحرارية الذي ينتج أكبر قدر من الحرارة. توضح الصيغة أنه، من بين أمور أخرى، تعتمد سرعة الصاروخ على الكتلة الأولية والنهائية للصاروخ، وعلى أي جزء من وزنه يمثل وقودًا، وأي جزء عديم الفائدة (من وجهة نظر سرعة الطيران) الهياكل: الجسم، الآليات، الخ. د.

الاستنتاج الرئيسي من صيغة تسيولكوفسكي لتحديد سرعة الصاروخ الفضائي هو أنه في الفضاء الخالي من الهواء، سيتطور الصاروخ كلما زادت السرعة، وزادت سرعة تدفق الغاز وزاد رقم تسيولكوفسكي.

جهاز صاروخ باليستي.

دعونا نتخيل بشكل عام صاروخًا حديثًا طويل المدى.

يجب أن يكون مثل هذا الصاروخ متعدد المستويات. توجد الشحنة القتالية في رأسها، وتوجد خلفها أجهزة التحكم والدبابات والمحرك. وزن إطلاق الصاروخ يتجاوز وزن الحمولة بمقدار 100-200 مرة حسب الوقود! وبالتالي، يجب أن يزن الصاروخ الحقيقي عدة مئات من الأطنان، ويجب أن يصل طوله على الأقل إلى ارتفاع مبنى مكون من عشرة طوابق. يتم فرض عدد من المتطلبات على تصميم الصاروخ. لذلك، من الضروري، على سبيل المثال، أن تمر قوة الدفع عبر مركز ثقل الصاروخ. قد ينحرف الصاروخ عن المسار المقصود أو حتى يبدأ في الدوران إذا لم يتم استيفاء الشروط المحددة.

الشكل 1: الهيكل الداخلي للصاروخ.

يمكنك استعادة المسار الصحيح باستخدام الدفة. في الهواء المتخلخل، تعمل دفاتر الغاز، مما يؤدي إلى انحراف اتجاه طائرة الغاز التي اقترحها تسيولكوفسكي. تعمل الدفات الهوائية عندما يطير الصاروخ في هواء كثيف.

تعمل الصواريخ الباليستية الحديثة بشكل أساسي بمحركات تستخدم الوقود السائل. وعادة ما يستخدم الكيروسين والكحول والهيدرازين والأنيلين كوقود، وتستخدم أحماض النيتريك والبيركلوريك والأكسجين السائل وبيروكسيد الهيدروجين كعوامل مؤكسدة. أكثر العوامل المؤكسدة نشاطًا هي الفلور والأوزون السائل، لكن نادرًا ما يتم استخدامها بسبب انفجارها الشديد.

المحرك هو العنصر الأكثر أهمية في الصاروخ. أهم عنصر في المحرك هو غرفة الاحتراق والفوهة. في غرف الاحتراق وذلك لأن درجة حرارة احتراق الوقود تصل إلى 2500-3500 عنج، يجب استخدام المواد المقاومة للحرارة بشكل خاص وطرق التبريد المعقدة. المواد التقليدية لا يمكنها تحمل درجات الحرارة هذه.

الوحدات المتبقية هي أيضا معقدة للغاية. على سبيل المثال، كانت المضخات التي يجب أن تزود المؤكسد والوقود إلى فوهات غرفة الاحتراق، الموجودة بالفعل في صاروخ V-2، وهي واحدة من أولى المضخات، قادرة على ضخ 125 كجم من الوقود في الثانية.

في بعض الحالات، بدلاً من الأسطوانات التقليدية، يتم استخدام أسطوانات بها هواء مضغوط أو بعض الغازات الأخرى التي يمكنها إزاحة الوقود من الخزانات ودفعه إلى غرفة الاحتراق.

يجب أن تكون الدفات الغازية مصنوعة من الجرافيت أو السيراميك، لذلك فهي هشة للغاية وهشة، لذلك بدأ المصممون الحديثون في التخلي عن استخدام الدفات الغازية، واستبدالها بعدة فوهات إضافية أو تحويل الفوهة الأكثر أهمية. وبالفعل في بداية الرحلة، عند كثافة الهواء العالية، تكون سرعة الصاروخ منخفضة، وبالتالي يكون التحكم في الدفة ضعيفاً، وحيث يكتسب الصاروخ سرعة عالية، تكون كثافة الهواء منخفضة.

في صاروخ أمريكي مبني وفق مشروع أفانغارد، يتم تعليق المحرك على مفصلات ويمكن انحرافه بمقدار 5-7 عن.وتكون قوة كل مرحلة لاحقة وزمن تشغيلها أقل، لأن كل مرحلة من مراحل الصاروخ تعمل تحت ظروف مختلفة تمامًا، وهي التي تحدد تصميمه، وبالتالي يمكن أن يكون تصميم الصاروخ نفسه أبسط.

يتم إطلاق صاروخ باليستي من جهاز إطلاق خاص. عادةً ما يكون هذا ساريًا معدنيًا مخرمًا أو حتى برجًا يتم حوله تجميع الصاروخ قطعة قطعة بواسطة الرافعات. توجد أقسام هذا البرج مقابل فتحات التفتيش اللازمة لفحص المعدات وتصحيح الأخطاء. يتحرك البرج بعيدًا أثناء إعادة تزويد الصاروخ بالوقود.

يبدأ الصاروخ عموديًا ثم يبدأ ببطء في الميل وسرعان ما يصف مسارًا بيضاويًا بشكل صارم تقريبًا. يقع معظم مسار طيران هذه الصواريخ على ارتفاع يزيد عن 1000 كيلومتر فوق الأرض، حيث لا توجد مقاومة جوية عمليًا. عند الاقتراب من الهدف، تبدأ الأجواء في إبطاء حركة الصاروخ بشكل حاد، بينما تصبح قذائفه ساخنة للغاية، وإذا لم يتم اتخاذ الإجراءات فقد ينهار الصاروخ وقد تنفجر شحنته قبل الأوان.

الوصف المقدم للصاروخ الباليستي العابر للقارات قديم ويتوافق مع مستوى تطور العلوم والتكنولوجيا في الستينيات، ولكن نظرًا لمحدودية الوصول إلى المواد العلمية الحديثة، لا يمكن إعطاء وصف دقيق لتشغيل الصاروخ الحديث. صاروخ باليستي عابر للقارات طويل المدى. وعلى الرغم من ذلك، سلط العمل الضوء على الخصائص العامة المتأصلة في جميع الصواريخ. قد يكون العمل أيضًا مفيدًا للتعرف على تاريخ تطوير واستخدام الصواريخ الموصوفة.

Deryabin V. M. قوانين الحفظ في الفيزياء. - م: التربية، 1982.

جلفر يا. قوانين الحفظ. - م: ناوكا، 1967.

الجسم ك. عالم بلا أشكال. - م: مير، 1976.

موسوعة الأطفال. – م: دار النشر التابعة لأكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، 1959.

ولد كونستانتين إدواردوفيتش تسيولكوفسكي في 5 (17) سبتمبر 1857 في قرية إيجيفسكوي بمقاطعة ريازان في عائلة أحد عمال الغابات. بسبب المرض، لم يتمكن من الدراسة في المدرسة واضطر إلى الدراسة بمفرده. بعد أن أتقن معظم الدورة بمفرده في المكتبة المجانية الوحيدة في موسكو، اجتاز امتحان لقب مدرس المدارس العامة وحصل على منصب مدرس في مدرسة منطقة بوروفسكي. تم نقله لاحقًا للتدريس في كالوغا - حيث أمضى حياته المستقبلية بأكملها. في أوقات فراغه، درس تسيولكوفسكي العلوم. لعمله "ميكانيكا الكائن الحيواني" تم انتخابه عضوا كامل العضوية في الجمعية الفيزيائية والكيميائية الروسية. بعد الثورة، أصبحت أعماله مطلوبة، وتم الاعتراف بها على أنها مبتكرة وأثارت عقول معاصريه. في 1926-1929، تناول تسيولكوفسكي القضايا العملية المتعلقة برحلات الفضاء. في هذا الوقت، تولد الأفكار الأكثر جرأة وحتى رائعة، والتي من المقرر أن تتحقق في المستقبل. قام تسيولكوفسكي بحساب الارتفاع الأمثل للطيران حول الأرض، ودافع عن فكرة تنوع أشكال الحياة في الكون، واخترع أول جهاز هبوط بعجلات، وطور مبادئ الحوامات، وكتب عن الاكتشاف المستقبلي لليزر، وتنبأ باختراق الرياضيات في جميع مجالات العلوم. توفي تسيولكوفسكي في 19 سبتمبر 1935.

نظرًا لأعماله الفلسفية العديدة والمشكوك فيها من وجهة نظر علمية ، يمكن وصف تسيولكوفسكي بأنه حالم عظيم وغريب الأطوار من الفضاء السحيق ، إن لم يكن لواحد "ولكن": كونستانتين إدواردوفيتش هو أول إيديولوجي ومنظر لاستكشاف الفضاء البشري. كان تسيولكوفسكي يحلم دائمًا بالفضاء ويسعى إلى إثبات أحلامه نظريًا وحتى عمليًا. تم التعبير عن الأفكار الأولى حول استخدام الصواريخ للطيران إلى الفضاء من قبل العلماء في عام 1883، ولكن النظرية الرياضية المتماسكة للدفع النفاث كان من المقرر أن تظهر بعد ثلاثة عشر عامًا فقط.

في عام 1903، في العدد الخامس من مجلة المراجعة العلمية، نشر جزءًا من مقال بعنوان "استكشاف مساحات العالم باستخدام الأدوات النفاثة"، ولكن، مثل العديد من اكتشافات وأعمال تسيولكوفسكي، كانت بعيدة جدًا عن حقائق الحياة الحديثة. ومع ذلك، فقد قدم العالم في هذا المقال حسابات رياضية ومبررات للإمكانية الحقيقية لاستخدام الصواريخ للسفر بين الكواكب. لم يقتصر Tsiolkovsky على الإشارة إلى وسائل الاختراق البشري في الفضاء - الصاروخ، كما قدم وصفا مفصلا للمحرك. يمكن تسمية العديد من نظريات كونستانتين إدواردوفيتش بالنبوة، على سبيل المثال حول اختيار الوقود السائل المكون من عنصرين وإمكانية استخدام أنواع أخرى من الوقود، ولا سيما طاقة التحلل الذري. وطرح تسيولكوفسكي فكرة إنشاء المحركات النفاثة الكهربائية، والتي كانت ثورية في ذلك الوقت، فكتب بطريقته المميزة أنه “ربما، بمساعدة الكهرباء، سيكون من الممكن مع مرور الوقت نقل سرعة هائلة إلى الجزيئات تم طرده من الجهاز النفاث."

أفكاره حول التبريد المتجدد لغرفة الاحتراق وفوهة المحرك بمكونات الوقود، والعزل الخزفي للعناصر الهيكلية، والتخزين المنفصل وضخ الوقود في غرفة الاحتراق، ومسارات الهبوط المثالية للمركبة الفضائية عند العودة من الفضاء تُستخدم بنجاح اليوم.

يجمع العالم بنشاط بين النظرية والتطبيق، في محاولة لإيجاد طرق ممكنة لتنفيذ كل ما كان يدور في ذهنه. أثبت تسيولكوفسكي علميًا المشاكل المرتبطة برحلات الصواريخ إلى الفضاء. على سبيل المثال، درس بالتفصيل كل ما يتعلق بالصاروخ: قوانين الحركة، وتصميمه، وقضايا التحكم، والاختبار، وضمان التشغيل الموثوق لجميع الأنظمة، وإنشاء ظروف طيران مقبولة، وحتى اختيار طاقم متوافق نفسيا.

من الغريب أنه نظرًا لعدم وجود أي أدوات تقريبًا، قام تسيولكوفسكي بحساب الارتفاع الأمثل لرحلة حول الأرض - مجموعة من ثلاثمائة إلى ثمانمائة كيلومتر فوق الكوكب. على هذه الارتفاعات تتم الرحلات الفضائية الحديثة. اشتق تسيولكوفسكي صيغة سُميت فيما بعد باسمه، والتي تسمح للشخص بتحديد سرعة الطائرة تحت تأثير دفع محرك الصاروخ. في الوقت نفسه، تمكن العالم من الحصول على إجابة لسؤال عملي مهم: ما هي كمية الوقود التي يجب أن يأخذها الصاروخ للحصول على سرعة الإقلاع المطلوبة من الأرض ومغادرة الكوكب بأمان؟ وكانت نتيجة الحساب على النحو التالي: لكي يتمكن الصاروخ الذي يحمل طاقمًا من تطوير سرعة الإقلاع والانطلاق في رحلة بين الكواكب، من الضروري تناول وقود أكثر مائة مرة من وزن جسم الصاروخ والمحرك والآليات والأدوات والركاب مجتمعة. ولكن كيف يمكنك وضع الكثير من الوقود في السفينة؟ وجد العالم الحل الأصلي - قطار صاروخي يتكون من عدة صواريخ متصلة ببعضها البعض. يحتوي الصاروخ الأمامي على كمية معينة من الوقود والركاب والمعدات. ثم تعمل الصواريخ بالتناوب، مما يؤدي إلى تسريع القطار بين الكواكب بأكمله. بمجرد أن يحترق الوقود الموجود في أحد الصواريخ تمامًا، يتم التخلص منه: ونتيجة لذلك، تتم إزالة الخزانات الفارغة وتصبح السفينة أخف وزنًا. ثم يبدأ الصاروخ الثاني في العمل، ثم الثالث، وما إلى ذلك. واستنادا إلى صيغة تسيولكوفسكي، تم التوصل إلى استنتاج مهم مفاده أن قدرات الصاروخ تتحدد في المقام الأول من خلال خصائص المحرك وكمال تصميم الصاروخ.

ترك تسيولكوفسكي تراثًا علميًا غنيًا. ليست كل أفكاره ذات قيمة كبيرة للعلم، ولكن لا يزال العالم أول من تناول العديد من القضايا. تبدو آراؤه حتى الآن رائعة بعض الشيء. إنه لأمر مدهش مدى دقة توقع العالم للمستقبل. وبذلك أخذ زمام المبادرة في دراسة موضوع القمر الاصطناعي للأرض ودوره في الاقتصاد الوطني. وأعرب عن فكرة إنشاء محطات قريبة من الأرض من قبل الأجيال القادمة كمستوطنات صناعية تستخدم طاقة الشمس وتكون بمثابة قواعد وسيطة للاتصالات بين الكواكب. كانت فكرة المحطات بين الكواكب هي الوسيلة الرئيسية لتحقيق الحلم العزيز - استكشاف الإنسان للفضاء المحيط بالشمس وإنشاء "مستوطنات أثيرية" في المستقبل.

منهجية الدرس 4
"أساسيات الملاحة الفضائية"

الغرض من الدرس: تطوير المعرفة حول الأسس النظرية والعملية للملاحة الفضائية.

أهداف التعلم:

التعليم العام: تكوين المفاهيم:

حول المتطلبات النظرية والعملية ومهام وأساليب أبحاث الفضاء؛
- حول العلاقة بين الملاحة الفضائية وعلم الفلك والفيزياء والعلوم والتكنولوجيا الطبيعية والرياضية الأخرى؛
- حول الملاحة الفضائية - المركبات الفضائية؛
- حول الأنواع الرئيسية لمحركات الصواريخ النفاثة (محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب، محركات الدفع السائل، محركات الدفع الكهربائية، محركات الدفع النووي)؛
- حول مسارات وسرعات وخصائص حركة المركبات الفضائية، وخصائص الملاحة بين الكواكب وبين النجوم.

التعليمية: تكوين النظرة العلمية للعالم لدى الطلاب أثناء تعرفهم على تاريخ المعرفة الإنسانية. التعليم الوطني عند التعرف على الدور المتميز للعلوم والتكنولوجيا الروسية في تطوير الملاحة الفضائية. التعليم البوليتكنيكي والتعليم العمالي في تقديم معلومات حول التطبيق العملي للملاحة الفضائية.

التطويرية: تطوير المهارات لحل المشكلات باستخدام قوانين حركة الأجسام الكونية وصيغ تسيولكوفسكي والسرعات الكونية لوصف حركة المركبات الفضائية.

يجب على الطلاب يعرف:

حول الملاحة الفضائية (موضوع ومهمة وأساليب البحث الفضائي وارتباطها بالعلوم الأخرى) ؛
- حول الملاحة الفضائية: الأنواع الرئيسية للمركبات الفضائية وتصميمها وخصائصها؛
- حول الأنواع الرئيسية لمحركات الصواريخ وبنيتها وخصائصها
- صيغة تسيولكوفسكي وصيغ وقيم السرعات الكونية الأول والثاني والثالث (للأرض)؛
- عن مسارات طيران المركبات الفضائية والعلاقة بين شكل مداراتها وسرعة حركتها.

يجب على الطلاب يكون قادرا على: حل المسائل المتعلقة بتطبيق صيغة تسيولكوفسكي وقوانين حركة الأجسام الكونية لحساب خصائص حركة المركبات الفضائية.

المساعدات البصرية والعروض التوضيحية:

شرائط الأفلام: "عناصر ميكانيكا الطيران الفضائي."
أفلام: "أقمار الأرض الاصطناعية"; "رحلات الفضاء".
الجداول: "رحلات الفضاء"؛ "أبحاث الفضاء".
الأجهزة والأدوات: جهاز لبيان حركة الأقمار الصناعية.

العمل في المنزل:

1) دراسة مادة الكتاب المدرسي:
- بكالوريوس. فورونتسوف-فيليامينوفا: §§ 14 (4)، 16 (4).
- إ.ب. ليفيتان: §§ 7-11 (التكرار).
- أ.ف. زاسوفا، إي.في. كونونوفيتش: § أحد عشر؛ التمارين 11 (3، 4)

2) أكمل المهام من مجموعة المسائل التي كتبها Vorontsov-Velyaminov B.A. : 174؛ 179؛ 180؛ 186.

3) إعداد التقارير والرسائل الخاصة بدرس "تاريخ رواد الفضاء".

خطة الدرس

خطوات الدرس		طرق العرض	الوقت، دقيقة
	تحديث موضوع الدرس	قصة
	تكوين مفاهيم حول المتطلبات النظرية والعملية ومهام وأساليب البحث الفلكي	محاضرة	7-10
	تكوين مفاهيم حول الملاحة الفضائية والأنواع الرئيسية لمحركات الصواريخ	محاضرة	10-12
	تكوين مفاهيم حول المسارات والسرعات وميزات حركة المركبات الفضائية، وميزات الملاحة بين الكواكب وبين النجوم	محاضرة	10-12
	حل المشاكل
	تلخيص المادة المغطاة، تلخيص الدرس، الواجبات المنزلية

منهجية تقديم المواد

من الأفضل تدريس هذا الدرس في شكل محاضرة، يتم خلالها تنظيم وتعميم وتطوير المعرفة الفضائية "ما قبل العلمية" للطلاب والمعلومات المتعلقة بالملاحة الفضائية والدفع النفاث، التي درسوها في دورات التاريخ الطبيعي والتاريخ الطبيعي ويتم تنفيذ الفيزياء طوال فترة الدراسة بأكملها. يقترح مؤلفو الدليل أن نقتصر على تحليل الأسئلة المتعلقة بمدارات وسرعة الأقمار الصناعية ورحلات المركبات الفضائية إلى القمر وأبسط مسارات الرحلات الجوية بين الكواكب. نحن نعتبر أنه من الضروري استكمال هذه المادة وتوسيعها، وتنظيرها بحيث يكتسب الطالب، نتيجة التدريب، فهمًا شاملاً للأسس النظرية والعملية للملاحة الفضائية. يجب أن يعتمد عرض المادة على مواد سبق دراستها في الفيزياء (أساسيات الميكانيكا الكلاسيكية: قوانين نيوتن، قانون الجاذبية، قانون الحفاظ على الزخم، الدفع النفاث) وعلم الفلك (القياس الفلكي والميكانيكا السماوية: قوانين كبلر، معلومات عن الكون. سرعات ومدارات الأجسام الكونية والاضطرابات). ويتحقق الجانب الوطني للتعليم من خلال تركيز انتباه الطلاب على إنجازات العلوم والتكنولوجيا المحلية، ومساهمة العلماء الروس في ظهور وتشكيل وتطوير علوم الصواريخ والملاحة الفضائية. يجب تجنب التفاصيل التاريخية وحفظها لدرس لاحق.

رواد الفضاء - الرحلات الجوية في الفضاء الخارجي؛ مجموعة من فروع العلوم والتكنولوجيا التي تضمن استكشاف وتطوير الفضاء الخارجي والأجسام الفضائية وأنظمتها باستخدام المركبات الفضائية المختلفة (SCAV): الصواريخ، والأقمار الصناعية الأرضية (AES)، والمحطات الآلية بين الكواكب (AMS)، والمركبات الفضائية (SC) ، مأهولة أو يتم التحكم فيها من الأرض.

يتكون الأساس النظري للملاحة الفضائية من:

1. علم الفلك (القياس الفلكي، الميكانيكا السماوية، الفيزياء الفلكية).

2. نظرية الرحلات الفضائية – الديناميكا الكونية – الجزء التطبيقي من الميكانيكا السماوية، دراسة مسارات الطيران، المعلمات المدارية للمركبة الفضائية، إلخ.

3. الصواريخ، تقديم الحلول للمشاكل العلمية والتقنية المتعلقة بإنشاء الصواريخ الفضائية والمحركات وأنظمة التحكم والاتصالات ونقل المعلومات والمعدات العلمية وما إلى ذلك.

4. بيولوجيا الفضاء والطب.

إن وسيلة النقل الرئيسية والوحيدة حتى الآن في الفضاء الخارجي هي الصاروخ. يتم اشتقاق قوانين حركة الصاروخ على أساس قوانين الميكانيكا الكلاسيكية: الحركية والديناميكية (قانون نيوتن الثاني، قانون الحفاظ على الزخم، وما إلى ذلك).

تصف صيغة K. E. Tsiolkovsky حركة الصاروخ في الفضاء الخارجي دون مراعاة تأثير الظروف الخارجية وتميز موارد الطاقة للصاروخ:

, - رقم تسيولكوفسكيأين م 0 - الأولي، م k هي الكتلة النهائية للصاروخ، w هي سرعة الكتلة المقذوفة بالنسبة للصاروخ (سرعة التيار النفاث)، ز- تسارع الجاذبية.

أرز. 73

مركبة الإطلاق (LV) هي صاروخ باليستي متعدد المراحل لإطلاق حمولة إلى الفضاء (AES، AMS، مركبة فضائية، إلخ). تكون مركبات الإطلاق عادة عبارة عن صواريخ ذات مراحل 2-4 تنقل سرعة الإفلات إلى الحمولة النافعة I - II (الشكل 73).

المحرك الصاروخي (RM) هو محرك نفاث مصمم للصواريخ ولا يستخدم البيئة للتشغيل. في RD، لا يتم فقط تحويل الطاقة الموردة للمحرك (الكيميائية، الشمسية، النووية، وما إلى ذلك) إلى طاقة حركية لحركة السائل العامل للمحرك، ولكن أيضًا يتم إنشاء القوة الدافعة للجر مباشرة في شكل رد فعل لتدفق سائل العمل المتدفق خارج المحرك. وبالتالي، فإن RD يشبه مزيجًا من المحرك نفسه وجهاز الدفع.

يتم تحديد الاتجاه المحدد للممر بواسطة الصيغة: .

في الوقت الحالي، يتم استخدام أشعة XRD الكيميائية فقط على نطاق واسع.

تم استخدام المحرك الصاروخي الذي يعمل بالوقود الصلب (المحرك الصاروخي الذي يعمل بالوقود الصلب) منذ حوالي 2000 عام - على نطاق واسع في المدفعية الصاروخية وبشكل محدود في الملاحة الفضائية. يتراوح مدى الدفع لمحركات الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب من جرام إلى مئات الأطنان (لمحركات الصواريخ القوية). يتم وضع الوقود على شكل شحنات (في البداية - مسحوق أسود، من نهاية القرن التاسع عشر - مسحوق عديم الدخان، من منتصف القرن العشرين - تركيبات خاصة) بالكامل في غرفة الاحتراق. بعد البدء، يستمر الاحتراق عادة حتى يتم حرق الوقود بالكامل؛ إنه الأبسط من حيث التصميم والتشغيل، ولكن له عدد من العيوب: الدفع النوعي المنخفض، الإطلاق الفردي، وما إلى ذلك. يتم تثبيته على بعض مركبات الإطلاق في الولايات المتحدة الأمريكية (Scout، Thor، Titan)، فرنسا واليابان. كما أنها تستخدم كأنظمة الكبح والإنقاذ والتصحيح وما إلى ذلك (الشكل 74).

محرك الصاروخ السائل (LPRE) هو محرك صاروخي يعمل بالوقود الصاروخي السائل. اقترحه K. E. Tsiolkovsky في عام 1903. المحرك الرئيسي لتكنولوجيا الفضاء الحديثة. التوجه من كسور الجرام إلى مئات الأطنان. وفقا للغرض منها، يتم تقسيم محركات الدفع السائل إلى رئيسية (الدفع)، والكبح، والتصحيحية، وما إلى ذلك. كوقود يستخدم ما يلي: المؤكسدات - الأكسجين السائل، رابع أكسيد النيتروجين، بيروكسيد الهيدروجين؛ المواد القابلة للاحتراق - الكيروسين والهيدرازين والأمونيا السائلة والهيدروجين السائل. المزيج الواعد من الهيدروجين السائل والأكسجين (LV Energia) (الشكل 75).

لزيادة الدفع النوعي، يعد استخدام الطاقة النووية أمرًا واعدًا. عينات تجريبية لمحركات الصواريخ النووية ( حديقة منزل) تم تطويرها منذ منتصف الستينيات في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية والولايات المتحدة الأمريكية. حاليًا، روسيا هي الدولة الوحيدة التي لديها قاذفة صواريخ تعمل بالطاقة النووية (الشكل 76).

يستمر التطوير الممرات الكهربائية(EP) - الكهروحرارية والكهرومغناطيسية والأيونية. تم إنشاء العينات التجريبية الأولى للدفع الكهربائي في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية في 1929-1930؛ حاليًا، تُستخدم محركات الدفع الكهربائية كمحركات للتحكم في الموقف للمركبات الفضائية في روسيا والولايات المتحدة. تم تثبيت محرك الدفع الأيوني على AMS، الذي تم إطلاقه في أواخر التسعينيات. في الولايات المتحدة الأمريكية (الشكل 77).

من وجهة نظر ميكانيكا الرحلات الفضائية، تنقسم الممرات إلى:

1. أنظمة دفع ذات سرعة عادم محدودة تبلغ 3 - 30 كم/ثانية، تحددها أعلى درجة حرارة للتيار النفاث (كيميائي، نووي، إلخ). وهي تعمل لفترة قصيرة (دقائق، ثواني) في الغلاف الجوي وتفرغ في أجزاء صغيرة نشطة من مسار الرحلة (مئات الكيلومترات).

2. أنظمة الطاقة المحدودة ذات مصدر طاقة منفصل وتعتمد عليه كفاءتها (الكهربائية وغيرها).

3. الأنظمة ذات الدفع المحدود (الإبحار والنظائر المشعة).

أثناء مراحل الطيران النشطة، تعتمد حركة المركبة الفضائية على عمل محركاتها؛ في المقاطع السلبية للمسارات، تتأثر حركة المركبة الفضائية بقوى الجذب من الأجسام الكونية والضغط الخفيف والرياح الشمسية، وفي الطبقات العليا من الغلاف الجوي - بقوى الاحتكاك الديناميكي الهوائي.

يمكن تحديد الخصائص الرئيسية للحركة السلبية للمركبة الفضائية من خلال حل مسألة الجسمين.

في مجال الجاذبية المركزي للأجسام الكونية الضخمة، تتحرك المركبات الفضائية في مدارات كبلر، و:

1. يكون مسار المركبة الفضائية مستقيمًا في الحالة التي تكون فيها سرعتها الأولية u 0 = 0 وتهبط المركبة الفضائية بتسارع منتظم نحو مركز الجاذبية.

2. تتحرك المركبة الفضائية على طول مسارات بيضاوية عندما يتم توجيه السرعة الأولية بزاوية إلى مركز الجاذبية عند . وفي مدارات بيضاوية حول الأرض تتحرك أقمارها الصناعية والمركبات الفضائية الحديثة والمحطات المدارية، وكذلك المركبات الفضائية التي تدور حول الكواكب التي تدرسها.

3. على طول المسارات المكافئة عند u 0 = u II، عندما تكون السرعة النهائية للمركبة الفضائية عند نقطة بعيدة لا نهائية في الفضاء صفرًا.

4. على طول المسارات الزائدية (u 0 > u II)، لا يمكن تمييزها تقريبًا عن المسارات المستقيمة على مسافة كبيرة من مركز الجاذبية.

تختلف مسارات الرحلات بين الكواكب من حيث الشكل ومدة الرحلة وتكاليف الطاقة وعوامل أخرى اعتمادًا على غرض وخصائص الرحلة الفضائية. ومن المثير للاهتمام أن نلاحظ أن المركبات الفضائية لا تتحرك أبدًا في خط مستقيم: مسارات حركتها (باستثناء بعض الحالات المثالية) هي أجزاء من منحنيات من الدرجة الثانية (دوائر، قطع ناقص، قطع مكافئة وقطع زائدة) تربط مدارات الأجسام الكونية أو الجثث نفسها

هناك 3 أقسام سلبية لمسارات الطيران بين الكواكب: 1) داخل "مجال عمل" الأرض، حيث يتم تحديد حركة المركبة الفضائية فقط من خلال قوة الجاذبية؛ 2) من حدود مجال تأثير الأرض إلى حدود مجال تأثير الجسم الكوني - هدف الرحلة، الأطول والأكثر استمرارًا، حيث يتم تحديد حركة المركبة الفضائية من خلال الجذب من الشمس؛ 3) في مجال عمل الجسم الكوني - الغرض من الرحلة.

لقد سبق الإشارة أعلاه إلى أنه للخروج من مجال تأثير الأرض، يجب أن تكون سرعة المركبة الفضائية u > u II؛ . السرعة الإضافية التي يجب أن تكتسبها المركبة الفضائية الموجودة في مدار قمر صناعي لكي تترك مجال التأثير على الأرض تسمى سرعة الخروج u الخامس. ، أين ص- المسافة من الجسم الكوني، ر dÅ - نصف قطر مجال تأثير الأرض ( ر dÅ = 925000 كم).

عند إطلاق مركبة فضائية من سطح الأرض لا بد من مراعاة ما يلي:

1) سرعة واتجاه دوران الأرض حول محورها؛
2) سرعة واتجاه دوران الأرض حول الشمس (u Å = 29.785 كم/ث).

إن إطلاق الأقمار الصناعية التي تدور في الاتجاه المعاكس لاتجاه دوران الأرض حول محورها أمر معقد للغاية، ويتطلب نفقات كبيرة من الطاقة؛ من الأصعب إطلاق مركبة فضائية على مسار لا يقع في مستوى مسير الشمس.

إذا تزامنت سرعة الخروج في الاتجاه مع سرعة حركة الأرض ضد Å، يقع مدار المركبة الفضائية، باستثناء الحضيض الشمسي، خارج مدار الأرض (الشكل 79ج).
مع الاتجاه المعاكس للسرعة ش الخامسيقع مدار المركبة الفضائية، باستثناء الأوج، داخل مدار الأرض (الشكل 79أ).
بنفس الاتجاه والتساوي في السرعات u الخامس= u Å يصبح مدار المركبة الفضائية مستقيمًا، حيث ستهبط المركبة الفضائية على الشمس لمدة 64 يومًا تقريبًا (الشكل 79 د).
عندما ش الخامس= 0، يتزامن مدار المركبة الفضائية مع مدار الأرض (الشكل 79ب).

كلما زادت السرعة ش الخامسكلما زادت المركبة الفضائية انحراف مدارها الإهليلجي. عن طريق حسابات بسيطة نسبيا يتم تحديد القيمة الخامس في، من الضروري أن يقع الحضيض الشمسي أو الأوج لمدارات المركبة الفضائية في مدار الكواكب الخارجية أو الداخلية، .

تسمى مسارات طيران المركبات الفضائية التي تمس مدارات الأرض والأجرام الكونية في نفس الوقت - أهداف الطيران بين الكواكب مسارات هوهمان(تكريما للعالم الألماني دبليو هومان الذي قام بحسابها).

بالنسبة للكواكب الخارجية: . للكواكب الداخلية: ، أين ص- متوسط ​​مسافة جسم كوكبي عن الشمس.

يتم حساب مدة الرحلة على طول مسار هومان باستخدام الصيغة: متوسط ​​يوم مشمس.

عند حساب مسار رحلة بين الكواكب باستخدام مسارات هوهمان، من الضروري مراعاة الموقع النسبي (التكوين الأولي) للأرض والشمس والكوكب المستهدف، وخصائص وخصائص حركة الكواكب في مداراتها . على سبيل المثال، ستستغرق الرحلة إلى المريخ على طول أقصر مسار هومان 69.9 د فقط، إلى كوكب المشتري - 1.11 سنة، إلى بلوتو - 19.33 سنة. ومع ذلك، فإن الوضع المتبادل الأمثل الفعلي للأرض والشمس وهذه الكواكب يحدث نادرًا للغاية، ولتقليل وقت الرحلة، من الضروري زيادة ش الخامس، الأمر الذي يتطلب استهلاكًا إضافيًا للطاقة. لذلك، من بين أسباب أخرى، تعد الرحلات الجوية المأهولة إلى كواكب النظام الشمسي أكثر تكلفة وأكثر صعوبة من استكشاف هذه الكواكب باستخدام المركبات الفضائية، والتي يمكنها الطيران إلى أهدافها لسنوات على طول المسارات الأكثر اقتصادا. مع الأخذ في الاعتبار تأثير الاضطرابات الناجمة عن الكواكب والشمس، يجب أن تحتوي أنظمة AWS والمركبات الفضائية على محركات لضبط مسار الحركة.

عند الوصول إلى مجال عمل الكوكب المستهدف، من أجل الدخول في مدار بيضاوي أو دائري حوله، يجب على المركبة الفضائية تقليل سرعتها إلى قيمة أقل من II كوني بالنسبة للكوكب المحدد.

في الملاحة بين الكواكب، يتم استخدام مناورة المركبات الفضائية في مجال الجاذبية لكواكب النظام الشمسي على نطاق واسع.

عند التحرك في مجال الجاذبية المركزي لجسم كوني ضخم، تتعرض المركبة الفضائية لقوة جاذبة من هذا الجسم، مما يؤدي إلى تغيير سرعة واتجاه حركة المركبة الفضائية. يعتمد اتجاه وحجم تسارع المركبة الفضائية على مدى اقتراب المركبة الفضائية من الجسم الكوني وعلى الزاوية j بين اتجاهي دخول وخروج المركبة الفضائية في مجال عمل هذا الجسم.

تتغير سرعة المركبة الفضائية عن طريق:

تكتسب المركبة الفضائية أكبر تسارع عندما تتحرك على طول مسار يمر على مسافة لا تقل عن الجسم الكوني، إذا كانت سرعة دخول المركبة الفضائية إلى مجال العمل تساوي السرعة الكونية u I على سطح هذا الجسم، بينما .

عند التحليق حول القمر، يمكن للمركبة الفضائية زيادة سرعتها بمقدار 1.68 كم/ث، وعند التحليق حول كوكب الزهرة - بمقدار 7.328 كم/ث، وعند التحليق حول المشتري - بمقدار 42.73 كم/ث. يمكن زيادة السرعة التي تغادر بها المركبة الفضائية مجال تأثير الكوكب بشكل كبير عن طريق تشغيل المحركات في لحظة المرور بالحضيض.

في التين. تُظهر الأشكال 80-81 بعض المسارات المحسوبة للرحلات بين الكواكب.

الملاحة الفضائية- فرع من رواد الفضاء يدرس مشاكل الرحلات الجوية بين النجوم. وهو يدرس حاليا بشكل رئيسي المشاكل النظرية لميكانيكا الطيران، حيث أن العلم الحديث ليس لديه معلومات لحل القضايا الفنية للوصول إلى النجوم.

بالنسبة للرحلة بين النجوم، يجب أن تتجاوز المركبة الفضائية مجال تأثير الشمس، أي ما يعادل 9 × 10 12 كم. المسافات بين النجوم هائلة: أقرب نجم هو 270.000 وحدة فلكية؛ لا يوجد سوى حوالي 50 نجمًا داخل كرة نصف قطرها 10 pc موصوفة حول الشمس.

حاليًا، انطلقت المركبة الفضائية Pioneer 10 و11 وVoyager 1 و2 في رحلة خارج النظام الشمسي، والتي ستبتعد مسافة سنة ضوئية واحدة خلال آلاف السنين.

الأنواع الحالية وحتى الواعدة من المحركات الصاروخية ليست مناسبة أو قليلة الفائدة للرحلات بين النجوم، لأنها لا تستطيع تسريع المركبة الفضائية إلى سرعات تتجاوز 0.1 سرعة الضوء مع .

إلى أقرب النجوم، من الممكن نظريًا فقط رحلات جوية في اتجاه واحد للمسابير بين النجوم الأوتوماتيكية (AIS) أو الرحلات الجوية المأهولة لغرض استعمار الكواكب المناسبة مع طاقم في حالة "الموت القابل للعكس" (السبات) أو مع تغيير الأجيال داخل السفينة، الأمر الذي يتطلب حل العديد من المشاكل التقنية فقط، ولكن أيضًا المشاكل الأخلاقية والنفسية والبيولوجية (لن يعود الطاقم أبدًا إلى الأرض؛ سيتعين عليهم قضاء معظم حياتهم أو حتى حياتهم بأكملها أثناء تغيير الأجيال داخل السفينة) السفينة، من الضروري إنشاء نظام بيئي مغلق تماما للمركبة الفضائية، وما إلى ذلك)؛ حتى قبل الإطلاق، يجب أن تضمن الملاحظات الفلكية الأرضية وجود كواكب أرضية ذات ظروف مناسبة للحياة بالقرب من النجم - هدف الرحلة (وإلا تفقد الرحلة معناها).

"الحلم الأزرق" للملاحة الفضائية الحديثة هو قاذفة صواريخ كمومية (فوتون) مثالية من الناحية النظرية مع ث = ج - الوحيد المناسب للرحلات بين النجوم داخل المجرة (الشكل 78).

حركة الأجسام المادية بسرعات قريبة من سرعة الضوء تؤخذ في الاعتبار في النظرية النسبية العامة (GTR)، التي تدرس أنماط الزمكان لأي عمليات فيزيائية.

في إطار النسبية العامة، يتم تعميم صيغة تسيولكوفسكي وتتخذ الشكل التالي: ,

أين ض- رقم تسيولكوفسكي، م 0 - الأولي، م 1 هي الكتلة النهائية للمركبة الفضائية، u 1 هي السرعة النهائية للمركبة الفضائية في الإطار المرجعي للأرض، w هي سرعة التيار النفاث بالنسبة للسفينة.

حتى مركبة الفوتون الفضائية لا يمكنها الوصول إلى سرعة الضوء عند w = ج ، بسبب ال: .

وفقا للعلم الحديث، فإن الطيران بسرعات أعلى من سرعة الضوء أمر مستحيل لأي كائنات مادية. ومع ذلك (نظريًا) يمكن للمركبة الفضائية أن تسافر بسرعات قريبة من سرعة الضوء.

الخيارات الممكنة للطيران بين النجوم:

1. الرحلة على ثلاث مراحل: تسريع المركبة الفضائية إلى أقصى سرعة؛ رحلة ساحلية مع إيقاف تشغيل المحركات؛ الكبح إلى سرعة الصفر.
2. الطيران على مرحلتين مع تسارع ثابت: في النصف الأول من الرحلة، تزيد المركبة الفضائية سرعتها مع التسارع ز ~ جا= 10 م/ث2 ثم يبدأ بالفرملة بنفس التسارع.

وفقًا للمبادئ الأساسية للنسبية العامة، بالنسبة لمراقب على متن مركبة فضائية، عندما يقترب من سرعة الضوء، فإن جميع العمليات الفيزيائية ستتباطأ بعامل، وستنخفض المسافات على طول اتجاه حركة المركبة الفضائية بمقدار نفس المقدار: المكان والزمان، إذا جاز التعبير، "مضغوطان". في الإطار المرجعي للسفينة، ستكون ثابتة، ولكنها ستتحرك بسرعة بالنسبة إلى الأرض وهدف الرحلة. ج.

يتم حساب وقت الرحلة (السفينة) الخاصة والوقت المستقل المنقضي منذ لحظة الإطلاق على الأرض باستخدام صيغ مختلفة: ، أين و - وظائف جيب التمام الزائدي وجيب التمام الزائدي، ص- المسافة إلى هدف الرحلة.

مع التسارع المستمر ز= 10 م/ث 2 تستغرق الرحلة إلى نجم القنطور 3.6 سنة حسب ساعة السفينة، و4.5 سنة حسب ساعة الأرض؛ ستتم الرحلة إلى مركز المجرة وفقًا لساعة السفينة تي ك= 19.72 سنة بالنسبة للأرض تي أ= 27000 سنة؛ ستتم الرحلة وفقًا لذلك إلى مجرة ​​M31 ("سديم المرأة المسلسلة")، وهي أقرب المجرات الحلزونية. تي ك= 28 سنة و تي أ= 3.5 مليون سنة!

هذا هو الثمن الذي يجب دفعه مقابل الرحلات الجوية بين النجوم وفقًا لـ "مفارقة التوأم": رواد الفضاء الذين طاروا حول نصف المجرة وأعمارهم عشرات السنين سيعودون إلى الأرض بعد آلاف وملايين السنين من الإطلاق. بالإضافة إلى المشاكل الأخلاقية البحتة التي يواجهها الفضائيون العائدون من "رحلة في اتجاه واحد" أساسًا من الماضي البعيد إلى عالم المستقبل، تنشأ مشكلة مهمة تتعلق بقيمة المعلومات التي يقدمها رواد الفضاء: أثناء الرحلة، يجب العلم على الأرض لا يقف ساكنا!

تعتبر مشاكل الطاقة الخاصة بالرحلات بين النجوم مهمة للغاية: إذا تم تحقيق السرعة الكونية الثانية لرحلة مأهولة بين الكواكب من الأرض إلى المريخ، فسيتم إنفاق الطاقة بحوالي 8.4 × 10 9 كيلو واط × ساعة (تولدها محطة طاقة بسعة 100) MW في 8.5 ساعة)، ثم لتسريع المركبة الفضائية إلى 0.2 مع الطاقة المطلوبة هي 10 15 كيلو واط × ساعة - كل الطاقة التي تولدها محطات توليد الطاقة على الأرض في 10 سنوات. زيادة السرعة إلى 0.4 ثانية تستلزم زيادة في استهلاك الطاقة بمقدار 16 مرة مع كفاءة المحرك بنسبة 100٪! سيصل احتياطي الوقود لمحرك الصاروخ النووي الحراري إلى أكثر من 99% من كتلة المركبة الفضائية. إن تخليق المادة المضادة لرحلة واحدة لمركبة فوتون فضائية يتطلب قدرًا كبيرًا من الطاقة بحيث لا يستطيع العلم الحديث تحديد مصدرها داخل النظام الشمسي.

وبالتالي، وفقا لقوانين الفيزياء، في المستوى الحالي من تطور الحضارة الأرضية، فإن رحلات المركبات الفضائية المأهولة بين النجوم مستحيلة عمليا. من الممكن تمامًا إجراء دراسات على النجوم القريبة بواسطة AMS بين النجوم بدون طيار (حاليًا في الولايات المتحدة الأمريكية وروسيا، يتم تطوير مشاريع لإطلاق AMS إلى Proxima Centauri وBarnard's Star وبعض الأجسام الأخرى في منتصف القرن الحادي والعشرين). سوف تتسارع AMZs التي تحتوي على عدة عشرات من الأطنان من كتلة الحمولة إلى سرعة 0.1-0.2 مع محركات الصواريخ الشمسية أو النظائر المشعة أو النووية الحرارية، فإن زمن الرحلة سيكون عشرات أو حتى مئات السنين.

يتم دمج المواد المدروسة أثناء حل المشكلات:

التمرين 10:

1. لماذا يعد إطلاق مركبة فضائية إلى بلوتو أسهل من إطلاقها إلى الشمس؟

2. هل من الممكن أن يكون الموقف المفضل في الخيال العلمي في الستينيات عندما تنجذب مركبة فضائية بمحرك معطل وتسقط في الشمس؟

3. أين ولماذا يكون تحديد مواقع الفضاء أكثر ربحية: عند القطبين أو عند خط استواء الأرض؟

4. تحديد السرعة التي تغادر بها المركبة الفضائية النظام الشمسي. كم من الوقت سيستغرق الطيران إلى أقرب نجم؟

5. لماذا يحدث انعدام الوزن داخل المركبة الفضائية في الجزء السلبي من مسار الرحلة؟

6. ما هي سرعة دوران AMS في مدار دائري حول كوكب المشتري على مسافة: أ) 2000 كم؛ ب) 10000 كم من الكوكب؟

7. ارسم على الرسم تشكيل الأرض والشمس والمريخ، مع اعتبار مداراتها دائرية، وذلك أثناء تحليق المركبتين الفضائيتين السوفييتيتين “المريخ-2” و”المريخ-3″، اللتان وصلتا إلى المريخ في 21 نوفمبر/تشرين الثاني، 1971 و 2 ديسمبر 1971 بعد 192 و 188 يومًا من الطيران، إذا حدث تقابل الكواكب في 10 أغسطس 1971.

وفقًا لـ V. V. يجب على رادزيفسكي أن يلفت انتباه المعلمين والطلاب "إلى الأهمية العملية الهائلة لعلم الفلك فيما يتعلق بالاستكشاف النشط للفضاء، وإلى دور رواد الفضاء في حل المشكلات البيئية للتلوث البيئي (نقل المؤسسات الملوثة للهواء إلى الفضاء، وإطلاق المركبات الفضائية"). النفايات الصناعية الخطرة إلى الفضاء، والآفاق الديموغرافية)... من الضروري تعزيز عناصر الملاحة الفضائية في البرنامج نفسه، وطرح الأسئلة: قانون الحفاظ على الطاقة في مشكلة الجسمين (الاستنتاج الأولي)...

في الستينيات والثمانينيات من القرن الماضي، تم تدريس دورة اختيارية من قبل م. في مدارس الاتحاد السوفيتي. مارلنسكي "أساسيات الملاحة الفضائية" (الصف التاسع، 70 ساعة تدريب، ساعتان في الأسبوع). يمكن أن تكون المعلومات المتعلقة ببنيتها ومحتواها وتخطيط الدروس مفيدة لمعلم الفيزياء وعلم الفلك الحديث لاستخدام المواد ذات الصلة في دروس الفيزياء وعلم الفلك (خاصة في دروس الفيزياء والرياضيات) والأنشطة اللامنهجية:

1) تاريخ رواد الفضاء(ساعتان) (أول مشاريع رحلات فضائية رائعة. كي إي تسيولكوفسكي - مؤسس الملاحة الفضائية العلمية. المراحل الرئيسية لتطور تكنولوجيا الصواريخ. إطلاق أول قمر صناعي سوفيتي وبداية عصر الفضاء. رحلة الإنسان إلى الفضاء ).

2) حركة وتصميم الصواريخ(4 ساعات) (مبدأ الصاروخ. مفهوم ميكانيكا الأجسام ذات الكتلة المتغيرة. صيغة تسيولكوفسكي. الأجزاء الرئيسية والخصائص العددية للصاروخ أحادي المرحلة. الصواريخ متعددة المراحل. المحركات الصاروخية والوقود). ابدأ بتكرار قانون حفظ الزخم؛ وبناءً عليه، قم بتحليل عملية طرد جماعي ذات نبضة واحدة من صاروخ. فكر في سلسلة من عمليات القذف المتعاقبة وأظهر أن السرعة الناتجة للصاروخ أثناء عمليات القذف أحادية الاتجاه تساوي مجموع السرعات التي يستقبلها مع كل عملية قذف جماعي. قم بالإبلاغ عن صيغة Tsiolkovsky (بدون اشتقاق مفصل، ولكن مع تحليل مفصل للمعنى المادي وحل المشكلات المقابلة). النظر في حركة الصاروخ من وجهة نظر قوانين الديناميكيات، اعتمادا على القوة التفاعلية. وضح بشكل تجريبي حدوث القوة التفاعلية باستخدام أمثلة لنفاثات المياه المتدفقة ووضح كيف يمكن تغيير قوة الدفع (يتم توفير رسم تخطيطي للتركيب). تعريف الطلاب بالخصائص العددية لمركبات الإطلاق أحادية المرحلة ومتعددة المراحل. عرض (في المنزل) تطوير مشاريع صاروخية ذات خصائص مختلفة، وتفكيكها في الدرس التالي. تتم دراسة عمل RD بشكل عام. يتم النظر في مخططات تصميمها وإمدادات الوقود والرسوم البيانية للتغيرات في الخصائص (السرعة ودرجة الحرارة وضغط منتجات الاحتراق على طول محور الممر). انتبه إلى البيانات الأساسية لمحركات الصواريخ ووقود الصواريخ مقارنة بالمحركات الحرارية ووقود النقل البري. من المفيد عرض نماذج الصواريخ العاملة.

3) حرية حركة الصاروخ في مجال الجاذبية(8 ساعات) (مجال الجاذبية المركزي. مسألة الجسمين. قانون الحفاظ على الطاقة الميكانيكية عند التحرك في مجال الجاذبية. معلمة الجاذبية. صيغة سرعة الجسم المتحرك في مدار بيضاوي. مسارات الحركة في مجال الجاذبية (مدارات كبلر). السرعة الدائرية، سرعة الإطلاق، السرعة الزائدة. مفهوم مجال الحركة المضطربة. كرر قانون الجذب العام فيما يتعلق بنقطتين ماديتين وحلل صيغته بالتفصيل؛ الإشارة إلى إمكانية تمثيل الأجسام الكونية الضخمة على شكل نقاط مادية. يتم تشكيل فكرة عن مجال الجاذبية كمجال للقوى المركزية وخصائصه: تسارع الجاذبية (مما يسمح للمرء بتحديد تأثيرات قوة المجال المركزي على الأجسام المقدمة في نقاط مختلفة من المجال) والإمكانات (لتحديد تكاليف الطاقة). لحركات الأجسام المختلفة في هذا المجال). برر اختيار القيمة الصفرية لجهد الجاذبية للنقاط عند اللانهاية؛ في هذه الحالة، يتم قياس إمكانات الجاذبية لجميع الأجسام الكونية من المستوى الصفري ومن السهل مقارنتها. من خلال مقارنة إمكانات الجاذبية للنقاط الموجودة على سطح الكواكب، يمكن للمرء الحكم على مقدار العمل المطلوب لإزالة جسم من نقطة معينة إلى ما لا نهاية (تقديم مفهوم السرعة الكونية II). يعتمد حل مشكلة الجسمين على قوانين الحفاظ على الطاقة والزخم الزاوي (ينبغي تشكيل مفهوم قانون الحفاظ على الزخم الزاوي بناءً على عرض مقعد جوكوفسكي، وتعريف مفهوم الزخم الزاوي الزخم وعدد من التجارب)

4) حركة الصاروخ تحت تأثير الدفع(6 ساعات) (إدخال مركبة فضائية في المدار. خسائر السرعة. السرعات المميزة الأولية والإجمالية. التحكم في المركبة الفضائية. تصحيحات المسار. الأحمال الزائدة أثناء الطيران. مفهوم الملاحة الفضائية. الملاحة بالقصور الذاتي والفلكية والراديو. توجيه المركبة الفضائية وتثبيتها. ). 5) الأقمار الصناعية للأرض(8 ساعات) (مدارات القمر الصناعي. اضطراب المدارات الناتج عن عدم كروية الأرض، مقاومة الغلاف الجوي، جاذبية القمر والشمس. حركة القمر الصناعي بالنسبة لسطح الأرض. إدخال القمر الصناعي في مداره. نبضات متعددة مناورات الالتقاء في المدار. الظواهر الفيزيائية الأساسية أثناء الدخول إلى الغلاف الجوي. 6) رحلات إلى القمر والكواكب(8 ساعات) (مسارات الطيران إلى القمر. الأقمار الصناعية القمرية. الهبوط على القمر. مسارات الطيران إلى الكواكب. المسارات المثالية. نوافذ الإطلاق. تصحيحات المسار. مسارات متعددة النبضات. استخدام مجال جاذبية الكواكب لتغيير مسارات المركبات الفضائية أثناء الهبوط على الكواكب. 7) ظروف الطيران في الفضاء(ساعتان) (خطر الإشعاع. خطر النيازك. طرق الحماية. دعم الحياة في المركبة الفضائية. علم نفس الفضاء. إيقاع الحياة في المركبة الفضائية. تأثير انعدام الوزن والحمل الزائد على الجسم). 8) الاستخدام العلمي والعملي للملاحة الفضائية(6 ساعات) (إنجازات اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية في استخدام الفضاء. المعدات العلمية للأقمار الصناعية والمركبات الفضائية و AWS. أبحاث الأرض والفضاء القريب من الأرض والقمر والكواكب والفضاء بين الكواكب عن طريق الملاحة الفضائية. الاستخدام العملي للملاحة الفضائية : في الجيوديسيا والأرصاد الجوية والملاحة والاتصالات واستكشاف موارد الأرض). 9) آفاق الملاحة الفضائية(ساعتان) (مشاريع لمزيد من الرحلات الفضائية في النظام الشمسي. مشاريع لاستكشاف القمر والكواكب. إمكانية الرحلات بين النجوم). 10 ساعات من العمل العملي (بما في ذلك الملاحظات الفلكية).

<< Предыдущая наблюдения - лабораторные работы - практические работы - учебная программа - учебные пособия - лекции - педагогический эксперимент - дидактика - контрольные работы - задача
أنظر أيضا:جميع المنشورات حول نفس الموضوع >>

كلمة الكون مرادفة لكلمة الكون. غالبًا ما يتم تقسيم الفضاء بشكل تعسفي إلى حد ما إلى الفضاء القريب، والذي يمكن استكشافه حاليًا بمساعدة الأقمار الصناعية الأرضية والمركبات الفضائية ومحطات الكواكب وغيرها من الوسائل، والفضاء البعيد - كل شيء آخر، أكبر بشكل غير قابل للقياس. في الواقع، يشير الفضاء القريب إلى النظام الشمسي، والفضاء البعيد يشير إلى المساحات الشاسعة من النجوم والمجرات.

المعنى الحرفي لكلمة "رواد الفضاء" وهي عبارة عن مزيج من كلمتين يونانيتين - "السباحة في الكون". في الاستخدام الشائع، تعني هذه الكلمة مجموعة من فروع العلوم والتكنولوجيا المختلفة التي توفر البحث والتطوير في الفضاء الخارجي والأجرام السماوية بمساعدة المركبات الفضائية - الأقمار الصناعية الاصطناعية، والمحطات الأوتوماتيكية لأغراض مختلفة، والمركبات الفضائية المأهولة.

الملاحة الفضائية، أو كما يطلق عليها أحيانًا، الملاحة الفضائية، تجمع بين الرحلات الجوية إلى الفضاء الخارجي، وهي مجموعة من فروع العلوم والتكنولوجيا التي تعمل على استكشاف واستخدام الفضاء الخارجي لصالح احتياجات البشرية باستخدام وسائل فضائية مختلفة. تعتبر بداية عصر الفضاء للبشرية هي 4 أكتوبر 1957 - وهو التاريخ الذي تم فيه إطلاق أول قمر صناعي للأرض في الاتحاد السوفيتي.

أصبحت نظرية الرحلات الفضائية، وهي حلم طويل الأمد للبشرية، علمًا نتيجة للأعمال الأساسية للعالم الروسي العظيم كونستانتين إدواردوفيتش تسيولكوفسكي. لقد درس المبادئ الأساسية للمقذوفات الصاروخية، واقترح رسمًا تخطيطيًا لمحرك صاروخي سائل، ووضع القوانين التي تحدد القوة التفاعلية للمحرك. كما تم اقتراح مخططات للمركبات الفضائية وتم تقديم مبادئ تصميم الصواريخ، والتي تُستخدم الآن على نطاق واسع في الممارسة العملية. لفترة طويلة، حتى اللحظة التي بدأت فيها أفكار وصيغ ورسومات المتحمسين والعلماء تتحول إلى أشياء مصنوعة "معدنية" في مكاتب التصميم وورش المصانع، كان الأساس النظري للملاحة الفضائية يرتكز على ثلاث ركائز: 1) نظرية الملاحة الفضائية. حركة المركبة الفضائية 2) تكنولوجيا الصواريخ. 3) مجمل المعرفة الفلكية عن الكون. وفي وقت لاحق، نشأت مجموعة واسعة من التخصصات العلمية والتقنية الجديدة في أعماق الملاحة الفضائية، مثل نظرية أنظمة التحكم في الأجسام الفضائية، والملاحة الفضائية، ونظرية أنظمة الاتصالات الفضائية ونقل المعلومات، وبيولوجيا الفضاء والطب وغيرها. أنه من الصعب علينا أن نتخيل رواد الفضاء بدون هذه التخصصات، من المفيد أن نتذكر أن الأسس النظرية للملاحة الفضائية قد وضعها K. E. Tsiolkovsky في وقت لم يكن من الممكن إجراء التجارب الأولى إلا على استخدام موجات الراديو والراديو اعتبارها وسيلة اتصال في الفضاء.

لسنوات عديدة، تم اعتبار الإشارات باستخدام أشعة الشمس المنعكسة نحو الأرض بواسطة المرايا الموجودة على متن مركبة فضائية بين الكواكب وسيلة اتصال جدية. الآن بعد أن اعتدنا على ألا نتفاجأ بالتغطية التلفزيونية المباشرة من سطح القمر أو الصور الإذاعية الملتقطة بالقرب من كوكب المشتري أو على سطح كوكب الزهرة، فمن الصعب تصديق ذلك. ولذلك يمكن القول بأن نظرية الاتصالات الفضائية، على الرغم من كل أهميتها، لا تزال ليست الحلقة الرئيسية في سلسلة التخصصات الفضائية. وهذا الرابط الرئيسي هو نظرية حركة الأجسام الفضائية. وهذا هو ما يمكن اعتباره نظرية الرحلات الفضائية. يسميها المتخصصون المشاركون في هذا العلم بشكل مختلف: الميكانيكا السماوية التطبيقية، المقذوفات السماوية، المقذوفات الفضائية، الديناميكا الكونية، ميكانيكا الطيران الفضائي، نظرية حركة الأجرام السماوية الاصطناعية. كل هذه الأسماء لها نفس المعنى، ويعبر عنها بدقة بالفصل الأخير. وبالتالي فإن الديناميكا الكونية هي جزء من الميكانيكا السماوية - وهو العلم الذي يدرس حركة أي أجرام سماوية، سواء كانت طبيعية (النجوم، الشمس، الكواكب، أقمارها الصناعية، المذنبات، النيازك، الغبار الكوني) والاصطناعية (المركبات الفضائية الآلية والمركبات الفضائية المأهولة). . ولكن هناك ما يميز الديناميكا الكونية عن الميكانيكا السماوية. الديناميكا الكونية، التي ولدت في حضن الميكانيكا السماوية، تستخدم أساليبها، لكنها لا تتناسب مع إطارها التقليدي.

هناك فرق كبير بين الميكانيكا السماوية التطبيقية والميكانيكا الكلاسيكية هو أن الثانية لا ولا يمكنها التعامل مع اختيار مدارات الأجرام السماوية، في حين أن الأولى تتعامل مع الاختيار من بين عدد كبير من المسارات المحتملة للوصول إلى جرم سماوي معين من مجموعة معينة. مسار معين، والذي يأخذ في الاعتبار مطالب عديدة ومتضاربة في كثير من الأحيان. الشرط الرئيسي هو الحد الأدنى للسرعة التي تتسارع بها المركبة الفضائية خلال المرحلة النشطة الأولية من الرحلة، وبالتالي الحد الأدنى من كتلة مركبة الإطلاق أو المرحلة العليا المدارية (عند الإطلاق من مدار أرضي منخفض). وهذا يضمن أقصى حمولة وبالتالي أكبر كفاءة علمية للرحلة. كما تؤخذ في الاعتبار متطلبات سهولة التحكم، وظروف الاتصال اللاسلكي (على سبيل المثال، في لحظة دخول المحطة إلى الكوكب أثناء تحليقها)، وشروط البحث العلمي (الهبوط على الجانب النهاري أو الليلي من الكوكب)، وما إلى ذلك. يوفر حساب الديناميكا الكونية لمصممي العمليات الفضائية طرقًا للانتقال الأمثل من مدار إلى آخر، وطرق تصحيح المسار. يوجد في مجال رؤيته مناورة مدارية غير معروفة للميكانيكا السماوية الكلاسيكية. الديناميكا الكونية هي أساس النظرية العامة لرحلات الفضاء (تمامًا كما أن الديناميكا الهوائية هي أساس نظرية الطيران في أجواء الطائرات والمروحيات والمناطيد وغيرها من الطائرات). تشترك الديناميكيات الكونية في هذا الدور مع ديناميكيات الصواريخ - علم حركة الصواريخ. كلا العلمين، المتشابكين بشكل وثيق، يشكلان أساس تكنولوجيا الفضاء. وكلاهما قسم من الميكانيكا النظرية، وهو في حد ذاته قسم منفصل من الفيزياء. نظرًا لكونه علمًا دقيقًا، فإن الديناميكا الكونية تستخدم أساليب البحث الرياضية وتتطلب نظامًا متماسكًا منطقيًا للعرض. ليس من قبيل الصدفة أن أسس الميكانيكا السماوية قد تم تطويرها بعد الاكتشافات العظيمة لكوبرنيكوس وجاليليو وكيبلر على وجه التحديد من قبل هؤلاء العلماء الذين قدموا أكبر مساهمة في تطوير الرياضيات والميكانيكا. وكان هؤلاء نيوتن، أويلر، كليروت، دالمبيرت، لاغرانج، لابلاس. وفي الوقت الحاضر، تساعد الرياضيات في حل مشاكل المقذوفات السماوية، وتتلقى بدورها زخما في تطورها بفضل المهام التي تطرحها الديناميكا الكونية.

كانت الميكانيكا السماوية الكلاسيكية علمًا نظريًا بحتًا. تم تأكيد استنتاجاتها باستمرار من خلال بيانات المراقبة الفلكية. أدخلت الديناميكا الكونية التجربة في الميكانيكا السماوية، وتحولت الميكانيكا السماوية لأول مرة إلى علم تجريبي، مشابه في هذا الصدد، على سبيل المثال، لفرع من الميكانيكا مثل الديناميكا الهوائية. تم استبدال الطبيعة السلبية اللاإرادية للميكانيكا السماوية الكلاسيكية بالروح الهجومية النشطة للمقذوفات السماوية. كل إنجاز جديد في مجال الملاحة الفضائية هو في نفس الوقت دليل على فعالية ودقة أساليب الديناميكا الكونية. تنقسم الديناميكا الكونية إلى قسمين: نظرية حركة مركز كتلة المركبة الفضائية (نظرية المسارات الفضائية) ونظرية حركة المركبة الفضائية بالنسبة إلى مركز الكتلة (نظرية “الحركة الدورانية”).

محركات الصواريخ

إن وسيلة النقل الرئيسية والوحيدة تقريبًا في الفضاء الخارجي هي الصاروخ، الذي تم اقتراحه لأول مرة لهذا الغرض في عام 1903 بواسطة K. E. Tsiolkovsky. تمثل قوانين الدفع الصاروخي أحد الركائز الأساسية لنظرية الطيران إلى الفضاء.

تمتلك شركة Cosmonautics ترسانة كبيرة من أنظمة الدفع الصاروخي التي تعتمد على استخدام أنواع مختلفة من الطاقة. لكن في جميع الحالات، يقوم محرك الصاروخ بنفس المهمة: فهو يقوم بطريقة أو بأخرى بإخراج كتلة معينة من الصاروخ، والتي يوجد احتياطيها (ما يسمى بسائل العمل) داخل الصاروخ. تؤثر قوة معينة على الكتلة المقذوفة من الصاروخ، ووفقًا لقانون نيوتن الثالث في الميكانيكا - قانون مساواة الفعل ورد الفعل - تؤثر نفس القوة، ولكن في الاتجاه المعاكس، على الكتلة المقذوفة على الصاروخ. وتسمى هذه القوة الأخيرة التي تدفع الصاروخ بالدفع. ومن الواضح بديهيًا أن قوة الدفع يجب أن تكون أكبر، فكلما زادت الكتلة لكل وحدة زمنية يتم إخراجها من الصاروخ وزادت السرعة التي يمكن نقلها إلى الكتلة المقذوفة.

أبسط رسم تخطيطي لتصميم الصاروخ:

في هذه المرحلة من تطور العلوم والتكنولوجيا، توجد محركات صاروخية تعتمد على مبادئ تشغيل مختلفة.

محركات الصواريخ الكيميائية الحرارية.

مبدأ تشغيل المحركات الكيميائية الحرارية (أو الكيميائية ببساطة) ليس معقدًا: نتيجة للتفاعل الكيميائي (عادةً تفاعل الاحتراق)، يتم إطلاق كمية كبيرة من الحرارة ويتم تسخين منتجات التفاعل إلى درجة حرارة عالية، وتتوسع بسرعة، تم طرده من الصاروخ بسرعة عالية. تنتمي المحركات الكيميائية إلى فئة أوسع من المحركات الحرارية (التبادل الحراري) التي يتدفق فيها سائل العمل نتيجة لتمدده من خلال التسخين. بالنسبة لمثل هذه المحركات، تعتمد سرعة العادم بشكل أساسي على درجة حرارة الغازات المتمددة وعلى متوسط ​​وزنها الجزيئي: كلما ارتفعت درجة الحرارة وانخفض الوزن الجزيئي، زادت سرعة العادم. تعمل محركات الصواريخ السائلة، ومحركات الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب، ومحركات تنفس الهواء على هذا المبدأ.

المحركات الحرارية النووية.

مبدأ تشغيل هذه المحركات لا يختلف تقريبًا عن مبدأ تشغيل المحركات الكيميائية. الفرق هو أن سائل العمل لا يتم تسخينه بسبب طاقته الكيميائية، ولكن بسبب الحرارة "الخارجية" المنبعثة أثناء التفاعل النووي. وبناءً على هذا المبدأ، تم تصميم المحركات الحرارية النووية النابضة، والمحركات الحرارية النووية القائمة على الاندماج النووي الحراري، والتحلل الإشعاعي للنظائر. إلا أن خطر التلوث الإشعاعي للجو وإبرام اتفاق لوقف التجارب النووية في الجو وفي الفضاء وتحت الماء، أدى إلى توقف تمويل المشاريع المذكورة.

المحركات الحرارية بمصدر طاقة خارجي.

يعتمد مبدأ عملها على تلقي الطاقة من الخارج. وبناء على هذا المبدأ تم تصميم محرك حراري شمسي مصدر طاقته الشمس. تستخدم أشعة الشمس المركزة بواسطة المرايا لتسخين سائل العمل مباشرة.

محركات الصواريخ الكهربائية.

تجمع هذه الفئة الواسعة من المحركات بين أنواع مختلفة من المحركات التي يتم تطويرها حاليًا بشكل مكثف للغاية. يتم تسريع سائل العمل إلى سرعة عادم معينة باستخدام الطاقة الكهربائية. يتم الحصول على الطاقة من محطة الطاقة النووية أو الشمسية الموجودة على متن المركبة الفضائية (من حيث المبدأ، حتى من بطارية كيميائية). إن تصميمات المحركات الكهربائية الجاري تطويرها متنوعة للغاية. وتشمل هذه المحركات الكهروحرارية والمحركات الكهروستاتيكية (الأيونية) والمحركات الكهرومغناطيسية (البلازما) والمحركات الكهربائية التي تسحب سائل العمل من الطبقات العليا للغلاف الجوي.

الصواريخ الفضائية

الصاروخ الفضائي الحديث عبارة عن هيكل معقد يتكون من مئات الآلاف والملايين من الأجزاء، كل منها يؤدي دوره المقصود. ولكن من وجهة نظر آليات تسريع الصاروخ إلى السرعة المطلوبة، يمكن تقسيم الكتلة الأولية الكاملة للصاروخ إلى قسمين: 1) كتلة مائع التشغيل و2) الكتلة النهائية المتبقية بعد الإطلاق من سائل العمل. غالبًا ما يُطلق على هذا الأخير اسم الكتلة "الجافة" نظرًا لأن سائل العمل في معظم الحالات هو الوقود السائل. تتكون الكتلة "الجافة" (أو، إذا كنت تفضل، الكتلة "الفارغة" للصاروخ، بدون سائل التشغيل) من كتلة الهيكل وكتلة الحمولة. يجب أن يُفهم التصميم ليس فقط على أنه الهيكل الداعم للصاروخ وقذائفه وما إلى ذلك، ولكن أيضًا نظام الدفع بجميع وحداته ونظام التحكم، بما في ذلك أدوات التحكم ومعدات الملاحة والاتصالات وما إلى ذلك - باختصار، كل ما يضمن الطيران الطبيعي للصاروخ. تتكون الحمولة من معدات علمية، ونظام قياس لاسلكي عن بعد، وجسم المركبة الفضائية التي يتم إطلاقها في المدار، والطاقم ونظام دعم الحياة للمركبة الفضائية، وما إلى ذلك. الحمولة هي الشيء الذي بدونه يمكن للصاروخ القيام برحلة عادية.

يتم تسهيل تسريع الصاروخ من خلال حقيقة أنه مع تدفق سائل العمل، تنخفض كتلة الصاروخ، مما يؤدي إلى زيادة التسارع التفاعلي بشكل مستمر مع الدفع المستمر. لكن، لسوء الحظ، لا يتكون الصاروخ من سائل عمل واحد فقط. مع انتهاء مائع العمل، تبدأ الخزانات المحررة والأجزاء الزائدة من القذيفة وما إلى ذلك في تحميل الصاروخ بالوزن الميت، مما يجعل من الصعب تسريعه. ويُنصح في بعض النقاط بفصل هذه الأجزاء عن الصاروخ. ويسمى الصاروخ المبني بهذه الطريقة بالصاروخ المركب. في كثير من الأحيان، يتكون الصاروخ المركب من مراحل صاروخية مستقلة (بفضل هذا، يمكن تصنيع أنظمة صاروخية مختلفة من مراحل فردية)، متصلة في سلسلة. ولكن من الممكن أيضًا الاتصال المتوازي للخطوات جنبًا إلى جنب. وأخيرًا، هناك مشاريع للصواريخ المركبة، حيث تدخل المرحلة الأخيرة داخل المرحلة السابقة، وهي محاطة داخل المرحلة السابقة، وما إلى ذلك؛ وفي هذه الحالة يكون للمراحل محرك مشترك ولم تعد صواريخ مستقلة. العيب الكبير في المخطط الأخير هو أنه بعد فصل المرحلة المستهلكة، يزداد تسارع الطائرة بشكل حاد، حيث يظل المحرك كما هو، وبالتالي لم يتغير التوجه، وانخفضت الكتلة المتسارعة للصاروخ بشكل حاد. وهذا يؤدي إلى تعقيد دقة توجيه الصواريخ ويفرض متطلبات متزايدة على قوة الهيكل. عندما تكون المراحل متصلة في سلسلة، يكون للمسرح الذي تم تشغيله حديثًا قوة دفع أقل ولا يتغير التسارع بشكل حاد. أثناء تشغيل المرحلة الأولى، يمكننا اعتبار المراحل المتبقية جنبًا إلى جنب مع الحمولة الحقيقية بمثابة حمولة المرحلة الأولى. بعد فصل المرحلة الأولى، تبدأ المرحلة الثانية في العمل، والتي تشكل مع المراحل اللاحقة والحمولة الفعلية صاروخًا مستقلاً ("الصاروخ الفرعي الأول"). بالنسبة للمرحلة الثانية، تلعب جميع المراحل اللاحقة، جنبًا إلى جنب مع الحمولة الحقيقية، دور الحمولة الخاصة بها، وما إلى ذلك. يضيف كل صاروخ فرعي سرعته المثالية إلى السرعة الحالية، ونتيجة لذلك، السرعة المثالية النهائية للصاروخ. الصاروخ متعدد المراحل هو مجموع السرعات المثالية للصاروخ الفرعي الفردي.

الصاروخ وسيلة "باهظة الثمن" للغاية. تقوم مركبات إطلاق المركبات الفضائية "بالنقل" بشكل أساسي الوقود اللازم لتشغيل محركاتها وبنيتها الخاصة، والتي تتكون أساسًا من حاويات الوقود ونظام الدفع. تمثل الحمولة جزءًا صغيرًا فقط (1.5-2.0%) من كتلة إطلاق الصاروخ.

يتيح الصاروخ المركب استخدامًا أكثر كفاءة للموارد نظرًا لأنه أثناء الطيران يتم فصل المرحلة التي استنفدت وقودها، ولا يتم إهدار باقي وقود الصاروخ في تسريع تصميم المرحلة المستهلكة، الأمر الذي أصبح غير ضروري لمواصلة الرحلة.

خيارات تكوين الصواريخ. من اليسار الى اليمين:

1. صاروخ مرحلة واحدة.
2. صاروخ ذو مقطع عرضي على مرحلتين.
3. صاروخ ذو مرحلتين مع فصل طولي.
4. صاروخ مزود بخزانات وقود خارجية يتم فصلها بعد نفاد الوقود الموجود فيها.

من الناحية الهيكلية، يتم تصنيع الصواريخ متعددة المراحل بفصل عرضي أو طولي للمراحل.

مع الفصل العرضي، يتم وضع المراحل واحدة فوق الأخرى وتعمل بالتتابع الواحدة تلو الأخرى، ولا يتم تشغيلها إلا بعد فصل المرحلة السابقة. يتيح هذا المخطط إنشاء أنظمة، من حيث المبدأ، مع أي عدد من المراحل. عيبه هو أنه لا يمكن استخدام موارد المراحل اللاحقة أثناء تشغيل المرحلة السابقة، كونها حمولة سلبية لها.

مع الفصل الطولي، تتكون المرحلة الأولى من عدة صواريخ متطابقة (عمليا، من صاروخين إلى ثمانية)، تقع بشكل متناظر حول جسم المرحلة الثانية، بحيث يتم توجيه قوى الدفع الناتجة لمحركات المرحلة الأولى على طول محور التماثل الثانية، وتعمل في وقت واحد. يسمح هذا المخطط لمحرك المرحلة الثانية بالعمل في وقت واحد مع محركات المرحلة الأولى، وبالتالي زيادة الدفع الإجمالي، وهو أمر ضروري بشكل خاص أثناء تشغيل المرحلة الأولى، عندما تكون كتلة الصاروخ كحد أقصى. لكن الصاروخ الذي يتميز بفصل طولي للمراحل لا يمكن أن يكون إلا على مرحلتين.

يوجد أيضًا مخطط فصل مشترك - عرضي طولي، والذي يسمح لك بالجمع بين مزايا كلا المخططين، حيث يتم تقسيم المرحلة الأولى من الثانية طوليًا، ويتم فصل جميع المراحل اللاحقة بشكل عرضي. مثال على هذا النهج هو مركبة الإطلاق المحلية سويوز.

يتمتع المكوك الفضائي بتصميم فريد من نوعه وهو صاروخ ذو مرحلتين مع فصل طولي، وتتكون المرحلة الأولى منه من معززين صاروخيين صلبين مثبتين على الجانب، وفي المرحلة الثانية، يتم احتواء جزء من الوقود في خزانات المركبة المدارية؛ المركبة الفضائية نفسها القابلة لإعادة الاستخدام)، ومعظمها موجود في خزان وقود خارجي قابل للفصل. أولاً، يستهلك نظام الدفع المداري الوقود من الخزان الخارجي، وعندما ينفد، تتم إعادة ضبط الخزان الخارجي وتستمر المحركات في العمل على الوقود الموجود في الخزانات المدارية. يتيح هذا التصميم تحقيق أقصى استفادة من نظام الدفع الخاص بالمركبة المدارية، والذي يعمل طوال فترة إطلاق المركبة الفضائية إلى المدار.

عند فصلها بشكل عرضي، ترتبط المراحل ببعضها البعض بواسطة أقسام خاصة - محولات - هياكل حاملة ذات شكل أسطواني أو مخروطي (حسب نسبة أقطار المراحل)، يجب أن يتحمل كل منها الوزن الإجمالي لجميع المراحل اللاحقة المراحل مضروبة في القيمة القصوى للحمل الزائد الذي يتعرض له الصاروخ في جميع الأقسام التي يكون هذا المحول جزءًا من الصاروخ. مع التقسيم الطولي، يتم إنشاء نطاقات الطاقة (الأمامية والخلفية) على جسم المرحلة الثانية، والتي يتم ربط كتل المرحلة الأولى بها.

العناصر التي تربط أجزاء الصاروخ المركب تمنحه صلابة الجسم الصلب، وعندما يتم فصل المراحل، يجب أن تطلق المرحلة العليا على الفور تقريبًا. عادة، يتم توصيل الخطوات باستخدام pyrobolts. البيروبولت هو مسمار تثبيت، يتم في قضيبه إنشاء تجويف بجوار الرأس، مملوء بمادة شديدة الانفجار بمفجر كهربائي. عندما يتم تطبيق نبض تيار على المفجر الكهربائي، يحدث انفجار، مما يؤدي إلى تدمير قضيب المزلاج، مما يؤدي إلى خروج رأسه. يتم تحديد جرعات المتفجرات الموجودة في البيروبولت بعناية بحيث يتم ضمان تمزيق الرأس من ناحية وعدم إتلاف الصاروخ من ناحية أخرى. عندما يتم فصل المراحل، يتم تطبيق نبض تيار في نفس الوقت على الصواعق الكهربائية لجميع البراغي الحرارية التي تربط الأجزاء المنفصلة، ​​ويتم تحرير الاتصال.

بعد ذلك، يجب أن تكون الخطوات متباعدة على مسافة آمنة من بعضها البعض. (قد يؤدي تشغيل محرك مرحلة أعلى بالقرب من مرحلة سفلية إلى احتراق سعة الوقود وانفجار الوقود المتبقي، مما سيؤدي إلى إتلاف المرحلة العليا أو زعزعة استقرار طيرانها.) عند فصل المراحل في الغلاف الجوي، تتضاءل القوة الديناميكية الهوائية للمحرك. يمكن استخدام تدفق الهواء القادم لفصلهما، وعند الفصل في الفراغ، يتم أحيانًا استخدام محركات صاروخية صلبة صغيرة مساعدة.

في الصواريخ السائلة، تعمل هذه المحركات نفسها أيضًا على "ترسيب" الوقود في خزانات المرحلة العليا: عندما يتم إيقاف تشغيل محرك المرحلة السفلية، يطير الصاروخ بالقصور الذاتي، في حالة سقوط حر، بينما السائل السائل الوقود الموجود في الخزانات معلق، مما قد يؤدي إلى فشل عند بدء تشغيل المحرك. توفر المحركات المساعدة للمرحلة تسارعًا طفيفًا، حيث "يستقر" الوقود تحت تأثيره في قاع الخزانات.

زيادة عدد الخطوات يعطي تأثيرًا إيجابيًا يصل إلى حد معين فقط. كلما زاد عدد المراحل، زادت الكتلة الإجمالية للمحولات، وكذلك المحركات التي تعمل فقط على جزء واحد من الرحلة، وفي مرحلة ما، تؤدي الزيادة الإضافية في عدد المراحل إلى نتائج عكسية. في ممارسة علم الصواريخ الحديثة، عادة لا يتم تنفيذ أكثر من أربع مراحل.

عند اختيار عدد المراحل، تعد مشكلات الموثوقية مهمة أيضًا. تعتبر البراغي الحرارية والمحركات الصاروخية المساعدة التي تعمل بالوقود الصلب عناصر يمكن التخلص منها، ولا يمكن التحقق من عملها قبل إطلاق الصاروخ. وفي الوقت نفسه، يمكن أن يؤدي فشل pyrobolt واحد فقط إلى الإنهاء الطارئ لرحلة الصاروخ. تؤدي الزيادة في عدد العناصر التي يمكن التخلص منها والتي لا تخضع للاختبار الوظيفي إلى تقليل موثوقية الصاروخ بأكمله. وهذا أيضًا يجبر المصممين على الامتناع عن استخدام خطوات كثيرة جدًا.

السرعات الكونية

ومن المهم للغاية ملاحظة أن السرعة التي طورها الصاروخ (ومعه المركبة الفضائية بأكملها) على الجزء النشط من المسار، أي في ذلك المقطع القصير نسبيًا أثناء تشغيل محرك الصاروخ، يجب تحقيقها جدًا جدًا عالي.

دعونا نضع صاروخنا عقليًا في مساحة خالية ونقوم بتشغيل محركه. أنشأ المحرك قوة دفع، تلقى الصاروخ نوعا من التسارع وبدأ في التقاط السرعة، والتحرك في خط مستقيم (إذا لم تغير قوة الدفع اتجاهها). ما السرعة التي سيكتسبها الصاروخ عندما تنخفض كتلته من القيمة الأولية m 0 إلى القيمة النهائية m k؟ إذا افترضنا أن سرعة تدفق المادة من الصاروخ ثابتة (وهذا ما لوحظ بدقة في الصواريخ الحديثة)، فإن الصاروخ سوف يتطور بسرعة v، معبرًا عنها صيغة تسيولكوفسكي، والتي تحدد السرعة التي تتطور بها الطائرة تحت تأثير دفع محرك صاروخي، دون تغيير في الاتجاه، في غياب جميع القوى الأخرى:

حيث يشير ln إلى اللوغاريتمات الطبيعية ويشير السجل إلى اللوغاريتمات العشرية

السرعة، المحسوبة باستخدام صيغة تسيولكوفسكي، تميز موارد الطاقة للصاروخ. يطلق عليه المثالي. نرى أن السرعة المثالية لا تعتمد على الاستهلاك الكتلي الثاني لسائل العمل، بل تعتمد فقط على سرعة العادم w وعلى الرقم z = m 0 /m k، الذي يسمى نسبة الكتلة أو رقم Tsiolkovsky.

هناك مفهوم ما يسمى بالسرعات الكونية: الأولى والثانية والثالثة. السرعة الكونية الأولى هي السرعة التي يمكن أن يصبح بها الجسم (المركبة الفضائية) المنطلق من الأرض قمرًا صناعيًا لها. إذا لم نأخذ في الاعتبار تأثير الغلاف الجوي، فإن سرعة الإفلات الأولى فوق مستوى سطح البحر مباشرة هي 7.9 كم/ثانية وتتناقص مع زيادة المسافة من الأرض. على ارتفاع 200 كم عن الأرض تبلغ سرعته 7.78 كم/ث. ومن الناحية العملية، يفترض أن سرعة الإفلات الأولى هي 8 كم/ثانية.

من أجل التغلب على جاذبية الأرض والتحول مثلاً إلى قمر صناعي تابع للشمس أو الوصول إلى كوكب آخر في النظام الشمسي، يجب على الجسم (المركبة الفضائية) المنطلق من الأرض أن يصل إلى سرعة الهروب الثانية، تساوي إلى 11.2 كم/ثانية.

يجب أن يتمتع الجسم (المركبة الفضائية) بالسرعة الكونية الثالثة على سطح الأرض في الحالة التي يشترط فيها أن يتمكن من التغلب على جاذبية الأرض والشمس ويغادر النظام الشمسي. ومن المفترض أن تكون سرعة الهروب الثالثة 16.7 كم/ث.

السرعات الكونية هائلة في أهميتها. فهي أسرع بعشرات المرات من سرعة الصوت في الهواء. من هذا فقط يتضح ما هي المهام المعقدة التي تواجهها في مجال الملاحة الفضائية.

لماذا السرعات الكونية هائلة ولماذا لا تسقط المركبات الفضائية على الأرض؟ إنه أمر غريب بالفعل: فالشمس، بقوى جاذبيتها الهائلة، تجعل الأرض وجميع الكواكب الأخرى في النظام الشمسي قريبة من نفسها، مما يمنعها من الطيران إلى الفضاء الخارجي. قد يبدو غريبًا أن الأرض تحمل القمر بالقرب من نفسها. هناك قوى جاذبية بين جميع الأجسام، لكن الكواكب لا تسقط على الشمس لأنها في حالة حركة، هذا هو السر.

كل شيء يسقط على الأرض: قطرات المطر، ورقائق الثلج، والحجر الذي يسقط من الجبل، والكوب المقلوب من على الطاولة. والقمر؟ وهي تدور حول الأرض. لولا قوى الجاذبية لطار بشكل عرضي إلى المدار، وإذا توقف فجأة لسقط على الأرض. القمر بسبب جاذبية الأرض، ينحرف عن المسار المستقيم، طوال الوقت كما لو كان "يسقط" على الأرض.

تحدث حركة القمر على طول قوس معين، وطالما أن الجاذبية تعمل، فلن يسقط القمر على الأرض. الأمر نفسه بالنسبة للأرض، إذا توقفت، فسوف تسقط في الشمس، لكن هذا لن يحدث لنفس السبب. هناك نوعان من الحركة - أحدهما تحت تأثير الجاذبية، والآخر بسبب القصور الذاتي - يجتمعان معًا ويؤديان إلى حركة منحنية الأضلاع.

اكتشف قانون الجاذبية الكونية، الذي يحافظ على توازن الكون، العالم الإنجليزي إسحاق نيوتن. وعندما نشر اكتشافه، قال الناس إنه أصيب بالجنون. لا يحدد قانون الجاذبية حركة القمر والأرض فحسب، بل يحدد أيضًا حركة جميع الأجرام السماوية في النظام الشمسي، بالإضافة إلى الأقمار الصناعية والمحطات المدارية والمركبات الفضائية بين الكواكب.

قوانين كيبلر

قبل النظر في مدارات المركبات الفضائية، دعونا نفكر في قوانين كيبلر التي تصفها.

كان يوهانس كيبلر يتمتع بحس الجمال. لقد حاول طوال حياته البالغة أن يثبت أن النظام الشمسي هو نوع من العمل الفني الغامض. في البداية حاول ربط هيكلها بمتعددات الوجوه الخمسة المنتظمة للهندسة اليونانية القديمة الكلاسيكية. (متعدد السطوح المنتظم هو شكل ثلاثي الأبعاد، جميع وجوهه عبارة عن مضلعات منتظمة متساوية). في زمن كيبلر، كانت هناك ستة كواكب معروفة، والتي كان يُعتقد أنها موضوعة على "مجالات بلورية" دوارة. جادل كيبلر بأن هذه المجالات مرتبة بطريقة تجعل متعددات الوجوه المنتظمة تتلاءم تمامًا مع المجالات المتجاورة. بين المجالين الخارجيين - زحل والمشتري - وضع مكعبًا منقوشًا في المجال الخارجي، والذي بدوره يُدرج فيه المجال الداخلي؛ بين مجالات كوكب المشتري والمريخ - رباعي السطوح (رباعي السطوح العادي)، وما إلى ذلك. ستة مجالات من الكواكب، خمسة متعددات السطوح العادية منقوشة بينهما - يبدو أن الكمال في حد ذاته؟

للأسف، بعد مقارنة نموذجه بالمدارات المرصودة للكواكب، اضطر كبلر إلى الاعتراف بأن السلوك الحقيقي للأجرام السماوية لا يتناسب مع الإطار المتناغم الذي حدده. كانت النتيجة الوحيدة لدافع كيبلر الشبابي الذي نجا على مر القرون هو نموذج للنظام الشمسي، صنعه العالم بنفسه وقدمه كهدية لراعيه، الدوق فريدريك فون فورتمبيرغ. في هذه القطعة الأثرية المعدنية المنفذة بشكل جميل، تكون جميع المجالات المدارية للكواكب ومتعددات الوجوه المنتظمة المنقوشة فيها عبارة عن حاويات مجوفة لا تتواصل مع بعضها البعض، والتي كان من المفترض أن يتم ملؤها في أيام العطلات بالمشروبات المختلفة لعلاج ضيوف الدوق.

فقط بعد انتقاله إلى براغ وأصبح مساعدًا لعالم الفلك الدنماركي الشهير تايكو براهي، صادف كيبلر أفكارًا خلدت اسمه حقًا في سجلات العلوم. قضى تايكو براهي حياته كلها في جمع البيانات من الملاحظات الفلكية وجمع كميات هائلة من المعلومات حول تحركات الكواكب. وبعد وفاته، أصبحوا في حوزة كيبلر. بالمناسبة، كانت لهذه السجلات قيمة تجارية كبيرة في ذلك الوقت، حيث يمكن استخدامها لتجميع الأبراج الفلكية المكررة (يفضل العلماء اليوم التزام الصمت بشأن هذا القسم من علم الفلك المبكر).

أثناء معالجة نتائج ملاحظات تايكو براهي، واجه كيبلر مشكلة قد تبدو مستعصية على الحل لشخص ما، حتى مع أجهزة الكمبيوتر الحديثة، ولم يكن أمام كبلر خيار سوى إجراء جميع الحسابات يدويًا. بالطبع، مثل معظم علماء الفلك في عصره، كان كبلر على دراية بنظام مركزية الشمس الكوبرنيكي وكان يعلم أن الأرض تدور حول الشمس، كما يتضح من النموذج الموصوف أعلاه للنظام الشمسي. ولكن كيف تدور الأرض والكواكب الأخرى بالضبط؟ لنتخيل المشكلة على النحو التالي: أنت على كوكب يدور أولاً حول محوره، وثانيًا، يدور حول الشمس في مدار غير معروف لك. بالنظر إلى السماء، نرى كواكب أخرى تتحرك أيضًا في مدارات غير معروفة لنا. وتتمثل المهمة في تحديد هندسة مدارات وسرعات حركة الكواكب الأخرى، بناءً على بيانات الرصد التي تم إجراؤها على كوكبنا الذي يدور حول محوره حول الشمس. وهذا بالضبط ما تمكن كيبلر من فعله في النهاية، وبعد ذلك، بناءً على النتائج التي حصل عليها، استنتج قوانينه الثلاثة!

يصف القانون الأول هندسة مسارات مدارات الكواكب: كل كوكب في النظام الشمسي يدور في شكل بيضاوي، في إحدى البؤر التي تقع فيها الشمس. من دورة الهندسة المدرسية - القطع الناقص عبارة عن مجموعة من النقاط على المستوى، ومجموع المسافات التي تصل إلى نقطتين ثابتتين - البؤر - يساوي ثابتًا. أو بمعنى آخر - تخيل مقطعًا من السطح الجانبي للمخروط بجوار مستوى بزاوية مع قاعدته، ولا يمر عبر القاعدة - فهذا أيضًا قطع ناقص. وينص قانون كبلر الأول على أن مدارات الكواكب هي قطع ناقصة، في إحدى البؤرتين التي تقع فيها الشمس. إن الانحراف المركزي (درجة الاستطالة) للمدارات وبعدها عن الشمس عند الحضيض الشمسي (أقرب نقطة إلى الشمس) وأبوهيليا (أبعد نقطة) يختلفان بالنسبة لجميع الكواكب، ولكن جميع المدارات الإهليلجية تشترك في شيء واحد - وتقع الشمس في إحدى بؤرتي القطع الناقص. بعد تحليل بيانات رصد تايكو براهي، خلص كيبلر إلى أن مدارات الكواكب هي عبارة عن مجموعة من الأشكال الناقصية المتداخلة. قبله، هذا ببساطة لم يخطر ببال أي عالم فلك.

لا يمكن المبالغة في تقدير الأهمية التاريخية لقانون كبلر الأول. قبله، كان علماء الفلك يعتقدون أن الكواكب تتحرك حصرا في مدارات دائرية، وإذا لم يتناسب ذلك مع إطار الملاحظات، فقد تم استكمال الحركة الدائرية الرئيسية بدوائر صغيرة وصفتها الكواكب حول نقاط المدار الدائري الرئيسي. وكان هذا في المقام الأول موقفا فلسفيا، وهو نوع من الحقيقة الثابتة، التي لا تخضع للشك أو التحقق. جادل الفلاسفة بأن الهيكل السماوي، على عكس الأرض، مثالي في انسجامه، وبما أن الأشكال الهندسية الأكثر مثالية هي الدائرة والكرة، فهذا يعني أن الكواكب تتحرك في دائرة. الشيء الرئيسي هو أنه بعد أن تمكن من الوصول إلى بيانات المراقبة الشاملة لتيكو براهي، تمكن يوهانس كيبلر من تجاوز هذا التحيز الفلسفي، حيث رأى أنه لا يتوافق مع الحقائق - تمامًا كما تجرأ كوبرنيكوس على إزالة الأرض من المركز الكون، في مواجهة الحجج التي تتعارض مع أفكار مركزية الأرض المستمرة، والتي تتكون أيضًا من "السلوك غير المناسب" للكواكب في مداراتها.

ويصف القانون الثاني التغير في سرعة حركة الكواكب حول الشمس: حيث يتحرك كل كوكب في مستوى يمر بمركز الشمس، وفي فترات زمنية متساوية، يصف ناقل نصف القطر الذي يربط بين الشمس والكوكب مساحات متساوية. . كلما ابتعد الكوكب عن الشمس في المدار الإهليلجي، كلما كانت حركته أبطأ؛ وكلما اقترب الكوكب من الشمس، كلما تحرك الكوكب بشكل أسرع. تخيل الآن زوجًا من القطع الخطية التي تربط موقعين للكوكب في مداره مع بؤرة القطع الناقص الذي تقع فيه الشمس. جنبًا إلى جنب مع قطعة القطع الناقص الموجودة بينهما، فإنها تشكل قطاعًا، ومساحته هي على وجه التحديد "المساحة المقطوعة بقطعة خط مستقيم". وهذا بالضبط ما يتحدث عنه القانون الثاني. كلما كان الكوكب أقرب إلى الشمس، كلما كانت الأجزاء أقصر. لكن في هذه الحالة، لكي يغطي القطاع مساحة متساوية في زمن متساو، يجب أن يسافر الكوكب مسافة أكبر في مداره، مما يعني زيادة سرعة حركته.

يتعامل القانونان الأولان مع تفاصيل المسارات المدارية لكوكب واحد. يسمح لنا قانون كبلر الثالث بمقارنة مدارات الكواكب مع بعضها البعض: مربعات فترات دوران الكواكب حول الشمس مرتبطة بمكعبات المحاور شبه الرئيسية لمدارات الكواكب. تنص على أنه كلما كان الكوكب بعيدًا عن الشمس، كلما استغرق الأمر وقتًا أطول لإكمال ثورة كاملة عند التحرك في المدار، وكلما طالت مدة "السنة" على هذا الكوكب. اليوم نعلم أن هذا يرجع إلى عاملين. أولاً، كلما بعد الكوكب عن الشمس، زاد محيط مداره. ثانيا، مع زيادة المسافة من الشمس، تنخفض أيضا السرعة الخطية لحركة الكوكب.

في قوانينه، ذكر كيبلر الحقائق ببساطة، بعد أن درس وتعميم نتائج الملاحظات. ولو سألته ما سبب إهليلجية المدارات أو تساوي مساحات القطاعات لم يجيبك. وجاء هذا ببساطة من تحليله. ولو سألته عن الحركة المدارية للكواكب في الأنظمة النجمية الأخرى، فلن يكون لديه أيضاً ما يجيبك. سيتعين عليه أن يبدأ من جديد، وأن يجمع بيانات المراقبة، ثم يحللها ويحاول تحديد الأنماط. وهذا يعني أنه ببساطة لن يكون لديه أي سبب للاعتقاد بأن نظامًا كوكبيًا آخر يخضع لنفس القوانين التي يتبعها النظام الشمسي.

إن أحد أعظم انتصارات ميكانيكا نيوتن الكلاسيكية يكمن على وجه التحديد في حقيقة أنها توفر مبررًا أساسيًا لقوانين كبلر وتؤكد عالميتها. اتضح أن قوانين كبلر يمكن استخلاصها من قوانين نيوتن للميكانيكا، وقانون نيوتن للجذب العام، وقانون الحفاظ على الزخم الزاوي من خلال حسابات رياضية صارمة. وإذا كان الأمر كذلك، يمكننا التأكد من أن قوانين كيبلر تنطبق بالتساوي على أي نظام كوكبي في أي مكان في الكون. يبحث علماء الفلك عن أنظمة كوكبية جديدة في الفضاء (وقد تم اكتشاف عدد قليل منها بالفعل) مرة تلو الأخرى، بطبيعة الحال، يستخدمون معادلات كيبلر لحساب معلمات مدارات الكواكب البعيدة، على الرغم من أنهم لا يستطيعون مراقبتها مباشرة .

لعب قانون كبلر الثالث ولا يزال يلعب دورًا مهمًا في علم الكونيات الحديث. من خلال مراقبة المجرات البعيدة، يكتشف علماء الفيزياء الفلكية الإشارات الخافتة المنبعثة من ذرات الهيدروجين التي تدور في مدارات بعيدة جدًا عن مركز المجرة - أبعد بكثير من النجوم عادة. وباستخدام تأثير دوبلر في طيف هذا الإشعاع، يحدد العلماء سرعات دوران المحيط الهيدروجيني لقرص المجرة، ومنها السرعات الزاوية للمجرات ككل. إن أعمال العالم، الذي وضعنا بقوة على الطريق نحو الفهم الصحيح لبنية نظامنا الشمسي، واليوم، بعد قرون من وفاته، تلعب دورًا مهمًا في دراسة بنية الكون الواسع.

مدارات

من الأهمية بمكان حساب مسارات رحلات المركبات الفضائية، حيث ينبغي متابعة الهدف الرئيسي - الحد الأقصى لتوفير الطاقة. عند حساب مسار رحلة مركبة فضائية، من الضروري تحديد الوقت الأكثر فائدة، وإذا أمكن، موقع الإطلاق، مع مراعاة التأثيرات الديناميكية الهوائية التي تنشأ نتيجة لتفاعل الجهاز مع الغلاف الجوي للأرض أثناء الإطلاق و الانتهاء، وأكثر من ذلك بكثير.

تحتوي العديد من المركبات الفضائية الحديثة، وخاصة تلك التي لديها طاقم، على محركات صاروخية صغيرة نسبيًا، والغرض الرئيسي منها هو التصحيح الضروري للمدار والكبح أثناء الهبوط. عند حساب مسار الرحلة، يجب أن تؤخذ في الاعتبار التغييرات المرتبطة بالتعديل. يتم تنفيذ معظم المسار (في الواقع المسار بأكمله، باستثناء الجزء النشط وفترات التعديل) مع إيقاف تشغيل المحركات، ولكن، بالطبع، تحت تأثير مجالات الجاذبية للأجرام السماوية.

يسمى مسار المركبة الفضائية بالمدار. أثناء الطيران الحر للمركبة الفضائية، عندما يتم إيقاف تشغيل المحركات النفاثة الموجودة على متنها، تحدث الحركة تحت تأثير قوى الجاذبية والقصور الذاتي، حيث تتمثل القوة الرئيسية في جاذبية الأرض.

إذا اعتبرنا الأرض كروية تمامًا، وأن تأثير مجال الجاذبية الأرضية هو القوة الوحيدة، فإن حركة المركبة الفضائية تخضع لقوانين كيبلر المعروفة: فهي تحدث في مستوى ثابت (في الفضاء المطلق) يمر عبرها. مركز الأرض - المستوى المداري؛ المدار له شكل القطع الناقص أو الدائرة (حالة خاصة من القطع الناقص).

تتميز المدارات بعدد من المعلمات - نظام الكميات التي تحدد اتجاه مدار الجسم السماوي في الفضاء وحجمه وشكله، وكذلك الموقع في مدار الجسم السماوي في لحظة ثابتة. يتم تحديد المدار غير المضطرب الذي يتحرك فيه الجسم وفقًا لقوانين كبلر من خلال:

1. الميل المداري (ط)إلى المستوى المرجعي؛ يمكن أن يكون لها قيم من 0 درجة إلى 180 درجة. وتكون زاوية الميل أقل من 90 درجة إذا بدا أن الجسم يتحرك عكس اتجاه عقارب الساعة بالنسبة لراصد يقع عند قطب مسير الشمس الشمالي أو القطب السماوي الشمالي، وأكثر من 90 درجة إذا كان الجسم يتحرك في الاتجاه المعاكس. عند تطبيقه على النظام الشمسي، عادةً ما يتم اختيار مستوى مدار الأرض (مستوى مسار الشمس) ليكون المستوى المرجعي؛ بالنسبة للأقمار الاصطناعية للأرض، وعادةً ما يتم اختيار مستوى خط استواء الأرض ليكون المستوى المرجعي للأقمار الصناعية الأخرى؛ كواكب النظام الشمسي، عادة ما يتم اختيار مستوى خط الاستواء للكوكب المقابل ليكون المستوى المرجعي.
2. خط طول العقدة الصاعدة (Ω)- أحد العناصر الأساسية للمدار، ويستخدم لوصف شكل المدار واتجاهه في الفضاء رياضيا. يحدد النقطة التي يتقاطع عندها المدار مع المستوى الرئيسي في الاتجاه من الجنوب إلى الشمال. بالنسبة للأجسام التي تدور حول الشمس، المستوى الرئيسي هو مسير الشمس، ونقطة الصفر هي النقطة الأولى من برج الحمل (الاعتدال الربيعي).
3. المحاور الرئيسيةهو نصف المحور الرئيسي للقطع الناقص. في علم الفلك، يحدد متوسط ​​مسافة جسم سماوي من التركيز.
4. الانحراف- الخاصية العددية للمقطع المخروطي. إن الانحراف المركزي ثابت فيما يتعلق بحركات المستوى وتحولات التشابه ويميز "ضغط" المدار.
5. حجة بيريابسيس- تُعرف بأنها الزاوية بين الاتجاهات من مركز الجذب إلى العقدة الصاعدة للمدار وإلى الحضيض (نقطة مدار القمر الصناعي الأقرب إلى مركز الجذب) أو الزاوية بين خط العقد وخط المدار أبراج. يتم حسابها من مركز الجذب في اتجاه حركة القمر الصناعي، وعادة ما يتم اختيارها ضمن نطاق 0°-360°. لتحديد العقدة الصاعدة والهابطة، يتم تحديد مستوى معين (ما يسمى بالقاعدة) يحتوي على مركز الجذب. عادة ما يتم استخدام مستوى مسير الشمس (حركة الكواكب والمذنبات والكويكبات حول الشمس)، والمستوى الاستوائي للكوكب (حركة الأقمار الصناعية حول الكوكب)، وما إلى ذلك كمستوى أساسي.
6. متوسط ​​الشذوذبالنسبة لجسم يتحرك في مدار غير مضطرب - حاصل ضرب متوسط ​​حركته والفاصل الزمني بعد اجتياز الحضيض. وبالتالي، فإن متوسط ​​الشذوذ هو المسافة الزاوية من الحضيض لجسم افتراضي يتحرك بسرعة زاوية ثابتة تساوي متوسط ​​الحركة.

هناك أنواع مختلفة من المدارات - مدارات استوائية (الميل "i" = 0°)، مدارات قطبية (الميل "i" = 90°)، مدارات متزامنة مع الشمس (المعلمات المدارية بحيث يمر القمر الصناعي فوق أي نقطة على سطح الأرض عند في نفس الوقت تقريبًا بالتوقيت الشمسي المحلي)، مداري منخفض (ارتفاعات من 160 كم إلى 2000 كم)، مداري متوسط ​​(ارتفاعات من 2000 كم إلى 35786 كم)، مداري مرتفع (ارتفاعات 35786 كم)، مداري مرتفع (ارتفاعات أكثر). من 35786 كم).

اعترف أحد مبدعي القمر الصناعي الأول ذات مرة بأنه لم يدرك على الفور ما تم إنجازه من عمل عظيم في ذلك الوقت، في عام 1957. وفي تبريره أشار إلى الشاعر ف. بريوسوف، الذي قال إن "الأحداث العظيمة تكاد تكون غير محسوسة بالنسبة للمشاركين فيها بشكل مباشر: الجميع يرى تفاصيل واحدة فقط أمام أعينهم، وحجم الكل بعيد عن الملاحظة. لذلك، ربما، الكثير". بطريقة ما، لا يلاحظ الناس أن البشرية قد دخلت "عصر المعجزات".

إننا ندخل فقط العقد الرابع من عصر الفضاء، ولكننا اعتدنا بالفعل على معجزات مثل أنظمة الأقمار الصناعية للاتصالات ومراقبة الطقس والملاحة ومساعدة المنكوبين في البر والبحر والتي غطت الأرض بأكملها. كشيء عادي تمامًا، نستمع إلى تقارير حول الأشهر العديدة التي عمل فيها الأشخاص في المدار، ولا نتفاجأ بآثار الأقدام على القمر، أو صور الكواكب البعيدة الملتقطة من مسافة قريبة، أو نواة المذنب التي تظهر لأول مرة بواسطة مركبة فضائية.

في فترة تاريخية قصيرة جدا، أصبح رواد الفضاء جزءا لا يتجزأ من حياتنا، وهو مساعد مخلص في الشؤون الاقتصادية ومعرفة العالم من حولنا. وليس هناك شك في أن مواصلة تطوير الحضارة الأرضية لا يمكن الاستغناء عنها دون تطوير الفضاء القريب من الأرض بأكمله.

على سبيل المثال، يرى العديد من العلماء طريقة للخروج من الأزمة البيئية الوشيكة في استخدام موارد الفضاء القريب. "من الواضح أن إمكانات الفضاء ليست حلاً سحريًا لجميع العلل" ، كما كتب الخبير البارز في مجال الملاحة الفضائية ك. إريك. "إن المسار المقترح هو ببساطة أحد أكثر الفرص فعالية في الترسانة المتاحة لنا اليوم." ضمان بقاء البشرية كمجتمع حديث، وهذا ضروري أيضاً لغرض التطور المستمر لمجتمعنا مع الحفاظ على طبيعة الأرض الفريدة في المنطقة الممتدة حولنا لسنوات ضوئية عديدة.

يستمر استكشاف الفضاء - "مقاطعة البشرية جمعاء" - بوتيرة متزايدة. إذا نظرنا إلى ما تم تحقيقه بالفعل، يمكننا أن نحاول تحديد التواريخ التقريبية للمراحل التالية من استخدام موطننا الجديد. إن وضع تنبؤات طويلة المدى أكثر خطورة بكثير. لكن مثل هذه المحاولات معروفة أيضًا. دكتوراه في العلوم الفيزيائية والرياضية JI. ليسكوف، على سبيل المثال، يتطلع إلى الألفية بأكملها.

وفقا للعالم، في السنوات المتبقية قبل القرن المقبل، سيتم تنظيم الإنتاج الصناعي التجريبي الأول ثم الإنتاج الضخم للمواد المحسنة في الفضاء. إن إمكانيات الطاقة غير المحدودة عمليا، إلى جانب الفراغ العميق وانعدام الوزن، هي ما يجذب الصناعيين إلى الفضاء في المقام الأول. ومع ذلك، فإن الظروف التكنولوجية الفريدة ليست السبب الوحيد للنقل المقترح لعدد من الشركات، وربما صناعات بأكملها، مثل الصناعات الكيميائية والمعدنية والنووية...

إن كوكبنا مسدود بالفعل بالنفايات الصناعية لدرجة أن توسعه الإضافي يهدد بعواقب كارثية على المحيط الحيوي بأكمله. واحتياطيات الأرض من المواد الخام ليست كبيرة لدرجة أننا نستطيع العيش بسلام دون القلق بشأن المستقبل. ولذلك، فإن المزيد والمزيد من الخبراء يتوصلون إلى استنتاج مفاده أن التصنيع على نطاق واسع في الفضاء القريب من الأرض أمر لا مفر منه. تستعد علوم وتكنولوجيا الفضاء لهذا من خلال الاستمرار في دراسة كيفية حدوث العمليات التكنولوجية المختلفة في المدار، وفي الوقت نفسه إنشاء مشاريع لإمدادها بالطاقة.

عند التنبؤ بتطور الملاحة الفضائية لنفس الفترة، ينتبه خبراء آخرون إلى اتجاهات مختلفة في هذه العملية. ويشير رئيس الأكاديمية الدولية للملاحة الفضائية، ج. مولر، على سبيل المثال، إلى الاستخدام المرتقب لاتصالات الأقمار الصناعية على نطاق واسع لتقديم خدمات معلومات شاملة للناس في جميع أنحاء العالم. ينضم إليه الأكاديمي السوفيتي ف.أفدوفسكي. ويشير إلى أن "ارتباط تكنولوجيا الفضاء بالإلكترونيات الدقيقة يسمح لنا بالحديث عن تنظيم نظام اتصالات عالمي في المستقبل القريب جدًا مع مشتركين غير "مرتبطين" بأي عقد أرضية، أي حول الإنشاء مجال معلومات واحد يمكن لأي شخص أن ينضم فيه إلى أي شخص في أي وقت وفي أي مكان في العالم. وهذا يعني أن أسلوب حياة الملايين والملايين من الناس سوف يتغير بشكل جذري. ثروات الثقافة العالمية ستكون متاحة لكل من يعيش على الأرض - من مجموعات أكبر مستودعات الكتب في العالم، قاعات الأرميتاج واللوفر، حيث يمكنك "الزيارة" في أي لحظة، إلى مكتبات الأفلام والموسيقى في أي اجتماع عام أو خاص، الشعار سيصبح حقيقة: التعليم العالي لكل من يريد الحصول عليه، ناهيك عن فرصة الحصول على أي بيانات مرجعية، لعقد اجتماع عملي..."

للانتقال إلى المرحلة التالية من استكشاف الفضاء، يعتقد ل. ليسكوف، أنه سيكون من الضروري إنشاء مركبات جديدة أكثر كفاءة: الطائرات الفضائية، والمركبات الفضائية المأهولة والآلية، ومركبات الإطلاق القابلة لإعادة الاستخدام، والقاطرات بين المدارية ذات قدرة الرفع الثقيلة...

في العشرينات والخمسينيات من القرن الحادي والعشرين، ستظهر عاكسات عملاقة لأشعة الشمس ومحطات الطاقة الشمسية الفضائية في المدار، وبعد ذلك سيأتي وقت التطوير الصناعي للقمر. ومن ثم فإن العالم لا يعمل لعقود، بل لقرون. ومن بين المراحل التالية، مثل إنشاء هياكل واسعة النطاق في الفضاء، واستخدام المواد خارج كوكب الأرض مع إيصالها إلى الأرض، وتطوير وتحول طبيعة المريخ والزهرة.

ماذا بعد؟ والأهم من ذلك، ماذا سيحدث للأشخاص الذين انفصلوا عن كوكبهم إلى الأبد؟ أحد كبار الخبراء في مجال طب الفضاء وعلم الأحياء، الأكاديمي O. Gazenko، يعتبر سيناريوهين للاستيطان الفضائي: داخل النظام الشمسي وخارج حدوده. إذا كان العالم يعتقد أنه من الممكن إنشاء موطن في الفضاء أقرب ما يكون إلى الأرض، فمن الواضح أن تطور السكان الدائمين في "المستوطنات الأثيرية" سيستمر بنفس الطريقة التي يحدث بها على الأرض. صحيح، هناك احتمال أنه تحت تأثير الأشعة الكونية، ستحدث تغييرات وراثية عشوائية لدى الأشخاص، وسيصبح المسار الإضافي للتطور غير قابل للتنبؤ به. وبطبيعة الحال، لا يمكن أن يحدث هذا إلا إذا لم يتم العثور على وسائل حماية موثوقة بحلول ذلك الوقت.

يعترف العالم أيضًا بمثل هذا الخيار عندما لا يكون الإشعاع هو العامل الرئيسي الذي يحدد التطور طويل المدى للإنسان، بل انعدام الوزن. بعد ذلك، سيفقد الناس تدريجيًا بعض الخصائص الفسيولوجية "المفروضة" عليهم عن طريق الجاذبية، وسيصبحون مختلفين - ربما، على غرار الشخصيات "غير المادية" في لوحات الفنان الإسباني إل جريكو.

إذا لم تقتصر البشرية على غزو النظام الشمسي وتجاوزت حدودها، فعندئذ، كما يعتقد الأكاديمي، بعد مئات الأجيال، ستجد المساحات التي لا نهاية لها من المجرة نفسها مأهولة بمستعمرات منفصلة من الكائنات الذكية، تختلف بشكل ملحوظ عن كليهما لنا ومن بعضنا البعض.

ولكن هل سيتكيف الإنسان مع مثل هذه الظروف المعيشية غير العادية؟ هذا ما قاله ك. تسيولكوفسكي: “...في الوقت الحاضر، تسعى الطبقات المتقدمة من البشرية إلى وضع حياتها أكثر فأكثر ضمن أطر مصطنعة، أليس هذا ما يتكون منه التقدم في محاربة الطقس السيئ، المرتفع والمنخفض؟ درجات الحرارة، والجاذبية، مع الحيوانات، مع الحشرات والبكتيريا الضارة، ألا تخلق حتى الآن بيئة صناعية بحتة حول الإنسان؟ في الفضاء الأثيري، لن تصل هذه الاصطناعية إلا إلى الحد الأقصى، ولكن بعد ذلك سيكون الشخص في الظروف الأكثر فظاعة صالح لنفسه."

ومع ذلك، دعونا لا ننظر إلى هذا الحد. دعنا نعود إلى التوقعات للمستقبل غير البعيد. وبطبيعة الحال، يدرك مؤلفوها جيدًا أن المخططات الزمنية التي يقترحونها تقريبية للغاية. ولذلك، فإنهم لا يحاولون تحديد مواعيد نهائية محددة لتنفيذ مشاريع معينة، مع إيلاء الاهتمام الرئيسي لوصفها الفني. سوف نلتزم بنفس المبدأ في قصتنا حول احتمالات الأنشطة خارج كوكب الأرض لحضارتنا.

هذا الكتاب موجه للشباب "أولئك الذين سيقرأون من أجل البناء" - هكذا خاطب يو كوندراتيوك قراءه. ستمر السنوات، وأولئك الذين يقلبون هذه الصفحات الآن سيبدأون في تحقيق أحلام اليوم. هذا صحيح: "اقرأ لتبني"!