Теория на космическите полети. Бъдещо изследване на космоса

Въведение.

Човечеството винаги е мечтало да пътува в космоса. Писатели - писатели на научна фантастика, учени, мечтатели - предложиха различни средства за постигане на тази цел. Но в продължение на много векове нито един учен или писател на научна фантастика не е успял да измисли единственото средство на разположение на човек, с което човек може да преодолее силата на гравитацията и да полети в космоса. Например, героят на разказа на френския писател Сирано дьо Бержерак, написан през 17 век, достига до Луната, като хвърля силен магнит върху желязната количка, в която се намира. Каретата се издигаше все по-високо и по-високо над Земята, привлечена от магнита, докато стигна до Луната; барон Мюнхаузен каза, че се е изкачил на Луната по стрък боб.

За първи път мечтата и стремежите на много хора бяха доближени до реалността от руския учен Константин Едуардович Циолковски (1857-1935), който показа, че единственото устройство, способно да преодолее гравитацията, е ракета, той за първи път представи научни доказателства за възможността за използване на ракета за полети в открития космос, извън земната атмосфера и до други планети от Слънчевата система. Цойлковски нарича ракета устройство с реактивен двигател, който използва горивото и окислителя в него.

Реактивен двигател е двигател, способен да преобразува химическата енергия на горивото в кинетична енергия на газова струя и по този начин да придобие скорост в обратна посока.

На какви принципи и физични закони се основава работата на реактивния двигател?

Както знаете от курса по физика, изстрелът от пистолет е придружен от откат. Според законите на Нютон, куршум и пистолет биха летели в различни посоки с еднаква скорост, ако имат еднаква маса. Изхвърлената маса от газове създава реактивна сила, благодарение на която може да се осигури движение, както във въздушно, така и в безвъздушно пространство и по този начин възниква откат. Колкото по-голяма е силата на отката, която усеща рамото ни, толкова по-голяма е масата и скоростта на изтичащите газове и, следователно, колкото по-силна е реакцията на пистолета, толкова по-голяма е реактивната сила. Тези явления се обясняват със закона за запазване на импулса:

• векторната (геометрична) сума на импулсите на телата, съставляващи затворена система, остава постоянна за всякакви движения и взаимодействия на телата на системата.

Максималната скорост, която една ракета може да развие, се изчислява по формулата на Циолковски:

, Където

v max – максимална скорост на ракетата,

v 0 – начална скорост,

v r – скорост на газовия поток от дюзата,

m – начална маса на горивото,

M е масата на празната ракета.

Представената формула на Циолковски е основата, на която се основава цялото изчисление на съвременните ракети. Числото на Циолковски е отношението на масата на горивото към масата на ракетата в края на работата на двигателя - към теглото на празната ракета.

Така установихме, че максималната постижима скорост на ракетата зависи преди всичко от скоростта на газовия поток от дюзата. А дебитът на газовете на дюзата от своя страна зависи от вида на горивото и температурата на газовата струя. Това означава, че колкото по-висока е температурата, толкова по-голяма е скоростта. След това за истинска ракета трябва да изберете най-висококалоричното гориво, което произвежда най-голямо количество топлина. Формулата показва, че наред с други неща, скоростта на ракетата зависи от първоначалната и крайната маса на ракетата, от това каква част от нейното тегло е гориво и каква част е безполезно (от гледна точка на скоростта на полета) конструкции: тяло, механизми и др. d.

Основният извод от тази формула на Циолковски за определяне на скоростта на космическа ракета е, че в безвъздушното пространство ракетата ще развива толкова по-голяма скорост, колкото по-голяма е скоростта на изтичане на газ и колкото по-голямо е числото на Циолковски.

Устройството на балистична ракета.

Нека си представим в общи линии една съвременна ракета със свръхдалечен обсег.

Такава ракета трябва да бъде многостепенна. В главата му е разположен бойният заряд, а зад него са разположени устройства за управление, резервоари и двигател. Стартовото тегло на ракетата надвишава теглото на полезния товар 100-200 пъти, в зависимост от горивото! Така една истинска ракета трябва да тежи няколкостотин тона, а дължината й трябва да достига поне височината на десететажна сграда. Към конструкцията на ракетата се налагат редица изисквания. Така че е необходимо например силата на тягата да преминава през центъра на тежестта на ракетата. Ракетата може да се отклони от планирания курс или дори да започне да се върти, ако определените условия не са изпълнени.

Фиг.1 Вътрешна структура на ракетата.

Можете да възстановите правилния курс с помощта на кормилата. В разреден въздух работят газови кормила, които отклоняват посоката на газовата струя, предложена от Циолковски. Аеродинамичните кормила работят, когато ракета лети в плътен въздух.

Съвременните балистични ракети работят предимно с двигатели, използващи течно гориво. Като гориво обикновено се използват керосин, алкохол, хидразин и анилин, а като окислители се използват азотна и перхлорна киселина, течен кислород и водороден пероксид. Най-активните окислители са флуорът и течният озон, но те се използват рядко поради изключителната си експлозивност.

Двигателят е най-важният елемент на ракетата. Най-важният елемент на двигателя е горивната камера и дюзата. В горивните камери, поради факта, че температурата на изгаряне на горивото достига 2500-3500 ОТНОСНО C, трябва да се използват особено топлоустойчиви материали и сложни методи за охлаждане. Конвенционалните материали не могат да издържат на такива температури.

Останалите единици също са много сложни. Например, помпите, които трябва да подават окислител и гориво към дюзите на горивната камера, вече в ракетата V-2, една от първите, са в състояние да изпомпват 125 kg гориво в секунда.

В някои случаи вместо конвенционалните цилиндри се използват цилиндри със сгъстен въздух или някакъв друг газ, който може да измести горивото от резервоарите и да го закара в горивната камера.

Газовите кормила трябва да бъдат направени от графит или керамика, така че са много крехки и чупливи, така че съвременните дизайнери започват да се отказват от използването на газови кормила, като ги заменят с няколко допълнителни дюзи или завъртат най-важната дюза. Наистина, в началото на полета, при висока плътност на въздуха, скоростта на ракетата е ниска, така че кормилата се управляват лошо, а когато ракетата придобива висока скорост, плътността на въздуха е ниска.

На американска ракета, построена по проекта Avangard, двигателят е окачен на панти и може да се отклони с 5-7 ОТНОСНО.Мощността на всяка следваща степен и нейното време на работа са по-малки, тъй като всяка степен на ракетата работи при напълно различни условия, които определят нейната конструкция и следователно конструкцията на самата ракета може да бъде по-проста.

Балистична ракета се изстрелва от специално изстрелващо устройство. Обикновено това е ажурна метална мачта или дори кула, около която ракетата се сглобява част по част от кранове. Секциите на такава кула са разположени срещу инспекционните люкове, необходими за проверка и отстраняване на грешки в оборудването. Кулата се отдалечава, докато ракетата се зарежда с гориво.

Ракетата тръгва вертикално и след това бавно започва да се накланя и скоро описва почти строго елиптична траектория. По-голямата част от траекторията на полета на такива ракети е на височина над 1000 км над Земята, където практически няма съпротивление на въздуха. Приближавайки се до целта, атмосферата започва рязко да забавя движението на ракетата, докато обвивката й се нагрява силно и ако не се вземат мерки, ракетата може да се срути и зарядът й да експлодира преждевременно.

Представеното описание на междуконтинентална балистична ракета е остаряло и съответства на нивото на развитие на науката и технологиите от 60-те години, но поради ограничения достъп до съвременни научни материали не е възможно да се даде точно описание на работата на съвременната ракета. междуконтинентална балистична ракета със свръхголям обсег. Въпреки това, работата подчертава общите свойства, присъщи на всички ракети. Работата може да представлява интерес и за запознаване с историята на разработването и използването на описаните ракети.

Дерябин В. М. Закони за запазване във физиката. – М.: Образование, 1982.

Гелфер Я. М. Закони за опазване. – М.: Наука, 1967.

Тяло К. Свят без форми. – М.: Мир, 1976.

Детска енциклопедия. – М.: Издателство на Академията на науките на СССР, 1959 г.

Константин Едуардович Циолковски е роден на 5 (17) септември 1857 г. в село Ижевское, Рязанска губерния, в семейството на лесовъд. Поради заболяване той не може да учи в училище и е принуден да учи сам. След като усвои по-голямата част от курса сам в единствената безплатна библиотека в Москва, той издържа изпита за званието учител на държавните училища и получи длъжността учител в районното училище Боровски. По-късно е преместен да преподава в Калуга - където прекарва целия си бъдещ живот. В свободното си време Циолковски изучава наука. За работата си "Механика на животинския организъм" е избран за пълноправен член на Руското физикохимично общество. След революцията произведенията му стават търсени, признати са за новаторски и вълнуват умовете на съвременниците му. През 1926–1929 г. Циолковски се занимава с практически въпроси на космическите полети. По това време се раждат най-смелите и дори фантастични идеи, които са предназначени да се сбъднат в бъдеще. Циолковски изчисли оптималната надморска височина за полет около Земята, защити идеята за многообразието на формите на живот във Вселената, изобрети първия колесен колесник, разработи принципите на задвижване на кораби на въздушна възглавница, пише за бъдещото откритие на лазера , и предсказал проникването на математиката във всички области на науката. Циолковски умира на 19 септември 1935 г.

За многобройните си и научно съмнителни философски произведения Циолковски може да се нарече велик мечтател и ексцентрик от дълбокия космос, ако не беше едно „но“: Константин Едуардович е първият идеолог и теоретик на човешкото изследване на космоса. Циолковски винаги е мечтал за космоса и се е стремял да обоснове мечтите си теоретично и дори практически. Първите мисли за използване на ракети за полет в космоса бяха изразени от учени през 1883 г., но съгласувана математическа теория за реактивното задвижване беше предназначена да се появи само тринадесет години по-късно.

През 1903 г. в петия брой на списание Scientific Review той публикува част от статията „Изследване на световните пространства с помощта на реактивни инструменти“, но, както много от откритията и произведенията на Циолковски, тя беше твърде далеч от реалностите на съвременния живот. Въпреки това, именно в тази статия ученият представи математически изчисления и обосновка за реалната възможност за използване на ракети за междупланетни пътувания. Циолковски не се ограничава с посочване на средството за проникване на човека в космоса - ракетата, той дава подробно описание и на двигателя. Много от теориите на Константин Едуардович могат да се нарекат пророчески, например за избора на течно двукомпонентно гориво и възможността за използване на други видове гориво, по-специално енергията на атомния разпад. Циолковски излага идеята за създаване на електрически реактивни двигатели, която е революционна по това време, като пише по характерния си начин, че „може би с помощта на електричеството ще бъде възможно след време да се придаде огромна скорост на частиците изхвърлен от реактивното устройство.“

Неговите идеи за регенеративно охлаждане на горивната камера и дюзата на двигателя с горивни компоненти, керамична изолация на конструктивни елементи, отделно съхранение и изпомпване на гориво в горивната камера, оптимални траектории на спускане на космически кораб при връщане от космоса се използват успешно днес.

Ученият активно съчетаваше теория и практика, опитвайки се да намери възможни начини за действително прилагане на всичко, което имаше предвид. Циолковски научно обосновава проблемите, свързани с полета на ракети в космоса. Например, той подробно разгледа всичко, свързано с ракетата: законите на движение, нейния дизайн, проблеми с управлението, тестване, осигуряване на надеждна работа на всички системи, създаване на приемливи условия за полет и дори избор на психологически съвместим екипаж.

Любопитно е, че без практически никакви инструменти Циолковски изчислява оптималната височина за полет около Земята - диапазон от триста до осемстотин километра над планетата. Именно на тези височини се извършват съвременните космически полети. Циолковски извежда формула, която по-късно ще бъде кръстена на него, която позволява да се определи скоростта на самолета под въздействието на тягата на ракетен двигател. В същото време ученият успя да получи отговор на важен практически въпрос: колко гориво трябва да се вземе в ракетата, за да се получи необходимата скорост на излитане от Земята и безопасно да напусне планетата? Резултатът от изчислението беше следният: за да може ракета с екипаж да развие скорост на излитане и да започне междупланетен полет, е необходимо да се вземе сто пъти повече гориво от теглото на корпуса на ракетата, двигателя , механизми, прибори и пътници комбинирани. Но как можете да поставите толкова много гориво в кораб? Ученият намери оригинално решение - ракетен влак, състоящ се от няколко ракети, свързани една с друга. Предната ракета съдържа определено количество гориво, пътници и оборудване. След това ракетите работят последователно, ускорявайки целия междупланетен влак. Веднага след като горивото в една ракета изгори напълно, тя се изхвърля: в резултат на това празните резервоари се отстраняват и корабът става по-лек. След това започва да работи втората ракета, след това третата и т.н. Въз основа на формулата на Циолковски беше направен важен извод, че възможностите на ракетата се определят преди всичко от характеристиките на двигателя и съвършенството на ракетния дизайн.

Циолковски остави богато научно наследство. Не всички негови идеи са от голяма стойност за науката, но все пак ученият е първият, който се занимава с много въпроси. Неговите възгледи дори сега изглеждат малко фантастични. Удивително е колко точно е предсказал ученият бъдещето. Така той пое инициативата в изучаването на въпроса за изкуствения спътник на Земята и неговата роля за националната икономика. Той изрази идеята за създаване на близки до Земята станции от бъдещите поколения като изкуствени селища, които да използват енергията на Слънцето и да служат като междинни бази за междупланетни комуникации. Тази идея за междупланетни станции беше основното средство за постигане на заветната мечта - човешко изследване на околослънчевото пространство и създаване на „ефирни селища“ в бъдеще.

Методика на урок 4
"Основи на астронавтиката"

Целта на урока: да се развият знания за теоретичните и практическите основи на космонавтиката.

Цели на обучението:

Общо образование: формиране на понятия:

За теоретичните и практически предпоставки, задачи и методи на изследване на космоса;
- за връзката между космонавтиката и астрономията, физиката и други природо-математически науки и техника;
- за космонавтиката - космически кораби;
- за основните видове реактивни ракетни двигатели (ракетни двигатели с твърдо гориво, двигатели с течно гориво, електрически задвижващи двигатели, ядрени задвижващи двигатели);
- за траекториите, скоростите и характеристиките на движението на космически кораби, характеристиките на междупланетната и междузвездната навигация.

Образователни: формирането на научния мироглед на учениците по време на запознаването им с историята на човешкото познание. Патриотично възпитание при запознаване с изключителната роля на руската наука и техника в развитието на космонавтиката. Политехническото обучение и трудовото обучение при представяне на информация за практическото приложение на космонавтиката.

Развитие: развиване на умения за решаване на проблеми с помощта на законите за движение на космическите тела, формулите на Циолковски и космическите скорости за описание на движението на космически кораби.

Студентите трябва зная:

За космонавтиката (предмет, задача и методи на космонавтическото изследване, връзката му с други науки);
- за космонавтиката: основните видове космически кораби, техния дизайн и характеристики;
- за основните видове ракетни двигатели, тяхната структура и характеристики
- Формула на Циолковски, формули и стойности на I, II, III космически скорости (за Земята);
- за траекториите на полета на космическите кораби и връзката между формата на техните орбити и скоростта на движение.

Студентите трябва да бъде в състояние да: решаване на задачи за прилагане на формулата на Циолковски и законите за движение на космическите тела за изчисляване на характеристиките на движението на космически кораби.

Нагледни средства и демонстрации:

Филмови ленти: "Елементи на механиката на космическия полет."
Филми: "Изкуствени спътници на Земята"; "Космически полети".
Маси: "Космически полети"; "Космически изследвания".
Уреди и инструменти: устройство за демонстриране на движението на сателити.

Домашна работа:

1) Проучете материала на учебника:
- Б.А. Воронцов-Вельяминова: §§ 14 (4), 16 (4).
- Е.П. Левитан: §§ 7-11 (повторение).
- А.В. Засова, Е.В. Кононович: § единадесет; упражнения 11 (3, 4)

2) Изпълнете задачи от колекцията от задачи на Воронцов-Вельяминов Б.А. : 174; 179; 180; 186.

3) Подгответе доклади и съобщения за урока „История на космонавтиката“.

План на урока

Стъпки на урока		Методи на представяне	Време, мин
	Актуализиране на темата на урока	История
	Формиране на представи за теоретични и практически предпоставки, задачи и методи на астронавтическите изследвания	Лекция	7-10
	Формиране на представи за космонавтиката и основните видове ракетни двигатели	Лекция	10-12
	Формиране на понятия за траектории, скорости и характеристики на движение на космически кораби, характеристики на междупланетна и междузвездна навигация	Лекция	10-12
	Разрешаване на проблем
	Обобщаване на преминатия материал, обобщение на урока, домашна работа

Методика за представяне на материала

Този урок е най-добре да се преподава под формата на лекция, по време на която систематизирането, обобщаването и развитието на „преднаучните“ астронавтически знания и информация на учениците за астронавтиката и реактивното задвижване, изучавани от тях в курсовете по естествена история, естествена история и физика се осъществява през целия период на обучение. Авторите на ръководството предлагат да се ограничим до анализа на въпроси за орбитите и скоростта на изкуствените спътници, полетите на космически кораби до Луната и най-простите траектории на междупланетни полети. Считаме за необходимо да допълним и разширим този материал, да го теоретизираме, така че в резултат на обучението студентът да придобие цялостно разбиране за теоретичните и практическите основи на астронавтиката. Представянето на материала трябва да се базира на предварително изучен материал по физика (основи на класическата механика: закони на Нютон, закон за гравитацията, закон за запазване на импулса, реактивно задвижване) и астрономия (астрометрия и небесна механика: закони на Кеплер, информация за космическото скорости, орбити на космически тела и смущения). Патриотичният аспект на образованието се реализира чрез фокусиране на вниманието на учениците върху постиженията на вътрешната наука и технологии, приноса на руските учени за появата, формирането и развитието на ракетната наука и космонавтиката. Историческите подробности трябва да се избягват и да се запазят за по-късен урок.

Космонавтика - полети в открития космос; набор от клонове на науката и технологиите, които осигуряват изследването и развитието на космическото пространство и космическите обекти и техните системи с помощта на различни космически кораби (SCAV): ракети, изкуствени спътници на Земята (AES), автоматични междупланетни станции (AMS), космически кораби (SC) , пилотирани или управлявани от Земята.

Теоретичната основа на космонавтиката се формира от:

1. Астрономия (астрометрия, небесна механика и астрофизика).

2. Теория на космическите полети - космодинамика - приложната част на небесната механика, изучаваща траекториите на полета, орбиталните параметри на космически кораби и др.

3. Ракетна техника, предоставяща решения на научни и технически проблеми за създаване на космически ракети, двигатели, системи за управление, комуникации и предаване на информация, научно оборудване и др.

4. Космическа биология и медицина.

Основното и досега единствено средство за придвижване в открития космос е ракетата. Законите за движение на ракетите се извеждат въз основа на законите на класическата механика: кинематика и динамика (закон на Нютон II, закон за запазване на импулса и др.).

Формулата на К. Е. Циолковски описва движението на ракета в космоса, без да отчита действието на външните условия и характеризира енергийните ресурси на ракетата:

, - Числото на Циолковски,Където м 0 - първоначално, м k е крайната маса на ракетата, w е скоростта на изхвърлената маса спрямо ракетата (скорост на реактивния поток), ж- ускорение на гравитацията.

Ориз. 73

Ракета носител (РН) е многостепенна балистична ракета за изстрелване на полезен товар в космоса (AES, AMS, космически кораб и др.). Ракетите носители обикновено са ракети с 2-4 степени, които придават скорост на бягство на полезния товар I - II (фиг. 73).

Ракетният двигател (RM) е реактивен двигател, предназначен за ракети и не използва околната среда за работа. В RD не само енергията, подадена към двигателя, се преобразува (химическа, слънчева, ядрена и др.) В кинетична енергия на движение на работния флуид на двигателя, но и движещата сила на сцеплението се създава директно в форма на реакция на струята на работния флуид, изтичаща от двигателя. По този начин RD е като комбинация от самия двигател и задвижващото устройство.

Специфичната тяга на пътеката за рулиране се определя по формулата: .

Понастоящем широко се използват само химически XRDs.

Ракетният двигател с твърдо гориво (ракетен двигател с твърдо гориво) се използва от около 2000 години - широко в ракетната артилерия и ограничено в космонавтиката. Диапазонът на тягата на ракетните двигатели с твърдо гориво варира от грамове до стотици тона (за мощни ракетни двигатели). Горивото под формата на заряди (първоначално - черен барут, от края на 19 век - бездимен прах, от средата на 20 век - специални състави) се поставя изцяло в горивната камера. След стартиране горенето обикновено продължава до пълното изгаряне на горивото, промяната на тягата не се регулира. Той е най-простият в дизайна и експлоатацията, но има редица недостатъци: ниска специфична тяга, единично изстрелване и др. Той е инсталиран на някои ракети-носители в САЩ (Scout, Thor, Titan), Франция и Япония. Използва се и като спирачна, спасителна, коригираща и др. системи (фиг. 74).

Течният ракетен двигател (LPRE) е ракетен двигател, който работи с течно ракетно гориво. Предложен от К. Е. Циолковски през 1903 г. Основният двигател на съвременните космически технологии. Тяга от части от грам до стотици тонове. Според предназначението си течните двигатели се делят на основни (задвижващи), спирачни, коригиращи и др. Като гориво се използват: окислители - течен кислород, азотен тетроксид, водороден прекис; горими вещества - керосин, хидразин, течен амоняк, течен водород. Най-обещаващата комбинация от течен водород и кислород (LV Energia) (фиг. 75).

За увеличаване на специфичната тяга използването на ядрена енергия е обещаващо. Експериментални образци на ядрени ракетни двигатели ( ДВОР) са разработени от средата на 60-те години в СССР и САЩ. В момента Русия е единствената държава, която разполага с ядрена ракетна установка (фиг. 76).

Развитието продължава електрически пътеки за рулиране(EP) - електротермичен, електромагнитен, йонен. Първите експериментални образци на електрическо задвижване са създадени в СССР през 1929-30 г.; В момента електрическите задвижващи двигатели се използват като двигатели за управление на ориентацията на космически кораби в Русия и САЩ. Задвижващият йонен двигател е инсталиран на AMS, стартиран в края на 90-те години. в САЩ (фиг. 77).

От гледна точка на механиката на космическите полети пътеките за рулиране се разделят на:

1. Задвижващи системи с ограничена скорост на изпускане w » 3 - 30 km/s, определена от най-високата температура на струйната струя (химическа, ядрена и др.). Те работят за кратко време (минути, секунди) в атмосферата и вакуум в малки активни участъци от траекторията на полета (стотици км).

2. Ограничени енергийни системи с отделен източник на енергия, от който зависи тяхната ефективност (електрически и др.).

3. Системи с ограничена тяга (плаващи и радиоизотопни).

По време на активните фази на полета движението на космическия кораб зависи от работата на неговите двигатели; в пасивните участъци от траектории движението на космическия кораб се влияе от силите на привличане от космически тела, светлинно налягане и слънчев вятър, а в горните слоеве на атмосферата - от аеродинамични сили на триене.

Основните характеристики на пасивното движение на космически кораб могат да бъдат определени чрез решаване на проблема с 2 тела.

В централното гравитационно поле на масивни космически тела космическите кораби се движат по Кеплерови орбити и:

1. Траекторията на космическия кораб е праволинейна в случай, че началната му скорост u 0 = 0 и космическият кораб пада равномерно ускорено към центъра на тежестта.

2. Космическите кораби се движат по елиптични траектории, когато началната скорост е насочена под ъгъл към центъра на тежестта, при . По елиптични орбити около Земята се движат нейните спътници, модерни космически кораби и орбитални станции, както и космически кораби, обикалящи около планетите, които изучават.

3. По параболични траектории при u 0 = u II, когато крайната скорост на космическия кораб в безкрайно отдалечена точка в пространството е нула.

4. По хиперболични траектории (u 0 > u II), почти неразличими от праволинейните на голямо разстояние от центъра на тежестта.

Траекториите на междупланетните полети се различават по форма, продължителност на полета, енергийни разходи и други фактори в зависимост от целта и характеристиките на космическия полет. Интересно е да се отбележи, че космическите кораби почти никога не се движат по права линия: траекториите на тяхното движение (с изключение на някои идеализирани случаи) са сегменти от криви от втори ред (окръжности, елипси, параболи и хиперболи), свързващи орбитите на космически тела или самите тела.

Има 3 пасивни участъка на траекториите на междупланетния полет: 1) вътре в „сферата на действие“ на Земята, в която движението на космическия кораб се определя само от силата на гравитацията; 2) от границата на сферата на влияние на Земята до границата на сферата на влияние на космическото тяло - целта на полета, най-дългата и най-продължителната, върху която движението на космическия кораб се определя от привличането на Слънцето; 3) в рамките на сферата на действие на космическото тяло - целта на полета.

Вече беше отбелязано по-горе, че за да излезе от сферата на влияние на Земята, космическият кораб трябва да има скорост u> u II; . Допълнителната скорост, която космически кораб, разположен в орбитата на изкуствен спътник, трябва да придобие, за да напусне сферата на влияние на Земята, се нарича изходна скорост u V. , Където r- разстояние от космическото тяло, Р dÅ - радиус на сферата на влияние на Земята ( Р dÅ = 925000 км).

При изстрелване на космически кораб от повърхността на Земята е необходимо да се вземе предвид:

1) скоростта и посоката на въртене на Земята около оста си;
2) скоростта и посоката на въртене на Земята около Слънцето (u Å = 29,785 km/s).

Изстрелването на сателити, въртящи се в посока, обратна на посоката на въртене на Земята около оста си, е много сложно, изисква големи енергийни разходи; По-трудно е да се изстреля космически кораб по траектория, която не лежи в равнината на еклиптиката.

Ако изходната скорост съвпада по посока със скоростта на движение на Земята v Å, орбитата на космическия кораб, с изключение на перихелия, се намира извън орбитата на Земята (фиг. 79c).
С обратна посока на скорост u VОрбитата на космическия кораб, с изключение на афелия, лежи вътре в орбитата на Земята (фиг. 79а).
При една и съща посока и равенство на скоростите u V= u Å орбитата на космическия кораб става права, по която космическият кораб ще пада върху Слънцето за около 64 дни (фиг. 79d).
Когато u V= 0, орбитата на космическия кораб съвпада с орбитата на Земята (фиг. 79b).

Колкото по-висока е скоростта u VКолкото е космическият кораб, толкова по-голям е ексцентрицитетът на неговата елиптична орбита. Стойността се определя чрез сравнително прости изчисления v in, необходими за перихелия или афелия на орбитите на космическия кораб да лежат в орбитата на външните или вътрешните планети, .

Траекториите на полета на космически кораби, които едновременно докосват орбитите на Земята и космическите тела - целите на междупланетния полет - се наричат Траектории на Хоман(в чест на немския учен В. Хоман, който ги е изчислил).

За външни планети: . За вътрешните планети: , Където r- средното разстояние на планетарно тяло от Слънцето.

Продължителността на полета по траекторията на Homan се изчислява по формулата: средно слънчев ден.

При изчисляване на траекторията на междупланетен полет с помощта на траектории на Хоман е необходимо да се вземе предвид относителната позиция (първоначална конфигурация) на Земята, Слънцето и целевата планета, характеристиките и особеностите на движението на планетите в техните орбити . Например, полетът до Марс по най-късата траектория на Hohmann ще отнеме само 69,9 d, до Юпитер - 1,11 години, до Плутон - 19,33 години. Действителното оптимално взаимно положение на Земята, Слънцето и тези планети обаче се среща изключително рядко и за да се намали времето на полета, е необходимо да се увеличи u V, което изисква допълнителен разход на енергия. Следователно, наред с други причини, пилотираните полети до планетите от Слънчевата система са много по-скъпи и по-трудни от изследването на тези планети с помощта на космически кораби, които могат да летят до целите си години наред по най-икономичните траектории. Като се вземе предвид влиянието на смущенията от планетите и Слънцето, AMS и космическите кораби трябва да имат двигатели за регулиране на траекторията на движение.

При достигане на сферата на действие на планетата-мишена, за да влезе в елиптична или кръгова орбита около нея, космическият кораб трябва да намали скоростта си до стойност, по-малка от II космическа за дадената планета.

В междупланетната навигация широко се използва маневрата на космически кораби в гравитационното поле на планетите от Слънчевата система.

Когато се движи в централното гравитационно поле на масивно космическо тяло, космическият кораб е подложен на сила на привличане от това тяло, променяйки скоростта и посоката на движение на космическия кораб. Посоката и големината на ускорението на космическия кораб зависят от това колко близо космическият кораб лети от космическото тяло и от ъгъла j между посоките на влизане и излизане на космическия кораб в сферата на действие на това тяло.

Скоростта на космическия кораб се променя от:

Космическият кораб придобива най-голямо ускорение, когато се движи по траектория, преминаваща на минимално разстояние от космическото тяло, ако скоростта на влизане на космическия кораб в сферата на действие е равна на I космическа скорост u I на повърхността на това тяло, докато .

При полет около Луната апаратът може да увеличи скоростта си с 1,68 км/сек, при полет около Венера - със 7,328 км/сек, а при полет около Юпитер - с 42,73 км/сек. Скоростта, с която космическият кораб напуска сферата на влияние на планетата, може да бъде значително увеличена чрез включване на двигателите в момента на преминаване на периапсида.

На фиг. 80-81 показват някои изчислени траектории на междупланетни полети.

космонавтика- дял от астронавтиката, който изучава проблемите на междузвездните полети. В момента той изучава предимно теоретични проблеми на механиката на полета, тъй като съвременната наука не разполага с информация за решаване на технически проблеми за достигане на звездите.

За междузвезден полет космическият кораб трябва да излезе извън сферата на влияние на Слънцето, равна на 9 × 10 12 км. Междузвездните разстояния са огромни: най-близката звезда е 270 000 AU; Има само около 50 звезди вътре в сфера с радиус 10 pc, описана около Слънцето.

В момента космическите кораби Pioneer 10 и 11 и Voyager 1 и 2 са тръгнали на полет извън Слънчевата система, който ще се отдалечи на разстояние от 1 светлинна година за хиляди години.

Съществуващите и дори обещаващи типове ракетни двигатели не са подходящи или са малко полезни за междузвездни полети, тъй като не могат да ускорят космическия кораб до скорости, надвишаващи 0,1 скоростта на светлината с .

До най-близките звезди теоретично са възможни само еднопосочни полети на автоматични междузвездни сонди (AIS) или пилотирани полети с цел колонизиране на подходящи планети с екипаж в състояние на „обратима смърт“ (хибернация) или със смяна на поколенията вътре в кораба, което изисква решаване на много проблеми само технически, но също и етични, психологически, биологични проблеми (екипажът никога няма да се върне на Земята; те ще трябва да прекарат по-голямата част от живота си или дори целия си живот по време на смяната на поколенията вътре кораб; необходимо е да се създаде напълно затворена екосистема на космическия кораб и др.); още преди изстрелването земните астрономически наблюдения трябва да гарантират наличието на планети от земен тип с подходящи за живот условия в близост до звездата - целта на полета (иначе полета губи смисъл).

„Синята мечта“ на съвременната астронавтика е теоретично идеален квантов (фотонен) ракетен носител с w = ° С - единственият подходящ за междузвездни полети в Галактиката (фиг. 78).

Движението на физическите тела със скорости, близки до скоростта на светлината, се разглежда в общата теория на относителността (ОТО), която изучава пространствено-времевите модели на всякакви физически процеси.

В рамките на общата теория на относителността формулата на Циолковски е обобщена и приема формата: ,

Където z- номер на Циолковски, м 0 - първоначално, м 1 е крайната маса на космическия кораб, u 1 е крайната скорост на космическия кораб в земната референтна система, w е скоростта на струйния поток спрямо кораба.

Дори фотонен звездолет не може да достигне скоростта на светлината при w = ° С , защото: .

Според съвременната наука полетът със скорости, по-високи от скоростта на светлината, е невъзможен за никакви материални обекти. Въпреки това (теоретично) звезден кораб може да пътува със скорости, близки до скоростта на светлината.

Възможни варианти за междузвезден полет:

1. Полет в 3 етапа: ускорение на космическия кораб до максимална скорост; полет по инерция с изключени двигатели; спиране до нулева скорост.
2. Полет на 2 етапа с постоянно ускорение: през първата половина на полета космическият кораб увеличава скоростта с ускорение g~ gÅ= 10 m/s 2 и след това започва да спира със същото ускорение.

Съгласно основните принципи на общата теория на относителността, за наблюдател на борда на космически кораб, когато се доближи до скоростта на светлината, всички физически процеси ще се забавят с фактор, а разстоянията по посоката на движение на космическия кораб ще бъдат намалени с същото количество: пространството и времето са, така да се каже, „компресирани“. В отправната система на кораба той ще бъде неподвижен, но спрямо Земята и целта на полета ще се движи със скорост u £ ° С.

Времето за собствен (кораб) полет и независимото време, изминало от момента на изстрелване на Земята, се изчисляват по различни формули: , Където И - функции на хиперболичен косинус и хиперболичен синус, r- разстояние до полетната цел.

С непрекъснато ускорение ж= 10 m/s 2 полетът до звездата на Кентавър ще отнеме 3,6 години според часовника на кораба, 4,5 години според часовника на Земята; полетът до центъра на Галактиката ще отнеме според часовника на кораба T k= 19,72 години, според Земята T Å= 27000 години; полетът до галактиката M31 („мъглявината Андромеда“), най-близката от спиралните галактики, ще отнеме съответно T k= 28 години и T Å= 3,5 милиона години!

Това е цената, която трябва да се плати за междузвездни полети според „парадокса на близнаците“: астронавтите, които са обиколили половината галактика и са остарели десетки години, ще се върнат на Земята хиляди и милиони години след изстрелването. В допълнение към чисто етичните проблеми на извънземните, които се връщат от по същество „еднопосочен полет“ от далечното минало към света на бъдещето, възниква важен проблем за стойността на информацията, предоставена от астронавтите: по време на полета науката на земята не стои неподвижно!

Енергийните проблеми на междузвездните полети са много важни: ако се постигне втората космическа скорост на междупланетен пилотиран полет Земя - Марс, ще се изразходва енергия от около 8,4 × 10 9 kW × h (генерирана от електроцентрала с мощност 100 MW за 8,5 часа), след което да ускори космическия кораб до 0,2 с необходимата енергия е 10 15 kW× h - цялата енергия, генерирана от електроцентралите на Земята за 10 години. Увеличаването на скоростта до 0,4 s води до увеличаване на консумацията на енергия с 16 пъти при 100% ефективност на двигателя! Запасите от гориво за термоядрения ракетен двигател ще възлизат на над 99% от масата на космическия кораб. Синтезът на антиматерия за един полет на фотонен звезден кораб изисква такова количество енергия, че съвременната наука не може да посочи нейния източник в Слънчевата система.

Така, според законите на физиката, при сегашното ниво на развитие на земната цивилизация междузвездните полети на пилотирани кораби са практически невъзможни. Изследванията на близки звезди чрез междузвездни безпилотни AMS са напълно възможни (в момента в САЩ и Русия се разработват проекти за изстрелване на AMS към Проксима Кентавър, звездата на Барнард и някои други обекти в средата на 21 век). AMZ с няколко десетки тона полезен товар ще ускорят до скорост от 0,1-0,2 с слънчеви, радиоизотопни или термоядрени ракетни двигатели, времето за полет ще бъде десетки или дори стотици години.

Изученият материал се консолидира в хода на решаването на задачи:

Упражнение 10:

1. Защо е по-лесно да се изстреля космически кораб към Плутон, отколкото към Слънцето?

2. Възможна ли е любима ситуация в научната фантастика от 60-те години, когато космически кораб с повреден двигател е привлечен и пада в Слънцето?

3. Къде и защо е по-изгодно да се разполагат космодруми: на полюсите или на екватора на Земята?

4. Определете скоростта, с която космическият кораб напуска Слънчевата система. Колко време ще отнеме летенето до най-близката звезда?

5. Защо възниква безтегловност вътре в космическия кораб в пасивната част от траекторията на полета?

6. Каква е скоростта на АМС, въртяща се по кръгова орбита около Юпитер на разстояние: а) 2000 км; б) 10 000 км от планетата?

7. Начертайте на чертежа конфигурацията на Земята, Слънцето и Марс, считайки орбитите им за кръгови, по време на полета на съветските космически кораби „Марс-2” и „Марс-3”, които достигнаха Марс на 21 ноември, 1971 г. и 2 декември 1971 г. след 192 и 188 дни полет, ако противопоставянето на планетите е настъпило на 10 август 1971 г.

Според V.V. Радзиевски трябва да насочи вниманието на учителите и учениците „към огромното практическо значение на астрономията във връзка с активното изследване на космоса, за ролята на космонавтиката в решаването на екологичните проблеми на замърсяването на околната среда (прехвърляне на предприятия, замърсяващи въздуха, в космоса, освобождаване на опасни промишлени отпадъци в космоса, демографски перспективи)... Необходимо е да се засилят елементите на астронавтиката в самата програма, да се въведат въпроси: законът за запазване на енергията в проблема с 2 тела (елементарно заключение)...

През 60-80-те години в училищата на Съветския съюз се преподава избираем курс от А.Д. Марленски "Основи на космонавтиката" (IX клас, 70 учебни часа, 2 часа седмично). Информацията за неговата структура, съдържание и планиране на урока може да бъде полезна за съвременния учител по физика и астрономия за използване на съответния материал в уроците по физика и астрономия (особено в часовете по физика и математика) и извънкласни дейности:

1) История на космонавтиката(2 часа) (Първите фантастични проекти за космически полети. К. Е. Циолковски - основателят на научната астронавтика. Основните етапи от развитието на ракетната технология. Изстрелването на първия съветски спътник и началото на космическата ера. Човешки полет в космоса ).

2) Движение и дизайн на ракети(4 часа) (Принципът на действие на ракетата. Концепцията за механиката на тела с променлива маса. Формулата на Циолковски. Основни части и числени характеристики на едностепенна ракета. Многостепенни ракети. Ракетни двигатели и горива) . Започнете с повтаряне на закона за запазване на импулса; въз основа на него анализирайте едноимпулсно изхвърляне на маса от ракета. Помислете за поредица от последователни изхвърляния и покажете, че резултантната скорост на ракета по време на еднопосочни изхвърляния е равна на сумата от скоростите, които тя получава с всяко изхвърляне на маса. Докладвайте формулата на Циолковски (без подробно извеждане, но с подробен анализ на физическия смисъл и решение на съответните проблеми). Разгледайте движението на ракета от гледна точка на законите на динамиката, в зависимост от реактивната сила. Демонстрирайте експериментално появата на реактивна сила, като използвате примери за течащи водни струи и покажете как може да се промени силата на тягата (предоставена е диаграма на инсталацията). Да се ​​запознаят студентите с числените характеристики на едностепенни и многостепенни ракети носители. Предложете (у дома) да разработите ракетни проекти с различни характеристики, разглобете ги в следващия урок. Работата на РД се изучава в общ план. Разглеждат се схеми на тяхното проектиране, захранване с гориво и графики на промените в характеристиките (скорост, температура и налягане на продуктите от горенето по оста на пътеката за рулиране). Обърнете внимание на основните данни на ракетните двигатели и ракетното гориво в сравнение с топлинните двигатели и горивото за наземен транспорт. Полезно е да се демонстрират работещи модели на ракети.

3) Свободно движение на ракета в гравитационно поле(8 часа) (Централно гравитационно поле. Задача на 2 тела. Закон за запазване на механичната енергия при движение в гравитационно поле. Гравитационен параметър. Формула за скоростта на тяло, движещо се по елиптична орбита. Траектории на движение в гравитационно поле (Кеплерови орбити). Закони на Кеплер. Кръгова скорост, скорост на освобождаване, хиперболична свръхскорост. Понятие за смутено движение. Обхват на действие. Безтегловност). Повторете закона за всемирното притегляне по отношение на 2 материални точки и анализирайте формулата му в детайли; посочват възможността за представяне на масивни космически тела под формата на материални точки. Формира се представа за гравитационното поле като поле на централни сили и неговите характеристики: ускорение на гравитацията (позволяващо да се определят силовите ефекти на централното поле върху тела, въведени в различни точки на полето) и потенциали (за определяне на енергийните разходи за различни движения на тела в това поле). Обосновете избора на нулевата стойност на гравитационния потенциал за точки в безкрайността; в този случай гравитационните потенциали на всички космически тела се измерват от нулевото ниво и са лесни за сравнение. Чрез сравняване на гравитационните потенциали на точки на повърхността на планетите може да се прецени количеството работа, необходимо за преместване на тяло от дадена точка до безкрайност (въвеждайки концепцията за космическа скорост II). Решението на проблема с 2 тела се основава на законите за запазване на енергията и ъгловия момент (концепцията за закона за запазване на ъгловия момент трябва да се формира въз основа на демонстрацията на пейката на Жуковски, дефиницията на концепцията за ъглов момент инерция и редица експерименти)

4) Движение на ракета под въздействието на тягата(6 часа) (Извеждане на космически кораб в орбита. Загуби на скорост. Начални и общи характеристични скорости. Управление на космически кораб. Корекции на траекторията. Претоварвания по време на полет. Концепцията за космическа навигация. Инерционна, астро- и радионавигация. Ориентация и стабилизация на космическия кораб ). 5) Изкуствени спътници на Земята(8 часа) (Спътникови орбити. Смущение на орбитите, причинено от несферичността на Земята, атмосферното съпротивление, гравитацията на Луната и Слънцето. Движение на спътника спрямо повърхността на Земята. Инжектиране на спътника в орбита. Мултипулс маневри. Среща в орбита. Изчакващи орбити. Хоманови трансфери. Скачване. Орбитални станции. Спускане от орбита. Основни физически явления при повторно влизане. Балистични и плъзгащи се спускания). 6) Полети до Луната и планети(8 часа) (Полетни траектории до Луната. Изкуствени лунни спътници. Кацане на Луната. Полетни траектории до планетите. Оптимални траектории. Прозорци за изстрелване. Корекции на траекториите. Многоимпулсни траектории. Използване на гравитационното поле на планетите за промяна на траектории на космически кораби Летене около планети Кацане върху планети Използване на атмосферата при кацане Входен коридор Твърдо и меко кацане). 7) Условия за космически полети(2 часа) (Радиационна опасност. Опасност от метеорит. Методи за защита. Поддържане на живота в космическия кораб. Космическа психология. Ритъмът на живот в космическия кораб. Влиянието на безтегловността и претоварването върху тялото). 8) Научно и практическо използване на космонавтиката(6 часа) (Постиженията на СССР в използването на космоса. Научно оборудване на спътници, космически кораби и AWS. Изследване на Земята, околоземното пространство, Луната, планетите, междупланетното пространство с помощта на космонавтиката. Практическо използване на космонавтиката : по геодезия, метеорология, навигация, комуникации, проучване на земните ресурси). 9) Перспективи за космонавтиката(2 часа) (Проекти за по-нататъшни космически полети в Слънчевата система. Проекти за изследване на Луната и планетите. Възможността за междузвездни полети). 10 часа практическа работа (включително астрономически наблюдения).

<< Предыдущая наблюдения - лабораторные работы - практические работы - учебная программа - учебные пособия - лекции - педагогический эксперимент - дидактика - контрольные работы - задача
Вижте също:Всички публикации на същата тема >>

Думата космос е синоним на думата Вселена. Космосът често се разделя донякъде произволно на близкия космос, който в момента може да бъде изследван с помощта на изкуствени спътници на Земята, космически кораби, междупланетни станции и други средства, и далечен космос - всичко останало, несъизмеримо по-голямо. Всъщност близкото пространство се отнася до слънчевата система, а далечното пространство се отнася до огромните пространства от звезди и галактики.

Буквалното значение на думата "космонавтика", което е комбинация от две гръцки думи - "плуване във Вселената". В обичайната употреба тази дума означава набор от различни отрасли на науката и технологиите, които осигуряват изследване и развитие на космическото пространство и небесните тела с помощта на космически кораби - изкуствени спътници, автоматични станции за различни цели, пилотирани космически кораби.

Космонавтиката или, както понякога се нарича, астронавтиката, съчетава полети в открития космос, набор от клонове на науката и технологиите, които служат за изследване и използване на космоса в интерес на нуждите на човечеството с помощта на различни космически средства. За начало на космическата ера на човечеството се смята 4 октомври 1957 г. - датата, на която в Съветския съюз е изстрелян първият изкуствен спътник на Земята.

Теорията за космически полети, дългогодишна мечта на човечеството, се превърна в наука в резултат на основополагащите трудове на великия руски учен Константин Едуардович Циолковски. Той изучава основните принципи на ракетната балистика, предлага схема на течен ракетен двигател и установява законите, които определят реактивната сила на двигателя. Бяха предложени и схеми на космически кораби и бяха дадени принципите на проектиране на ракети, които сега се използват широко в практиката. Дълго време, до момента, в който идеи, формули и чертежи на ентусиасти и учени започнаха да се превръщат в обекти, произведени „в метал“ в конструкторски бюра и фабрични работилници, теоретичната основа на космонавтиката почиваше на три стълба: 1) теорията за движение на космически кораби; 2) ракетна техника; 3) съвкупността от астрономически знания за Вселената. Впоследствие в дълбините на астронавтиката възниква широка гама от нови научни и технически дисциплини, като теорията на системите за управление на космически обекти, космическата навигация, теорията на космическите комуникационни системи и предаването на информация, космическата биология и медицина и др. че ни е трудно да си представим астронавтиката. Без тези дисциплини е полезно да си припомним, че теоретичните основи на астронавтиката са положени от К. Е. Циолковски във време, когато са били проведени само първите експерименти с използването на радиовълни и радиото не е могло да се счита за средство за комуникация в космоса.

В продължение на много години сигнализирането с помощта на лъчи на слънчева светлина, отразени към Земята от огледала на борда на междупланетен космически кораб, беше сериозно разглеждано като средство за комуникация. Сега, когато сме свикнали да не се изненадваме нито от телевизионни предавания на живо от повърхността на Луната, нито от радиоснимки, направени близо до Юпитер или на повърхността на Венера, това е трудно за вярване. Следователно може да се твърди, че теорията на космическите комуникации, въпреки цялото си значение, все още не е основната връзка във веригата от космически дисциплини. Тази основна връзка е теорията за движението на космическите обекти. Именно това може да се счита за теория на космическите полети. Самите специалисти, занимаващи се с тази наука, я наричат ​​по различен начин: приложна небесна механика, небесна балистика, космическа балистика, космодинамика, механика на космическите полети, теория на движението на изкуствените небесни тела. Всички тези имена имат едно и също значение, точно изразено от последния термин. Следователно космодинамиката е част от небесната механика - наука, която изучава движението на всякакви небесни тела, както естествени (звезди, Слънце, планети, техните спътници, комети, метеороиди, космически прах), така и изкуствени (автоматични космически кораби и пилотирани космически кораби) . Но има нещо, което отличава космодинамиката от небесната механика. Космодинамиката, родена в лоното на небесната механика, използва нейните методи, но не се вписва в нейните традиционни рамки.

Съществена разлика между приложната небесна механика и класическата механика е, че втората не се занимава и не може да се занимава с избора на орбитите на небесните тела, докато първата се занимава с избора от огромен брой възможни траектории за достигане на определено небесно тяло на определена траектория, която отчита множество, често противоречиви изисквания. Основното изискване е минималната скорост, до която се ускорява космическият кораб по време на началната активна фаза на полета и съответно минималната маса на ракетата-носител или орбиталната горна степен (при изстрелване от ниска околоземна орбита). Това гарантира максималния полезен товар и следователно най-голямата научна ефективност на полета. Изискванията за лекота на управление, условията за радиокомуникация (например в момента на навлизане на станцията в планетата по време на нейното облитане), условията за научни изследвания (кацане на дневната или нощната страна на планетата) и др. Космодинамиката предоставя на дизайнерите на космически операции методи за оптимален преход от една орбита към друга, начини за коригиране на траекторията. В полезрението му е орбитално маневриране, непознато на класическата небесна механика. Космодинамиката е в основата на общата теория на космическите полети (точно както аеродинамиката е в основата на теорията за полетите в атмосферата на самолети, хеликоптери, дирижабли и други летателни апарати). Космодинамиката споделя тази роля с ракетната динамика – науката за движението на ракетите. Двете науки, тясно преплетени, формират основата на космическите технологии. И двете са раздели на теоретичната механика, която сама по себе си е отделен раздел на физиката. Като точна наука, космодинамиката използва математически методи на изследване и изисква логически последователна система на представяне. Не напразно основите на небесната механика са разработени след великите открития на Коперник, Галилей и Кеплер именно от онези учени, които имат най-голям принос за развитието на математиката и механиката. Това са Нютон, Ойлер, Клеро, Д'Аламбер, Лагранж, Лаплас. И в момента математиката помага за решаването на проблемите на небесната балистика и от своя страна получава тласък в своето развитие благодарение на задачите, които космодинамиката поставя пред нея.

Класическата небесна механика е била чисто теоретична наука. Нейните заключения бяха последователно потвърдени от данни от астрономически наблюдения. Космодинамиката въведе експеримента в небесната механика и небесната механика за първи път се превърна в експериментална наука, подобна в това отношение, да речем, на такъв раздел на механиката като аеродинамиката. Неволно пасивната природа на класическата небесна механика беше заменена от активния, нападателен дух на небесната балистика. Всяко ново постижение в космонавтиката е същевременно доказателство за ефективността и точността на методите на космодинамиката. Космодинамиката е разделена на две части: теория на движението на центъра на масата на космически кораб (теория на космическите траектории) и теория на движението на космически кораб спрямо центъра на масата (теория на „въртеливото движение“).

Ракетни двигатели

Основното и почти единственото транспортно средство в открития космос е ракетата, която за първи път е предложена за тази цел през 1903 г. от К. Е. Циолковски. Законите за задвижването на ракетите представляват един от крайъгълните камъни на теорията за космическите полети.

Космонавтиката разполага с голям арсенал от ракетни двигателни системи, базирани на използването на различни видове енергия. Но във всички случаи ракетният двигател изпълнява една и съща задача: по един или друг начин той изхвърля определена маса от ракетата, чийто резерв (така наречената работна течност) се намира вътре в ракетата. Определена сила действа върху изхвърлената маса от ракетата и според третия закон на механиката на Нютон - закона за равенството на действието и реакцията - същата сила, но в обратна посока, действа от изхвърлената маса върху ракетата. Тази последна сила, която задвижва ракетата, се нарича тяга. Интуитивно е ясно, че силата на тягата трябва да бъде по-голяма, колкото по-голяма маса за единица време се изхвърля от ракетата и колкото по-голяма е скоростта, която може да бъде придадена на изхвърлената маса.

Най-простата схема на ракетен дизайн:

На този етап от развитието на науката и технологиите има ракетни двигатели, базирани на различни принципи на работа.

Термохимични ракетни двигатели.

Принципът на работа на термохимичните (или просто химическите) двигатели не е сложен: в резултат на химическа реакция (обикновено реакция на горене) се отделя голямо количество топлина и продуктите на реакцията, нагрети до висока температура, бързо разширяващи се изхвърлен от ракетата с висока скорост. Химическите двигатели принадлежат към по-широк клас термични (топлообменни) двигатели, при които работният флуид изтича в резултат на разширяването си чрез нагряване. За такива двигатели скоростта на отработените газове зависи главно от температурата на разширяващите се газове и от тяхното средно молекулно тегло: колкото по-висока е температурата и колкото по-ниско е молекулното тегло, толкова по-голяма е скоростта на изгорелите газове. На този принцип работят ракетните двигатели с течно гориво, ракетните двигатели с твърдо гориво и двигателите с дишане на въздух.

Ядрени термични двигатели.

Принципът на работа на тези двигатели почти не се различава от принципа на работа на химическите двигатели. Разликата е, че работната течност се нагрява не поради собствената си химическа енергия, а поради „външна“ топлина, отделена по време на вътрешноядрена реакция. Въз основа на този принцип са проектирани пулсиращи ядрени топлинни двигатели, ядрени топлинни двигатели, базирани на термоядрен синтез и радиоактивно разпадане на изотопи. Опасността от радиоактивно замърсяване на атмосферата и сключването на споразумение за спиране на ядрените опити в атмосферата, космоса и под вода обаче доведе до спиране на финансирането на споменатите проекти.

Топлинни двигатели с външен източник на енергия.

Принципът на тяхното действие се основава на получаване на енергия отвън. Въз основа на този принцип е проектиран слънчев термичен двигател, чийто източник на енергия е Слънцето. Слънчевите лъчи, концентрирани от огледалата, се използват за директно нагряване на работния флуид.

Електрически ракетни двигатели.

Този широк клас двигатели съчетава различни видове двигатели, които в момента се разработват много интензивно. Работният флуид се ускорява до определена скорост на отработените газове с помощта на електрическа енергия. Енергията се получава от ядрена или слънчева електроцентрала, разположена на борда на космическия кораб (по принцип дори от химическа батерия). Конструкциите на разработваните електродвигатели са изключително разнообразни. Те включват електротермични двигатели, електростатични (йонни) двигатели, електромагнитни (плазмени) двигатели, електрически двигатели с прием на работна течност от горните слоеве на атмосферата.

Космически ракети

Съвременната космическа ракета е сложна структура, състояща се от стотици хиляди и милиони части, всяка от които играе предназначената за нея роля. Но от гледна точка на механиката на ускоряване на ракета до необходимата скорост, цялата първоначална маса на ракетата може да бъде разделена на две части: 1) масата на работния флуид и 2) крайната маса, останала след освобождаването на работната течност. Последното често се нарича "суха" маса, тъй като работният флуид в повечето случаи е течно гориво. „Сухата“ маса (или, ако предпочитате, „празната“ маса, без работния флуид, на ракетата) се състои от масата на конструкцията и масата на полезния товар. Под конструкция трябва да се разбира не само носещата конструкция на ракетата, нейната обвивка и т.н., но и системата за задвижване с всички нейни агрегати, системата за управление, включително контроли, навигационно и комуникационно оборудване и т.н. - с една дума, всичко, което осигурява нормален полет на ракетата. Полезният товар се състои от научно оборудване, радиотелеметрична система, тялото на космическия кораб, който се извежда в орбита, екипажа и системата за поддържане на живота на космическия кораб и т.н. Полезният товар е нещо, без което ракетата може да извърши нормален полет.

Ускорението на ракетата се улеснява от факта, че с изтичането на работната течност масата на ракетата намалява, поради което при постоянна тяга реактивното ускорение непрекъснато се увеличава. Но, за съжаление, ракетата не се състои само от един работен флуид. С изтичането на работния флуид, освободените резервоари, излишните части от обвивката и т.н. започват да натоварват ракетата със собствена тежест, което затруднява ускорението. Препоръчително е в някои моменти да отделите тези части от ракетата. Ракета, построена по този начин, се нарича композитна ракета. Често съставната ракета се състои от независими ракетни степени (благодарение на това различни ракетни системи могат да бъдат направени от отделни степени), свързани последователно. Но е възможно и паралелно свързване на стъпала, една до друга. И накрая, има проекти на композитни ракети, в които последната степен влиза в предишната, която е затворена в предишната и т.н.; в този случай степените имат общ двигател и вече не са независими ракети. Съществен недостатък на последната схема е, че след отделянето на отработената степен ускорението на реактивния двигател рязко се увеличава, тъй като двигателят остава същият, следователно тягата не се е променила и ускорената маса на ракетата рязко намалява. Това усложнява точността на насочване на ракетите и поставя повишени изисквания към здравината на конструкцията. При последователно свързване на стъпалата нововключеното стъпало има по-малка тяга и ускорението не се променя рязко. Докато първият етап работи, можем да считаме останалите етапи заедно с истинския полезен товар като полезен товар на първия етап. След отделянето на първата степен започва да работи втората степен, която заедно със следващите степени и действителния полезен товар образуват самостоятелна ракета („първа подракета“). За втория етап всички следващи етапи, заедно с истинския полезен товар, играят ролята на собствен полезен товар и т.н. Всяка подракета добавя своя идеална скорост към съществуващата скорост и в резултат на това крайната идеална скорост на многостепенна ракета е сумата от идеалните скорости на отделната подракета.

Ракетата е много „скъпо“ превозно средство. Ракетите носители на космически кораби „транспортират“ основно горивото, необходимо за работата на техните двигатели и тяхната собствена структура, състояща се главно от контейнери за гориво и система за задвижване. Полезният товар представлява само малка част (1,5-2,0%) от стартовата маса на ракетата.

Композитната ракета позволява по-ефективно използване на ресурсите поради факта, че по време на полет се отделя степен, която е изчерпала горивото си, а останалата част от ракетното гориво не се губи за ускоряване на дизайна на отработената степен, която е станала не е необходимо да продължите полета.

Опции за конфигуриране на ракети. От ляво на дясно:

1. Едностепенна ракета.
2. Двустепенна ракета с напречно сечение.
3. Двустепенна ракета с надлъжно разделяне.
4. Ракета с външни резервоари за гориво, които се отделят след изчерпване на горивото в тях.

Конструктивно многостепенните ракети се изработват с напречно или надлъжно разделяне на етапите.

При напречно разделяне етапите се поставят един над друг и работят последователно един след друг, като се включват само след отделянето на предишния етап. Тази схема дава възможност да се създават системи по принцип с произволен брой етапи. Неговият недостатък е, че ресурсите на следващите етапи не могат да бъдат използвани в работата на предишния, като са пасивно натоварване за него.

При надлъжно разделяне първият етап се състои от няколко еднакви ракети (на практика от две до осем), разположени симетрично около тялото на втория етап, така че резултантните сили на тягата на двигателите на първия етап са насочени по оста на симетрия. на втория и действащи едновременно. Тази схема позволява двигателят на втората степен да работи едновременно с двигателите на първата, като по този начин се увеличава общата тяга, което е особено необходимо по време на работа на първата степен, когато масата на ракетата е максимална. Но ракета с надлъжно разделяне на етапите може да бъде само двустепенна.

Съществува и комбинирана схема за разделяне - надлъжно-напречно, която ви позволява да комбинирате предимствата на двете схеми, при които първият етап е разделен от втория надлъжно, а разделянето на всички следващи етапи става напречно. Пример за този подход е местната ракета-носител Союз.

Космическата совалка има уникален дизайн на двустепенна надлъжно разделена ракета, първата степен на която се състои от два странично монтирани ускорителя на твърдо гориво; във втората степен част от горивото се съдържа в резервоарите на орбитата (космическият кораб за многократна употреба себе си) и по-голямата част от него се съдържа в подвижен външен резервоар за гориво. Първо, системата за задвижване на орбитата консумира гориво от външния резервоар и когато то се изчерпи, външният резервоар се нулира и двигателите продължават да работят с горивото, съдържащо се в резервоарите на орбитата. Този дизайн дава възможност да се използва максимално задвижващата система на орбитата, която работи по време на цялото извеждане на космическия кораб в орбита.

Когато са разделени напречно, стъпалата са свързани помежду си чрез специални секции - адаптери - носещи конструкции с цилиндрична или конична форма (в зависимост от съотношението на диаметрите на стъпалата), всяка от които трябва да издържи общото тегло на всички следващи етапи, умножени по максималната стойност на претоварването, изпитвано от ракетата във всички секции, на които този адаптер е част от ракетата. С надлъжно разделяне върху тялото на втория етап се създават силови ленти (предни и задни), към които са прикрепени блоковете на първия етап.

Елементите, свързващи частите на композитната ракета, й придават твърдостта на твърдо тяло и когато степените се разделят, те трябва почти моментално да освободят горната степен. Обикновено стъпалата са свързани с помощта на пироболтове. Пироболтът е закрепващ болт, в пръта на който до главата е създадена кухина, пълна с високо експлозивно вещество с електрически детонатор. Когато към електрическия детонатор се приложи токов импулс, възниква експлозия, която разрушава болтовия прът, което води до отделяне на главата му. Количеството експлозив в пироболта е внимателно дозирано, така че, от една страна, гарантирано да откъсне главата, а от друга, да не повреди ракетата. При разделяне на стъпалата едновременно се подава токов импулс към електрическите детонатори на всички пироболти, свързващи разделените части, и връзката се освобождава.

След това стъпалата трябва да бъдат разположени на безопасно разстояние една от друга. (Стартирането на двигателя на по-висока степен в близост до по-ниска може да причини изгаряне на неговия капацитет за гориво и експлозия на остатъчно гориво, което ще повреди горната степен или ще дестабилизира полета му.) При разделяне на степени в атмосферата, аеродинамичната сила на насрещният въздушен поток може да се използва за разделянето им, а когато се разделят в празнотата, понякога се използват спомагателни малки твърди ракетни двигатели.

При течните ракети същите тези двигатели служат и за „утаяване“ на горивото в резервоарите на горната степен: когато двигателят на долната степен е изключен, ракетата лети по инерция, в състояние на свободно падане, докато течността горивото в резервоарите е в суспензия, което може да доведе до повреда при стартиране на двигателя. Спомагателните двигатели осигуряват на сцената леко ускорение, под въздействието на което горивото се "утаява" на дъното на резервоарите.

Увеличаването на броя на стъпките дава положителен ефект само до определена граница. Колкото повече етапи, толкова по-голяма е общата маса на адаптерите, както и двигателите, работещи само в една част от полета, и в даден момент по-нататъшното увеличаване на броя на етапите става контрапродуктивно. В съвременната ракетна научна практика повече от четири етапа по правило не се правят.

Когато избирате броя на етапите, въпросите за надеждността също са важни. Пироболтите и спомагателните ракетни двигатели с твърдо гориво са елементи за еднократна употреба, чието функциониране не може да бъде проверено преди изстрелването на ракетата. Междувременно повредата само на един пироболт може да доведе до аварийно прекратяване на полета на ракетата. Увеличаването на броя на елементите за еднократна употреба, които не подлежат на функционално изпитване, намалява надеждността на цялата ракета като цяло. Това също принуждава дизайнерите да се въздържат от използването на твърде много стъпки.

Космически скорости

Изключително важно е да се отбележи, че скоростта, развивана от ракетата (а с нея и целия космически кораб) на активната част от пътя, тоест на този сравнително кратък участък, докато ракетният двигател работи, трябва да бъде постигната много, много Високо.

Нека мислено да поставим нашата ракета в свободно пространство и да включим двигателя й. Двигателят създаде тяга, ракетата получи някакво ускорение и започна да набира скорост, движейки се по права линия (ако силата на тягата не променя посоката си). Каква скорост ще придобие ракетата, докато масата й намалее от първоначалната m 0 до крайната стойност m k? Ако приемем, че скоростта w на изтичане на материя от ракетата е постоянна (това се наблюдава доста точно при съвременните ракети), то ракетата ще развие скорост v, изразена Формула на Циолковски, която определя скоростта, която самолетът развива под въздействието на тягата на ракетен двигател, непроменена по посока, при липса на всички други сили:

където ln означава естествени, а log означава десетични логаритми

Скоростта, изчислена по формулата на Циолковски, характеризира енергийните ресурси на ракетата. Нарича се идеален. Виждаме, че идеалната скорост не зависи от втория масов разход на работния флуид, а зависи само от скоростта на изпускане w и от числото z = m 0 /m k, наречено масово съотношение или число на Циолковски.

Има концепция за така наречените космически скорости: първа, втора и трета. Първата космическа скорост е скоростта, с която тяло (космически кораб), изстреляно от Земята, може да стане неин спътник. Ако не вземем предвид влиянието на атмосферата, тогава непосредствено над морското равнище първата скорост на бягство е 7,9 km/s и намалява с увеличаване на разстоянието от Земята. На височина 200 km от Земята тя е 7,78 km/s. На практика се приема, че първата евакуационна скорост е 8 km/s.

За да преодолее гравитацията на Земята и да се превърне например в спътник на Слънцето или да достигне някоя друга планета от Слънчевата система, тяло (космически кораб), изстреляно от Земята, трябва да достигне втора евакуационна скорост, взета равна до 11,2 км/с.

Едно тяло (космически кораб) трябва да има трета космическа скорост на повърхността на Земята в случай, че се изисква да преодолее гравитацията на Земята и Слънцето и да напусне Слънчевата система. Третата евакуационна скорост се приема за 16,7 km/s.

Космическите скорости са огромни по своето значение. Те са няколко десетки пъти по-бързи от скоростта на звука във въздуха. Само от това става ясно какви сложни задачи стоят в областта на космонавтиката.

Защо космическите скорости са толкова огромни и защо космическите кораби не падат на Земята? Наистина е странно: Слънцето с огромните си гравитационни сили държи Земята и всички останали планети от Слънчевата система близо до себе си, като им пречи да летят в открития космос. Изглежда странно, че Земята държи Луната близо до себе си. Между всички тела има гравитационни сили, но планетите не падат върху Слънцето, защото са в движение, това е тайната.

Всичко пада на земята: дъждовни капки, снежинки, камък, падащ от планината, и чаша, обърната от масата. А Луната? Върти се около Земята. Ако не бяха силите на гравитацията, той щеше да отлети тангенциално към орбитата и ако внезапно спре, щеше да падне на Земята. Луната, поради гравитацията на Земята, се отклонява от правия път, като през цялото време сякаш „пада“ на Земята.

Движението на Луната става по определена дъга и докато действа гравитацията, Луната няма да падне на Земята. Същото е и със Земята - ако спре, ще падне в Слънцето, но това няма да се случи по същата причина. Два вида движение - единият под въздействието на гравитацията, другият поради инерцията - се сумират и водят до криволинейно движение.

Законът за всемирното притегляне, който поддържа баланса на Вселената, е открит от английския учен Исак Нютон. Когато публикува откритието си, хората казаха, че е полудял. Законът за гравитацията определя не само движението на Луната и Земята, но и на всички небесни тела в Слънчевата система, както и изкуствените спътници, орбиталните станции и междупланетните космически кораби.

Законите на Кеплер

Преди да разгледаме орбитите на космически кораби, нека разгледаме законите на Кеплер, които ги описват.

Йоханес Кеплер имаше чувство за красота. През целия си живот той се опитваше да докаже, че слънчевата система е някакво мистично произведение на изкуството. Отначало той се опитва да свърже структурата му с петте правилни полиедра на класическата древногръцка геометрия. (Правилният полиедър е триизмерна фигура, чиито лица са равни правилни многоъгълници.) ​​По времето на Кеплер са били известни шест планети, за които се е смятало, че са поставени върху въртящи се „кристални сфери“. Кеплер твърди, че тези сфери са подредени по такъв начин, че правилните полиедри пасват точно между съседни сфери. Между двете външни сфери - Сатурн и Юпитер - той постави куб, вписан във външната сфера, в която на свой ред е вписана вътрешната сфера; между сферите на Юпитер и Марс - тетраедър (правилен тетраедър) и т.н. Шест сфери на планети, пет правилни полиедъра, вписани между тях - изглежда, че самото съвършенство?

Уви, след като сравни своя модел с наблюдаваните орбити на планетите, Кеплер беше принуден да признае, че реалното поведение на небесните тела не се вписва в хармоничната рамка, която той очерта. Единственият резултат от младежкия импулс на Кеплер, оцелял през вековете, е модел на слънчевата система, направен от самия учен и подарен на неговия покровител херцог Фредерик фон Вюртембург. В този красиво изпълнен метален артефакт всички орбитални сфери на планетите и правилните полиедри, вписани в тях, са кухи контейнери, които не комуникират помежду си, които на празниците трябваше да бъдат пълни с различни напитки, за да почерпят гостите на херцога.

Едва след като се премества в Прага и става асистент на известния датски астроном Тихо Брахе, Кеплер се натъква на идеи, които наистина обезсмъртяват името му в аналите на науката. Тихо Брахе събира данни от астрономически наблюдения през целия си живот и натрупва огромни количества информация за движението на планетите. След смъртта му те влизат във владение на Кеплер. Тези записи, между другото, имаха голяма търговска стойност по онова време, тъй като можеха да се използват за съставяне на изтънчени астрологични хороскопи (днес учените предпочитат да мълчат за този раздел от ранната астрономия).

Докато обработваше резултатите от наблюденията на Тихо Брахе, Кеплер беше изправен пред проблем, който дори и при съвременните компютри можеше да изглежда неразрешим за някого, и Кеплер нямаше друг избор, освен да извърши всички изчисления на ръка. Разбира се, както повечето астрономи от неговото време, Кеплер вече е бил запознат с хелиоцентричната система на Коперник и е знаел, че Земята се върти около Слънцето, както се вижда от гореописания модел на слънчевата система. Но как точно се върти Земята и другите планети? Нека си представим проблема по следния начин: вие се намирате на планета, която, първо, се върти около оста си, и второ, се върти около Слънцето в непозната за вас орбита. Поглеждайки към небето, виждаме други планети, които също се движат в непознати за нас орбити. И задачата е да се определи, въз основа на данни от наблюдения, направени върху нашето земно кълбо, въртящо се около оста си около Слънцето, геометрията на орбитите и скоростите на движение на други планети. Точно това в крайна сметка успява да направи Кеплер, след което на базата на получените резултати извежда своите три закона!

Първият закон описва геометрията на траекториите на планетарните орбити: всяка планета в Слънчевата система се върти в елипса, в един от фокусите на която се намира Слънцето. От училищен курс по геометрия - елипсата е набор от точки в равнина, сумата от разстоянията от които до две фиксирани точки - фокуси - е равна на константа. Или с други думи – представете си разрез на страничната повърхност на конус с равнина под ъгъл спрямо основата му, не минаваща през основата – това също е елипса. Първият закон на Кеплер гласи, че орбитите на планетите са елипси, като Слънцето е в един от фокусите. Ексцентрицитетите (степента на удължаване) на орбитите и тяхното разстояние от Слънцето в перихелия (точката, която е най-близо до Слънцето) и апохелия (най-отдалечената точка) са различни за всички планети, но всички елиптични орбити имат едно общо нещо - Слънцето се намира в един от двата фокуса на елипсата. След като анализира данните от наблюденията на Тихо Брахе, Кеплер заключава, че планетарните орбити са набор от вложени елипси. Преди него това просто не е хрумвало на никой астроном.

Историческото значение на първия закон на Кеплер не може да бъде надценено. Преди него астрономите вярваха, че планетите се движат изключително в кръгови орбити и ако това не се вписва в рамката на наблюденията, основното кръгово движение се допълва от малки кръгове, които планетите описват около точките на основната кръгова орбита. Това беше преди всичко философска позиция, един вид неизменен факт, неподлежащ на съмнение или проверка. Философите твърдят, че небесната структура, за разлика от земната, е съвършена в своята хармония и тъй като най-съвършените геометрични фигури са кръгът и сферата, това означава, че планетите се движат в кръг. Основното е, че след като получи достъп до обширните наблюдателни данни на Тихо Брахе, Йоханес Кеплер успя да преодолее този философски предразсъдък, виждайки, че той не отговаря на фактите - точно както Коперник се осмели да премахне Земята от центъра на вселената, изправен пред аргументи, които противоречат на устойчивите геоцентрични идеи, които също се състоят от „неправилното поведение“ на планетите в орбити.

Вторият закон описва промяната в скоростта на движение на планетите около Слънцето: всяка планета се движи в равнина, минаваща през центъра на Слънцето, и за равни периоди от време радиус векторът, свързващ Слънцето и планетата, описва равни площи . Колкото по-далеч елиптичната орбита отвежда планетата от Слънцето, толкова по-бавно е движението; колкото по-близо е до Слънцето, толкова по-бързо се движи планетата. Сега си представете двойка отсечки, свързващи две позиции на планетата в нейната орбита с фокуса на елипсата, в която се намира Слънцето. Заедно с сегмента на елипса, разположен между тях, те образуват сектор, чиято площ е точно „областта, която е отрязана от сегмент с права линия“. Точно за това говори вторият закон. Колкото по-близо е планетата до Слънцето, толкова по-къси са сегментите. Но в този случай, за да може секторът да покрие еднаква площ за еднакво време, планетата трябва да измине по-голямо разстояние в своята орбита, което означава, че скоростта й на движение се увеличава.

Първите два закона се занимават със спецификата на орбиталните траектории на една планета. Третият закон на Кеплер ни позволява да сравняваме орбитите на планетите една с друга: квадратите на периодите на въртене на планетите около Слънцето са свързани като кубовете на големите полуоси на орбитите на планетите. В него се казва, че колкото по-далеч е дадена планета от Слънцето, толкова по-дълго е необходимо за извършване на пълен оборот при движение в орбита и съответно толкова по-дълго продължава „годината“ на тази планета. Днес знаем, че това се дължи на два фактора. Първо, колкото по-далеч е една планета от Слънцето, толкова по-дълъг е периметърът на нейната орбита. Второ, с увеличаването на разстоянието от Слънцето линейната скорост на движение на планетата също намалява.

В своите закони Кеплер просто констатира факти, като изучава и обобщава резултатите от наблюденията. Ако го бяхте попитали на какво се дължи елиптичността на орбитите или равенството на площите на секторите, нямаше да ви отговори. Това просто следва от неговия анализ. Ако го попитате за орбиталното движение на планетите в други звездни системи, той също няма да има какво да ви отговори. Ще трябва да започне всичко отначало - да натрупа данни от наблюдения, след това да ги анализира и да се опита да идентифицира модели. Тоест, той просто не би имал причина да вярва, че друга планетарна система се подчинява на същите закони като Слънчевата система.

Един от най-големите триумфи на класическата механика на Нютон се крие именно във факта, че тя дава фундаментална обосновка на законите на Кеплер и утвърждава тяхната универсалност. Оказва се, че законите на Кеплер могат да бъдат извлечени от законите на механиката на Нютон, закона на Нютон за универсалната гравитация и закона за запазване на ъгловия импулс чрез строги математически изчисления. И ако е така, можем да сме сигурни, че законите на Кеплер се прилагат еднакво за всяка планетарна система навсякъде във Вселената. Астрономите, които търсят нови планетарни системи в космоса (и доста от тях вече са открити), от време на време, като естествено, използват уравненията на Кеплер, за да изчислят параметрите на орбитите на далечни планети, въпреки че не могат да ги наблюдават директно .

Третият закон на Кеплер играе и продължава да играе важна роля в съвременната космология. Наблюдавайки далечни галактики, астрофизиците откриват слаби сигнали, излъчвани от водородни атоми, обикалящи в много отдалечени орбити от галактическия център - много по-далеч, отколкото звездите обикновено са. Използвайки ефекта на Доплер в спектъра на това лъчение, учените определят скоростите на въртене на водородната периферия на галактическия диск, а от тях и ъгловите скорости на галактиките като цяло. Трудовете на учения, които твърдо ни поставиха на пътя към правилното разбиране на структурата на нашата слънчева система, и днес, векове след смъртта му, играят толкова важна роля в изследването на структурата на необятната Вселена.

Орбити

От голямо значение е изчисляването на траекториите на полета на космически кораби, при което трябва да се преследва основната цел - максимално спестяване на енергия. При изчисляване на траекторията на полета на космически кораб е необходимо да се определи най-изгодното време и, ако е възможно, мястото на изстрелване, да се вземат предвид аеродинамичните ефекти, които възникват в резултат на взаимодействието на устройството със земната атмосфера по време на изстрелването и финал и много повече.

Много съвременни космически кораби, особено тези с екипаж, имат сравнително малки бордови ракетни двигатели, чиято основна цел е необходимата корекция на орбитата и спиране по време на кацане. При изчисляване на траекторията на полета трябва да се вземат предвид нейните промени, свързани с корекцията. По-голямата част от траекторията (всъщност цялата траектория, с изключение на активната й част и периодите на настройка) се извършва с изключени двигатели, но, разбира се, под въздействието на гравитационните полета на небесните тела.

Траекторията на космически кораб се нарича орбита. По време на свободния полет на космически кораб, когато неговите бордови реактивни двигатели са изключени, движението се извършва под въздействието на гравитационни сили и инерция, като основната сила е земната гравитация.

Ако считаме, че Земята е строго сферична и действието на гравитационното поле на Земята е единствената сила, тогава движението на космическия кораб се подчинява на добре известните закони на Кеплер: то се извършва в неподвижна (в абсолютното пространство) равнина, преминаваща през центърът на Земята - орбиталната равнина; орбитата има формата на елипса или кръг (частен случай на елипса).

Орбитите се характеризират с редица параметри - система от величини, които определят ориентацията на орбитата на небесното тяло в пространството, неговия размер и форма, както и положението в орбитата на небесното тяло в някакъв фиксиран момент. Невъзмутимата орбита, по която тялото се движи в съответствие със законите на Кеплер, се определя от:

1. Орбитален наклон (i)към базовата равнина; може да има стойности от 0° до 180°. Наклонът е по-малък от 90°, ако изглежда, че тялото се движи обратно на часовниковата стрелка за наблюдател, разположен на северния полюс на еклиптиката или северния небесен полюс, и повече от 90°, ако тялото се движи в обратна посока. Когато се прилага към Слънчевата система, равнината на земната орбита (равнината на еклиптиката) обикновено се избира като референтна равнина; за изкуствените спътници на Земята обикновено се избира равнината на земния екватор като референтна равнина; за спътниците на други планети от Слънчевата система, равнината на екватора на съответната планета обикновено се избира като референтна равнина.
2. Възходяща възлова дължина (Ω)- един от основните елементи на орбитата, използван за математическо описание на формата на орбитата и нейната ориентация в пространството. Определя точката, в която орбитата пресича основната равнина в посока от юг на север. За телата, въртящи се около Слънцето, главната равнина е еклиптиката, а нулевата точка е Първата точка на Овен (пролетното равноденствие).
3. Основна(и) ос(и)е половината от главната ос на елипсата. В астрономията характеризира средното разстояние на небесното тяло от фокуса.
4. Ексцентричност- числена характеристика на конично сечение. Ексцентричността е инвариантна по отношение на равнинни движения и трансформации на подобие и характеризира "компресията" на орбитата.
5. Аргумент за периапсис- се определя като ъгълът между посоките от привличащия център към възходящия възел на орбитата и към периапсиса (точката от орбитата на спътника, най-близка до привличащия център), или ъгълът между линията на възлите и линията на апсиди. Преброено от центъра на привличане по посока на движението на спътника, обикновено избрано в диапазона от 0°-360°. За определяне на възходящия и низходящия възел се избира определена (така наречената базова) равнина, съдържаща привличащия център. Като базова равнина обикновено се използва равнината на еклиптиката (движението на планети, комети, астероиди около Слънцето), екваториалната равнина на планетата (движението на спътниците около планетата) и др.
6. Средна аномалияза тяло, движещо се по невъзмутима орбита - произведението на средното му движение и интервала от време след преминаване на периапсиса. Така средната аномалия е ъгловото разстояние от периапсиса на хипотетично тяло, движещо се с постоянна ъглова скорост, равна на средното движение.

Има различни видове орбити - екваториална (наклон "i" = 0°), полярна (наклон "i" = 90°), слънчево-синхронни орбити (параметрите на орбитата са такива, че спътникът преминава над всяка точка от земната повърхност на приблизително по същото време местно слънчево време), нискоорбитален (височини от 160 km до 2000 km), средноорбитален (височини от 2000 km до 35786 km), геостационарен (височина 35786 km), високоорбитален (височини над 35786 км).

Един от създателите на първия сателит веднъж призна, че не е осъзнал веднага какво велико дело е било извършено тогава, през 1957 г. И в оправдание той се позовава на поета В. Брюсов, който казва, че "грандиозните събития са почти незабележими за тези, които са пряко замесени: всеки вижда само една подробност пред очите си, обемът на цялото се изплъзва от наблюдението. Затова, вероятно, мнозина хората някак си не забелязват, че човечеството е навлязло в „ерата на чудесата“.

Едва навлизаме в четвъртото десетилетие на космическата ера, но вече доста свикнахме с такива чудеса като сателитни системи за комуникация и наблюдение на времето, навигация и помощ на бедстващи на сушата и морето, обхванали цялата Земя. Като нещо съвсем обикновено, слушаме доклади за многомесечната работа на хората в орбита, не се изненадваме от отпечатъците на Луната, снимките на далечни планети, направени от упор, или ядрото на кометата, показано за първи път от космически кораб.

За много кратък исторически период космонавтиката се превърна в неразделна част от живота ни, верен помощник в икономическите дела и познанието за света около нас. И няма съмнение, че по-нататъшното развитие на земната цивилизация не може без развитието на цялото околоземно пространство.

Например много учени виждат изход от предстоящата екологична криза в използването на ресурсите на близкия космос. „Ясно е, че космическият потенциал не е панацея за всички злини", пише виден експерт в областта на астронавтиката К. Ерике. „Предложеният път е просто една от най-ефективните възможности в арсенала, с който разполагаме днес гарантират оцеляването на човечеството като модерно общество. Това е необходимо и за целите на непрекъснатото развитие на нашето общество, като същевременно се запази природата на земята, която е уникална в района, който се простира на много светлинни години около нас."

Изследването на космоса - тази "провинция на цялото човечество" - продължава с нарастващи темпове. Поглеждайки назад към вече постигнатото, можем да се опитаме да определим приблизителните дати за следващите етапи на използване на новото ни местообитание. Много по-рисковано е да се правят дългосрочни прогнози. Но са известни и такива опити. Доктор на физико-математическите науки JI. Лесков, например, гледа напред към цяло хилядолетие.

Според учения в годините, оставащи до следващия век, в космоса ще бъде организирано първо пилотно промишлено, а след това масово производство на подобрени материали. Практически неограничените енергийни възможности, заедно с дълбокия вакуум и безтегловността, са това, което преди всичко привлича индустриалците в космоса. Уникалните технологични условия обаче не са единствената причина за предложеното преместване на редица предприятия, а може би и цели индустрии, като например химическата, металургичната, ядрената...

Нашата планета вече е толкова задръстена с промишлени отпадъци, че по-нататъшното й разширяване заплашва с катастрофални последици за цялата биосфера. А запасите от суровини на Земята не са толкова големи, че да живеем спокойно, без да се тревожим за бъдещето. Затова все повече експерти стигат до извода, че масовата индустриализация на околоземното пространство е неизбежна. Космическата наука и технологии се подготвят за това, като продължават да изучават как протичат различни технологични процеси в орбита и в същото време създават проекти за тяхното енергийно захранване.

Прогнозирайки развитието на космонавтиката за същия период, други експерти обръщат внимание на различни направления в този процес. Президентът на Международната академия по астронавтика, J. ​​Muller, например, посочва предстоящото широко използване на сателитни комуникации за цялостни информационни услуги за хората по света. Към него се присъединява съветският академик В. Авдуевски. „Връзката на космическите технологии с микроелектрониката,“ отбелязва той, „ни позволява да говорим за организацията в много близко бъдеще на глобална комуникационна система с абонати, които не са „вързани“ към никакви наземни възли. Тоест за създаването на на единно информационно поле, в което всеки може да се присъедини към всеки по всяко време и навсякъде по света.Това означава, че начинът на живот на милиони и милиони хора коренно ще се промени.Всеки живеещ на Земята ще има достъп до богатствата на световната култура - от фондовете на най-големите книгохранилища в света, залите на Ермитажа и Лувъра, където можете да "посетите" всеки момент, до филмовите и музикалните библиотеки на всяка обществена или частна колекция. Слоганът ще се превърне в Реалност: висше образование за всеки, който иска да го получи. Да не говорим за възможността да получите някакви справочни данни, да проведете оперативна среща..."

За да се премине към следващия етап от изследването на космоса, смята Л. Лесков, ще е необходимо да се създадат нови, по-ефективни превозни средства: аерокосмически самолети, пилотирани и автоматични космически кораби, многократни ракети-носители, междуорбитални влекачи с тежка товароподемност...

През 20-50-те години на 21 век в орбита ще се появят гигантски рефлектори на слънчева светлина и слънчеви космически електроцентрали, а след това ще дойде време за промишлено развитие на Луната. Тогава ученият оперира не десетилетия, а векове. Сред следните етапи са изброени като създаването на мащабни структури в космоса, използването на извънземна материя с доставянето й на Земята, развитието и трансформацията на природата на Марс и Венера.

Какво следва? И най-важното, какво ще се случи с хората, които са се разделили завинаги със своята планета? Един от водещите експерти в областта на космическата медицина и биология, академик О. Газенко, разглежда два сценария за заселване на космоса: в Слънчевата система и извън нейните граници. Ако, смята ученият, в космоса е възможно да се създаде местообитание, което да е възможно най-близко до това на Земята, еволюцията на постоянните обитатели на „ефирните селища“ очевидно ще протече по същия начин, както на Земята. Вярно е, че има вероятност под въздействието на космическите лъчи у хората да настъпят случайни наследствени промени и по-нататъшният ход на еволюцията да стане непредсказуем. Естествено, това може да се случи само ако до този момент не са намерени надеждни средства за защита.

Ученият допуска и такъв вариант, когато основният фактор, определящ дългосрочната еволюция на човека, няма да бъде радиацията, а безтегловността. Тогава хората, постепенно губейки някои от физиологичните характеристики, „наложени“ им от гравитацията, ще станат различни - може би, подобни на „безплътните“ герои в картините на испанския художник Ел Греко.

Ако човечеството не се ограничи с покоряването на Слънчевата система и излезе извън нейните граници, тогава, смята академикът, след стотици поколения безкрайните простори на Галактиката ще се окажат обитавани от отделни колонии от разумни същества, забележимо различни от нас и един от друг.

Но ще се адаптира ли човек към такива необичайни условия на живот? Ето какво казва К. Циолковски: „...В момента напредналите слоеве на човечеството се стремят да поставят живота си все повече и повече в изкуствени рамки, а не в това ли се състои прогресът? Борба с лошото време, високо и ниско температури, гравитация ", с животни, с вредни насекоми и бактерии, не създава ли дори сега чисто изкуствена среда около човек? В етерното пространство тази изкуственост ще достигне своя краен предел, но от друга страна, човек ще да бъде в условия, които са най-благоприятни за него самия."

Нека обаче не гледаме толкова далеч. Да се ​​върнем към прогнозите за не толкова далечното бъдеще. Разбира се, авторите им добре осъзнават, че предлаганите от тях хронологични схеми са твърде приблизителни. Поради това те не се опитват да назоват конкретни срокове за изпълнение на определени проекти, като обръщат основно внимание на тяхното техническо описание. Ние ще се придържаме към същия принцип в нашия разказ за перспективите за извънземни дейности на нашата цивилизация.

Тази книга е адресирана до младите хора, „тези, които ще четат, за да строят“ - така Ю. Кондратюк се обърна към своите читатели. Ще минат години и тези, които сега прелистват тези страници, ще започнат да сбъдват днешните си мечти. Точно така: „четете, за да изградите“!