Teori om rumflyvninger. Fremtidig udforskning af rummet

Introduktion.

Menneskeheden har altid drømt om at rejse ud i rummet. Forfattere - science fiction-forfattere, videnskabsmænd, drømmere - foreslog en række midler til at nå dette mål. Men i mange århundreder har ikke en eneste videnskabsmand eller science fiction-forfatter været i stand til at opfinde det eneste middel til en persons rådighed, hvormed man kan overvinde tyngdekraften og flyve ud i rummet. For eksempel nåede helten i historien af ​​den franske forfatter Cyrano de Bergerac, skrevet i det 17. århundrede, Månen ved at kaste en stærk magnet over jernvognen, hvori han befandt sig. Vognen steg højere og højere over Jorden, tiltrukket af magneten, indtil den nåede Månen; Baron Munchausen sagde, at han klatrede til Månen langs en bønnestilk.

For første gang blev mange menneskers drøm og forhåbninger bragt tættere på virkeligheden af ​​den russiske videnskabsmand Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky (1857-1935), som viste, at den eneste enhed, der er i stand til at overvinde tyngdekraften, er en raket, præsenterede han for første gang. videnskabeligt bevis for muligheden for at bruge en raket til flyvninger ud i det ydre rum, ud over Jordens atmosfære og til andre planeter i solsystemet. Tsoilkovsky kaldte en raket en enhed med en jetmotor, der bruger brændstof og oxidationsmiddel på den.

En jetmotor er en motor, der er i stand til at omdanne brændstofs kemiske energi til en gasjets kinetiske energi og derved opnå hastighed i den modsatte retning.

På hvilke principper og fysiske love er driften af ​​en jetmotor baseret?

Som du ved fra et fysikkursus, er et skud fra en pistol ledsaget af rekyl. Ifølge Newtons love ville en kugle og en pistol flyve i forskellige retninger med samme hastighed, hvis de havde samme masse. Den udstødte masse af gasser skaber en reaktiv kraft, takket være hvilken bevægelse kan sikres, både i luft og i luftløst rum, og dermed opstår rekyl. Jo større rekylkraft vores skulder føler, jo større er massen og hastigheden af ​​de undslippende gasser, og derfor, jo stærkere pistolens reaktion er, jo større er den reaktive kraft. Disse fænomener forklares af loven om bevarelse af momentum:

• vektoren (geometrisk) summen af ​​impulserne fra de legemer, der udgør et lukket system, forbliver konstant for alle bevægelser og interaktioner af systemets legemer.

Den maksimale hastighed, som en raket kan udvikle, beregnes ved hjælp af Tsiolkovsky-formlen:

, Hvor

v max – maksimal rakethastighed,

v 0 – starthastighed,

v r – hastigheden af ​​gasstrømmen fra dysen,

m - brændstofs begyndelsesmasse,

M er massen af ​​den tomme raket.

Den præsenterede Tsiolkovsky-formel er grundlaget, som hele beregningen af ​​moderne missiler er baseret på. Tsiolkovsky-tallet er forholdet mellem brændstofmassen og rakettens masse ved slutningen af ​​motordrift - til vægten af ​​den tomme raket.

Således fandt vi ud af, at rakettens maksimalt opnåelige hastighed primært afhænger af hastigheden af ​​gasstrømmen fra dysen. Og strømningshastigheden af ​​dysegasserne afhænger til gengæld af typen af ​​brændstof og gasstrålens temperatur. Det betyder, at jo højere temperatur, jo større hastighed. Så for en rigtig raket skal du vælge det mest kalorieholdige brændstof, der producerer den største mængde varme. Formlen viser, at blandt andet rakettens hastighed afhænger af rakettens begyndelses- og endelige masse, af hvilken del af dens vægt der er brændstof, og hvilken del der er ubrugelig (ud fra et flyvehastighedssynspunkt) strukturer: krop, mekanismer osv. d.

Hovedkonklusionen fra denne Tsiolkovsky-formel til at bestemme hastigheden af ​​en rumraket er, at i luftløst rum vil raketten udvikle sig, jo større hastigheden er, jo større hastigheden af ​​gasudstrømningen og jo større Tsiolkovsky-tallet.

Enheden af ​​et ballistisk missil.

Lad os i generelle vendinger forestille os et moderne ultra-langrækkende missil.

Sådan en raket skal være på flere niveauer. Kampladningen er placeret i dens hoved, og kontrolanordninger, kampvogne og en motor er placeret bagved. Rakettens affyringsvægt overstiger nyttelastens vægt med 100-200 gange, afhængigt af brændstoffet! Således skal en rigtig raket veje flere hundrede tons, og dens længde skal i det mindste nå højden af ​​en ti-etagers bygning. Der stilles en række krav til rakettens design. Så det er for eksempel nødvendigt, at trykkraften passerer gennem rakettens tyngdepunkt. Raketten kan afvige fra den tilsigtede kurs eller endda begynde at rotere, hvis de angivne betingelser ikke er opfyldt.

Fig.1 Indvendig struktur af raketten.

Du kan genoprette den korrekte kurs ved hjælp af rorene. I sjælden luft fungerer gasror, der afbøjer retningen af ​​gasstrålen, foreslået af Tsiolkovsky. Aerodynamiske ror virker, når en raket flyver i tæt luft.

Moderne ballistiske missiler opererer primært på motorer, der bruger flydende brændstof. Petroleum, alkohol, hydrazin og anilin bruges normalt som brændstof, og salpeter- og perchlorsyre, flydende oxygen og hydrogenperoxid bruges som oxidationsmidler. De mest aktive oxidationsmidler er fluor og flydende ozon, men de bruges sjældent på grund af deres ekstreme eksplosivitet.

Motoren er det vigtigste element i raketten. Det vigtigste element i motoren er forbrændingskammeret og dysen. I forbrændingskamre, på grund af det faktum, at brændstofforbrændingstemperaturen når 2500-3500 OM C, især varmebestandige materialer og komplekse kølemetoder skal anvendes. Konventionelle materialer kan ikke modstå sådanne temperaturer.

De resterende enheder er også meget komplekse. For eksempel var pumperne, der skal levere oxidationsmiddel og brændstof til forbrændingskammerets dyser, allerede i V-2-raketten, en af ​​de første, i stand til at pumpe 125 kg brændstof i sekundet.

I nogle tilfælde, i stedet for konventionelle cylindre, bruges cylindre med trykluft eller anden gas, der kan fortrænge brændstof fra tankene og drive det ind i forbrændingskammeret.

Gasror skal være lavet af grafit eller keramik, så de er meget skrøbelige og sprøde, så moderne designere begynder at opgive brugen af ​​gasror, erstatte dem med flere ekstra dyser eller dreje den vigtigste dyse. Faktisk, i begyndelsen af ​​flyvningen, ved høj lufttæthed, er rakettens hastighed lav, så rorene styrer dårligt, og hvor raketten opnår høj hastighed, er lufttætheden lav.

På en amerikansk raket bygget i henhold til Avangard-projektet er motoren ophængt i hængsler og kan afbøjes med 5-7 OM. Effekten af ​​hvert efterfølgende trin og dets driftstid er mindre, fordi hvert trin af raketten fungerer under helt forskellige forhold, som bestemmer dens design, og derfor kan selve rakettens design være enklere.

Et ballistisk missil affyres fra en speciel affyringsanordning. Normalt er dette en gennembrudt metalmast eller endda et tårn, omkring hvilket raketten er samlet stykke for stykke af kraner. Sektioner af et sådant tårn er placeret overfor de inspektionsluger, der er nødvendige for kontrol og fejlretning af udstyr. Tårnet bevæger sig væk, mens raketten tankes op.

Raketten starter lodret og begynder derefter langsomt at vippe og beskriver snart en næsten strengt elliptisk bane. Det meste af flyvevejen for sådanne missiler ligger i en højde på mere end 1000 km over jorden, hvor der praktisk talt ikke er nogen luftmodstand. Når man nærmer sig målet, begynder atmosfæren kraftigt at bremse rakettens bevægelse, mens dens granat bliver meget varm, og hvis der ikke træffes foranstaltninger, kan raketten kollapse, og dens ladning kan eksplodere for tidligt.

Den præsenterede beskrivelse af et interkontinentalt ballistisk missil er forældet og svarer til udviklingsniveauet for videnskab og teknologi i 60'erne, men på grund af begrænset adgang til moderne videnskabelige materialer er det ikke muligt at give en nøjagtig beskrivelse af driften af ​​en moderne ultra-langrækkende interkontinentalt ballistisk missil. På trods af dette fremhævede arbejdet de generelle egenskaber, der er iboende i alle raketter. Værket kan også være af interesse for at blive fortrolig med historien om udviklingen og brugen af ​​de beskrevne missiler.

Deryabin V. M. Bevaringslove i fysik. – M.: Uddannelse, 1982.

Gelfer Ya. M. Bevaringslove. – M.: Nauka, 1967.

Krop K. Verden uden former. – M.: Mir, 1976.

Børns encyklopædi. – M.: Forlag for USSR Academy of Sciences, 1959.

Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky blev født den 5. september (17), 1857 i landsbyen Izhevskoye, Ryazan-provinsen, i en skovfogeds familie. På grund af sygdom var han ude af stand til at studere i skolen og blev tvunget til at studere på egen hånd. Efter at have mestret det meste af kurset på egen hånd i det eneste gratis bibliotek i Moskva, bestod han eksamen for titlen som lærer i offentlige skoler og modtog en stilling som lærer ved Borovsky-distriktsskolen. Senere blev han forflyttet til at undervise i Kaluga - hvor han tilbragte hele sit fremtidige liv. I sin fritid studerede Tsiolkovsky naturvidenskab. For sit arbejde "Mechanics of the Animal Organism" blev han valgt som fuldgyldigt medlem af Russian Physicochemical Society. Efter revolutionen blev hans værker efterspurgte, blev anerkendt som innovative og begejstrede hans samtidige. I 1926-1929 beskæftigede Tsiolkovsky sig med praktiske spørgsmål om rumflyvning. På dette tidspunkt fødes de mest vovede og endda fantastiske ideer, som er bestemt til at gå i opfyldelse i fremtiden. Tsiolkovsky beregnede den optimale højde for at flyve rundt om Jorden, forsvarede ideen om mangfoldigheden af ​​livsformer i universet, opfandt det første landingsstel med hjul, udviklede principperne for fremdrift af luftpudefartøjer, skrev om den fremtidige opdagelse af laseren , og forudsagde matematikkens indtrængen i alle videnskabens områder. Tsiolkovsky døde den 19. september 1935.

For sine talrige og videnskabeligt tvivlsomme filosofiske værker kunne Tsiolkovsky kaldes en stor drømmer og excentriker fra det dybe rum, hvis ikke for et "men": Konstantin Eduardovich er den første ideolog og teoretiker af menneskelig rumudforskning. Tsiolkovsky drømte altid om rummet og søgte at underbygge sine drømme teoretisk og endda praktisk. De første tanker om at bruge raketter til at flyve ud i rummet blev udtrykt af videnskabsmænd tilbage i 1883, men en sammenhængende matematisk teori om jetfremdrift var bestemt til at dukke op kun tretten år senere.

I 1903, i det femte nummer af tidsskriftet Scientific Review, publicerede han en del af artiklen "Udforskning af verdensrum ved hjælp af jetinstrumenter", men ligesom mange af Tsiolkovskys opdagelser og værker var det for langt fra realiteterne i det moderne liv. Det var imidlertid i denne artikel, at videnskabsmanden præsenterede matematiske beregninger og begrundelse for den reelle mulighed for at bruge raketter til interplanetariske rejser. Tsiolkovsky begrænsede sig ikke til at påpege midlerne til menneskelig indtrængning i rummet - raketten; han gav også en detaljeret beskrivelse af motoren. Mange af Konstantin Eduardovichs teorier kan kaldes profetiske, for eksempel om valget af flydende to-komponent brændstof og muligheden for at bruge andre typer brændstof, især energien fra atomart henfald. Tsiolkovsky fremsatte ideen om at skabe elektriske jetmotorer, som var revolutionerende på det tidspunkt, og skrev på sin karakteristiske måde, at "måske, ved hjælp af elektricitet, vil det være muligt over tid at give partiklerne enorm hastighed udstødt fra jet-enheden."

Hans ideer om regenerativ køling af forbrændingskammeret og motordysen med brændstofkomponenter, keramisk isolering af strukturelle elementer, separat opbevaring og pumpning af brændstof ind i forbrændingskammeret, optimale nedstigningsbaner for et rumfartøj, når de vender tilbage fra rummet, er med succes brugt i dag.

Videnskabsmanden kombinerede aktivt teori og praksis og forsøgte at finde mulige måder at faktisk implementere alt, hvad han havde i tankerne. Tsiolkovsky underbyggede videnskabeligt problemerne forbundet med raketrumflyvning. For eksempel undersøgte han i detaljer alt relateret til raketten: bevægelseslovene, dens design, kontrolproblemer, testning, sikring af pålidelig drift af alle systemer, skabelse af acceptable flyveforhold og endda valg af en psykologisk kompatibel besætning.

Det er mærkeligt, at Tsiolkovsky havde praktisk talt ingen instrumenter, beregnede den optimale højde for en flyvning rundt om Jorden - en rækkevidde på tre hundrede til otte hundrede kilometer over planeten. Det er i disse højder, at moderne rumflyvninger finder sted. Tsiolkovsky udledte en formel, som senere skulle blive opkaldt efter ham, som gør det muligt at bestemme et flys hastighed under påvirkning af en raketmotors fremdrift. Samtidig lykkedes det for videnskabsmanden at få svar på et vigtigt praktisk spørgsmål: hvor meget brændstof skal der tages ind i raketten for at opnå den nødvendige starthastighed fra Jorden og sikkert forlade planeten? Resultatet af beregningen var som følger: For at en raket med en besætning kan udvikle starthastighed og starte på en interplanetarisk flyvning, er det nødvendigt at tage hundrede gange mere brændstof end vægten af ​​raketlegemet, motoren mekanismer, instrumenter og passagerer kombineret. Men hvordan kan du fylde så meget brændstof i et skib? Videnskabsmanden fandt en original løsning - et rakettog bestående af flere raketter forbundet med hinanden. Den forreste raket indeholder en vis mængde brændstof, passagerer og udstyr. Så arbejder raketterne på skift og accelererer hele det interplanetariske tog. Så snart brændstoffet i en raket brænder helt ud, bliver det kastet ud: Som et resultat fjernes de tomme tanke, og skibet bliver lettere. Så begynder den anden raket at arbejde, så den tredje osv. Baseret på Tsiolkovskys formel blev der draget en vigtig konklusion, at rakettens evner primært bestemmes af motorens egenskaber og perfektionen af ​​raketdesignet.

Tsiolkovsky efterlod en rig videnskabelig arv. Ikke alle hans ideer er af stor værdi for videnskaben, men alligevel var videnskabsmanden den første til at behandle mange spørgsmål. Hans synspunkter virker allerede nu lidt fantastiske. Det er utroligt, hvor nøjagtigt videnskabsmanden forudsagde fremtiden. Således tog han føringen i at studere spørgsmålet om en kunstig jordsatellit og dens rolle for den nationale økonomi. Han udtrykte ideen om at skabe nær-Jord-stationer af fremtidige generationer som kunstige bosættelser, der ville bruge Solens energi og tjene som mellemliggende baser for interplanetarisk kommunikation. Denne idé om interplanetariske stationer var hovedmidlet til at opnå den elskede drøm - menneskelig udforskning af det cirkumsolare rum og skabelsen af ​​"æteriske bosættelser" i fremtiden.

Metode til lektion 4
"Fundamentals of Astronautics"

Formålet med lektionen: at udvikle viden om astronautikkens teoretiske og praktiske grundlag.

Læringsmål:

Almen uddannelse: dannelse af begreber:

Om teoretiske og praktiske forudsætninger, opgaver og metoder til rumforskning;
- om sammenhængen mellem astronautik og astronomi, fysik og andre natur- og matematiske videnskaber og teknologi;
- om astronautik - rumfartøjer;
- om hovedtyperne af jetraketmotorer (raketmotorer med fast drivmiddel, flydende drivstofmotorer, elektriske fremdrivningsmotorer, nukleare fremdrivningsmotorer);
- om baner, hastigheder og træk ved rumfartøjets bevægelser, træk ved interplanetarisk og interstellar navigation.

Uddannelsesmæssigt: dannelsen af ​​elevernes videnskabelige verdensbillede under deres bekendtskab med historien om menneskelig viden. Patriotisk uddannelse, når man bliver fortrolig med russisk videnskab og teknologis enestående rolle i udviklingen af ​​astronautik. Polyteknisk uddannelse og arbejdskraftuddannelse i at præsentere information om praktisk anvendelse af astronautik.

Udviklingsmæssigt: udvikling af færdigheder til at løse problemer ved hjælp af bevægelseslovene for kosmiske legemer, Tsiolkovsky-formler og kosmiske hastigheder til at beskrive rumfartøjets bevægelse.

Det skal eleverne ved godt:

Om astronautik (faget, opgaven og metoderne for astronautisk forskning, dens forbindelse med andre videnskaber);
- om astronautik: de vigtigste typer rumfartøjer, deres design og karakteristika;
- om de vigtigste typer af raketmotorer, deres struktur og egenskaber
- Tsiolkovsky formel, formler og værdier for I, II, III kosmiske hastigheder (for Jorden);
- om rumfartøjers flyvebaner og forholdet mellem formen på deres baner og bevægelseshastigheden.

Det skal eleverne være i stand til: løse problemer med anvendelsen af ​​Tsiolkovsky-formlen og bevægelseslovene for kosmiske legemer for at beregne karakteristika for rumfartøjsbevægelse.

Visuelle hjælpemidler og demonstrationer:

Filmstrimler: "Elementer af rumflyvningsmekanik."
Film: "Kunstige jordsatellitter"; "Rumflyvninger".
Tabeller: "Rumflyvninger"; "Rumforskning".
Enheder og værktøjer: en enhed til demonstration af satellitters bevægelse.

Lektier:

1) Studer lærebogens materiale:
- B.A. Vorontsov-Velyaminova: §§ 14, stk. 4, 16, stk.
- E.P. Levitan: §§ 7-11 (gentagelse).
- A.V. Zasova, E.V. Kononovich: § elleve; øvelse 11 (3, 4)

2) Fuldfør opgaver fra samlingen af ​​problemer af Vorontsov-Velyaminov B.A. : 174; 179; 180; 186.

3) Forbered rapporter og meddelelser til lektionen "Kosmonautikkens historie".

Lektionsplan

Lektionens trin		Præsentationsmetoder	Tid, min
	Opdatering af emnet for lektionen	Historie
	Begrebsdannelse om teoretiske og praktiske forudsætninger, opgaver og metoder for astronautisk forskning	Foredrag	7-10
	Dannelse af begreber om astronautik og de vigtigste typer af raketmotorer	Foredrag	10-12
	Dannelse af begreber om baner, hastigheder og træk ved rumfartøjets bevægelser, træk ved interplanetarisk og interstellar navigation	Foredrag	10-12
	Problemløsning
	Opsummering af det gennemgåede materiale, opsummering af lektionen, hjemmearbejde

Metode til præsentation af materiale

Denne lektion undervises bedst i form af en forelæsning, hvorunder systematisering, generalisering og udvikling af elevernes "førvidenskabelige" astronautiske viden og information om astronautik og jetfremdrift, studeret af dem i naturhistorie, naturhistorie og fysikkurser over hele skoletiden, gennemføres. Forfatterne af manualen foreslår at begrænse os til analysen af ​​spørgsmål om kredsløb og hastighed af kunstige satellitter, rumfartøjsflyvninger til Månen og de enkleste baner for interplanetariske flyvninger. Vi anser det for nødvendigt at supplere og udbygge dette materiale, at teoretisere det, således at den studerende som et resultat af træning opnår en helhedsforståelse for astronautikkens teoretiske og praktiske grundlag. Præsentationen af ​​materialet bør baseres på tidligere studeret materiale i fysik (grundlæggende for klassisk mekanik: Newtons love, tyngdelov, lov om bevarelse af momentum, jetfremdrift) og astronomi (astrometri og himmelmekanik: Keplers love, information om kosmisk hastigheder, kredsløb for kosmiske legemer og forstyrrelser). Det patriotiske aspekt af uddannelse realiseres ved at fokusere elevernes opmærksomhed på resultaterne af indenlandsk videnskab og teknologi, russiske videnskabsmænds bidrag til fremkomsten, dannelsen og udviklingen af ​​raketvidenskab og astronautik. Historiske detaljer bør undgås og gemmes til en senere lektion.

Kosmonautik - flyvninger i det ydre rum; et sæt grene af videnskab og teknologi, der sikrer udforskning og udvikling af ydre rum- og rumobjekter og deres systemer ved hjælp af forskellige rumfartøjer (SCAV): raketter, kunstige jordsatellitter (AES), automatiske interplanetariske stationer (AMS), rumfartøjer (SC) , bemandet eller kontrolleret fra Jorden.

Det teoretiske grundlag for astronautik er dannet af:

1. Astronomi (astrometri, himmelmekanik og astrofysik).

2. Teori om rumflyvninger - kosmodynamik - den anvendte del af himmelmekanik, undersøgelse af flyvebaner, rumfartøjers kredsløbsparametre mv.

3. Raketter, der giver løsninger på videnskabelige og tekniske problemer med at skabe rumraketter, motorer, kontrolsystemer, kommunikation og informationstransmission, videnskabeligt udstyr mv.

4. Rumbiologi og medicin.

Det vigtigste og indtil nu eneste transportmiddel i det ydre rum er raketten. Lovene for raketbevægelse er udledt på grundlag af den klassiske mekaniks love: kinematik og dynamik (Newtons II lov, lov om bevarelse af momentum osv.).

Formlen for K. E. Tsiolkovsky beskriver bevægelsen af ​​en raket i det ydre rum uden at tage hensyn til virkningen af ​​ydre forhold og karakteriserer rakettens energiressourcer:

, - Tsiolkovsky nummer, Hvor m 0 - initial, m k er rakettens endelige masse, w er hastigheden af ​​den udsendte masse i forhold til raketten (jetstrømshastighed), g- tyngdeacceleration.

Ris. 73

Et løftefartøj (LV) er en flertrins ballistisk raket til opsendelse af en nyttelast ud i rummet (AES, AMS, rumfartøjer osv.). Affyringsfartøjer er sædvanligvis 2-4-trins raketter, der giver flugthastighed til nyttelasten I - II (fig. 73).

En raketmotor (RM) er en jetmotor designet til raketter og bruger ikke miljøet til drift. I RD omdannes ikke kun den energi, der tilføres til motoren (kemisk, solenergi, nuklear, osv.) til den kinetiske bevægelsesenergi af motorens arbejdsvæske, men også drivkraften til trækkraften skabes direkte i motoren. form af en reaktion af strålen fra arbejdsvæsken, der strømmer ud af motoren. RD er således som en kombination af selve motoren og fremdriftsanordningen.

Rullebanens specifikke trækkraft bestemmes af formlen: .

I øjeblikket anvendes kun kemiske XRD'er i vid udstrækning.

Den faste drivmiddel raketmotor (solid propellant raketmotor) har været brugt i omkring 2000 år - meget i raketartilleri og begrænset i astronautik. Drivkraftområdet for raketmotorer med fast drivmiddel spænder fra gram til hundredvis af tons (for kraftige raketmotorer). Brændstof i form af ladninger (i første omgang - sort pulver, fra slutningen af ​​det 19. århundrede - røgfrit pulver, fra midten af ​​det 20. århundrede - specielle sammensætninger) er fuldstændigt placeret i forbrændingskammeret. Efter start fortsætter forbrændingen normalt, indtil brændstoffet er helt udbrændt; ændringen i tryk er ikke reguleret. Det er det enkleste i design og betjening, men har en række ulemper: lavt specifikt tryk, enkelt affyring osv. Det er installeret på nogle løfteraketter i USA (Scout, Thor, Titan), Frankrig og Japan. Det bruges også som bremse-, rednings-, korrigerende osv. systemer (fig. 74).

Liquid raketmotor (LPRE) er en raketmotor, der kører på flydende raketbrændstof. Foreslået af K. E. Tsiolkovsky i 1903. Hovedmotoren i moderne rumteknologi. Drivkraft fra fraktioner af et gram til hundredvis af tons. Ifølge deres formål er flydende drivmiddelmotorer opdelt i hoved (fremdrift), bremsning, korrigerende osv. Følgende bruges som brændstof: oxidationsmidler - flydende oxygen, nitrogentetroxid, hydrogenperoxid; brændbare stoffer - petroleum, hydrazin, flydende ammoniak, flydende brint. Den mest lovende kombination af flydende brint og oxygen (LV Energia) (Fig. 75).

For at øge den specifikke drivkraft er brugen af ​​kerneenergi lovende. Eksperimentelle prøver af nukleare raketmotorer ( GÅRD) er blevet udviklet siden midten af ​​60'erne i USSR og USA. I øjeblikket er Rusland den eneste stat, der har en vedvarende atomdrevet raketkaster (fig. 76).

Udviklingen fortsætter elektriske rulleveje(EP) - elektrotermisk, elektromagnetisk, ionisk. De første eksperimentelle prøver af elektrisk fremdrift blev skabt i USSR i 1929-30; I øjeblikket bruges elektriske fremdriftsmotorer som holdningskontrolmotorer til rumfartøjer i Rusland og USA. Fremdrifts-ionmotoren er installeret på AMS, der blev lanceret i slutningen af ​​90'erne. i USA (fig. 77).

Fra rumflyvningsmekanikkens synspunkt er rulleveje opdelt i:

1. Fremdrivningssystemer med begrænset udstødningshastighed w » 3 - 30 km/s, bestemt af jetstrømmens højeste temperatur (kemisk, nuklear osv.). De opererer i kort tid (minutter, sekunder) i atmosfæren og støvsuger i små aktive sektioner af flyvebanen (hundreder af km).

2. Begrænsede strømsystemer med en separat energikilde, som deres effektivitet afhænger af (elektrisk osv.).

3. Systemer med begrænset fremdrift (sejlads og radioisotop).

Under aktive flyvefaser afhænger rumfartøjets bevægelse af driften af ​​dets motorer; i passive sektioner af baner er rumfartøjets bevægelse påvirket af tiltrækningskræfterne fra kosmiske legemer, lettryk og solvind, og i de øverste lag af atmosfæren - af aerodynamiske friktionskræfter.

De vigtigste egenskaber ved den passive bevægelse af et rumfartøj kan bestemmes ved at løse 2-kropsproblemet.

I det centrale gravitationsfelt af massive kosmiske legemer bevæger rumfartøjer sig i Keplerske baner og:

1. Rumfartøjets bane er retlinet i det tilfælde, hvor dets begyndelseshastighed u 0 = 0 og rumfartøjet falder ensartet accelereret mod tyngdepunktet.

2. Rumfartøjer bevæger sig langs elliptiske baner, når starthastigheden er rettet i en vinkel i forhold til tyngdepunktet ved . I elliptiske baner rundt om Jorden bevæger dens satellitter, moderne rumfartøjer og orbitalstationer sig såvel som rumfartøjer, der kredser om de planeter, de studerer.

3. Langs parabolske baner ved u 0 = u II, når rumfartøjets sluthastighed i et uendeligt fjernt punkt i rummet er nul.

4. Langs hyperbolske baner (u 0 > u II), næsten umulige at skelne fra retlinede i stor afstand fra tyngdepunktet.

Baner for interplanetariske flyvninger adskiller sig i form, flyvevarighed, energiomkostninger og andre faktorer afhængigt af formålet med og karakteristika for rumflyvningen. Det er interessant at bemærke, at rumfartøjer næsten aldrig bevæger sig i en lige linje: deres bevægelsesbaner (bortset fra nogle idealiserede tilfælde) er segmenter af kurver af anden orden (cirkler, ellipser, parabler og hyperbler), der forbinder de kosmiske legemers baner. eller selve kroppene.

Der er 3 passive sektioner af interplanetariske flyvebaner: 1) inde i Jordens "handlingssfære", hvor rumfartøjets bevægelse kun bestemmes af tyngdekraften; 2) fra grænsen for Jordens indflydelsessfære til grænsen for det kosmiske legemes indflydelsessfære - målet for flyvningen, den længste og mest kontinuerlige, hvorpå rumfartøjets bevægelse bestemmes af tiltrækningen af Solen; 3) inden for det kosmiske legemes handlingsområde - formålet med flyvningen.

Det blev allerede bemærket ovenfor, at for at forlade Jordens indflydelsessfære skal rumfartøjet have en hastighed u > u II; . Den ekstra hastighed, som et rumfartøj, der befinder sig i en kunstig satellits kredsløb, skal opnå for at forlade jordens indflydelsessfære, kaldes udgangshastigheden u V. , Hvor r- afstand fra det kosmiske legeme, R dÅ - radius af jordens indflydelsessfære ( R dÅ = 925000 km).

Når du opsender et rumfartøj fra jordens overflade, er det nødvendigt at overveje:

1) Jordens hastighed og rotationsretning omkring sin akse;
2) Jordens hastighed og rotationsretning omkring Solen (u Å = 29,785 km/s).

Opsendelsen af ​​satellitter, der roterer i den modsatte retning af Jordens rotationsretning omkring sin akse, er meget kompliceret, hvilket kræver store energiforbrug; Det er sværere at opsende et rumfartøj langs en bane, der ikke ligger i det ekliptiske plan.

Hvis udgangshastigheden falder sammen i retning med hastigheden af ​​jordens bevægelse v Å, rumskibets kredsløb, bortset fra perihelium, ligger uden for Jordens kredsløb (fig. 79c).
Med den modsatte hastighedsretning u V Rumfartøjets kredsløb, med undtagelse af aphelion, ligger inde i Jordens kredsløb (fig. 79a).
Med samme retning og hastighedslighed u V= u Å rumfartøjets bane bliver lige, langs hvilken rumfartøjet vil falde på Solen i omkring 64 dage (fig. 79d).
Når du V= 0, rumfartøjets kredsløb falder sammen med Jordens kredsløb (fig. 79b).

Jo højere hastighed u V Rumfartøjet, jo større er excentriciteten af ​​dens elliptiske bane. Ved hjælp af forholdsvis simple beregninger bestemmes værdien v ind, nødvendigt for at perihelium eller aphelium af rumfartøjets kredsløb kan ligge i kredsløbet om de ydre eller indre planeter, .

Rumfartøjers flyvebaner, der samtidig berører Jordens kredsløb og kosmiske legemer - målene for interplanetarisk flyvning - kaldes Hohmanns baner(til ære for den tyske videnskabsmand W. Homann, der har beregnet dem).

For ydre planeter: . For indre planeter: , Hvor r- den gennemsnitlige afstand af et planetlegeme fra Solen.

Varigheden af ​​flyvningen langs Homan-banen beregnes ved hjælp af formlen: gennemsnitlig solskinsdag.

Når man beregner banen for en interplanetarisk flyvning ved hjælp af Hohmann-baner, er det nødvendigt at tage højde for den relative position (initialkonfiguration) af Jorden, Solen og målplaneten, egenskaberne og træk ved planeternes bevægelser i deres baner . For eksempel vil en flyvning til Mars langs den korteste Hohmann-bane kun tage 69,9 d, til Jupiter - 1,11 år, til Pluto - 19,33 år. Men den faktiske optimale indbyrdes position af Jorden, Solen og disse planeter forekommer ekstremt sjældent, og for at reducere flyvetiden er det nødvendigt at øge u V, hvilket kræver yderligere energiforbrug. Derfor er blandt andet bemandede flyvninger til solsystemets planeter meget dyrere og sværere end at udforske disse planeter ved hjælp af rumfartøjer, som kan flyve til deres mål i årevis langs de mest økonomiske baner. Under hensyntagen til påvirkningen af ​​forstyrrelser fra planeterne og Solen, skal AWS'er og rumfartøjer have motorer til at justere bevægelsesbanen.

Efter at have nået målplanetens handlingssfære, for at komme ind i en elliptisk eller cirkulær bane omkring den, skal rumfartøjet reducere sin hastighed til en værdi mindre end II kosmisk for den givne planet.

I interplanetarisk navigation er rumfartøjets manøvre i gravitationsfeltet på solsystemets planeter meget brugt.

Når man bevæger sig i det centrale tyngdefelt af et massivt kosmisk legeme, udsættes rumfartøjet for en tiltrækningskraft fra dette legeme, som ændrer hastigheden og retningen af ​​rumfartøjets bevægelse. Retningen og størrelsen af ​​rumfartøjets acceleration afhænger af, hvor tæt rumfartøjet flyver fra det kosmiske legeme og af vinklen j mellem retningerne for ind- og udgang af rumfartøjet ind i dette legemes handlingssfære.

Rumfartøjets hastighed ændres med:

Rumfartøjet opnår den største acceleration, når det bevæger sig langs en bane, der passerer i en minimumsafstand fra det kosmiske legeme, hvis hastigheden for rumfartøjets indtræden i handlingssfæren er lig med I kosmisk hastighed u I ved overfladen af ​​dette legeme, mens .

Når man flyver rundt om Månen, kan rumfartøjet øge sin hastighed med 1,68 km/s, når man flyver rundt om Venus - med 7,328 km/s, og når man flyver rundt om Jupiter - med 42,73 km/s. Den hastighed, hvormed rumfartøjet forlader planetens indflydelsessfære, kan øges betydeligt ved at tænde for motorerne i det øjeblik, det passerer periapsis.

I fig. 80-81 viser nogle beregnede baner for interplanetariske flyvninger.

Astronautik- en gren af ​​astronautik, der studerer problemerne med interstellare flyvninger. I øjeblikket studerer han hovedsageligt teoretiske problemer med flyvningens mekanik, da moderne videnskab ikke har information til at løse tekniske problemer med at nå stjernerne.

For interstellar flyvning skal rumfartøjet gå ud over Solens indflydelsessfære, svarende til 9 × 10 12 km. Interstellare afstande er enorme: den nærmeste stjerne er 270.000 AU; Der er kun omkring 50 stjerner inde i en kugle med en radius på 10 pct. beskrevet omkring Solen.

I øjeblikket er rumfartøjerne Pioneer 10 og 11 og Voyager 1 og 2 begivet ud på en flyvning ud over solsystemet, som vil bevæge sig væk til en afstand på 1 lysår om tusinder af år.

Eksisterende og endda lovende typer af raketmotorer er ikke egnede eller af ringe nytte til interstellare flyvninger, da de ikke kan accelerere rumfartøjet til hastigheder, der overstiger 0,1 lysets hastighed Med .

Til de nærmeste stjerner er kun envejsflyvninger med automatiske interstellare sonder (AIS) eller bemandede flyvninger teoretisk mulige med det formål at kolonisere egnede planeter med en besætning i en tilstand af "reversibel død" (dvale) eller med et generationsskifte inde i skibet, hvilket kræver løsning af mange problemer kun tekniske, men også etiske, psykologiske, biologiske problemer (besætningen vil aldrig vende tilbage til Jorden; de vil skulle tilbringe det meste af deres liv eller endda hele deres liv under generationsskiftet inde i skibet. skib; det er nødvendigt at skabe et fuldstændigt lukket økosystem af rumfartøjet osv.); allerede før opsendelsen skal terrestriske astronomiske observationer garantere eksistensen af ​​jordiske planeter med betingelser, der er egnede til liv nær stjernen - målet for flyvningen (ellers mister flyvningen sin mening).

Den "blå drøm" af moderne astronautik er en teoretisk ideel kvante (foton) raketkaster med w = c - den eneste egnet til interstellare flyvninger inden for galaksen (fig. 78).

Bevægelsen af ​​fysiske legemer med hastigheder tæt på lysets hastighed betragtes i den generelle relativitetsteori (GTR), som studerer rum-tidsmønstrene for enhver fysisk proces.

Inden for rammerne af generel relativitetsteori er Tsiolkovsky-formlen generaliseret og har formen: ,

Hvor z- Tsiolkovsky nummer, m 0 - initial, m 1 er rumfartøjets endelige masse, u 1 er rumfartøjets sluthastighed i jordens referenceramme, w er jetstrømmens hastighed i forhold til skibet.

Selv et fotonrumskib kan ikke nå lysets hastighed ved w = c , fordi: .

Ifølge moderne videnskab er flyvning med hastigheder højere end lysets hastighed umulig for nogen materielle genstande. Men (teoretisk set) kan et rumskib rejse med hastigheder tæt på lysets hastighed.

Mulige muligheder for interstellar flyvning:

1. Flyvning i 3 trin: acceleration af rumfartøjet til maksimal hastighed; friløbsflyvning med slukkede motorer; bremse til nul hastighed.
2. Flyvning i 2 trin med konstant acceleration: den første halvdel af flyvningen øger rumfartøjet hastigheden med acceleration g~ gÅ= 10 m/s 2 og begynder derefter at bremse med samme acceleration.

Ifølge de grundlæggende principper for generel relativitet vil for en observatør om bord på et rumfartøj, når de nærmer sig lysets hastighed, alle fysiske processer bremses med en faktor, og afstandene langs rumfartøjets bevægelsesretning vil blive reduceret med samme mængde: rum og tid er så at sige "komprimeret". I skibets referenceramme vil det være stationært, men i forhold til Jorden og flyvemålet vil det bevæge sig med en hastighed u £ c.

Egen (skibs) flyvetid og uafhængig tid, der er forløbet fra tidspunktet for opsendelsen på Jorden, beregnes ved hjælp af forskellige formler: , Hvor Og - hyperbolske cosinus og hyperbolske sinusfunktioner, r- afstand til flyvemålet.

Med kontinuerlig acceleration g= 10 m/s 2 en flyvning til stjernen en Centauri vil tage 3,6 år ifølge skibets ur, 4,5 år ifølge jordens ur; flyveturen til centrum af Galaxy vil tage i henhold til skibets ur T k= 19,72 år ifølge Jorden T Å= 27000 år; en flyvning til M31-galaksen ("Andromeda-tågen"), den nærmeste af spiralgalakserne, vil tage tilsvarende T k= 28 år og T Å= 3,5 millioner år!

Dette er prisen, der skal betales for interstellare flyvninger i henhold til "tvillingparadokset": Astronauter, der har fløjet omkring halvdelen af ​​galaksen og i alderen ti år, vil vende tilbage til Jorden tusinder og millioner af år efter opsendelsen. Ud over de rent etiske problemer med udlændinge, der vender tilbage fra en i det væsentlige "envejsflyvning" fra en fjern fortid til fremtidens verden, opstår et vigtigt problem med værdien af ​​den information, som astronauterne leverer: under flyvningen, videnskaben på Jorden står ikke stille!

Energiproblemerne ved interstellare flyvninger er meget vigtige: Hvis man skal opnå den anden kosmiske hastighed af en interplanetarisk bemandet flyvning Jorden - Mars, vil der blive brugt energi på omkring 8,4 × 10 9 kW × h (genereret af et kraftværk med en kapacitet på 100 MW på 8,5 timer), derefter for at accelerere rumfartøjet til 0,2 Med den nødvendige energi er 10 15 kW × h - al den energi, der genereres af Jordens kraftværker på 10 år. En stigning i hastigheden til 0,4 s medfører en stigning i energiforbruget med 16 gange med 100 % motoreffektivitet! Brændstofreserverne til den termonukleare raketmotor vil udgøre over 99% af rumfartøjets masse. Syntesen af ​​antistof til en enkelt flyvning af et foton-rumskib kræver en sådan mængde energi, at moderne videnskab ikke kan angive dens kilde i solsystemet.

I henhold til fysikkens love er interstellare bemandede rumfartøjsflyvninger praktisk talt umulige på det nuværende udviklingsniveau for den jordiske civilisation. Studier af nærliggende stjerner ved interstellar ubemandet AMS er ganske mulige (i øjeblikket i USA og Rusland udvikles projekter til at opsende AMS til Proxima Centauri, Barnard's Star og nogle andre objekter i midten af ​​det 21. århundrede). AMZ'er med flere snesevis af tons nyttelastmasse vil accelerere til en hastighed på 0,1-0,2 Med sol-, radioisotop- eller termonukleare raketmotorer, vil flyvetiden være ti eller endda hundreder af år.

Det undersøgte materiale konsolideres i løbet af opgaveløsningen:

Øvelse 10:

1. Hvorfor er det nemmere at opsende et rumfartøj til Pluto end til Solen?

2. Er det muligt, en favoritsituation i 60'ernes science fiction, når et rumfartøj med en defekt motor tiltrækkes og falder i Solen?

3. Hvor og hvorfor er det mere rentabelt at lokalisere kosmodromer: ved polerne eller ved Jordens ækvator?

4. Bestem den hastighed, hvormed rumfartøjet forlader solsystemet. Hvor lang tid vil det tage at flyve til den nærmeste stjerne?

5. Hvorfor opstår vægtløshed inde i rumfartøjet i den passive del af flyvebanen?

6. Hvad er hastigheden af ​​AMS, der roterer i en cirkulær bane omkring Jupiter i en afstand af: a) 2000 km; b) 10.000 km fra planeten?

7. Tegn på tegningen konfigurationen af ​​Jorden, Solen og Mars, idet de betragter deres kredsløb som værende cirkulære, under flyvningen af ​​det sovjetiske rumfartøj "Mars-2" og "Mars-3", som nåede Mars den 21. november, 1971 og 2. december 1971 efter 192 og 188 dages flyvning, hvis oppositionen fra planeterne fandt sted den 10. august 1971.

Ifølge V.V. Radzievsky bør henlede lærernes og elevernes opmærksomhed "på den enorme praktiske betydning af astronomi i forbindelse med den aktive udforskning af rummet, på astronautikkens rolle i løsningen af ​​miljøproblemer med miljøforurening (overførsel af luftforurenende virksomheder til rummet, frigivelse af farligt industriaffald ud i rummet, demografiske udsigter)... Det er nødvendigt at styrke elementerne i astronautik i selve programmet, introducere spørgsmål: loven om bevarelse af energi i 2-kropsproblemet (elementær konklusion)...

I 60-80'erne blev der undervist i et valgfag af A.D. på skoler i Sovjetunionen. Marlensky "Fundamentals of Cosmonautics" (IX klasse, 70 timers træning, 2 timer om ugen). Information om dets struktur, indhold og lektionsplanlægning kan være nyttig for en moderne lærer i fysik og astronomi til at bruge det relevante materiale i fysik- og astronomitimer (især i fysik- og matematiktimer) og fritidsaktiviteter:

1) Astronautikkens historie(2 timer) (De første fantastiske rumflyvningsprojekter. K.E. Tsiolkovsky - grundlæggeren af ​​videnskabelig astronautik. De vigtigste stadier i udviklingen af ​​raketteknologi. Opsendelsen af ​​den første sovjetiske satellit og begyndelsen af ​​rumalderen. Menneskelig flyvning ud i rummet ).

2) Bevægelse og design af raketter(4 timer) (Princippet for en rakets drift. Begrebet mekanik af legemer med variabel masse. Tsiolkovsky-formlen. De vigtigste dele og numeriske karakteristika for en enkelt-trins raket. Flertrins raketter. Raketmotorer og brændstoffer) . Start med at gentage loven om bevarelse af momentum; baseret på det, analyser en enkelt-puls masseudslyngning fra en raket. Overvej en række på hinanden følgende udslyngninger og vis, at den resulterende hastighed af en raket under ensrettede udkast er lig med summen af ​​de hastigheder, den modtager med hver masseudslyngning. Rapportér Tsiolkovsky-formlen (uden en detaljeret afledning, men med en detaljeret analyse af den fysiske betydning og løsning af de tilsvarende problemer). Overvej bevægelsen af ​​en raket fra synspunktet om dynamikkens love, afhængigt af den reaktive kraft. Demonstrer eksperimentelt forekomsten af ​​reaktiv kraft ved hjælp af eksempler på strømmende vandstråler og vis, hvordan trykkraften kan ændres (et diagram over installationen er tilvejebragt). At gøre eleverne fortrolige med de numeriske karakteristika ved enkelt- og flertrins løfteraketvogne. Tilbyd (hjemme) at udvikle raketprojekter med forskellige egenskaber, adskil dem i næste lektion. RD's arbejde studeres i generelle vendinger. Skemaer af deres design, brændstofforsyning og grafer over ændringer i karakteristika (hastighed, temperatur og tryk af forbrændingsprodukter langs rullebanens akse) tages i betragtning. Vær opmærksom på de grundlæggende data for raketmotorer og raketbrændstof i sammenligning med termiske motorer og jordtransportbrændstof. Det er nyttigt at demonstrere fungerende modelraketter.

3) Fri bevægelse af en raket i et gravitationsfelt(8 timer) (Centralt gravitationsfelt. Problem med 2 legemer. Loven om bevarelse af mekanisk energi ved bevægelse i et gravitationsfelt. Gravitationsparameter. Formel for hastigheden af ​​et legeme, der bevæger sig i en elliptisk bane. Bevægelsesbaner i et gravitationsfelt (Kepler-baner). Keplers love. Cirkulær hastighed, frigivelseshastighed, hyperbolsk overskydende hastighed. Begrebet forstyrret bevægelse. Virkeområde. Vægtløshed). Gentag loven om universel gravitation i forhold til 2 materialepunkter og analyser dens formel i detaljer; påpege muligheden for at repræsentere massive kosmiske legemer i form af materielle punkter. Der dannes en idé om tyngdefeltet som et felt af centrale kræfter og dets karakteristika: tyngdeacceleration (der gør det muligt at bestemme kraftvirkningerne af det centrale felt på legemer introduceret på forskellige punkter i feltet) og potentialer (til bestemmelse af energiomkostninger) for forskellige bevægelser af kroppe på dette område). Begrund valget af nulværdien af ​​gravitationspotentialet for punkter ved uendelig; i dette tilfælde er gravitationspotentialerne for alle kosmiske legemer målt fra nulniveauet og er nemme at sammenligne. Ved at sammenligne gravitationspotentialerne for punkter på planeternes overflade kan man bedømme mængden af ​​arbejde, der kræves for at fjerne et legeme fra et givet punkt til det uendelige (hvis man introducerer begrebet kosmisk hastighed II). Løsningen på 2-kropsproblemet er baseret på lovene om bevarelse af energi og vinkelmomentum (konceptet om loven om bevarelse af vinkelmomentum bør dannes baseret på demonstrationen af ​​Zhukovsky-bænken, definitionen af ​​begrebet vinkelmoment. momentum og en række eksperimenter)

4) Bevægelse af en raket under påvirkning af stød(6 timer) (Indsættelse af et rumfartøj i kredsløb. Hastighedstab. Initial- og totalkarakteristiske hastigheder. Rumfartøjskontrol. Banekorrektioner. Overbelastninger under flyvning. Begrebet rumnavigation. Inerti-, astro- og radionavigation. Orientering og stabilisering af rumfartøjet ). 5) Kunstige jordsatellitter(8 timer) (Satellitbaner. Forstyrrelse af baner forårsaget af Jordens ikke-sfæriskhed, atmosfærisk modstand, Månens og Solens tyngdekraft. Satellittens bevægelse i forhold til Jordens overflade. Injektion af satellitten i kredsløb. Multipuls manøvrer. Møde i kredsløb. Ventebaner. Homan-overførsler. Docking. Orbitalstationer. Nedstigning fra kredsløb. Grundlæggende fysiske fænomener under genindstigning. Ballistiske og glidende nedstigninger). 6) Flyvninger til månen og planeterne(8 timer) (Flyvebaner til Månen. Kunstige månesatellitter. Landing på Månen. Flyvebaner til planeterne. Optimale baner. Startvinduer. Banekorrektioner. Multipulsbaner. Brug af planeternes gravitationsfelt til at ændre rumfartøjers baner. Flyve omkring planeter. Landing på planeter. Brug af atmosfæren under landing. Indgangskorridor. Hård og blød landing). 7) Rumflyvningsforhold(2 timer) (Strålingsfare. Meteoritfare. Beskyttelsesmetoder. Livsstøtte i rumfartøjet. Rumpsykologi. Livsrytmen i rumfartøjet. Vægtløshedens og overbelastningens indflydelse på kroppen). 8) Videnskabelig og praktisk brug af astronautik(6 timer) (Sovjetunionens præstationer i brugen af ​​rummet. Videnskabeligt udstyr af satellitter, rumfartøjer og AWS. Forskning af Jorden, jordens nære rum, Månen, planeter, interplanetarisk rum ved hjælp af astronautik. Praktisk brug af astronautik : i geodæsi, meteorologi, navigation, kommunikation, udforskning af jordens ressourcer). 9) Udsigter for astronautik(2 timer) (Projekter til yderligere rumflyvninger i Solsystemet. Projekter til udforskning af Månen og planeterne. Muligheden for interstellare flyvninger). 10 timers praktisk arbejde (inklusive astronomiske observationer).

<< Предыдущая наблюдения - лабораторные работы - практические работы - учебная программа - учебные пособия - лекции - педагогический эксперимент - дидактика - контрольные работы - задача
Se også: Alle publikationer om samme emne >>

Ordet kosmos er synonymt med ordet Univers. Rummet opdeles ofte lidt vilkårligt i det nære rum, som i øjeblikket kan udforskes ved hjælp af kunstige jordsatellitter, rumfartøjer, interplanetariske stationer og andre midler, og det fjerne rum – alt andet, urimeligt større. Faktisk refererer det nære rum til solsystemet, og det fjerne rum refererer til de store vidder af stjerner og galakser.

Den bogstavelige betydning af ordet "kosmonautik", som er en kombination af to græske ord - "svømme i universet." I almindelig brug betyder dette ord et sæt af forskellige grene af videnskab og teknologi, der leverer forskning og udvikling af det ydre rum og himmellegemer ved hjælp af rumfartøjer - kunstige satellitter, automatiske stationer til forskellige formål, bemandede rumfartøjer.

Kosmonautik, eller, som det nogle gange kaldes, astronautik, kombinerer flyvninger ud i det ydre rum, et sæt grene af videnskab og teknologi, der tjener til udforskning og brug af det ydre rum af hensyn til menneskehedens behov ved hjælp af forskellige rummidler. Begyndelsen af ​​menneskehedens rumalder anses for at være den 4. oktober 1957 - datoen, hvor den første kunstige jordsatellit blev opsendt i Sovjetunionen.

Teorien om rumflyvning, en langvarig drøm for menneskeheden, blev en videnskab som et resultat af den store russiske videnskabsmand Konstantin Eduardovich Tsiolkovskys skelsættende værker. Han studerede de grundlæggende principper for missilballistik, foreslog et diagram over en flydende raketmotor og etablerede de love, der bestemmer motorens reaktive kraft. Ordninger af rumfartøjer blev også foreslået, og principperne for raketdesign, som nu er meget brugt i praksis, blev givet. I lang tid, indtil det øjeblik, hvor ideer, formler og tegninger fra entusiaster og videnskabsmænd begyndte at blive til genstande fremstillet "i metal" i designbureauer og fabriksværksteder, hvilede det teoretiske grundlag for astronautik på tre søjler: 1) teorien om rumfartøjets bevægelse ; 2) raketteknologi; 3) helheden af ​​astronomisk viden om universet. Efterfølgende opstod en lang række nye videnskabelige og tekniske discipliner i astronautikkens dybder, såsom teorien om kontrolsystemer til rumobjekter, rumnavigation, teorien om rumkommunikationssystemer og informationstransmission, rumbiologi og -medicin osv. Nu at det er svært for os at forestille os astronautik Uden disse discipliner er det nyttigt at huske, at det teoretiske grundlag for astronautikken blev lagt af K. E. Tsiolkovsky på et tidspunkt, hvor kun de første eksperimenter blev udført med brugen af ​​radiobølger, og radio kunne ikke betragtes som et kommunikationsmiddel i rummet.

I mange år har signalering ved hjælp af sollys, der reflekteres mod Jorden af ​​spejle om bord på et interplanetarisk rumfartøj, været seriøst blevet betragtet som et kommunikationsmiddel. Nu hvor vi er vant til ikke at blive overrasket over hverken direkte tv-dækning fra Månens overflade eller radiofotografier taget nær Jupiter eller på overfladen af ​​Venus, er det svært at tro. Derfor kan det argumenteres for, at teorien om rumkommunikation, trods al dens betydning, stadig ikke er hovedleddet i kæden af ​​rumdiscipliner. Dette hovedled er teorien om bevægelse af rumobjekter. Det er dette, der kan betragtes som teorien om rumflyvning. Specialister involveret i denne videnskab kalder det selv anderledes: anvendt himmelmekanik, himmelballistik, rumballistik, kosmodynamik, rumflyvningsmekanik, teori om bevægelse af kunstige himmellegemer. Alle disse navne har samme betydning, præcist udtrykt ved det sidste udtryk. Kosmodynamik er således en del af himmelmekanikken - en videnskab, der studerer bevægelsen af ​​alle himmellegemer, både naturlige (stjerner, Solen, planeter, deres satellitter, kometer, meteoroider, kosmisk støv) og kunstige (automatiske rumfartøjer og bemandede rumfartøjer) . Men der er noget, der adskiller kosmodynamikken fra den himmelske mekanik. Kosmodynamikken, født i den himmelske mekaniks skød, bruger sine metoder, men passer ikke ind i dens traditionelle ramme.

En væsentlig forskel mellem anvendt himmelmekanik og klassisk mekanik er, at den anden ikke og ikke kan beskæftige sig med valget af kredsløb for himmellegemer, mens den første omhandler udvælgelsen fra et stort antal mulige baner for at nå et bestemt himmellegeme af en bestemt bane, som tager højde for talrige, ofte modstridende krav. Hovedkravet er den minimumshastighed, som rumfartøjet accelererer til under den indledende aktive fase af flyvningen, og følgelig minimumsmassen af ​​løftefartøjet eller det øverste kredsløbstrin (ved opsendelse fra lavt kredsløb om Jorden). Dette sikrer den maksimale nyttelast og dermed den største videnskabelige effektivitet af flyvningen. Kravene til nem kontrol, radiokommunikationsforhold (f.eks. i det øjeblik stationen kommer ind på planeten under dens forbiflyvning), betingelser for videnskabelig forskning (landing på planetens dag- eller natside) osv. tages også i betragtning. Cosmodynamics giver rumoperationsdesignere metoder til optimal overgang fra en bane til en anden, måder at korrigere banen på. I dets synsfelt er orbital manøvrering, ukendt for klassisk himmelmekanik. Kosmodynamik er grundlaget for den generelle teori om rumflyvning (ligesom aerodynamik er grundlaget for teorien om flyvning i atmosfæren af ​​flyvemaskiner, helikoptere, luftskibe og andre fly). Cosmodynamics deler denne rolle med raketdynamik - videnskaben om raketbevægelse. Begge videnskaber, tæt forbundne, danner grundlaget for rumteknologi. Begge er sektioner af teoretisk mekanik, som i sig selv er en separat sektion af fysik. Som en eksakt videnskab bruger kosmodynamikken matematiske forskningsmetoder og kræver et logisk sammenhængende præsentationssystem. Det er ikke for ingenting, at grundlaget for den himmelske mekanik blev udviklet efter de store opdagelser af Copernicus, Galileo og Kepler af netop de videnskabsmænd, der ydede det største bidrag til udviklingen af ​​matematik og mekanik. Disse var Newton, Euler, Clairaut, d'Alembert, Lagrange, Laplace. Og på nuværende tidspunkt hjælper matematik med at løse problemer med himmelballistik og får til gengæld en fremdrift i dens udvikling takket være de opgaver, som kosmodynamikken stiller for den.

Klassisk himmelmekanik var en rent teoretisk videnskab. Hendes konklusioner blev konsekvent bekræftet af astronomiske observationsdata. Kosmodynamik introducerede eksperimenter i himmelmekanik, og himmelmekanik blev for første gang til en eksperimentel videnskab, der i denne henseende ligner f.eks. en gren af ​​mekanikken som aerodynamik. Den klassiske himmelmekaniks ufrivilligt passive karakter blev erstattet af den aktive, offensive ånd af himmelballistik. Hver ny præstation inden for astronautik er på samme tid bevis på effektiviteten og nøjagtigheden af ​​kosmodynamiske metoder. Kosmodynamik er opdelt i to dele: teorien om bevægelse af et rumfartøjs massecenter (teori om rumbaner) og teorien om et rumfartøjs bevægelse i forhold til massecentrum (teorien om "rotationsbevægelse").

Raketmotorer

Det vigtigste og næsten eneste transportmiddel i det ydre rum er raketten, som først blev foreslået til dette formål i 1903 af K. E. Tsiolkovsky. Lovene for raketfremdrift repræsenterer en af ​​hjørnestenene i teorien om rumflyvning.

Cosmonautics har et stort arsenal af raketfremdrivningssystemer baseret på brugen af ​​forskellige typer energi. Men i alle tilfælde udfører raketmotoren den samme opgave: på den ene eller anden måde udstøder den en vis masse fra raketten, hvis reserve (den såkaldte arbejdsvæske) er placeret inde i raketten. En vis kraft virker på den udstødte masse fra raketten, og ifølge Newtons tredje lov om mekanik - loven om lighed mellem handling og reaktion - virker den samme kraft, men i den modsatte retning, fra den udstødte masse på raketten. Denne sidste kraft, der driver raketten, kaldes thrust. Det er intuitivt klart, at trykkraften skal være større, jo større masse pr. tidsenhed, der udskydes fra raketten, og jo større hastighed kan den udstødte masse bibringes.

Det enkleste diagram af et raketdesign:

På dette stadium af udviklingen af ​​videnskab og teknologi er der raketmotorer baseret på forskellige driftsprincipper.

Termokemiske raketmotorer.

Driftsprincippet for termokemiske (eller blot kemiske) motorer er ikke kompliceret: som et resultat af en kemisk reaktion (normalt en forbrændingsreaktion) frigives en stor mængde varme, og reaktionsprodukterne opvarmes til en høj temperatur, der hurtigt ekspanderer, kastet ud af raketten med høj hastighed. Kemiske motorer tilhører en bredere klasse af termiske (varmeveksler) motorer, hvor arbejdsvæsken strømmer ud som følge af dens ekspansion gennem opvarmning. For sådanne motorer afhænger udstødningshastigheden hovedsageligt af temperaturen af ​​de ekspanderende gasser og af deres gennemsnitlige molekylvægt: Jo højere temperatur og jo lavere molekylvægt, jo større er udstødningshastigheden. Flydende raketmotorer, raketmotorer til fast brændsel og luftåndende motorer fungerer efter dette princip.

Nukleare termiske motorer.

Princippet om drift af disse motorer er næsten ikke forskelligt fra princippet om drift af kemiske motorer. Forskellen er, at arbejdsvæsken ikke opvarmes på grund af sin egen kemiske energi, men på grund af "fremmed" varme frigivet under en intranuklear reaktion. Baseret på dette princip blev der designet pulserende nukleare termiske motorer, nukleare termiske motorer baseret på termonuklear fusion og radioaktivt henfald af isotoper. Men faren for radioaktiv forurening af atmosfæren og indgåelsen af ​​en aftale om at standse atomprøvesprængninger i atmosfæren, i rummet og under vand, førte til, at finansieringen af ​​de nævnte projekter ophørte.

Varmemotorer med ekstern energikilde.

Princippet for deres drift er baseret på at modtage energi udefra. Baseret på dette princip er en solvarmemotor designet, hvis energikilde er Solen. Solstråler koncentreret af spejle bruges til direkte at opvarme arbejdsvæsken.

Elektriske raketmotorer.

Denne brede klasse af motorer kombinerer forskellige typer motorer, som i øjeblikket udvikles meget intensivt. Arbejdsvæsken accelereres til en vis udstødningshastighed ved hjælp af elektrisk energi. Energien hentes fra et atom- eller solkraftværk placeret om bord på rumfartøjet (i princippet endda fra et kemisk batteri). Designet af de elektriske motorer, der udvikles, er ekstremt forskelligartede. Disse omfatter elektrotermiske motorer, elektrostatiske (ioniske) motorer, elektromagnetiske (plasma) motorer, elektriske motorer med indtag af arbejdsvæske fra de øvre lag af atmosfæren.

Rumraketter

En moderne rumraket er en kompleks struktur bestående af hundredtusinder og millioner af dele, som hver spiller sin tilsigtede rolle. Men fra synspunktet om mekanikken til at accelerere en raket til den nødvendige hastighed, kan hele rakettens begyndelsesmasse opdeles i to dele: 1) massen af ​​arbejdsvæsken og 2) den endelige masse, der er tilbage efter frigivelsen af arbejdsvæsken. Sidstnævnte kaldes ofte "tør" masse, da arbejdsvæsken i de fleste tilfælde er flydende brændstof. Den "tørre" masse (eller, hvis du foretrækker, den "tomme" masse, uden arbejdsvæske, af raketten) består af massen af ​​strukturen og massen af ​​nyttelasten. Designet skal ikke kun forstås som den bærende struktur af raketten, dens granat osv., men også fremdriftssystemet med alle dets enheder, kontrolsystemet, herunder kontrol, navigations- og kommunikationsudstyr osv. - med et ord, alt det, der sikrer normal flyvning af raketten. Nyttelasten består af videnskabeligt udstyr, et radiotelemetrisystem, rumfartøjets krop, der opsendes i kredsløb, rumfartøjets besætning og livstøttesystem osv. Nyttelasten er noget, som raketten kan lave en normal flyvning uden.

Rakettens acceleration lettes af det faktum, at når arbejdsvæsken strømmer ud, falder rakettens masse, hvilket medfører, at den reaktive acceleration konstant øges med konstant tryk. Men desværre består raketten ikke kun af én arbejdsvæske. Efterhånden som arbejdsvæsken udløber, begynder de frigjorte tanke, overskydende dele af granaten osv. at belaste raketten med dødvægt, hvilket gør det svært at accelerere. Det er tilrådeligt på nogle punkter at adskille disse dele fra raketten. En raket bygget på denne måde kaldes en kompositraket. Ofte består en sammensat raket af uafhængige rakettrin (takket være dette kan forskellige raketsystemer fremstilles af individuelle trin), forbundet i serie. Men parallelforbindelse af trin, side om side, er også mulig. Endelig er der projekter af kompositraketter, hvor det sidste trin går inde i den forrige, som er lukket inde i den forrige osv.; i dette tilfælde har etaperne en fælles motor og er ikke længere uafhængige raketter. En væsentlig ulempe ved sidstnævnte skema er, at efter adskillelse af det brugte trin stiger jetaccelerationen kraftigt, da motoren forbliver den samme, har trykket derfor ikke ændret sig, og den accelererede masse af raketten er kraftigt faldet. Dette komplicerer nøjagtigheden af ​​missilføringen og stiller øgede krav til strukturens styrke. Når etaperne er serieforbundne, har den nyindkoblede scene mindre tryk, og accelerationen ændres ikke voldsomt. Mens det første trin kører, kan vi betragte de resterende trin sammen med den sande nyttelast som det første trins nyttelast. Efter adskillelsen af ​​det første trin begynder det andet trin at fungere, som sammen med de efterfølgende trin og den faktiske nyttelast danner en selvstændig raket ("første underraket"). For det andet trin spiller alle efterfølgende trin, sammen med den sande nyttelast, rollen som deres egen nyttelast osv. Hver underraket tilføjer sin egen ideelle hastighed til den eksisterende hastighed, og som et resultat, den endelige ideelle hastighed af en flertrinsraket er summen af ​​de ideelle hastigheder for den enkelte underraket.

Raketten er et meget "dyrt" køretøj. Rumfartøjer "transporterer" hovedsageligt det brændstof, der er nødvendigt for at betjene deres motorer og deres egen struktur, hovedsageligt bestående af brændstofbeholdere og et fremdriftssystem. Nyttelasten udgør kun en lille del (1,5-2,0%) af rakettens affyringsmasse.

En kompositraket giver mulighed for en mere effektiv udnyttelse af ressourcerne på grund af det faktum, at under flyvningen adskilles et trin, der har opbrugt sit brændstof, og resten af ​​raketbrændstoffet spildes ikke på at accelerere designet af det brugte trin, hvilket er blevet unødvendigt at fortsætte flyvningen.

Missilkonfigurationsmuligheder. Fra venstre mod højre:

1. Enkelttrins raket.
2. To-trins tværsnitsraket.
3. To-trins raket med langsgående adskillelse.
4. En raket med eksterne brændstoftanke, der adskilles, efter at brændstoffet i dem er opbrugt.

Strukturelt er flertrinsraketter lavet med tværgående eller langsgående adskillelse af trin.

Med tværgående adskillelse er trinene placeret over hinanden og arbejder sekventielt efter hinanden, og tænder først efter adskillelsen af ​​det foregående trin. Denne ordning gør det muligt at oprette systemer i princippet med et vilkårligt antal trin. Dens ulempe er, at ressourcerne i de efterfølgende faser ikke kan bruges i arbejdet med den forrige, da de er en passiv belastning for den.

Med langsgående adskillelse består første trin af flere identiske raketter (i praksis fra to til otte), placeret symmetrisk rundt om kroppen af ​​andet trin, således at de resulterende trykkræfter fra første trins motorer er rettet langs symmetriaksen af den anden og fungerer samtidigt. Denne ordning gør det muligt for motoren i det andet trin at fungere samtidigt med motorerne i det første, hvilket øger det samlede træk, hvilket er især nødvendigt under driften af ​​det første trin, når rakettens masse er maksimal. Men en raket med langsgående adskillelse af trin kan kun være to-trins.

Der er også et kombineret adskillelsesskema - langsgående-tværgående, som giver dig mulighed for at kombinere fordelene ved begge ordninger, hvor det første trin er opdelt fra det andet på langs, og adskillelsen af ​​alle efterfølgende trin sker på tværs. Et eksempel på denne tilgang er den indenlandske Soyuz løfteraket.

Rumfærgen har et unikt design af en to-trins langsgående adskilt raket, hvis første trin består af to sidemonterede boostere til fast brændsel; i andet trin er en del af brændstoffet indeholdt i orbiter-tankene (det genanvendelige rumfartøj) selv), og det meste af det er indeholdt i en aftagelig ekstern brændstoftank. For det første bruger orbiter-fremdrivningssystemet brændstof fra den eksterne tank, og når det er opbrugt, nulstilles den eksterne tank, og motorerne fortsætter med at køre på det brændstof, der er indeholdt i orbitertankene. Dette design gør det muligt at udnytte orbiterens fremdriftssystem maksimalt, som fungerer under hele opsendelsen af ​​rumfartøjet i kredsløb.

Når de er adskilt på tværs, er trinene forbundet med hinanden ved hjælp af specielle sektioner - adaptere - bærende strukturer af cylindrisk eller konisk form (afhængigt af forholdet mellem trinens diametre), som hver skal modstå den samlede vægt af alle efterfølgende trin, ganget med den maksimale værdi af den overbelastning, som raketten oplever i alle sektioner, hvor denne adapter er en del af raketten. Med langsgående opdeling skabes kraftbånd (for og bag) på kroppen af ​​det andet trin, hvortil blokkene i det første trin er fastgjort.

Elementerne, der forbinder delene af en kompositraket, giver den stivheden af ​​et solidt legeme, og når trinene er adskilt, bør de næsten øjeblikkeligt frigive det øverste trin. Typisk forbindes trinene ved hjælp af pyrobolte. En pyrobolt er en fastgørelsesbolt, i hvis stang der dannes et hulrum ved siden af ​​hovedet, fyldt med et højsprængstof med en elektrisk detonator. Når en strømimpuls påføres den elektriske detonator, opstår der en eksplosion, der ødelægger boltstangen, hvilket får dens hoved til at slippe af. Mængden af ​​sprængstof i pyrobolten er omhyggeligt doseret, så den på den ene side med garanti river hovedet af, og på den anden side ikke beskadiger raketten. Når trinene er adskilt, påføres en strømimpuls samtidig til de elektriske detonatorer af alle pyrobolte, der forbinder de adskilte dele, og forbindelsen frigives.

Dernæst skal trinene placeres i sikker afstand fra hinanden. (Start af motoren på et højere trin nær et lavere kan forårsage udbrænding af dens brændstofkapacitet og en eksplosion af resterende brændstof, hvilket vil beskadige det øverste trin eller destabilisere dets flyvning.) Når trin i atmosfæren adskilles, vil den aerodynamiske kraft af modkørende luftstrøm kan bruges til at adskille dem, og ved adskillelse i tomrummet bruges nogle gange hjælpe små solide raketmotorer.

På flydende raketter tjener de samme motorer også til at "sedimentere" brændstoffet i tankene på det øverste trin: når motoren på det nederste trin er slukket, flyver raketten ved inerti i en tilstand af frit fald, mens væsken brændstof i tankene er i suspension, hvilket kan føre til svigt ved start af motoren. Hjælpemotorer giver scenen en let acceleration, under påvirkning af hvilken brændstoffet "sætter sig" på bunden af ​​tankene.

Forøgelse af antallet af trin giver kun en positiv effekt op til en vis grænse. Jo flere trin, jo større er den samlede masse af adaptere såvel som motorer, der kun fungerer på én del af flyvningen, og på et tidspunkt bliver en yderligere stigning i antallet af trin kontraproduktiv. I moderne raketvidenskabspraksis laves der som regel ikke mere end fire trin.

Når du vælger antallet af stadier, er pålidelighedsproblemer også vigtige. Pyrobolte og hjælperaketmotorer med fast drivmiddel er engangselementer, hvis funktion ikke kan verificeres før rakettens affyring. I mellemtiden kan svigt af blot én pyrobolt føre til en nødafbrydelse af rakettens flyvning. En stigning i antallet af engangselementer, der ikke er genstand for funktionstest, reducerer pålideligheden af ​​hele raketten som helhed. Dette tvinger også designere til at afstå fra at bruge for mange trin.

Kosmiske hastigheder

Det er ekstremt vigtigt at bemærke, at hastigheden udviklet af raketten (og med den hele rumfartøjet) på den aktive del af stien, det vil sige på det relativt korte stykke, mens raketmotoren kører, skal opnås meget, meget høj.

Lad os mentalt placere vores raket i fri plads og tænde dens motor. Motoren skabte tryk, raketten modtog en form for acceleration og begyndte at tage fart og bevægede sig i en lige linje (hvis trykkraften ikke ændrer sin retning). Hvilken hastighed vil raketten opnå, når dens masse falder fra den oprindelige m 0 til den endelige værdi m k? Hvis vi antager, at hastigheden w af udstrømningen af ​​stof fra raketten er konstant (dette observeres ret præcist i moderne raketter), så vil raketten udvikle en hastighed v, udtrykt Tsiolkovsky formel, som bestemmer den hastighed, som et fly udvikler under påvirkning af trykket fra en raketmotor, uændret i retning, i fravær af alle andre kræfter:

hvor ln angiver naturlig og log angiver decimallogaritmer

Hastigheden, beregnet ved hjælp af Tsiolkovsky-formlen, karakteriserer rakettens energiressourcer. Det kaldes ideal. Vi ser, at den ideelle hastighed ikke afhænger af arbejdsvæskens andet masseforbrug, men kun afhænger af udstødningshastigheden w og af tallet z = m 0 /m k, kaldet masseforholdet eller Tsiolkovsky-tallet.

Der er et koncept med såkaldte kosmiske hastigheder: første, anden og tredje. Den første kosmiske hastighed er den hastighed, hvormed et legeme (rumfartøj) opsendt fra Jorden kan blive dets satellit. Hvis vi ikke tager højde for atmosfærens indflydelse, så er den første flugthastighed direkte over havets overflade 7,9 km/s og falder med stigende afstand fra Jorden. I en højde af 200 km fra Jorden er det 7,78 km/s. I praksis antages den første flugthastighed at være 8 km/s.

For at overvinde Jordens tyngdekraft og for eksempel forvandle sig til en Solsatellit eller for at nå en anden planet i solsystemet, skal et legeme (rumfartøj) opsendt fra Jorden nå en anden flugthastighed, taget lige til 11,2 km/s.

Et legeme (rumfartøj) skal have den tredje kosmiske hastighed ved Jordens overflade i det tilfælde, hvor det kræves, at det kan overvinde Jordens og Solens tyngdekraft og forlade solsystemet. Den tredje flugthastighed antages at være 16,7 km/s.

Kosmiske hastigheder er enorme i deres betydning. De er flere snese gange hurtigere end lydens hastighed i luft. Kun ud fra dette er det klart, hvilke komplekse opgaver der står over for inden for astronautik.

Hvorfor er kosmiske hastigheder så enorme, og hvorfor falder rumfartøjer ikke til Jorden? Det er faktisk mærkeligt: ​​Solen holder med sine enorme tyngdekræfter Jorden og alle de andre planeter i solsystemet nær sig selv og forhindrer dem i at flyve ud i det ydre rum. Det ville virke mærkeligt, at Jorden holder Månen tæt på sig selv. Der er gravitationskræfter mellem alle legemer, men planeterne falder ikke på Solen, fordi de er i bevægelse, det er hemmeligheden.

Alt falder ned til Jorden: regndråber, snefnug, en sten, der falder fra et bjerg, og en kop, der vælter fra et bord. Og månen? Den kredser om Jorden. Hvis det ikke var for tyngdekræfterne, ville det flyve tangentielt til banen, og hvis det pludselig stoppede, ville det falde til Jorden. Månen, på grund af Jordens tyngdekraft, afviger fra en lige vej, hele tiden, som om den "falder" til Jorden.

Månens bevægelse sker langs en bestemt bue, og så længe tyngdekraften virker, vil Månen ikke falde til Jorden. Det er det samme med Jorden - hvis den stoppede, ville den falde ned i Solen, men dette vil ikke ske af samme grund. To typer bevægelser - den ene under påvirkning af tyngdekraften, den anden på grund af inerti - lægger sig sammen og resulterer i krumlinjet bevægelse.

Loven om universel gravitation, som holder universet i balance, blev opdaget af den engelske videnskabsmand Isaac Newton. Da han offentliggjorde sin opdagelse, sagde folk, at han var blevet skør. Tyngdeloven bestemmer ikke kun Månens og Jordens bevægelse, men også af alle himmellegemer i Solsystemet, såvel som kunstige satellitter, orbitalstationer og interplanetariske rumfartøjer.

Keplers love

Før vi overvejer rumfartøjets kredsløb, lad os overveje Keplers love, der beskriver dem.

Johannes Kepler havde en sans for skønhed. Hele sit voksne liv forsøgte han at bevise, at solsystemet er en slags mystisk kunstværk. Først forsøgte han at forbinde dens struktur med de fem regulære polyedre i klassisk oldgræsk geometri. (Et regulært polyeder er en tredimensionel figur, hvis ansigter alle er lige store, regulære polygoner.) På Keplers tid kendte man til seks planeter, som man mente var placeret på roterende "krystalkugler". Kepler hævdede, at disse sfærer er arrangeret på en sådan måde, at regulære polyedre passer nøjagtigt mellem tilstødende sfærer. Mellem de to ydre sfærer - Saturn og Jupiter - anbragte han en terning indskrevet i den ydre sfære, hvori den indre sfære igen er indskrevet; mellem sfærerne af Jupiter og Mars - et tetraeder (regelmæssig tetraeder), osv. Seks sfærer af planeter, fem regulære polyedre indskrevet mellem dem - det ser ud til, at perfektion i sig selv?

Ak, efter at have sammenlignet sin model med planeternes observerede baner, blev Kepler tvunget til at indrømme, at himmellegemernes virkelige adfærd ikke passer ind i den harmoniske ramme, han skitserede. Det eneste resultat af Keplers ungdommelige impuls, der overlevede århundrederne, var en model af solsystemet, lavet af videnskabsmanden selv og præsenteret som en gave til hans protektor, hertug Frederick von Württemburg. I denne smukt udførte metalartefakt er alle planeternes kredsløbssfærer og de regulære polyedre indskrevet i dem hule beholdere, der ikke kommunikerer med hinanden, som på helligdage skulle være fyldt med forskellige drinks for at behandle hertugens gæster.

Først efter at have flyttet til Prag og blevet assistent for den berømte danske astronom Tycho Brahe, stødte Kepler på ideer, der virkelig forevigede hans navn i videnskabens annaler. Tycho Brahe indsamlede astronomiske observationsdata gennem hele sit liv og akkumulerede enorme mængder information om planeternes bevægelser. Efter hans død kom de i Keplers besiddelse. Disse optegnelser havde i øvrigt stor kommerciel værdi på det tidspunkt, da de kunne bruges til at kompilere raffinerede astrologiske horoskoper (i dag foretrækker videnskabsmænd at tie om denne del af tidlig astronomi).

Mens han bearbejdede resultaterne af Tycho Brahes observationer, stod Kepler over for et problem, som selv med moderne computere kunne virke vanskeligt for nogen, og Kepler havde intet andet valg end at udføre alle beregningerne i hånden. Selvfølgelig, som de fleste astronomer på sin tid, var Kepler allerede bekendt med det kopernikanske heliocentriske system og vidste, at Jorden kredser om Solen, som det fremgår af den ovenfor beskrevne model af solsystemet. Men hvordan roterer Jorden og andre planeter præcist? Lad os forestille os problemet som følger: du er på en planet, der for det første drejer rundt om sin akse og for det andet drejer rundt om Solen i en bane, som du ikke kender. Ser vi ind i himlen, ser vi andre planeter, der også bevæger sig i baner, der er ukendte for os. Og opgaven er at bestemme, baseret på observationsdata lavet på vores klode, der roterer omkring sin akse omkring Solen, geometrien af ​​kredsløb og bevægelseshastigheder for andre planeter. Det er præcis, hvad Kepler i sidste ende formåede at gøre, hvorefter han, baseret på de opnåede resultater, udledte sine tre love!

Den første lov beskriver geometrien af ​​planetbanernes baner: hver planet i solsystemet kredser i en ellipse, ved en af ​​de brændpunkter, som Solen er placeret i. Fra et skolegeometrikursus - en ellipse er et sæt punkter på et plan, summen af ​​afstandene, hvorfra til to faste punkter - foci - er lig med en konstant. Eller med andre ord - forestil dig et udsnit af sidefladen af ​​en kegle af et plan i en vinkel i forhold til dens base, og ikke passerer gennem basen - dette er også en ellipse. Keplers første lov siger, at planeternes kredsløb er ellipser, med Solen i et af brændpunkterne. Banernes excentriciteter (graden af ​​forlængelse) og deres afstand fra Solen ved perihelium (det punkt, der er tættest på Solen) og apohelia (det fjerneste punkt) er forskellige for alle planeter, men alle elliptiske baner har én ting til fælles - Solen er placeret ved et af ellipsens to brændpunkter. Efter at have analyseret Tycho Brahes observationsdata konkluderede Kepler, at planetariske baner er et sæt indlejrede ellipser. Før ham var dette simpelthen ikke faldet nogen astronom ind.

Den historiske betydning af Keplers første lov kan ikke overvurderes. Før ham troede astronomer, at planeterne udelukkende bevægede sig i cirkulære kredsløb, og hvis dette ikke passede ind i observationsrammerne, blev den primære cirkulære bevægelse suppleret med små cirkler, som planeterne beskrev rundt om hovedcirkulærbanens punkter. Dette var primært en filosofisk holdning, en slags uforanderlig kendsgerning, der ikke var genstand for tvivl eller verifikation. Filosoffer hævdede, at den himmelske struktur, i modsætning til den jordiske, er perfekt i sin harmoni, og da den mest perfekte af geometriske figurer er cirklen og kuglen, betyder det, at planeterne bevæger sig i en cirkel. Hovedsagen er, at Johannes Kepler, efter at have fået adgang til Tycho Brahes omfattende observationsdata, var i stand til at træde over denne filosofiske fordom, da den ikke svarede til fakta - ligesom Copernicus vovede at fjerne Jorden fra centrum af universet, stillet over for argumenter, der modsagde vedvarende geocentriske ideer, som også bestod af "ukorrekt opførsel" af planeter i kredsløb.

Den anden lov beskriver ændringen i planeternes bevægelseshastighed omkring Solen: hver planet bevæger sig i et plan, der passerer gennem Solens centrum, og i lige store tidsrum beskriver radiusvektoren, der forbinder Solen og planeten, lige store områder . Jo længere den elliptiske bane tager en planet fra Solen, jo langsommere er bevægelsen; jo tættere den er på Solen, jo hurtigere bevæger planeten sig. Forestil dig nu et par linjestykker, der forbinder to positioner af planeten i dens kredsløb med fokus på ellipsen, hvor Solen er placeret. Sammen med ellipsesegmentet, der ligger mellem dem, danner de en sektor, hvis område netop er "området, der er afskåret af et lige linjestykke." Det er præcis, hvad den anden lov taler om. Jo tættere planeten er på Solen, jo kortere er segmenterne. Men i dette tilfælde, for at sektoren kan dække et lige stort område på samme tid, skal planeten rejse en større afstand i sin bane, hvilket betyder, at dens bevægelseshastighed stiger.

De første to love beskæftiger sig med de særlige forhold ved kredsløbsbanerne for en enkelt planet. Keplers tredje lov giver os mulighed for at sammenligne planeternes kredsløb med hinanden: kvadraterne i omdrejningsperioderne for planeterne omkring Solen er beslægtede som kuberne af de semi-hovedakser i planeternes kredsløb. Den siger, at jo længere en planet er fra Solen, jo længere tid tager det at gennemføre en fuld omdrejning, når den bevæger sig i kredsløb, og jo længere, følgelig, varer "året" på denne planet. I dag ved vi, at det skyldes to faktorer. For det første, jo længere en planet er fra Solen, jo længere er dens omkreds. For det andet, når afstanden fra Solen øges, falder den lineære hastighed af planetens bevægelse også.

I sine love erklærede Kepler blot fakta efter at have studeret og generaliseret resultaterne af observationer. Hvis du havde spurgt ham, hvad der forårsagede ellipticiteten af ​​banerne eller ligestillingen af ​​områderne i sektorerne, ville han ikke have svaret dig. Dette fulgte blot af hans analyse. Hvis du spurgte ham om planeternes orbitale bevægelse i andre stjernesystemer, ville han heller ikke have noget at svare dig på. Han ville være nødt til at starte forfra - samle observationsdata, derefter analysere dem og prøve at identificere mønstre. Det vil sige, at han simpelthen ikke ville have nogen grund til at tro, at et andet planetsystem adlyder de samme love som solsystemet.

En af Newtons klassiske mekaniks største triumfer ligger netop i, at den giver en grundlæggende begrundelse for Keplers love og hævder deres universalitet. Det viser sig, at Keplers love kan udledes af Newtons love for mekanik, Newtons lov om universel gravitation og loven om bevarelse af vinkelmomentum gennem strenge matematiske beregninger. Og hvis det er tilfældet, kan vi være sikre på, at Keplers love gælder ligeligt for ethvert planetsystem overalt i universet. Astronomer, der leder efter nye planetsystemer i rummet (og en hel del af dem er allerede blevet opdaget) gang på gang, bruger som en selvfølge Keplers ligninger til at beregne parametrene for fjerne planeters kredsløb, selvom de ikke kan observere dem direkte .

Keplers tredje lov spillede og spiller fortsat en vigtig rolle i moderne kosmologi. Ved at observere fjerne galakser opdager astrofysikere svage signaler, der udsendes af brintatomer, der kredser i meget fjerne baner fra det galaktiske centrum - meget længere end stjerner normalt er. Ved at bruge Doppler-effekten i spektret af denne stråling bestemmer forskerne rotationshastighederne for brintperiferien af ​​den galaktiske skive og ud fra dem galaksernes vinkelhastigheder som helhed. Videnskabsmandens værker, som fast satte os på vejen til en korrekt forståelse af strukturen af ​​vores solsystem, og i dag, århundreder efter hans død, spiller en så vigtig rolle i studiet af strukturen af ​​det enorme univers.

Baner

Af stor betydning er beregningen af ​​rumfartøjers flyvebaner, hvor hovedmålet skal forfølges - maksimale energibesparelser. Ved beregning af flyvevejen for et rumfartøj er det nødvendigt at bestemme det mest fordelagtige tidspunkt og om muligt opsendelsessted, tage højde for de aerodynamiske effekter, der opstår som følge af enhedens interaktion med jordens atmosfære under opsendelse og finish og meget mere.

Mange moderne rumfartøjer, især dem med en besætning, har relativt små raketmotorer ombord, hvis hovedformål er den nødvendige korrektion af kredsløbet og opbremsning under landing. Ved beregning af flyvevejen skal dens ændringer i forbindelse med justeringen tages i betragtning. Det meste af banen (faktisk hele banen, bortset fra dens aktive del og tilpasningsperioder) udføres med slukkede motorer, men selvfølgelig under indflydelse af himmellegemernes gravitationsfelter.

Et rumfartøjs bane kaldes en bane. Under den frie flyvning af et rumfartøj, når dets indbyggede jetmotorer er slukket, sker bevægelse under påvirkning af gravitationskræfter og inerti, hvor hovedkraften er Jordens tyngdekraft.

Hvis vi betragter Jorden for at være strengt sfærisk, og virkningen af ​​Jordens gravitationsfelt for at være den eneste kraft, så adlyder rumfartøjets bevægelse Keplers velkendte love: den forekommer i et stationært (i det absolutte rum) plan, der passerer igennem jordens centrum - orbitalplanet; banen har form som en ellipse eller en cirkel (et specialtilfælde af en ellipse).

Baner er karakteriseret ved en række parametre - et system af mængder, der bestemmer orienteringen af ​​et himmellegemes bane i rummet, dets størrelse og form samt positionen i himmellegemets kredsløb på et eller andet fast tidspunkt. Den uforstyrrede bane, hvormed kroppen bevæger sig i overensstemmelse med Keplers love, bestemmes af:

1. Orbital hældning (i) til referenceplanet; kan have værdier fra 0° til 180°. Hældningen er mindre end 90°, hvis kroppen ser ud til at bevæge sig mod uret til en observatør placeret ved den nordlige ekliptiske pol eller den nordlige himmelpol, og mere end 90°, hvis kroppen bevæger sig i den modsatte retning. Når det anvendes på solsystemet, vælges jordens kredsløbsplan (det ekliptiske plan) normalt som referenceplan; for kunstige jordens satellitter vælges planet for Jordens ækvator normalt som referenceplan; for satellitter for andre planeter i solsystemet, er ækvatorplanet for den tilsvarende planet normalt valgt som referenceplan.
2. Stigende Node Længdegrad (Ω)- et af de grundlæggende elementer i banen, der bruges til matematisk at beskrive banens form og dens orientering i rummet. Definerer det punkt, hvor banen skærer hovedplanet i retningen fra syd til nord. For kroppe, der kredser om Solen, er hovedplanet ekliptikken, og nulpunktet er Vædderens første punkt (forårsjævndøgn).
3. Større aksel(er) er halvdelen af ​​ellipsens hovedakse. I astronomi karakteriserer det den gennemsnitlige afstand af et himmellegeme fra fokus.
4. Excentricitet- numerisk karakteristik af et keglesnit. Excentricitet er invariant med hensyn til flybevægelser og lighedstransformationer og karakteriserer "komprimeringen" af banen.
5. Periapsis argument- defineres som vinklen mellem retningerne fra tiltrækningscentret til den stigende knude i kredsløbet og til periapsis (det punkt i satellittens kredsløb, der er tættest på tiltrækningscentret), eller vinklen mellem linjen af ​​knudepunkter og linjen af apsis. Talt fra tiltrækningscentret i satellittens bevægelsesretning, normalt valgt inden for området 0°-360°. For at bestemme den stigende og faldende knude vælges et bestemt (såkaldt basis) plan, der indeholder det tiltrækkende centrum. Ekliptikplanet (planeternes, kometernes, asteroidernes bevægelse omkring Solen), planetens ækvatorialplan (satelliternes bevægelse rundt om planeten) osv. bruges normalt som basisplan.
6. Gennemsnitlig anomali for et legeme, der bevæger sig i en uforstyrret bane - produktet af dens gennemsnitlige bevægelse og tidsintervallet efter at have passeret periapsis. Således er den gennemsnitlige anomali vinkelafstanden fra periapsis af et hypotetisk legeme, der bevæger sig med en konstant vinkelhastighed svarende til den gennemsnitlige bevægelse.

Der er forskellige typer af baner - ækvatoriale (hældning "i" = 0°), polære (hældning "i" = 90°), solsynkrone baner (baneparametre er sådan, at satellitten passerer over et hvilket som helst punkt på jordens overflade kl. omtrent samme tid). lokal soltid), lav-orbital (højder fra 160 km til 2000 km), mid-orbital (højder fra 2000 km til 35786 km), geostationær (højde 35786 km), høj-orbital (højder mere over havet) end 35786 km).

En af skaberne af den første satellit indrømmede engang, at han ikke umiddelbart indså, hvilken stor gerning der var blevet udført dengang, i 1957. Og som begrundelse henviste han til digteren V. Bryusov, der sagde, at "storladne begivenheder er næsten umærkelige for de direkte involverede: alle ser kun én detalje for øjnene af dem, volumen af ​​det hele unddrager sig observation. Derfor er der sandsynligvis mange folk bemærker på en eller anden måde ikke, at menneskeheden er trådt ind i "miraklernes tidsalder".

Vi går kun ind i det fjerde årti af rumalderen, men vi er allerede ret vant til sådanne mirakler som satellitsystemer til kommunikation og vejrobservation, navigation og assistance til nødstedte på land og hav, der har dækket hele Jorden. Som noget helt almindeligt lytter vi til rapporter om de mange måneders arbejde af mennesker i kredsløb, vi er ikke overraskede over fodsporene på Månen, fotografier af fjerne planeter taget skarpt, eller kometkernen vist for første gang af rumfartøj.

I en meget kort historisk periode er astronautik blevet en integreret del af vores liv, en trofast assistent i økonomiske anliggender og viden om verden omkring os. Og der er ingen tvivl om, at den videre udvikling af den jordiske civilisation ikke kan undvære udviklingen af ​​hele det nære Jord-rum.

For eksempel ser mange forskere en vej ud af den forestående miljøkrise ved at bruge ressourcerne i det nærliggende rum. "Det er klart, at rumpotentiale ikke er et universalmiddel for alle dårligdomme," skriver en fremtrædende ekspert inden for astronautik, K. Erike. "Den foreslåede vej er simpelthen en af ​​de mest effektive muligheder i det arsenal, vi har til rådighed i dag for at garantere menneskehedens overlevelse som et moderne samfund. Dette er også nødvendigt med henblik på den fortsatte udvikling af vores samfund og samtidig bevare jordens natur, som er unik i det område, der strækker sig i mange lysår omkring os."

Udforskningen af ​​rummet - denne "hele menneskehedens provins" - fortsætter i et stigende tempo. Når vi ser tilbage på, hvad der allerede er opnået, kan vi prøve at bestemme de omtrentlige datoer for de næste stadier af brugen af ​​vores nye habitat. Det er meget mere risikabelt at lave langsigtede prognoser. Men sådanne forsøg kendes også. Doktor i fysiske og matematiske videnskaber JI. Leskov ser for eksempel frem mod et helt årtusinde.

Ifølge videnskabsmanden vil der i de resterende år inden næste århundrede først blive organiseret pilotindustriel og derefter masseproduktion af forbedrede materialer i rummet. Praktisk talt ubegrænsede energimuligheder, sammen med dybt vakuum og vægtløshed, er det, der primært tiltrækker industrifolk til rummet. Men unikke teknologiske forhold er ikke den eneste grund til den foreslåede udflytning af en række virksomheder og måske hele industrier, såsom f.eks. kemisk, metallurgisk, nuklear...

Vores planet er allerede så tilstoppet med industriaffald, at dens yderligere ekspansion truer med katastrofale konsekvenser for hele biosfæren. Og Jordens råstofreserver er ikke så store, at vi kan leve i fred, uden at bekymre os om fremtiden. Derfor kommer flere og flere eksperter til den konklusion, at en udbredt industrialisering af jordens nærhed er uundgåelig. Rumvidenskab og -teknologi forbereder sig på dette ved at fortsætte med at studere, hvordan forskellige teknologiske processer foregår i kredsløb, og samtidig skabe projekter for deres energiforsyning.

Ved at forudsige udviklingen af ​​astronautik i samme periode er andre eksperter opmærksomme på forskellige retninger i denne proces. Formanden for International Academy of Astronautics, J. Muller, peger for eksempel på den kommende udbredte brug af satellitkommunikation til omfattende informationstjenester til mennesker over hele verden. Den sovjetiske akademiker V. Avduevsky slutter sig til ham. "Forbindelsen mellem rumteknologi og mikroelektronik," bemærker han, "giver os mulighed for at tale om organisationen i den meget nære fremtid af et globalt kommunikationssystem med abonnenter, der ikke er "bundet" til nogen jordknudepunkter. Det vil sige om skabelsen af et enkelt informationsfelt, hvor alle kan slutte sig til hvem som helst når som helst og hvor som helst i verden. Det betyder, at millioner og atter millioner af menneskers levevis vil ændre sig radikalt. Alle, der bor på Jorden, vil have adgang til verdenskulturens rigdomme - fra beholdningen af ​​de største bogdepoter i verden, hallerne i Hermitage og Louvre, hvor du kan "besøge" til enhver tid, til film- og musikbibliotekerne i enhver offentlig eller privat samling. Sloganet bliver et virkelighed: videregående uddannelse for alle, der ønsker at modtage det. For slet ikke at tale om muligheden for at indhente referencedata, hold et driftsmøde..."

For at gå videre til næste fase af rumudforskningen, mener L. Leskov, vil det være nødvendigt at skabe nye, mere effektive køretøjer: rumfartøjer, bemandede og automatiske rumfartøjer, genanvendelige løfteraketter, inter-orbitale slæbebåde med tung løftekapacitet...

I 20-50'erne af det 21. århundrede vil gigantiske reflektorer af sollys og solenergianlæg dukke op i kredsløb, og herefter kommer tiden til Månens industrielle udvikling. Så arbejder videnskabsmanden ikke i årtier, men i århundreder. Blandt de følgende stadier er opført såsom skabelsen af ​​store strukturer i rummet, brugen af ​​udenjordisk stof med dets levering til Jorden, udviklingen og transformationen af ​​Mars og Venus natur.

Hvad er det næste? Og vigtigst af alt, hvad vil der ske med mennesker, der for altid har skilt sig fra deres planet? En af de førende eksperter inden for rummedicin og biologi, akademiker O. Gazenko, overvejer to scenarier for rumafvikling: inden for solsystemet og uden for dets grænser. Hvis det, mener videnskabsmanden, er muligt at skabe et habitat i rummet, der er så tæt som muligt på det på Jorden, vil udviklingen af ​​de permanente indbyggere i "æteriske bosættelser" tilsyneladende forløbe på samme måde som på Jorden. Sandt nok er der en mulighed for, at der under påvirkning af kosmiske stråler vil forekomme tilfældige arvelige ændringer i mennesker, og det videre udviklingsforløb vil blive uforudsigeligt. Dette kan naturligvis kun ske, hvis der på det tidspunkt ikke er fundet pålidelige beskyttelsesmidler.

Forskeren indrømmer også en sådan mulighed, når hovedfaktoren, der bestemmer menneskets langsigtede udvikling, ikke vil være stråling, men vægtløshed. Så vil folk, der gradvist mister nogle af de fysiologiske egenskaber "pålagt" dem af tyngdekraften, blive anderledes - måske ligner de "ulegemlige" karakterer i malerierne af den spanske kunstner El Greco.

Hvis menneskeheden ikke begrænser sig til erobringen af ​​solsystemet og går ud over dets grænser, så, mener akademikeren, efter hundreder af generationer vil Galaksens endeløse vidder finde sig selv at være beboet af separate kolonier af intelligente væsener, mærkbart forskellige fra både os og fra hinanden.

Men vil en person tilpasse sig sådanne usædvanlige livsbetingelser? Dette er, hvad K. Tsiolkovsky sagde: "...I øjeblikket stræber de fremskredne lag af menneskeheden efter at placere deres liv mere og mere inden for kunstige rammer, og er det ikke det, fremskridt består af? At bekæmpe dårligt vejr, højt og lavt temperaturer, tyngdekraft", med dyr, med skadelige insekter og bakterier, ikke engang nu skaber et rent kunstigt miljø omkring en person? I det æteriske rum vil denne kunstighed kun nå sin yderste grænse, men på den anden side vil en person vil være under forhold, der er mest gunstige for ham selv."

Lad os dog ikke se så langt. Lad os vende tilbage til prognoser for en ikke så fjern fremtid. Selvfølgelig er deres forfattere godt klar over, at de kronologiske skemaer, de foreslår, er meget omtrentlige. Derfor forsøger de ikke at nævne specifikke deadlines for gennemførelsen af ​​visse projekter, idet de lægger hovedvægten på deres tekniske beskrivelse. Vi vil overholde det samme princip i vores historie om udsigterne for udenjordiske aktiviteter i vores civilisation.

Denne bog er henvendt til unge mennesker, "dem, der vil læse for at bygge" - sådan henvendte Yu. Kondratyuk sine læsere. Der vil gå år, og de, der nu bladrer over disse sider, vil begynde at gøre dagens drømme til virkelighed. Det er rigtigt: "læs for at bygge"!