Теорија на вселенски летови. Идно истражување на вселената

Вовед.

Човештвото отсекогаш сонувало да патува во вселената. Писателите - писатели на научна фантастика, научници, сонувачи - предложија различни средства за постигнување на оваа цел. Но, за многу векови, ниту еден научник или писател на научна фантастика не можел да го измисли единственото средство со кое располага човекот со кој може да се надмине силата на гравитацијата и да лета во вселената. На пример, херојот на приказната на францускиот писател Сирано де Бержерак, напишана во 17 век, стигнал до Месечината фрлајќи силен магнет над железната количка во која се наоѓал. Кочијата се креваше сè повисоко и повисоко над Земјата, привлечена од магнетот, сè додека не стигна до Месечината; Барон Минхаузен рече дека се искачил на Месечината покрај стебленцето на гравот.

За прв пат, сонот и аспирациите на многу луѓе ги доближи до реалноста рускиот научник Константин Едуардович Циолковски (1857-1935), кој покажа дека единствениот уред способен да ја надмине гравитацијата е ракета, тој за прв пат го претстави научни докази за можноста за користење на ракета за летови во вселената, надвор од атмосферата на Земјата и до други планети од Сончевиот систем. Цоилковски ја нарече ракетата уред со млазен мотор што користи гориво и оксидатор на неа.

Млазен мотор е мотор способен да ја претвори хемиската енергија на горивото во кинетичка енергија на плинскиот млаз и со тоа да стекне брзина во спротивна насока.

На кои принципи и физички закони се заснова работата на млазен мотор?

Како што знаете од курсот по физика, истрелот од пиштол е придружен со одвратен удар. Според законите на Њутн, куршум и пиштол би летале во различни насоки со иста брзина доколку имаат иста маса. Исфрлената маса на гасови создава реактивна сила, благодарение на која може да се обезбеди движење, како во воздухот, така и во безвоздушниот простор и на тој начин доаѓа до повлекување. Колку е поголема силата на повлекување што ја чувствува нашето рамо, толку е поголема масата и брзината на гасовите што излегуваат и, според тоа, колку е посилна реакцијата на пиштолот, толку е поголема реактивната сила. Овие феномени се објаснети со законот за зачувување на импулсот:

векторскиот (геометриски) збир на импулсите на телата кои сочинуваат затворен систем останува константен за какви било движења и интеракции на телата на системот.

Максималната брзина што може да ја развие ракетата се пресметува со формулата Циолковски:

, Каде

v max – максимална брзина на ракетата,

v 0 - почетна брзина,

v r – брзина на проток на гас од млазницата,

m – почетна маса на гориво,

М е масата на празната ракета.

Презентираната формула Циолковски е основата на која се заснова целата пресметка на современите ракети. Бројот Циолковски е односот на масата на горивото со масата на ракетата на крајот од работата на моторот - до тежината на празната ракета.

Така, откривме дека максималната остварлива брзина на ракетата зависи првенствено од брзината на протокот на гас од млазницата. И стапката на проток на гасовите од млазницата, пак, зависи од видот на горивото и температурата на гасниот млаз. Тоа значи дека колку е повисока температурата, толку е поголема брзината. Тогаш за вистинска ракета треба да го изберете најкалоричното гориво кое произведува најголема количина на топлина. Формулата покажува дека, меѓу другото, брзината на ракетата зависи од почетната и крајната маса на ракетата, од тоа кој дел од нејзината тежина е гориво, а кој дел е бескорисен (од гледна точка на брзината на летот) структури: тело, механизми итн. г.

Главниот заклучок од оваа формула на Циолковски за одредување на брзината на вселенската ракета е дека во безвоздушен простор ракетата ќе се развие колку е поголема брзината, толку е поголема брзината на одливот на гасот и колку е поголем бројот на Циолковски.

Уредот на балистичка ракета.

Ајде да замислиме генерално модерна ракета со ултра долг дострел.

Таквата ракета мора да биде повеќестепена. Борбениот полнеж се наоѓа во неговата глава, а зад него се наоѓаат контролни уреди, тенкови и мотор. Тежината на лансирањето на ракетата ја надминува тежината на товарот за 100-200 пати, во зависност од горивото! Така, вистинската ракета треба да тежи неколку стотици тони, а нејзината должина треба барем да достигне висина на десеткатница. На дизајнот на ракетата се наметнуваат голем број барања. Значи, неопходно е, на пример, силата на потисок да помине низ центарот на гравитација на ракетата. Ракетата може да отстапи од предвидениот курс или дури да почне да ротира доколку не се исполнети наведените услови.

Сл.1 Внатрешна структура на ракетата.

Можете да го вратите правилниот курс со помош на кормилата. Во редок воздух, гасните кормила работат, отклонувајќи ја насоката на гасниот млаз, предложен од Циолковски. Аеродинамичните кормила работат кога ракета лета во густ воздух.

Современите балистички ракети првенствено работат на мотори кои користат течно гориво. Како гориво обично се користат керозин, алкохол, хидразин и анилин, а како оксидирачки агенси се користат азотни и перхлорни киселини, течен кислород и водород пероксид. Најактивните оксидирачки агенси се флуорот и течниот озон, но тие ретко се користат поради нивната екстремна експлозивност.

Моторот е најважниот елемент на ракетата. Најважниот елемент на моторот е комората за согорување и млазницата. Во коморите за согорување, поради фактот што температурата на согорување на горивото достигнува 2500-3500 ЗА C, мора да се користат особено материјали отпорни на топлина и сложени методи на ладење. Конвенционалните материјали не можат да издржат такви температури.

Останатите единици се исто така многу сложени. На пример, пумпите што мора да снабдуваат оксидатор и гориво до млазниците на комората за согорување, веќе во ракетата V-2, една од првите, беа способни да пумпаат 125 кг гориво во секунда.

Во некои случаи, наместо конвенционалните цилиндри, се користат цилиндри со компримиран воздух или некој друг гас што може да го измести горивото од резервоарите и да го внесе во комората за согорување.

Гасните кормила треба да бидат направени од графит или керамика, така што тие се многу кревки и кршливи, така што модерните дизајнери почнуваат да ја напуштаат употребата на гасни кормила, заменувајќи ги со неколку дополнителни млазници или вртејќи ја најважната млазница. Навистина, на почетокот на летот, при голема густина на воздухот, брзината на ракетата е мала, така што кормилата слабо се контролираат, а каде што ракетата добива голема брзина, густината на воздухот е мала.

На американска ракета изградена според проектот Авангард, моторот е суспендиран на шарки и може да се оттргне за 5-7 ЗА.Моќта на секоја наредна фаза и нејзиното време на работа се помали, бидејќи секоја етапа од ракетата работи под сосема различни услови, кои го одредуваат нејзиниот дизајн и затоа дизајнот на самата ракета може да биде поедноставен.

Балистичка ракета е лансирана од специјален уред за лансирање. Обично ова е ажур метален јарбол или дури и кула, околу која ракетата се составува дел по парче со кранови. Пресеците на таквата кула се наоѓаат спроти инспекциските отвори неопходни за проверка и дебагирање на опремата. Куполата се оддалечува додека ракетата се полни со гориво.

Ракетата започнува вертикално, а потоа полека почнува да се навалува и наскоро опишува речиси строго елипсовидна траекторија. Поголемиот дел од патеката на летот на ваквите проектили лежи на надморска височина од повеќе од 1000 km над Земјата, каде што практично нема воздушен отпор. Приближувајќи се кон целта, атмосферата почнува нагло да го успорува движењето на ракетата, додека нејзината обвивка станува многу жешка, а доколку не се преземат мерки, ракетата може да се урне и нејзиниот полнеж може предвреме да експлодира.

Презентираниот опис на интерконтинентална балистичка ракета е застарен и одговара на нивото на развој на науката и технологијата од 60-тите години, но поради ограничениот пристап до современи научни материјали, не е можно да се даде точен опис на работата на модерната интерконтинентална балистичка ракета со ултра долг дострел. И покрај ова, работата ги истакна општите својства својствени за сите ракети. Работата може да биде од интерес и за да се запознае со историјата на развојот и употребата на опишаните ракети.

Deryabin V. M. Закони за зачувување во физиката. - М.: Образование, 1982 година.

Gelfer Ya. M. Закони за заштита. – М.: Наука, 1967 година.

Тело К. Свет без форми. - М.: Мир, 1976 година.

Детска енциклопедија. - М.: Издавачка куќа на Академијата на науките на СССР, 1959 година.

Константин Едуардович Циолковски е роден на 5 септември (17) 1857 година во селото Ижевское, провинцијата Рјазан, во семејство на шумар. Поради болест не можел да учи на училиште и бил принуден сам да учи. Совладувајќи го најголемиот дел од курсот самостојно во единствената бесплатна библиотека во Москва, тој го положи испитот за титулата наставник на државните училишта и доби позиција како учител во окружното училиште Боровски. Подоцна бил префрлен да предава во Калуга - каде го поминал целиот свој иден живот. Во слободното време Циолковски студирал наука. За неговата работа „Механика на животинскиот организам“ тој беше избран за полноправен член на Руското физичко-хемиско друштво. По револуцијата, неговите дела станаа барани, беа препознаени како иновативни и ги возбудија умовите на неговите современици. Во 1926-1929 година, Циолковски се занимавал со практични прашања за летот во вселената. Во тоа време се раѓаат најсмелите, па дури и фантастични идеи кои се предодредени да се остварат во иднина. Циолковски ја пресметал оптималната висина за летот околу Земјата, ја бранел идејата за разновидноста на формите на живот во универзумот, ја измислил првата опрема за слетување на тркала, ги развил принципите на погонот на ховеркрафт, пишувал за идното откритие на ласерот , и предвиде навлегување на математиката во сите области на науката. Циолковски почина на 19 септември 1935 година.

За неговите бројни и научно сомнителни филозофски дела, Циолковски може да се нарече голем сонувач и ексцентрик од длабоката вселена, ако не за едно „туку“: Константин Едуардович е првиот идеолог и теоретичар на човечкото истражување на вселената. Циолковски секогаш сонувал за просторот и се обидувал да ги поткрепи своите соништа теоретски, па дури и практично. Првите размислувања за користење ракети за летање во вселената беа изразени од научниците уште во 1883 година, но кохерентна математичка теорија за млазен погон беше предодредена да се појави само тринаесет години подоцна.

Во 1903 година, во петтиот број на списанието Научен преглед, тој објави дел од написот „Истражување на светските простори со помош на млазни инструменти“, но, како и многу откритија и дела на Циолковски, тој беше премногу далеку од реалноста на современиот живот. Сепак, токму во овој напис научникот презентираше математички пресметки и оправдување за реалната можност за користење ракети за меѓупланетарни патувања. Циолковски не се ограничи само да ги посочи средствата за човечка пенетрација во вселената - ракетата; тој исто така даде детален опис на моторот. Многу од теориите на Константин Едуардович може да се наречат пророчки, на пример за изборот на течно двокомпонентно гориво и можноста за користење на други видови гориво, особено енергијата на атомското распаѓање. Циолковски ја изнесе идејата за создавање електрични млазни мотори, што беше револуционерно во тоа време, пишувајќи на свој карактеристичен начин дека „можеби, со помош на електрична енергија, со текот на времето ќе биде можно да се пренесе огромна брзина на честичките исфрлен од млазниот уред“.

Неговите идеи за регенеративно ладење на комората за согорување и млазницата на моторот со компоненти на гориво, керамичка изолација на структурните елементи, посебно складирање и пумпање на гориво во комората за согорување, оптимални траектории на спуштање на вселенско летало при враќање од вселената успешно се користат денес.

Научникот активно ги комбинирал теоријата и практиката, обидувајќи се да најде можни начини како всушност да го имплементира сè што имал на ум. Циолковски научно ги потврди проблемите поврзани со ракетниот вселенски лет. На пример, тој детално испитувал сè што е поврзано со ракетата: законите за движење, неговиот дизајн, проблеми со контролата, тестирање, обезбедување на сигурна работа на сите системи, создавање прифатливи услови за летот, па дури и избор на психолошки компатибилен екипаж.

Љубопитно е што, немајќи практично никакви инструменти, Циолковски ја пресметал оптималната висина за лет околу Земјата - опсег од триста до осумстотини километри над планетата. Токму на овие височини се случуваат модерни вселенски летови. Циолковски извел формула која подоцна ќе биде именувана по него, која овозможува да се одреди брзината на авионот под влијание на потисок на ракетниот мотор. Во исто време, научникот успеа да добие одговор на важно практично прашање: колку гориво треба да се внесе во ракетата за да се добие потребната брзина на полетување од Земјата и безбедно да ја напушти планетата? Резултатот од пресметката беше како што следува: за да може ракета со екипаж да развие брзина на полетување и да тргне на меѓупланетарен лет, потребно е да се земе сто пати повеќе гориво од тежината на телото на ракетата, моторот. , механизми, инструменти и патници заедно. Но, како можеш да ставиш толку гориво во брод? Научникот пронашол оригинално решение - ракетен воз кој се состои од неколку ракети поврзани една со друга. Предната ракета содржи одредена количина гориво, патници и опрема. Тогаш ракетите работат наизменично, забрзувајќи го целиот меѓупланетарен воз. Штом горивото во една ракета целосно изгори, се исфрла: како резултат на тоа, празните резервоари се отстрануваат и бродот станува полесен. Потоа почнува да работи втората ракета, па третата итн. Врз основа на формулата на Циолковски, беше донесен важен заклучок дека можностите на ракетата првенствено се одредени од карактеристиките на моторот и совршенството на дизајнот на ракетата.

Циолковски остави богато научно наследство. Не сите негови идеи се од голема вредност за науката, но сепак научникот беше првиот што се осврна на многу прашања. Неговите ставови и сега изгледаат малку фантастични. Неверојатно е колку точно научникот ја предвидел иднината. Така, тој го презеде водството во проучувањето на прашањето за вештачки сателит на Земјата и неговата улога за националната економија. Тој ја изрази идејата за создавање станици блиску до Земјата од страна на идните генерации како вештачки населби кои ќе ја користат енергијата на Сонцето и ќе служат како посредни бази за меѓупланетарни комуникации. Оваа идеја за меѓупланетарни станици беше главното средство за остварување на негуваниот сон - човечко истражување на кружниот сончев простор и создавање „етерични населби“ во иднина.

Методологија за лекција 4
„Основи на астронаутиката“

Целта на часот: да се развијат знаења за теоретските и практичните основи на астронаутиката.

Цели на учење:

Општо образование: формирање на концепти:

За теоретски и практични предуслови, задачи и методи на вселенско истражување;
- за поврзаноста на астронаутиката и астрономијата, физиката и другите природно-математички науки и технологија;
- за астронаутика - вселенски летала;
- за главните типови млазни ракетни мотори (ракетни мотори со цврсто гориво, мотори со течно гориво, електрични погонски мотори, мотори со нуклеарен погон);
- за траектории, брзини и карактеристики на движење на вселенските летала, карактеристики на меѓупланетарна и меѓуѕвездена навигација.

Образовни: формирање на научниот светоглед на учениците за време на нивното запознавање со историјата на човековото знаење. Патриотско образование кога се запознава со извонредната улога на руската наука и технологија во развојот на астронаутиката. Политехничко образование и трудово образование во презентирање на информации за практичната примена на астронаутиката.

Развојно: развивање вештини за решавање проблеми користејќи ги законите за движење на космичките тела, формулите на Циолковски и космичките брзини за опишување на движењето на вселенските летала.

Студентите мора знае:

За астронаутика (предмет, задача и методи на астронаутичко истражување, неговата поврзаност со другите науки);
- за астронаутика: главните типови на вселенски летала, нивниот дизајн и карактеристики;
- за главните типови на ракетни мотори, нивната структура и карактеристики
- Формула Циолковски, формули и вредности на I, II, III космички брзини (за Земјата);
- за траекториите на летот на вселенските летала и односот помеѓу обликот на нивните орбити и брзината на движење.

Студентите мора може да: решава проблеми за примена на формулата Циолковски и законите за движење на космичките тела за пресметување на карактеристиките на движењето на вселенските летала.

Визуелни помагала и демонстрации:

Филмски ленти: „Елементи на механиката на летот во вселената“.
Филмови: „Сателити за вештачка земја“; „Вселенски летови“.
Табели: „Вселенски летови“; „Вселенско истражување“.
Уреди и алатки: уред за демонстрација на движењето на сателитите.

Домашна работа:

1) Проучете го материјалот од учебникот:
- Б.А. Воронцов-Велиаминова: §§ 14 (4), 16 (4).
- Е.П. Левитан: §§ 7-11 (повторување).
- А.В. Засова, Е.В. Кононович: § единаесет; вежби 11 (3, 4)

2) Завршени задачи од збирката проблеми од Воронцов-Велиаминов Б.А. : 174; 179; 180; 186.

3) Подгответе извештаи и пораки за часот „Историја на космонаутиката“.

План за лекција

Чекори од лекцијата		Методи на презентација	Време, мин
	Ажурирање на темата на часот	Приказна
	Формирање на концепти за теоретски и практични предуслови, задачи и методи на астронаутичко истражување	Предавање	7-10
	Формирање на концепти за астронаутиката и главните типови на ракетни мотори	Предавање	10-12
	Формирање концепти за траектории, брзини и карактеристики на движење на вселенските летала, карактеристики на меѓупланетарна и меѓуѕвездена навигација	Предавање	10-12
	Решавање на проблем
	Сумирање на опфатениот материјал, сумирање на часот, домашна задача

Методологија за презентирање материјал

Оваа лекција најдобро се предава во форма на предавање, за време на кое се врши систематизација, генерализација и развој на „преднаучното“ астронаутско знаење и информации на студентите за астронаутика и млазен погон, проучувани од нив на курсевите по природна историја, природна историја и физика. во текот на целиот период на школување, се спроведува. Авторите на прирачникот предлагаат да се ограничиме на анализата на прашањата за орбитите и брзината на вештачките сателити, летовите на вселенските летала до Месечината и наједноставните траектории на меѓупланетарни летови. Сметаме дека е неопходно да се дополни и прошири овој материјал, да се теоретизира, така што, како резултат на обуката, студентот стекнува сеопфатно разбирање на теоретските и практичните основи на астронаутиката. Презентацијата на материјалот треба да се заснова на претходно проучен материјал од физиката (основи на класичната механика: Њутнови закони, закон за гравитација, закон за зачувување на импулсот, млазен погон) и астрономија (астрометрија и небесна механика: законите на Кеплер, информации за космичкиот брзини, орбити на космички тела и нарушувања). Патриотскиот аспект на образованието се реализира со фокусирање на вниманието на учениците на достигнувањата на домашната наука и технологија, придонесот на руските научници за појавата, формирањето и развојот на ракетната наука и астронаутиката. Историските детали треба да се избегнуваат и да се зачуваат за подоцнежна лекција.

Космонаутика - летови во вселената; збир на гранки на науката и технологијата кои обезбедуваат истражување и развој на вселенски и вселенски објекти и нивните системи со користење на различни вселенски летала (SCAV): ракети, вештачки Земјини сателити (AES), автоматски меѓупланетарни станици (AMS), вселенски летала (SC) , управувани или контролирани од Земјата.

Теоретската основа на астронаутиката е формирана од:

1. Астрономија (астрометрија, небесна механика и астрофизика).

2. Теорија на вселенски летови - космодинамика - применетиот дел од небесната механика, проучување на траекториите на летот, параметрите на орбитата на вселенските летала итн.

3. Ракетирање, обезбедување решенија за научни и технички проблеми за создавање вселенски ракети, мотори, системи за контрола, комуникации и пренос на информации, научна опрема итн.

4. Вселенска биологија и медицина.

Главното и досега единствено превозно средство во вселената е ракетата. Законите за движење на ракетата се изведени врз основа на законите на класичната механика: кинематика и динамика (Њутнов закон II, закон за зачувување на импулсот итн.).

Формулата на К. Е. Циолковски го опишува движењето на ракетата во вселената без да го земе предвид дејството на надворешните услови и ги карактеризира енергетските ресурси на ракетата:

, - Циолковски број,Каде м 0 - почетна, м k е конечната маса на ракетата, w е брзината на исфрлената маса во однос на ракетата (брзина на млазниот тек), е- забрзување на гравитацијата.

Ориз. 73

Носач (LV) е повеќестепена балистичка ракета за лансирање на товар во вселената (AES, AMS, вселенски летала итн.). Возилата за лансирање обично се ракети со 2-4 степени што му даваат брзина на бегство на товарот I - II (сл. 73).

Ракетен мотор (RM) е млазен мотор дизајниран за ракети и не ја користи околината за работа. Во RD, не само што енергијата што се доставува до моторот се претвора (хемиска, сончева, нуклеарна итн.) во кинетичка енергија на движење на работната течност на моторот, туку и движечката сила на влечење директно се создава во форма на реакција на млазот на работната течност што истекува од моторот. Така, RD е како комбинација на самиот мотор и погонскиот уред.

Специфичниот потисок на сообраќајницата се одредува со формулата: .

Во моментов, широко се користат само хемиски XRD.

Ракетниот мотор со цврсто гориво (ракетен мотор со цврсто гориво) се користи околу 2000 години - широко во ракетната артилерија и ограничено во астронаутиката. Опсегот на потисок на ракетни мотори со цврсто гориво се движи од грами до стотици тони (за моќни ракетни мотори). Горивото во форма на полнења (првично - црн прав, од крајот на 19 век - прашок без чад, од средината на 20 век - специјални композиции) целосно се става во комората за согорување. По стартувањето, согорувањето обично продолжува додека горивото целосно не изгори; промената на потисната сила не е регулирана. Тој е наједноставен во дизајнот и работењето, но има голем број на недостатоци: низок специфичен потисок, еднократно лансирање итн. Инсталиран е на некои ракети-носачи во САД (Scout, Thor, Titan), Франција и Јапонија. Се користи и како системи за сопирање, спасување, корекција итн. (сл. 74).

Течен ракетен мотор (LPRE) е ракетен мотор кој работи на течно ракетно гориво. Предложен од К. Е. Циолковски во 1903 година. Главниот мотор на модерната вселенска технологија. Потисок од фракции од грам до стотици тони. Според нивната намена, моторите со течен погон се делат на главни (погонски), кочни, корективни итн. Како гориво се користат: оксидатори - течен кислород, азот тетрооксид, водороден пероксид; запаливи материи - керозин, хидразин, течен амонијак, течен водород. Најперспективната комбинација на течен водород и кислород (LV Energia) (Сл. 75).

За да се зголеми специфичната сила, користењето на нуклеарната енергија е ветувачко. Експериментални примероци на нуклеарни ракетни мотори ( ДВОР) се развиени од средината на 60-тите години во СССР и САД. Во моментов, Русија е единствената држава која има постојан ракетен фрлач на нуклеарен погон (сл. 76).

Развојот продолжува електрични такси патишта(ЕП) - електротермички, електромагнетни, јонски. Првите експериментални примероци на електричен погон беа создадени во СССР во 1929-30 година; Во моментов, електричните погонски мотори се користат како мотори за контрола на ставот за вселенски летала во Русија и САД. Погонскиот јонски мотор е инсталиран на AMS, лансиран во доцните 90-ти. во САД (сл. 77).

Од гледна точка на механиката на летот во вселената, такси патишта се поделени на:

1. Погонски системи со ограничена брзина на издувните гасови w » 3 - 30 km/s, определена со највисоката температура на млазниот тек (хемиска, нуклеарна итн.). Тие работат кратко време (минути, секунди) во атмосферата и вакуумираат во мали активни делови од траекторијата на летот (стотици километри).

2. Ограничени електроенергетски системи со посебен извор на енергија од кој зависи нивната ефикасност (електрични и сл.).

3. Системи со ограничен потисок (пловидба и радиоизотоп).

За време на активните фази на летот, движењето на леталото зависи од работата на неговите мотори; во пасивните делови на траектории, движењето на леталото е под влијание на силите на привлекување од космичките тела, лесен притисок и сончев ветер, а во горните слоеви на атмосферата - од аеродинамички сили на триење.

Главните карактеристики на пасивното движење на вселенското летало може да се утврдат со решавање на проблемот со 2 тела.

Во централното гравитационо поле на масивните космички тела, вселенските летала се движат во орбитите на Кеплер и:

1. Траекторијата на леталото е праволиниска во случај кога неговата почетна брзина u 0 = 0 и леталото паѓа подеднакво забрзано кон центарот на гравитација.

2. Вселенските летала се движат по елиптични траектории кога почетната брзина е насочена под агол на центарот на гравитација, во . Во елиптичните орбити околу Земјата, се движат нејзините сателити, модерните вселенски летала и орбиталните станици, како и леталата кои орбитираат околу планетите што ги проучуваат.

3. По параболични траектории при u 0 = u II, кога крајната брзина на леталото во бесконечно оддалечена точка во вселената е нула.

4. По хиперболични траектории (u 0 > u II), речиси не се разликуваат од праволиниските на големо растојание од центарот на гравитација.

Траекториите на меѓупланетарните летови се разликуваат по формата, времетраењето на летот, трошоците за енергија и други фактори во зависност од целта и карактеристиките на летот во вселената. Интересно е да се забележи дека вселенските летала речиси никогаш не се движат во права линија: траекториите на нивното движење (освен некои идеализирани случаи) се сегменти на кривини од втор ред (кругови, елипси, параболи и хиперболи) што ги поврзуваат орбитите на космичките тела. или самите тела.

Постојат 3 пасивни делови на траектории на меѓупланетарни летови: 1) внатре во „сферата на дејствување“ на Земјата, во која движењето на вселенското летало се одредува само со силата на гравитацијата; 2) од границата на сферата на влијание на Земјата до границата на сферата на влијание на космичкото тело - целта на летот, најдолгата и најконтинуирана, на која движењето на вселенското летало се одредува со привлечноста на Сонцето; 3) во сферата на дејствување на космичкото тело - целта на летот.

Веќе беше забележано погоре дека за излез од сферата на влијание на Земјата, леталото мора да има брзина u > u II; . Дополнителната брзина што вселенското летало сместено во орбитата на вештачки сателит мора да ја добие за да ја напушти сферата на влијание на Земјата се нарекува излезна брзина u В. , Каде р- растојание од космичкото тело, Р dÅ - радиус на земјината сфера на влијание ( Р dÅ = 925000 km).

При лансирање на вселенско летало од површината на Земјата, неопходно е да се земе предвид:

1) брзината и насоката на ротација на Земјата околу нејзината оска;
2) брзината и насоката на ротација на Земјата околу Сонцето (u Å = 29,785 km/s).

Лансирањето на сателити кои ротираат во насока спротивна на насоката на ротација на Земјата околу нејзината оска е многу комплицирано, што бара големи трошоци за енергија; Потешко е да се лансира вселенско летало по траекторија што не лежи во еклиптичката рамнина.

Ако излезната брзина се совпаѓа во насока со брзината на движењето на Земјата v Å, орбитата на леталото, освен перихелот, лежи надвор од орбитата на Земјата (сл. 79в).
Со спротивна насока на брзината u ВОрбитата на вселенското летало, со исклучок на афелионот, лежи внатре во орбитата на Земјата (сл. 79а).
Со иста насока и еднаквост на брзините u В= u Å орбитата на леталото станува права, по која леталото ќе паѓа на Сонцето околу 64 дена (сл. 79г).
Кога ќе В= 0, орбитата на леталото се совпаѓа со орбитата на Земјата (сл. 79б).

Колку е поголема брзината u ВВселенското летало, толку е поголема ексцентричноста на неговата елипсовидна орбита. Со релативно едноставни пресметки се одредува вредноста v во, неопходни за перихелот или афелот на орбитите на леталото да лежи во орбитата на надворешните или внатрешните планети, .

Траекториите на летот на вселенски летала кои истовремено ги допираат орбитите на Земјата и космичките тела - целите на меѓупланетарниот лет - се нарекуваат Хоманови траектории(во чест на германскиот научник В. Хоман кој ги пресметал).

За надворешни планети: . За внатрешните планети: , Каде р- просечното растојание на планетарно тело од Сонцето.

Времетраењето на летот по должината на траекторијата на Хоман се пресметува со формулата: просечен сончев ден.

При пресметување на траекторијата на меѓупланетарен лет со помош на траектории на Хоман, неопходно е да се земе предвид релативната положба (почетна конфигурација) на Земјата, Сонцето и целната планета, карактеристиките и карактеристиките на движењето на планетите во нивните орбити. . На пример, летот до Марс по најкратката траекторија на Хоман ќе трае само 69,9 d, до Јупитер - 1,11 години, до Плутон - 19,33 години. Меѓутоа, вистинската оптимална меѓусебна положба на Земјата, Сонцето и овие планети се случува исклучително ретко, а за да се намали времето на летот потребно е да се зголеми В, што бара дополнителна потрошувачка на енергија. Затоа, меѓу другите причини, летовите со екипаж до планетите на Сончевиот систем се многу поскапи и потешки од истражувањето на овие планети со помош на вселенски летала, кои можат да летаат до нивните цели со години по најекономичните траектории. Земајќи го предвид влијанието на нарушувањата од планетите и Сонцето, AWS и вселенските летала мора да имаат мотори за прилагодување на траекторијата на движење.

По достигнувањето на сферата на дејство на целната планета, за да влезе во елипсовидна или кружна орбита околу неа, леталото мора да ја намали својата брзина на вредност помала од II космичка за дадената планета.

Во меѓупланетарната навигација, маневрот на вселенски летала во гравитационото поле на планетите на Сончевиот систем е широко користен.

Кога се движи во централното гравитационо поле на масивно космичко тело, леталото е предмет на привлечна сила од ова тело, менувајќи ја брзината и насоката на движењето на леталото. Правецот и големината на забрзувањето на леталото зависат од тоа колку лета лета блиску од космичкото тело и од аголот j помеѓу насоките на влез и излез на леталото во сферата на дејството на ова тело.

Брзината на леталото се менува за:

Сондата стекнува најголемо забрзување кога се движи по траекторија што минува на минимално растојание од космичкото тело, ако брзината на влегување на леталото во сферата на дејство е еднаква на I космичка брзина u I на површината на ова тело, додека .

Кога лета околу Месечината, леталото може да ја зголеми брзината за 1,68 km/s, кога лета околу Венера – за 7,328 km/s, а кога лета околу Јупитер – за 42,73 km/s. Брзината со која леталото ја напушта сферата на влијание на планетата може значително да се зголеми со вклучување на моторите во моментот на минување на периапсисот.

На сл. 80-81 покажуваат некои пресметани траектории на меѓупланетарни летови.

Астронаутика- гранка на астронаутика која ги проучува проблемите на меѓуѕвездените летови. Во моментов, тој студира главно теоретски проблеми на механиката на летот, бидејќи модерната наука нема информации за да ги реши техничките прашања за достигнување до ѕвездите.

За меѓуѕвезден лет, леталото мора да оди подалеку од сферата на влијание на Сонцето, еднакво на 9 × 10 12 km. Меѓуѕвездените растојанија се огромни: најблиската ѕвезда е 270.000 АЕ; Има само околу 50 ѕвезди во сфера со радиус 10 компјутери опишани околу Сонцето.

Во моментов, леталата Pioneer 10 и 11 и Voyager 1 и 2 тргнаа на лет надвор од Сончевиот систем, кој ќе се оддалечи на растојание од 1 светлосна година за илјадници години.

Постојните, па дури и ветувачки типови на ракетни мотори не се соодветни или имаат мала корист за меѓуѕвездени летови, бидејќи тие не можат да го забрзаат леталото до брзина поголема од 0,1 од брзината на светлината Со .

До најблиските ѕвезди, теоретски се можни само еднонасочни летови на автоматски меѓуѕвездени сонди (AIS) или летови со екипаж за да се колонизираат соодветни планети со екипаж во состојба на „реверзибилна смрт“ (хибернација) или со промена на генерациите. внатре во бродот, што бара решавање на многу проблеми само технички, но и етички, психолошки, биолошки проблеми (екипажот никогаш нема да се врати на Земјата; тие ќе мора да го поминат најголемиот дел од својот живот или дури и целиот свој живот за време на промената на генерациите во внатрешноста на брод, неопходно е да се создаде целосно затворен екосистем на вселенското летало итн.); уште пред лансирањето, копнените астрономски набљудувања мора да гарантираат постоење на копнени планети со услови погодни за живот во близина на ѕвездата - целта на летот (во спротивно летот го губи своето значење).

„Синиот сон“ на модерната астронаутика е теоретски идеален квантен (фотонски) ракетен фрлач со w = в - единствениот погоден за меѓуѕвездени летови во рамките на Галаксијата (сл. 78).

Движењето на физичките тела со брзини блиску до брзината на светлината се разгледува во општата теорија на релативноста (GTR), која ги проучува просторно-временските обрасци на какви било физички процеси.

Во рамките на општата релативност, формулата Циолковски е генерализирана и има форма: ,

Каде z- Циолковски број, м 0 - почетна, м 1 е конечната маса на леталото, u 1 е конечната брзина на леталото во референтната рамка на Земјата, w е брзината на млазниот поток во однос на бродот.

Дури и фотонски звезден брод не може да ја достигне брзината на светлината при w = в , затоа што: .

Според модерната наука, летот со брзина поголема од брзината на светлината е невозможен за какви било материјални предмети. Сепак (теоретски) ѕвездениот брод може да патува со брзина блиска до брзината на светлината.

Можни опции за меѓуѕвезден лет:

1. Лет во 3 фази: забрзување на леталото до максимална брзина; крајбрежен лет со исклучени мотори; сопирање до нулта брзина.
2. Лет во 2 фази со постојано забрзување: првата половина од летот леталото ја зголемува брзината со забрзување g~ gÅ= 10 m/s 2 и потоа почнува да сопира со истото забрзување.

Според основните принципи на Општата релативност, за набљудувач на вселенско летало, кога се приближува до брзината на светлината, сите физички процеси ќе се забават за фактор, а растојанијата долж насоката на движење на леталото ќе се намалат за иста количина: просторот и времето се, како да се, „компресирани“. Во референтната рамка на бродот тој ќе биде неподвижен, но во однос на Земјата и целта на летот ќе се движи со брзина u £ в.

Времето на сопствениот (брод) лет и независното време поминато од моментот на лансирање на Земјата се пресметуваат со различни формули: , Каде И - хиперболични косинусни и хиперболични синусни функции, р- растојание до целта на летот.

Со континуирано забрзување е= 10 m/s 2 лет до ѕвездата на Кентаур ќе трае 3,6 години според часовникот на бродот, 4,5 години според часовникот на Земјата; летот до центарот на Галакси ќе трае според часовникот на бродот Т к= 19,72 години, според Земјата Т Å= 27000 години; лет до галаксијата М31 („маглината Андромеда“), најблиската од спиралните галаксии, ќе трае соодветно Т к= 28 години и Т Å= 3,5 милиони години!

Ова е цената што треба да се плати за меѓуѕвездените летови според „парадоксот на близнаци“: астронаутите кои летале околу половина од Галаксијата и остареле десетици години, ќе се вратат на Земјата илјадници и милиони години по лансирањето. Покрај чисто етичките проблеми на вонземјаните кои се враќаат од суштински „лет во еден правец“ од далечното минато во светот на иднината, се јавува важен проблем за вредноста на информациите доставени од астронаутите: за време на летот, науката на Земјата не стои!

Енергетските проблеми на меѓуѕвездените летови се многу важни: ако се постигне втората космичка брзина на меѓупланетарен лет Земја - Марс, ќе се потроши енергија од околу 8,4 × 10 9 kW × h (генерирана од електрана со капацитет од 100 MW за 8,5 часа), потоа да го забрза леталото до 0,2 Со потребната енергија е 10 15 kW× h - целата енергија што ја создаваат електраните на Земјата за 10 години. Зголемувањето на брзината до 0,4 секунди повлекува зголемување на потрошувачката на енергија за 16 пати со 100% ефикасност на моторот! Резервите на гориво за термонуклеарниот ракетен мотор ќе изнесуваат над 99% од масата на вселенското летало. Синтезата на антиматерија за еден лет на фотонски ѕвезден брод бара толкаво количество енергија што модерната наука не може да го означи нејзиниот извор во Сончевиот систем.

Така, според законите на физиката, на сегашното ниво на развој на земната цивилизација, летовите со вселенски бродови со екипаж меѓу ѕвездите се практично невозможни. Студиите на блиските ѕвезди од меѓуѕвездената беспилотна АМС се сосема можни (во моментов во САД и Русија се развиваат проекти за лансирање на АМС до Проксима Кентаури, Барнардова ѕвезда и некои други објекти во средината на 21 век). AMZ со неколку десетици тони носивост ќе забрза до брзина од 0,1-0,2 Со сончеви, радиоизотопски или термонуклеарни ракетни мотори, времето на летот ќе биде десетици, па дури и стотици години.

Проучениот материјал се консолидира во текот на решавањето на проблемите:

Вежба 10:

1. Зошто е полесно да се лансира вселенско летало до Плутон отколку до Сонцето?

2. Дали е можно, омилена ситуација во научната фантастика од 60-тите, кога вселенско летало со неуспешен мотор се привлекува и паѓа во Сонцето?

3. Каде и зошто е поисплатливо да се лоцираат космодроми: на половите или на екваторот на Земјата?

4. Определете ја брзината со која леталото го напушта Сончевиот систем. Колку време ќе биде потребно за да лета до најблиската ѕвезда?

5. Зошто се јавува бестежинска состојба во внатрешноста на леталото во пасивниот дел од траекторијата на летот?

6. Колкава е брзината на АМС што ротира во кружна орбита околу Јупитер на растојание од: а) 2000 km; б) 10.000 km од планетата?

7. Нацртајте ја на цртежот конфигурацијата на Земјата, Сонцето и Марс, сметајќи дека нивните орбити се кружни, за време на летот на советското вселенско летало „Марс-2“ и „Марс-3“, кое стигна до Марс на 21 ноември, 1971 година и 2 декември 1971 година по 192 и 188 дена летот, ако спротивставувањето на планетите се случило на 10 август 1971 година.

Според В.В. Раџиевски треба да го привлече вниманието на наставниците и учениците „на огромната практична важност на астрономијата во врска со активното истражување на вселената, на улогата на астронаутиката во решавањето на еколошките проблеми со загадувањето на животната средина (пренос на претпријатија што го загадуваат воздухот во вселената, ослободување на опасен индустриски отпад во вселената, демографски изгледи)… Неопходно е зајакнување на елементите на астронаутика во самата програма, воведување прашања: законот за зачувување на енергијата во проблемот со 2 тела (елементарен заклучок)...

Во 60-80-тите, во училиштата на Советскиот Сојуз се предава изборен предмет од А.Д. Марленски „Основи на космонаутиката“ (IX одделение, 70 часа обука, 2 часа неделно). Информациите за неговата структура, содржина и планирање на часовите можат да бидат корисни за модерен наставник по физика и астрономија за користење на релевантниот материјал на часовите по физика и астрономија (особено на часовите по физика и математика) и воннаставни активности:

1) Историја на астронаутика(2 часа) (Првите фантастични проекти за вселенски летови. К.Е. Циолковски - основач на научната астронаутика. Главните фази на развојот на ракетната технологија. Лансирањето на првиот советски сателит и почетокот на вселенската ера. Човечки лет во вселената ).

2) Движење и дизајн на ракети(4 часа) (Принципот на работа на ракетата. Концептот на механиката на телата со променлива маса. Формулата Циолковски. Главните делови и нумеричките карактеристики на едностепената ракета. Ракетите со повеќе фази. Ракетните мотори и горивата) . Започнете со повторување на законот за зачувување на импулсот; врз основа на него, анализирајте еднопулсно исфрлање на маса од ракета. Размислете за серија последователни исфрлања и покажете дека добиената брзина на ракетата за време на еднонасочните исфрлања е еднаква на збирот на брзините што ги добива при секое масовно исфрлање. Пријавете ја формулата Циолковски (без детално изведување, но со детална анализа на физичкото значење и решавање на соодветните проблеми). Размислете за движењето на ракетата од гледна точка на законите на динамиката, во зависност од реактивната сила. Експериментално демонстрирајте ја појавата на реактивна сила користејќи примери на млазови на вода што тече и покажете како може да се промени силата на потисок (даден е дијаграм на инсталацијата). Да се запознаат учениците со нумеричките карактеристики на едностепените и повеќестепените лансирни возила. Понудете (дома) да развиете проекти за проектили со различни карактеристики, расклопете ги во следната лекција. Работата на РД се изучува во општи рамки. Се разгледуваат шеми на нивниот дизајн, снабдување со гориво и графикони на промени во карактеристиките (брзина, температура и притисок на производите на согорување долж оската на сообраќајницата). Обрнете внимание на основните податоци за ракетните мотори и ракетното гориво во споредба со термичките мотори и горивото за транспорт на земја. Корисно е да се демонстрираат ракети со работни модели.

3) Слободно движење на ракета во гравитационо поле(8 часа) (Централно гравитационо поле. Задача на 2 тела. Закон за зачувување на механичката енергија при движење во гравитационо поле. Гравитациски параметар. Формула за брзина на тело што се движи во елипсовидна орбита. Траектории на движење во гравитационо поле (Кеплерови орбити). Кеплерови закони. Кружна брзина, брзина на ослободување, хиперболична вишок брзина. Концепт на нарушено движење. Опсег на дејство. Бестежинска состојба). Повторете го законот за универзална гравитација во однос на 2 материјални точки и детално анализирајте ја неговата формула; укаже на можноста за претставување на масивни космички тела во вид на материјални точки. Се формира идеја за гравитационото поле како поле на централни сили и неговите карактеристики: забрзување на гравитацијата (што овозможува да се одредат ефектите на силата на централното поле врз телата внесени во различни точки на полето) и потенцијалите (за одредување на трошоците за енергија за различни движења на телата на ова поле). Оправдајте го изборот на нултата вредност на гравитациониот потенцијал за точките на бесконечност; во овој случај, гравитационите потенцијали на сите космички тела се мерат од нулта ниво и лесно се споредуваат. Со споредување на гравитационите потенцијали на точките на површината на планетите, може да се процени количината на работа потребна за отстранување на тело од дадена точка до бесконечност (воведување на концептот на космичка брзина II). Решението на проблемот со 2 тела се заснова на законите за зачувување на енергијата и аголниот моментум (концептот на законот за зачувување на аголниот моментум треба да се формира врз основа на демонстрацијата на клупата Жуковски, дефиницијата на концептот на аголна моментум и голем број експерименти)

4) Движење на ракета под влијание на потисок(6 часа) (Вметнување на вселенско летало во орбитата. Загуби во брзината. Почетни и вкупни карактеристични брзини. Контрола на вселенското летало. Корекции на траекторијата. ). 5) Вештачки земјини сателити(8 часа) (Сателитски орбити. Пертурбација на орбитите предизвикани од несферичноста на Земјата, атмосферскиот отпор, гравитацијата на Месечината и Сонцето. Движење на сателитот во однос на површината на Земјата. Вбризгување на сателитот во орбитата. Мултипулс маневри.Средба во орбитата.Орбити на чекање.Хоман трансфери.Докинг.Орбитални станици.Спуштање од орбитата.Основни физички феномени при повторното влегување.Балистичко спуштање и лизгање). 6) Летови до Месечината и планетите(8 часа) (Траектории на лет до Месечината. Вештачки лунарни сателити. Слетување на Месечината. Траектори на летот до планетите. Оптимални траектории. Прозорци за лансирање. Корекции на траекторијата. Траектории со повеќе импулси. Користење на гравитационото поле на планетите за промена на траектории на вселенски летала Летање околу планети Слетување на планети Користење на атмосферата при слетување Коридор за влез Тешко и меко слетување). 7) Услови на летот во вселената(2 часа) (Опасност од радијација. Опасност од метеорит. Методи на заштита. Животна поддршка во вселенското летало. Вселенска психологија. Ритамот на животот во вселенското летало. Влијанието на бестежинската состојба и преоптоварувањето на телото). 8) Научна и практична употреба на астронаутика(6 часа) (Достигнувања на СССР во користењето на вселената. Научна опрема на сателити, вселенски летала и AWS. Истражување на Земјата, вселената блиску до Земјата, Месечината, планетите, меѓупланетарниот простор со помош на астронаутика. Практична употреба на астронаутика : во геодезија, метеорологија, навигација, комуникации, истражување на ресурсите на земјата). 9) Изгледи за астронаутика(2 часа) (Проекти за понатамошни вселенски летови во Сончевиот систем. Проекти за истражување на Месечината и планетите. Можноста за меѓуѕвездени летови). 10 часа практична работа (вклучувајќи астрономски набљудувања).

<< Предыдущая наблюдения - лабораторные работы - практические работы - учебная программа - учебные пособия - лекции - педагогический эксперимент - дидактика - контрольные работы - задача
Исто така види:Сите публикации на иста тема >>

Зборот космос е синоним за зборот Универзум. Просторот често се дели донекаде произволно на блискиот простор, кој моментално може да се истражи со помош на вештачки Земјини сателити, вселенски летала, меѓупланетарни станици и други средства, и далечниот простор - сè друго, неспоредливо поголемо. Всушност, блискиот простор се однесува на Сончевиот систем, а далечниот простор се однесува на огромните пространства на ѕвезди и галаксии.

Буквалното значење на зборот „космонаутика“, кој е комбинација од два грчки збора - „пливање во универзумот“. Во општа употреба, овој збор значи збир од различни гранки на науката и технологијата кои обезбедуваат истражување и развој на вселената и небесните тела со помош на вселенски летала - вештачки сателити, автоматски станици за различни намени, летала со екипаж.

Космонаутиката, или, како што понекогаш се нарекува, астронаутика, ги комбинира летовите во вселената, збир на гранки на науката и технологијата кои служат за истражување и користење на вселената во интерес на потребите на човештвото користејќи различни вселенски средства. Почетокот на вселенската ера на човештвото се смета за 4 октомври 1957 година - датумот кога беше лансиран првиот вештачки сателит на Земјата во Советскиот Сојуз.

Теоријата за летот во вселената, долгогодишен сон на човештвото, стана наука како резултат на основните дела на големиот руски научник Константин Едуардович Циолковски. Тој ги проучувал основните принципи на ракетната балистика, предложил дијаграм на течен ракетен мотор и ги утврдил законите што ја одредуваат реактивната сила на моторот. Беа предложени и шеми на вселенски летала и беа дадени принципите на дизајнирање на ракети, кои сега се широко користени во пракса. Долго време, сè до моментот кога идеите, формулите и цртежите на ентузијастите и научниците почнаа да се претвораат во предмети произведени „во метал“ во дизајнерски бироа и фабрички работилници, теоретската основа на астронаутиката почиваше на три столба: 1) теоријата на движење на вселенското летало; 2) ракетна технологија; 3) севкупноста на астрономските знаења за Универзумот. Последователно, во длабочините на астронаутиката се појавија широк спектар на нови научни и технички дисциплини, како што се теоријата за контролни системи за вселенски објекти, вселенска навигација, теоријата за вселенски комуникациски системи и пренос на информации, вселенска биологија и медицина итн. дека ни е тешко да ја замислиме астронаутиката Без овие дисциплини, корисно е да се запамети дека теоретските основи на астронаутиката ги поставил К. да се смета за средство за комуникација во просторот.

За многу години, сигнализацијата со помош на зраците на сончевата светлина што се рефлектираат кон Земјата од огледалата на меѓупланетарното летало сериозно се сметаше за средство за комуникација. Сега, кога сме навикнати да не бидеме изненадени ниту од телевизиското покривање во живо од површината на Месечината, ниту од радио фотографиите направени во близина на Јупитер или на површината на Венера, ова е тешко да се поверува. Затоа, може да се тврди дека теоријата за вселенски комуникации, и покрај сета нејзина важност, сè уште не е главната алка во синџирот на вселенски дисциплини. Оваа главна врска е теоријата за движење на вселенските објекти. Тоа е она што може да се смета за теорија на вселенски лет. Самите специјалисти кои се занимаваат со оваа наука ја нарекуваат поинаку: применета небесна механика, небесна балистика, вселенска балистика, космодинамика, механика на вселенски летови, теорија на движење на вештачки небесни тела. Сите овие имиња имаат исто значење, прецизно изразено со последниот термин. Така, космодинамиката е дел од небесната механика - наука која го проучува движењето на сите небесни тела, и природни (ѕвезди, Сонце, планети, нивните сателити, комети, метеороиди, космичка прашина) и вештачки (автоматски вселенски летала и летала со екипаж) . Но, има нешто што ја разликува космодинамиката од небесната механика. Космодинамиката, родена во пазувите на небесната механика, ги користи своите методи, но не се вклопува во нејзината традиционална рамка.

Значајна разлика помеѓу применетата небесна механика и класичната механика е тоа што втората не се занимава и не може да се занимава со изборот на орбитите на небесните тела, додека првата се занимава со изборот од огромен број можни траектории за достигнување на одредено небесно тело на одредена траекторија, која зема предвид бројни, често спротивставени барања. Главниот услов е минималната брзина до која вселенското летало забрзува за време на почетната активна фаза на летот и, соодветно, минималната маса на носачот или горна орбитална скала (при лансирање од ниската орбита на Земјата). Ова обезбедува максимална носивост и затоа најголема научна ефикасност на летот. Се земаат и барањата за леснотија на контрола, условите за радио комуникација (на пример, во моментот кога станицата влегува на планетата за време на неговото прелетување), условите за научно истражување (слетување на дневната или ноќната страна на планетата) итн. Космодинамиката им овозможува на дизајнерите на вселенски операции методи за оптимален премин од една орбита во друга, начини за корекција на траекторијата. Во неговото видно поле е орбиталното маневрирање, непознато за класичната небесна механика. Космодинамиката е основата на општата теорија за летот во вселената (исто како што аеродинамиката е основа на теоријата на летот во атмосферата на авиони, хеликоптери, воздушни бродови и други авиони). Космодинамиката ја дели оваа улога со динамиката на ракетите - науката за движењето на ракетите. Двете науки, тесно испреплетени, ја формираат основата на вселенската технологија. И двете се делови од теоретската механика, која сама по себе е посебен дел од физиката. Како егзактна наука, космодинамиката користи математички методи на истражување и бара логички кохерентен систем на презентација. Не за џабе основите на небесната механика беа развиени по големите откритија на Коперник, Галилео и Кеплер токму од оние научници кои дадоа најголем придонес во развојот на математиката и механиката. Тоа беа Њутн, Ојлер, Клерот, Д'Алембер, Лагранж, Лаплас. И во моментов, математиката помага во решавањето на проблемите на небесната балистика и, за возврат, добива поттик во нејзиниот развој благодарение на задачите што космодинамиката ги поставува за неа.

Класичната небесна механика беше чисто теоретска наука. Нејзините заклучоци беа постојано потврдени со податоци од астрономски набљудувања. Космодинамиката воведе експеримент во небесната механика, а небесната механика за прв пат се претвори во експериментална наука, слична во овој поглед на, да речеме, таква гранка на механиката како аеродинамика. Неволно пасивната природа на класичната небесна механика беше заменета со активниот, навредлив дух на небесната балистика. Секое ново достигнување во астронаутиката во исто време е доказ за ефикасноста и точноста на методите на космодинамиката. Космодинамиката е поделена на два дела: теорија на движење на центарот на маса на вселенско летало (теорија на вселенски траектории) и теорија на движење на вселенско летало во однос на центарот на масата (теорија на „ротационо движење“).

Ракетни мотори

Главното и речиси единствено превозно средство во вселената е ракетата, која за првпат беше предложена за оваа намена во 1903 година од К.Е. Циолковски. Законите на ракетниот погон претставуваат еден од темелите на теоријата за вселенски лет.

Космонаутика има голем арсенал на ракетни погонски системи базирани на употреба на различни видови енергија. Но, во сите случаи, ракетниот мотор ја извршува истата задача: на еден или друг начин исфрла одредена маса од ракетата, чија резерва (т.н. работна течност) се наоѓа во внатрешноста на ракетата. Одредена сила делува на исфрлената маса од ракетата, а според Њутновиот трет закон за механика - законот за еднаквост на дејството и реакцијата - истата сила, но во спротивна насока, делува од исфрлената маса на ракетата. Оваа последна сила што ја придвижува ракетата се нарекува потисок. Интуитивно е јасно дека силата на потисок треба да биде поголема, колку е поголема масата по единица време се исфрла од ракетата и толку е поголема брзината што може да се пренесе на исфрлената маса.

Наједноставниот дијаграм на дизајнот на ракетата:

Во оваа фаза на развој на науката и технологијата, постојат ракетни мотори базирани на различни принципи на работа.

Термохемиски ракетни мотори.

Принципот на работа на термохемиските (или едноставно хемиските) мотори не е комплициран: како резултат на хемиска реакција (обично реакција на согорување), се ослободува голема количина на топлина и производите на реакцијата загреани на висока температура, брзо се шират. исфрлен од ракетата со голема брзина. Хемиските мотори припаѓаат на поширока класа на термички (размена на топлина) мотори во кои работната течност истекува како резултат на нејзиното проширување преку загревање. За таквите мотори, брзината на издувните гасови главно зависи од температурата на гасовите што се шират и од нивната просечна молекуларна тежина: колку е поголема температурата и колку е помала молекуларната тежина, толку е поголема брзината на издувните гасови. На овој принцип работат ракетните мотори со течна состојба, ракетните мотори со цврсто гориво и моторите што дишат воздух.

Нуклеарни термални мотори.

Принципот на работа на овие мотори речиси не се разликува од принципот на работа на хемиски мотори. Разликата е во тоа што работната течност не се загрева поради сопствената хемиска енергија, туку поради „страна“ топлина ослободена за време на интрануклеарна реакција. Врз основа на овој принцип, беа дизајнирани пулсирачки нуклеарни термални мотори, нуклеарни термални мотори базирани на термонуклеарна фузија и радиоактивно распаѓање на изотопи. Меѓутоа, опасноста од радиоактивна контаминација на атмосферата и склучувањето договор за запирање на нуклеарните тестирања во атмосферата, во вселената и под вода, доведоа до прекин на финансирањето на споменатите проекти.

Топлински мотори со надворешен извор на енергија.

Принципот на нивната работа се заснова на примање енергија однадвор. Врз основа на овој принцип, дизајниран е соларен термички мотор, чиј извор на енергија е Сонцето. Сончевите зраци концентрирани од огледалата се користат за директно загревање на работната течност.

Електрични ракетни мотори.

Оваа широка класа на мотори комбинира различни типови на мотори кои во моментов се развиваат многу интензивно. Работната течност се забрзува до одредена брзина на издувните гасови со помош на електрична енергија. Енергијата се добива од нуклеарна или соларна централа лоцирана на леталото (во принцип, дури и од хемиска батерија). Дизајните на електричните мотори што се развиваат се исклучително разновидни. Тие вклучуваат електротермални мотори, електростатички (јонски) мотори, електромагнетни (плазма) мотори, електрични мотори со внес на работна течност од горните слоеви на атмосферата.

Вселенски ракети

Модерната вселенска ракета е сложена структура која се состои од стотици илјади и милиони делови, од кои секоја ја игра својата замислена улога. Но, од гледна точка на механиката на забрзување на ракетата до потребната брзина, целата почетна маса на ракетата може да се подели на два дела: 1) масата на работната течност и 2) конечната маса што останува по ослободувањето на работната течност. Ова последново често се нарекува „сува“ маса, бидејќи работната течност во повеќето случаи е течно гориво. „Сува“ маса (или, ако сакате, „празна“ маса, без работна течност, на ракетата) се состои од масата на конструкцијата и масата на товарот. Дизајнот треба да се сфати не само како потпорна структура на ракетата, нејзината обвивка итн., туку и погонскиот систем со сите негови единици, контролниот систем, вклучително и контролите, опремата за навигација и комуникација итн. - со еден збор. сето она што обезбедува нормален лет на ракетата. Товарот се состои од научна опрема, систем за радио телеметрија, телото на леталото што се лансира во орбитата, екипажот и системот за одржување на животот на леталото итн. Товарот е нешто без кое ракетата може да направи нормален лет.

Забрзувањето на ракетата е олеснето со тоа што како што тече работната течност, масата на ракетата се намалува, поради што, со постојан потисок, реактивното забрзување континуирано се зголемува. Но, за жал, ракетата не се состои од само една работна течност. Како што истекува работниот флуид, ослободените резервоари, вишокот делови од школката итн. почнуваат да ја оптоваруваат ракетата со мртва тежина, што го отежнува забрзувањето. Препорачливо е во некои точки да се одделат овие делови од ракетата. Вака изградена ракета се нарекува композитна ракета. Често, композитната ракета се состои од независни ракетни фази (благодарение на ова, различни ракетни системи можат да се направат од поединечни фази), поврзани во серија. Но, можно е и паралелно поврзување на чекори, рамо до рамо. Конечно, постојат проекти на композитни ракети, во кои последната фаза оди во внатрешноста на претходната, која е затворена во претходната, итн.; во овој случај, фазите имаат заеднички мотор и повеќе не се независни ракети. Значителен недостаток на последната шема е тоа што по одвојувањето на потрошената фаза, забрзувањето на млазот нагло се зголемува, бидејќи моторот останува ист, затоа потисокот не се променил, а забрзаната маса на ракетата нагло се намали. Ова ја отежнува точноста на ракетното водење и поставува зголемени барања за јачината на структурата. Кога етапите се поврзани во серија, нововклучената сцена има помал потисок и забрзувањето не се менува нагло. Додека функционира првата фаза, можеме да ги сметаме преостанатите фази заедно со вистинската носивост како носивост од првата фаза. По одвојувањето на првата етапа, започнува да работи втората фаза, која заедно со следните фази и вистинската носивост, формира независна ракета („прва подракета“). За втората етапа, сите наредни фази, заедно со вистинската носивост, ја играат улогата на сопствената носивост итн. Секоја подракета додава своја идеална брзина на постоечката брзина, и како резултат на тоа, конечната идеална брзина на повеќестепената ракета е збир од идеалните брзини на поединечната подракета.

Ракетата е многу „скапо“ возило. Возилата за лансирање на вселенски летала го „транспортираат“ главно горивото неопходно за управување со нивните мотори и нивната сопствена структура, која главно се состои од контејнери за гориво и погонски систем. Товарот сочинува само мал дел (1,5-2,0%) од масата на лансирање на ракетата.

Композитната ракета овозможува поефикасна употреба на ресурсите поради фактот што за време на летот се одвојува етапа што го исцрпила своето гориво, а остатокот од ракетното гориво не се троши за забрзување на дизајнот на потрошената фаза, што станало непотребно е да се продолжи летот.

Опции за конфигурација на проектили. Од лево кон десно:

Едностепена ракета.
Двостепена ракета со пресек.
Двостепена ракета со надолжно одвојување.
Ракета со надворешни резервоари за гориво кои се одвојуваат откако горивото во нив е исцрпено.

Структурно, повеќестепените ракети се направени со попречно или надолжно раздвојување на етапите.

Со попречно одвојување, фазите се поставуваат една над друга и работат последователно една по друга, вклучувајќи се само по одвојувањето на претходната фаза. Оваа шема овозможува создавање системи, во принцип, со кој било број на фази. Неговиот недостаток е што ресурсите на следните фази не можат да се користат во работата на претходната, што е пасивно оптоварување за него.

Со надолжно одвојување, првата фаза се состои од неколку идентични ракети (во пракса, од две до осум), лоцирани симетрично околу телото на втората етапа, така што резултантните потисни сили на моторите од првата фаза се насочени по оската на симетрија. од вториот, и истовремено работат. Оваа шема му овозможува на моторот од втората фаза да работи истовремено со моторите од првата, со што се зголемува вкупниот потисок, што е особено неопходно за време на работата на првата фаза, кога масата на ракетата е максимална. Но, ракетата со надолжно раздвојување на етапите може да биде само двостепена.

Исто така, постои комбинирана шема за раздвојување - надолжно-попречно, која ви овозможува да ги комбинирате предностите на двете шеми, во кои првата фаза е поделена од втората надолжно, а одвојувањето на сите последователни фази се случува попречно. Пример за овој пристап е домашната ракета-носач Сојуз.

Спејс шатлот има уникатен дизајн на двостепена надолжно одвоена ракета, чија прва фаза се состои од два странично монтирани засилувачи на цврсто гориво; во втората фаза, дел од горивото е содржано во резервоарите на орбитата (вселенското летало за повеќекратна употреба самиот), а најголемиот дел од него е содржан во надворешен резервоар за гориво што може да се одвојува. Прво, погонскиот систем на орбитерот троши гориво од надворешниот резервоар, а кога ќе се испразни, надворешниот резервоар се ресетира и моторите продолжуваат да работат на горивото содржано во резервоарите на орбитата. Овој дизајн овозможува максимално искористување на погонскиот систем на орбитерот, кој работи во текот на целото лансирање на леталото во орбитата.

Кога се попречно одвоени, фазите се поврзани едни со други со посебни делови - адаптери - носечки конструкции со цилиндрична или конусна форма (во зависност од односот на дијаметрите на етапите), од кои секоја мора да ја издржи вкупната тежина на сите наредни фази, помножена со максималната вредност на преоптоварувањето што го доживува ракетата во сите делови, на кои овој адаптер е дел од ракетата. Со надолжна поделба, на телото на втората етапа се создаваат ленти за моќност (предни и задни), на кои се прицврстени блоковите од првата фаза.

Елементите што ги поврзуваат деловите на композитната ракета и даваат цврстина на цврсто тело, а кога етапите се одвоени, тие речиси веднаш треба да ја ослободат горната фаза. Вообичаено, чекорите се поврзани со помош на пироболти. Пироболт е завртка за прицврстување, во чија шипка се создава шуплина до главата, исполнета со силен експлозив со електричен детонатор. Кога ќе се примени тековен пулс на електричниот детонатор, се случува експлозија, уништувајќи ја шипката на завртката, предизвикувајќи нејзината глава да се откине. Количеството експлозив во пироболтот е внимателно дозирано така што, од една страна, гарантирано ќе ја откине главата, а од друга, нема да ја оштети ракетата. Кога фазите се раздвојуваат, тековниот импулс истовремено се применува на електричните детонатори на сите пироболти што ги поврзуваат одвоените делови и врската се ослободува.

Следно, чекорите треба да бидат распоредени на безбедно растојание едни од други. (Запалувањето на моторот од повисоката етапа во близина на пониска може да предизвика согорување на неговиот капацитет за гориво и експлозија на преостанатото гориво, што ќе ја оштети горната сцена или ќе го дестабилизира неговиот лет.) Кога се одвојуваат етапите во атмосферата, аеродинамичната сила на за нивно раздвојување може да се користи дојдовниот проток на воздух, а при одвојување во празнина понекогаш се користат помошни мали цврсти ракетни мотори.

Кај течните ракети, истите тие мотори служат и за „таложење“ на горивото во резервоарите на горната етапа: кога моторот од долната етапа е исклучен, ракетата лета по инерција, во состојба на слободен пад, додека течноста горивото во резервоарите е во суспензија, што може да доведе до дефект при палење на моторот. Помошните мотори ја обезбедуваат сцената со мало забрзување, под чие влијание горивото „се населува“ на дното на резервоарите.

Зголемувањето на бројот на чекори дава позитивен ефект само до одредена граница. Колку повеќе фази, толку е поголема вкупната маса на адаптери, како и мотори кои работат само на еден дел од летот, а во одреден момент, дополнителното зголемување на бројот на фази станува контрапродуктивно. Во современата ракетна научна практика, по правило, не се прават повеќе од четири фази.

При изборот на бројот на фази, прашањата за доверливост се исто така важни. Пироболтите и помошните ракетни мотори со цврсто гориво се елементи за еднократна употреба, чие функционирање не може да се потврди пред лансирањето на ракетата. Во меѓувреме, неуспехот на само еден пироболт може да доведе до итен прекин на летот на ракетата. Зголемувањето на бројот на елементи за еднократна употреба кои не се предмет на функционално тестирање ја намалува веродостојноста на целата ракета како целина. Ова исто така ги принудува дизајнерите да се воздржат од користење премногу чекори.

Космички брзини

Исклучително е важно да се забележи дека брзината што ја развива ракетата (а со тоа и целото вселенско летало) на активниот дел од патеката, односно на тој релативно краток дел додека работи ракетниот мотор, мора да се постигне многу, многу. високо.

Ајде ментално да ја поставиме нашата ракета во слободен простор и да го вклучиме нејзиниот мотор. Моторот создаде потисок, ракетата доби некакво забрзување и почна да ја зголемува брзината, движејќи се во права линија (ако силата на потисок не ја промени својата насока). Која брзина ќе добие ракетата додека нејзината маса ќе се намали од почетната m 0 до крајната вредност m k? Ако претпоставиме дека брзината w на одливот на материјата од ракетата е константна (тоа е забележано сосема точно кај современите ракети), тогаш ракетата ќе развие брзина v, изразена Формула Циолковски, што ја одредува брзината што ја развива авионот под влијание на потисок на ракетниот мотор, непроменет во насока, во отсуство на сите други сили:

каде што ln означува природни, а log означува децимални логаритми

Брзината, пресметана со формулата Циолковски, ги карактеризира енергетските ресурси на ракетата. Тоа се нарекува идеален. Гледаме дека идеалната брзина не зависи од втората масовна потрошувачка на работната течност, туку зависи само од брзината на издувните гасови w и од бројот z = m 0 /m k, наречен масен однос или број Циолковски.

Постои концепт на таканаречени космички брзини: прва, втора и трета. Првата космичка брзина е брзината со која тело (вселенско летало) лансирано од Земјата може да стане негов сателит. Ако не се земе предвид влијанието на атмосферата, тогаш директно над морското ниво првата брзина на бегство е 7,9 km/s и се намалува со зголемувањето на растојанието од Земјата. На надморска височина од 200 km од Земјата е 7,78 km/s. Практично, првата брзина на бегство се претпоставува дека е 8 km/s.

За да се надмине гравитацијата на Земјата и да се претвори, на пример, во сателит на Сонцето или да стигне до некоја друга планета во Сончевиот систем, тело (вселенско летало) лансирано од Земјата мора да достигне втора брзина на бегство, земена еднаква до 11,2 km/s.

Телото (вселенското летало) мора да ја има третата космичка брзина на површината на Земјата во случај кога е потребно да ја надмине гравитацијата на Земјата и Сонцето и да го напушти Сончевиот систем. Третата брзина на бегство се претпоставува дека е 16,7 km/s.

Космичките брзини се огромни по нивното значење. Тие се неколку десетици пати побрзи од брзината на звукот во воздухот. Само од ова е јасно со какви сложени задачи се соочуваат во областа на астронаутиката.

Зошто космичките брзини се толку огромни и зошто вселенските летала не паѓаат на Земјата? Навистина, чудно е: Сонцето, со своите огромни гравитациони сили, ги држи Земјата и сите други планети од Сончевиот систем во себе, спречувајќи ги да летаат во вселената. Се чини чудно што Земјата ја држи Месечината блиску до себе. Помеѓу сите тела има гравитациски сили, но планетите не паѓаат на Сонцето затоа што се во движење, ова е тајната.

Сè паѓа на Земјата: капки дожд, снегулки, камен што паѓа од планина и чаша превртена од маса. А Месечината? Се врти околу Земјата. Да не беа силите на гравитацијата, ќе одлеташе тангенцијално до орбитата, а ако наеднаш застане, ќе падне на Земјата. Месечината, поради гравитацијата на Земјата, скршнува од правиот пат, цело време како да „паѓа“ на Земјата.

Движењето на Месечината се случува по одреден лак и се додека дејствува гравитацијата, Месечината нема да падне на Земјата. Истото е и со Земјата - ако застане, ќе падне во Сонцето, но тоа нема да се случи од истата причина. Два типа на движење - едниот под влијание на гравитацијата, другиот поради инерција - се собираат и резултираат со криволинеарно движење.

Законот за универзална гравитација, кој го одржува Универзумот во рамнотежа, го откри англискиот научник Исак Њутн. Кога го објави своето откритие, луѓето велеа дека полудел. Законот за гравитација го одредува не само движењето на Месечината и Земјата, туку и на сите небесни тела во Сончевиот систем, како и на вештачките сателити, орбиталните станици и меѓупланетарните летала.

Кеплеровите закони

Пред да ги разгледаме орбитите на вселенските летала, да ги разгледаме законите на Кеплер што ги опишуваат.

Јоханес Кеплер имаше чувство за убавина. Целиот свој возрасен живот се обидуваше да докаже дека Сончевиот систем е некакво мистично уметничко дело. Отпрвин се обидел да ја поврзе нејзината структура со петте правилни полиедри на класичната старогрчка геометрија. (Редовен полиедар е тродимензионална фигура, чиишто лица се еднакви правилни многуаголници.) Во времето на Кеплер, биле познати шест планети, за кои се верувало дека се поставени на ротирачки „кристални сфери“. Кеплер тврдел дека овие сфери се распоредени на таков начин што правилните полиедри точно се вклопуваат помеѓу соседните сфери. Помеѓу двете надворешни сфери - Сатурн и Јупитер - поставил коцка впишана во надворешната сфера, во која, пак, е впишана внатрешната сфера; помеѓу сферите на Јупитер и Марс - тетраедар (правилен тетраедар) итн. Шест сфери на планети, пет правилни полиедри впишани меѓу нив - се чини дека самото совршенство?

За жал, споредувајќи го неговиот модел со набљудуваните орбити на планетите, Кеплер беше принуден да признае дека вистинското однесување на небесните тела не се вклопува во хармоничната рамка што тој ја наведе. Единствениот резултат на младешкиот импулс на Кеплер кој преживеал низ вековите бил модел на Сончевиот систем, направен од самиот научник и претставен како подарок на неговиот патрон, војводата Фредерик фон Виртембург. Во овој прекрасно изведен метален артефакт, сите орбитални сфери на планетите и обичните полиедри впишани во нив се шупливи контејнери кои не комуницираат едни со други, кои на празниците требаше да се полнат со разни пијалоци за почестување на гостите на Војводата.

Дури откако се преселил во Прага и станал асистент на познатиот дански астроном Тихо Брахе, Кеплер наишол на идеи кои навистина го овековечиле неговото име во аналите на науката. Тихо Брахе собирал податоци од астрономски набљудувања во текот на неговиот живот и акумулирал огромни количини на информации за движењата на планетите. По неговата смрт тие дојдоа во сопственост на Кеплер. Овие записи, инаку, имаа голема комерцијална вредност во тоа време, бидејќи можеа да се користат за составување рафинирани астролошки хороскопи (денес научниците претпочитаат да молчат за овој дел од раната астрономија).

Додека ги обработувал резултатите од набљудувањата на Тихо Брахе, Кеплер се соочил со проблем кој, дури и со современите компјутери, некому може да изгледа нерешлив, а Кеплер немал друг избор освен да ги изврши сите пресметки со рака. Се разбира, како и повеќето астрономи од неговото време, Кеплер веќе бил запознаен со Коперниканскиот хелиоцентричен систем и знаел дека Земјата се врти околу Сонцето, што е потврдено од гореопишаниот модел на Сончевиот систем. Но, како точно ротира Земјата и другите планети? Да го замислиме проблемот на следниов начин: вие сте на планета која, прво, ротира околу својата оска, а второ, се врти околу Сонцето во орбита непозната за вас. Гледајќи во небото, гледаме други планети кои исто така се движат во орбити непознати за нас. А задачата е да се утврди, врз основа на набљудувачките податоци направени на нашата земјина топка која ротира околу својата оска околу Сонцето, геометријата на орбитите и брзината на движење на другите планети. Токму тоа на крајот успеа да го направи Кеплер, по што врз основа на добиените резултати ги изведе своите три закони!

Првиот закон ја опишува геометријата на траекториите на планетарните орбити: секоја планета во Сончевиот систем се врти во елипса, во една од фокусите на кои се наоѓа Сонцето. Од училишен курс по геометрија - елипсата е збир на точки на рамнина, збирот на растојанија од кои до две фиксни точки - фокуси - е еднаков на константа. Или со други зборови - замислете дел од страничната површина на конус со рамнина под агол на неговата основа, не поминувајќи низ основата - ова е исто така елипса. Првиот Кеплеров закон вели дека орбитите на планетите се елипсови, со Сонцето на едно од фокусите. Ексцентричностите (степенот на издолжување) на орбитите и нивното растојание од Сонцето во перихел (точката најблиску до Сонцето) и апохелија (најоддалечената точка) се различни за сите планети, но сите елиптични орбити имаат едно нешто заедничко - Сонцето се наоѓа на едно од двете фокуси на елипсата. Откако ги анализирал набљудувачките податоци на Тихо Брахе, Кеплер заклучил дека планетарните орбити се збир на вгнездени елипси. Пред него, ова едноставно не му паднало на памет на ниту еден астроном.

Историското значење на првиот закон на Кеплер не може да се прецени. Пред него, астрономите веруваа дека планетите се движат исклучиво во кружни орбити, и ако тоа не се вклопи во рамката на набљудувањата, главното кружно движење беше дополнето со мали кругови што планетите ги опишаа околу точките на главната кружна орбита. Ова беше првенствено филозофска позиција, еден вид непроменлив факт, кој не подлежи на сомнеж или верификација. Филозофите тврдеа дека небесната структура, за разлика од земната, е совршена во својата хармонија, а бидејќи најсовршените геометриски фигури се кругот и сферата, тоа значи дека планетите се движат во круг. Главната работа е што, откако доби пристап до опсежните набљудувачки податоци на Тихо Брахе, Јоханес Кеплер можеше да ја надмине оваа филозофска предрасуда, гледајќи дека таа не одговара на фактите - исто како што Коперник се осмели да ја отстрани Земјата од центарот. на универзумот, соочени со аргументи кои се спротивставуваат на постојаните геоцентрични идеи, кои исто така се состоеле од „неправилно однесување“ на планетите во орбитите.

Вториот закон ја опишува промената на брзината на движење на планетите околу Сонцето: секоја планета се движи во рамнина што минува низ центарот на Сонцето, а во еднакви временски периоди, векторот на радиусот што ги поврзува Сонцето и планетата опишува еднакви области. . Колку подалеку елиптичната орбита ја одзема планетата од Сонцето, толку е побавно движењето; колку е поблиску до Сонцето, толку побрзо се движи планетата. Сега замислете пар линии на сегменти кои поврзуваат две позиции на планетата во нејзината орбита со фокусот на елипсата во која се наоѓа Сонцето. Заедно со сегментот на елипсата што лежи меѓу нив, тие формираат сектор, чија област е токму „областа што е отсечена со права линија“. Токму за ова зборува вториот закон. Колку е поблиску планетата до Сонцето, толку пократки се сегментите. Но, во овој случај, за да може секторот да покрие еднаква површина во еднакво време, планетата мора да помине поголемо растојание во својата орбита, што значи дека нејзината брзина на движење се зголемува.

Првите два закони се занимаваат со спецификите на орбиталните траектории на една планета. Третиот Кеплеров закон ни овозможува да ги споредиме орбитите на планетите едни со други: квадратите на периодите на револуција на планетите околу Сонцето се поврзани како коцки од полу-главните оски на орбитите на планетите. Таа вели дека колку е подалеку една планета од Сонцето, толку подолго е потребно за да се заврши целосната револуција кога се движи во орбитата и толку подолго, соодветно, „годината“ трае на оваа планета. Денес знаеме дека тоа се должи на два фактори. Прво, колку една планета е подалеку од Сонцето, толку е подолг периметарот на нејзината орбита. Второ, како што се зголемува растојанието од Сонцето, се намалува и линеарната брзина на движењето на планетата.

Во своите закони, Кеплер едноставно навел факти, проучувајќи ги и генерализирајќи ги резултатите од набљудувањата. Да го прашавте што ја предизвикало елиптичноста на орбитите или еднаквоста на плоштините на секторите, немаше да ви одговори. Ова едноставно следеше од неговата анализа. Ако го прашате за орбиталното движење на планетите во другите ѕвездени системи, тој исто така не би имал што да ви одговори. Тој би морал да почне одново - да акумулира податоци од набљудување, потоа да ги анализира и да се обиде да идентификува шеми. Односно, тој едноставно нема да има причина да верува дека друг планетарен систем ги почитува истите закони како Сончевиот систем.

Еден од најголемите триумфи на класичната механика на Њутн лежи токму во фактот што дава фундаментално оправдување за законите на Кеплер и ја потврдува нивната универзалност. Излегува дека законите на Кеплер можат да се изведат од Њутновите закони за механика, Њутновиот закон за универзална гравитација и законот за зачувување на аголниот моментум преку ригорозни математички пресметки. И ако е така, можеме да бидеме сигурни дека законите на Кеплер важат подеднакво за секој планетарен систем каде било во Универзумот. Астрономите кои бараат нови планетарни системи во вселената (а неколку од нив веќе се откриени) од време на време, се разбира, ги користат Кеплеровите равенки за да ги пресметаат параметрите на орбитите на далечните планети, иако не можат директно да ги набљудуваат .

Третиот закон на Кеплер одигра и продолжува да игра важна улога во современата космологија. Набљудувајќи ги далечните галаксии, астрофизичарите детектираат слаби сигнали емитирани од атоми на водород кои орбитираат во многу далечни орбити од галактичкиот центар - многу подалеку од ѕвездите. Користејќи го Доплеровиот ефект во спектарот на ова зрачење, научниците ги одредуваат брзините на ротација на водородната периферија на галактичкиот диск, а од нив и аголните брзини на галаксиите како целина. Делата на научникот, кој цврсто нè постави на патот кон правилно разбирање на структурата на нашиот Сончев систем, а денес, векови по неговата смрт, играат толку важна улога во проучувањето на структурата на огромниот универзум.

Орбити

Од големо значење е пресметката на траекториите на летот на вселенските летала, во кои треба да се следи главната цел - максимална заштеда на енергија. При пресметување на патеката на летот на вселенското летало, неопходно е да се одреди најповолното време и, ако е можно, локацијата на лансирање, да се земат предвид аеродинамичките ефекти што се јавуваат како резултат на интеракцијата на уредот со атмосферата на Земјата за време на лансирањето и заврши, и многу повеќе.

Многу модерни вселенски летала, особено оние со екипаж, имаат релативно мали ракетни мотори на бродот, чија главна цел е неопходната корекција на орбитата и сопирањето при слетувањето. При пресметувањето на патеката на летот, мора да се земат предвид неговите промени поврзани со прилагодувањето. Поголемиот дел од траекторијата (всушност, целата траекторија, освен нејзиниот активен дел и периодите на прилагодување) се изведува со исклучени мотори, но, се разбира, под влијание на гравитационите полиња на небесните тела.

Траекторијата на вселенското летало се нарекува орбита. За време на слободниот лет на вселенското летало, кога неговите млазни мотори се исклучени, движењето се случува под влијание на гравитационите сили и инерција, при што главната сила е гравитацијата на Земјата.

Ако сметаме дека Земјата е строго сферична, а дејството на Земјиното гравитационо поле е единствената сила, тогаш движењето на леталото ги почитува добро познатите закони на Кеплер: се случува во неподвижна (во апсолутна простор) рамнина што минува низ центарот на Земјата - орбиталната рамнина; орбитата има облик на елипса или круг (посебен случај на елипса).

Орбитите се карактеризираат со голем број параметри - систем на количини кои ја одредуваат ориентацијата на орбитата на небеското тело во вселената, неговата големина и облик, како и положбата во орбитата на небесното тело во одреден момент. Невознемирената орбита по која телото се движи во согласност со законите на Кеплер се одредува со:

Орбитална наклонетост (i)до референтната рамнина; може да има вредности од 0° до 180°. Наклонот е помал од 90° ако се чини дека телото се движи спротивно од стрелките на часовникот до набљудувач кој се наоѓа на северниот еклиптички пол или на северниот небесен пол, и повеќе од 90° ако телото се движи во спротивна насока. Кога се применува на Сончевиот систем, рамнината на орбитата на Земјата (еклиптичката рамнина) обично се избира како референтна рамнина; за вештачките сателити на Земјата, рамнината на екваторот на Земјата обично се избира како референтна рамнина; за сателити на други планети од Сончевиот систем, екваторната рамнина на соодветната планета обично се избира како референтна рамнина.
Должина на растечки јазол (Ω)- еден од основните елементи на орбитата, кој се користи за математички опишување на обликот на орбитата и нејзината ориентација во вселената. Ја дефинира точката во која орбитата ја сече главната рамнина во правец од југ кон север. За телата кои се вртат околу Сонцето, главната рамнина е еклиптиката, а нултата точка е Првата точка на Овен (пролетна рамноденица).
Главните оские половина од главната оска на елипсата. Во астрономијата, го карактеризира просечното растојание на небесно тело од фокусот.
Ексцентричност- нумеричка карактеристика на конусен пресек. Ексцентричноста е непроменлива во однос на движењата на рамнините и трансформациите на сличноста и ја карактеризира „компресијата“ на орбитата.
Аргумент за периапсис- се дефинира како агол помеѓу насоките од центарот за привлекување до растечкиот јазол на орбитата и до периапсисот (точката на орбитата на сателитот најблиску до центарот на привлекување), или аголот помеѓу линијата на јазли и линијата на апсиди. Се брои од центарот за привлекување во насока на движењето на сателитот, обично избран во опсег од 0°-360°. За да се одреди растечкиот и опаѓачкиот јазол, се избира одредена (т.н. база) рамнина што го содржи центарот за привлекување. Како основна рамнина обично се користат еклиптичката рамнина (движењето на планетите, кометите, астероидите околу Сонцето), екваторијалната рамнина на планетата (движењето на сателитите околу планетата) итн.
Просечна аномалијаза тело што се движи во непречена орбита - производ на неговото просечно движење и временскиот интервал по минување на периапсисот. Така, просечната аномалија е аголното растојание од периапсисот на хипотетичкото тело кое се движи со константна аголна брзина еднаква на просечното движење.

Постојат различни видови орбити - екваторијални (наклон „i“ = 0°), поларни (наклон „i“ = 90 °), сончево-синхрони орбити (параметрите на орбитата се такви што сателитот поминува над која било точка на површината на земјата на приближно во исто време). локално сончево време), ниско-орбитална (висини од 160 км до 2000 км), средна орбитална (височина од 2000 км до 35786 км), геостационарна (височина 35786 км), висока орбитална (височина повеќе од 35786 km).

Еден од креаторите на првиот сателит еднаш призна дека не сфатил какво големо дело било направено тогаш, во 1957 година. А во оправдувањето тој се осврна на поетот В. Брјусов, кој рече дека „грандиозните настани се речиси незабележливи за директно инволвираните: секој гледа само еден детаљ пред своите очи, обемот на целата бега од набљудувањето. Затоа, веројатно, многу луѓето некако не забележуваат дека човештвото влезе во „ерата на чудата“.

Ние само влегуваме во четвртата деценија од вселенската ера, но веќе сме навикнати на такви чуда како сателитски системи за комуникација и набљудување на времето, навигација и помош на оние кои се во неволја на копно и море кои ја покриле целата Земја. Како нешто сосема обично, слушаме извештаи за повеќемесечната работа на луѓето во орбитата, не сме изненадени од отпечатоците на Месечината, фотографиите на далечните планети снимени во точка празно или јадрото на кометата прикажано за прв пат од вселенско летало.

Во многу краток историски период, астронаутиката стана составен дел од нашите животи, верен асистент во економските прашања и познавање на светот околу нас. И нема сомнеж дека понатамошниот развој на земната цивилизација не може без развој на целиот простор блиску до Земјата.

На пример, многу научници гледаат излез од претстојната еколошка криза во користењето на ресурсите на блискиот простор. „Јасно е дека вселенскиот потенцијал не е лек за сите болести“, пишува истакнат експерт во областа на астронаутиката, К. Ерике. „Предложениот пат е едноставно една од најефикасните можности во арсеналот што ни е на располагање денес за гаранција за опстанок на човештвото како модерно општество. Ова е неопходно и за целта на континуирана еволуција на нашето општество, притоа зачувувајќи ја земјината природа, која е единствена во областа што се протега многу светлосни години околу нас“.

Истражувањето на вселената - оваа „провинција на целото човештво“ - продолжува со зголемено темпо. Гледајќи наназад на она што е веќе постигнато, можеме да се обидеме да ги одредиме приближните датуми за следните фази на користење на нашето ново живеалиште. Многу е поризично да се прават долгорочни прогнози. Но, познати се и такви обиди. Доктор по физичко-математички науки ЈИ. Лесков, на пример, гледа напред кон цел милениум.

Според научникот, во годините што преостануваат до следниот век, во вселената ќе се организира прво пилот-индустриско, а потоа и масовно производство на подобрени материјали. Практично неограничените енергетски можности, заедно со длабокиот вакуум и бестежинската состојба, се она што првенствено ги привлекува индустријалците во вселената. Сепак, единствените технолошки услови не се единствената причина за предложеното преместување на голем број претпријатија, а можеби и цели индустрии, како што се, да речеме, хемиската, металуршката, нуклеарната...

Нашата планета е веќе толку запушена со индустриски отпад што нејзиното понатамошно ширење се заканува со катастрофални последици за целата биосфера. И резервите на суровини на Земјата не се толку големи за да можеме да живееме во мир, без да се грижиме за иднината. Затоа, сè повеќе експерти доаѓаат до заклучок дека широко распространетата индустријализација на просторот блиску до Земјата е неизбежна. Вселенската наука и технологија се подготвуваат за ова со тоа што ќе продолжат да проучуваат како се случуваат различни технолошки процеси во орбитата, а во исто време создаваат проекти за нивно снабдување со енергија.

Предвидувајќи го развојот на астронаутиката за истиот период, други експерти обрнуваат внимание на различни насоки во овој процес. Претседателот на Меѓународната академија за астронаутика, Џ. Мулер, на пример, укажува на претстојната широка употреба на сателитски комуникации за сеопфатни информативни услуги за луѓето ширум светот. Нему му се придружува советскиот академик В. Авдуевски. „Поврзаноста на вселенската технологија со микроелектрониката“, забележува тој, „ни овозможува да зборуваме за организацијата во многу блиска иднина на глобален комуникациски систем со претплатници кои не се „врзани“ за никакви земјени јазли. Односно, за создавањето на едно информативно поле во кое секој може да се придружи на секого во секое време и каде било во светот. Тоа значи дека начинот на живот на милиони и милиони луѓе радикално ќе се промени. Секој што живее на Земјата ќе има пристап до богатството на светската култура - од имотите на најголемите книжарници во светот, салите на Ермитаж и Лувр, каде што можете да ги „посетите“ во секој момент, до филмските и музичките библиотеки на која било јавна или приватна колекција. Слоганот ќе стане реалност: високо образование за секој што сака да го добие. Да не зборуваме за можноста за добивање на какви било референтни податоци, одржајте оперативен состанок...“

За да се премине во следната фаза од истражувањето на вселената, смета Л. Лесков, ќе биде неопходно да се создадат нови, поефикасни возила: воздушни авиони, летала со екипаж и автоматски вселенски летала, лансирни возила за еднократна употреба, интер-орбитални влечни со капацитет за кревање тешки ...

Во 20-50-тите години на 21 век, во орбитата ќе се појават џиновски рефлектори на сончева светлина и сончеви вселенски електрани, а после ова ќе дојде време за индустриски развој на Месечината. Тогаш научникот работи не со децении, туку со векови. Меѓу следните фази се наведени како што се создавање на големи структури во вселената, употреба на вонземска материја со нејзиното доставување на Земјата, развој и трансформација на природата на Марс и Венера.

Што е следно? И што е најважно, што ќе се случи со луѓето кои засекогаш се разделиле со својата планета? Еден од водечките експерти во областа на вселенската медицина и биологија, академик О. Газенко, разгледува две сценарија за вселенско населување: во рамките на Сончевиот систем и надвор од неговите граници. Ако, верува научникот, е можно да се создаде живеалиште во вселената што е што е можно поблиску до она на Земјата, еволуцијата на постојаните жители на „етеричните населби“ очигледно ќе се одвива на ист начин како и на Земјата. Точно, постои можност, под влијание на космичките зраци, кај луѓето да се појават случајни наследни промени, а понатамошниот тек на еволуцијата ќе стане непредвидлив. Секако, тоа може да се случи само ако дотогаш не се пронајдени сигурни средства за заштита.

Научникот ја признава и таквата опција кога главниот фактор што ја одредува долгорочната еволуција на човекот нема да биде зрачењето, туку бестежинската состојба. Тогаш луѓето, постепено губејќи некои од физиолошките карактеристики „наметнати“ од гравитацијата, ќе станат различни - можеби, слични на „бестелесните“ ликови во сликите на шпанскиот уметник Ел Греко.

Ако човештвото не се ограничи само на освојувањето на Сончевиот систем и ги надмине неговите граници, тогаш, смета академикот, по стотици генерации бескрајните пространства на Галаксијата ќе се најдат населени со посебни колонии на интелигентни суштества, значително различни и од нас и едни од други.

Но, дали човек ќе се прилагоди на такви необични услови за живот? Вака рече К. Циолковски: „...Во моментов напредните слоеви на човештвото се трудат сè повеќе да ги сместат своите животи во вештачки рамки и нели во тоа се состои напредокот? Борба против лошите временски услови, високи и ниски температури, гравитација“, со животни, со штетни инсекти и бактерии, дури и сега не создава чисто вештачка средина околу човекот? Во етерскиот простор, оваа извештаченост само ќе ја достигне својата крајна граница, но од друга страна, човекот ќе да биде во услови кои се најповолни за него“.

Сепак, да не гледаме толку далеку. Да се вратиме на прогнозите за не така далечната иднина. Се разбира, нивните автори добро знаат дека хронолошките шеми што ги предлагаат се многу приближни. Затоа, тие не се обидуваат да наведат конкретни рокови за реализација на одредени проекти, притоа главно внимавајќи на нивниот технички опис. Ние ќе се придржуваме до истиот принцип во нашата приказна за изгледите за вонземски активности на нашата цивилизација.

Оваа книга е наменета за младите луѓе, „оние кои ќе читаат за да градат“ - вака Ју Кондратјук им се обрати на своите читатели. Ќе поминат години, а оние кои сега ги превртуваат овие страници ќе почнат да ги остваруваат денешните соништа. Точно: „читај за да изградиш“!