Eksploracja kosmosu w przyszłości. Teoria epoki kosmicznej

Konstantin Eduardowicz Ciołkowski urodził się 5 (17) września 1857 r. we wsi Iżewskoje w obwodzie riazańskim w rodzinie leśniczego. Z powodu choroby nie mógł uczyć się w szkole i był zmuszony uczyć się samodzielnie. Po samodzielnym opanowaniu większości zajęć w jedynej bezpłatnej bibliotece w Moskwie zdał egzamin na stanowisko nauczyciela szkół publicznych i otrzymał stanowisko nauczyciela w szkole rejonowej Borovsky. Później został przeniesiony, aby uczyć w Kałudze, gdzie spędził całe swoje przyszłe życie. W wolnym czasie Ciołkowski studiował nauki ścisłe. Za swoją pracę „Mechanika organizmu zwierzęcego” został wybrany na członka rzeczywistego Rosyjskiego Towarzystwa Fizykochemicznego. Po rewolucji jego prace stały się popularne, uznane za innowacyjne i podekscytowane umysłami współczesnych. W latach 1926–1929 Ciołkowski zajmował się praktycznymi zagadnieniami lotów kosmicznych. W tym czasie rodzą się najbardziej śmiałe, a nawet fantastyczne pomysły, które mają zostać zrealizowane w przyszłości. Ciołkowski obliczył optymalną wysokość lotu wokół Ziemi, bronił idei różnorodności form życia we Wszechświecie, wynalazł pierwsze podwozie kołowe, opracował zasady napędu poduszkowca, pisał o przyszłym odkryciu lasera i przewidział przenikanie matematyki do wszystkich dziedzin nauki. Ciołkowski zmarł 19 września 1935 r.

Ze względu na swoje liczne i wątpliwe naukowo dzieła filozoficzne Ciołkowskiego można by nazwać wielkim marzycielem i ekscentrykiem z kosmosu, gdyby nie jedno „ale”: Konstantin Eduardowicz jest pierwszym ideologiem i teoretykiem eksploracji kosmosu przez człowieka. Ciołkowski zawsze marzył o kosmosie i starał się uzasadnić swoje marzenia teoretycznie, a nawet praktycznie. Pierwsze myśli o wykorzystaniu rakiet do lotów w kosmos naukowcy wyrazili już w 1883 roku, ale spójna matematyczna teoria napędu odrzutowego miała pojawić się dopiero trzynaście lat później.

W 1903 r. w piątym numerze czasopisma „Scientific Review” opublikował część artykułu „Badania przestrzeni świata za pomocą instrumentów odrzutowych”, ale, podobnie jak wiele odkryć i dzieł Ciołkowskiego, był on zbyt odległy od realiów współczesnego życia. Jednak to właśnie w tym artykule naukowiec przedstawił obliczenia matematyczne i uzasadnienie realnej możliwości wykorzystania rakiet do podróży międzyplanetarnych. Ciołkowski nie ograniczył się do wskazania sposobu przedostania się człowieka w przestrzeń kosmiczną – rakiety podał także szczegółowy opis silnika. Wiele teorii Konstantina Eduardowicza można nazwać proroczymi, np. odnośnie wyboru ciekłego paliwa dwuskładnikowego i możliwości wykorzystania innych rodzajów paliw, w szczególności energii rozpadu atomowego. Ciołkowski wysunął pomysł stworzenia elektrycznych silników odrzutowych, co było wówczas rewolucyjne, pisząc w charakterystyczny dla siebie sposób, że „być może za pomocą elektryczności uda się z czasem nadać cząsteczkom ogromną prędkość wyrzucony z urządzenia odrzutowego.”

Jego pomysły dotyczące regeneracyjnego chłodzenia komory spalania i dyszy silnika komponentami paliwowymi, ceramicznej izolacji elementów konstrukcyjnych, oddzielnego magazynowania i pompowania paliwa do komory spalania, optymalnych trajektorii opadania statku kosmicznego podczas powrotu z kosmosu są z sukcesem wykorzystywane do dziś.

Naukowiec aktywnie łączył teorię z praktyką, próbując znaleźć możliwe sposoby, aby faktycznie wdrożyć wszystko, co miał na myśli. Ciołkowski naukowo uzasadnił problemy związane z lotami rakietowymi w przestrzeń kosmiczną. Na przykład szczegółowo zbadał wszystko, co dotyczy rakiety: prawa ruchu, jej konstrukcję, kwestie sterowania, testowanie, zapewnienie niezawodnego działania wszystkich systemów, stworzenie akceptowalnych warunków lotu, a nawet dobór zgodnej psychologicznie załogi.

Ciekawe, że Ciołkowski, nie mając praktycznie żadnych instrumentów, obliczył optymalną wysokość lotu wokół Ziemi - zasięg od trzystu do ośmiuset kilometrów nad planetą. To właśnie na tych wysokościach odbywają się współczesne loty kosmiczne. Ciołkowski wyprowadził wzór, który później nazwano jego imieniem, pozwalający wyznaczyć prędkość samolotu pod wpływem ciągu silnika rakietowego. Jednocześnie naukowcowi udało się uzyskać odpowiedź na ważne pytanie praktyczne: ile paliwa należy załadować do rakiety, aby uzyskać wymaganą prędkość startu z Ziemi i bezpiecznie opuścić planetę? Wynik obliczeń był następujący: aby rakieta z załogą rozwinęła prędkość startową i wystartowała w lot międzyplanetarny, należy pobrać sto razy więcej paliwa niż masa korpusu rakiety, silnika , mechanizmy, przyrządy i pasażerowie łącznie. Ale jak zmieścić na statku tak dużo paliwa? Naukowiec znalazł oryginalne rozwiązanie - pociąg rakietowy składający się z kilku połączonych ze sobą rakiet. Rakieta przednia zawiera pewną ilość paliwa, pasażerów i sprzętu. Wtedy rakiety pracują naprzemiennie, przyspieszając cały pociąg międzyplanetarny. Gdy tylko paliwo w jednej rakiecie wypali się całkowicie, zostaje ono wyrzucone: w rezultacie puste zbiorniki są usuwane, a statek staje się lżejszy. Potem zaczyna działać druga rakieta, potem trzecia itd. Na podstawie wzoru Ciołkowskiego wyciągnięto ważny wniosek, że o możliwościach rakiety decydują przede wszystkim charakterystyka silnika i doskonałość konstrukcji rakiety.

Ciołkowski pozostawił bogate dziedzictwo naukowe. Nie wszystkie jego pomysły mają wielką wartość dla nauki, ale mimo to naukowiec jako pierwszy zajął się wieloma kwestiami. Jego poglądy nawet teraz wydają się trochę fantastyczne. Zadziwiające, jak dokładnie naukowiec przewidział przyszłość. Tym samym objął wiodącą rolę w badaniu zagadnienia sztucznego satelity Ziemi i jego roli dla gospodarki narodowej. Wyraził ideę tworzenia przez przyszłe pokolenia stacji blisko Ziemi jako sztucznych osad, które wykorzystywałyby energię Słońca i służyły jako pośrednie bazy komunikacji międzyplanetarnej. Ta koncepcja stacji międzyplanetarnych była głównym sposobem na osiągnięcie cenionego marzenia - ludzkiej eksploracji przestrzeni okołosłonecznej i stworzenia w przyszłości „eterycznych osad”.

Jeden z twórców pierwszego satelity przyznał kiedyś, że nie od razu zdawał sobie sprawę, jak wielkiego czynu dokonano wtedy, w 1957 roku. W uzasadnieniu nawiązał do poety W. Bryusowa, który stwierdził, że „wspaniałe wydarzenia są prawie niezauważalne dla osób bezpośrednio zaangażowanych: każdy widzi przed oczami tylko jeden szczegół, objętość całości wymyka się obserwacji. Dlatego prawdopodobnie wielu ludzie jakoś nie zauważają, że ludzkość wkroczyła w „erę cudów”.

Wkraczamy dopiero w czwartą dekadę ery kosmicznej, ale jesteśmy już przyzwyczajeni do takich cudów, jak satelitarne systemy łączności i obserwacji pogody, nawigacja i pomoc osobom w niebezpieczeństwie na lądzie i morzu, które obejmowały całą Ziemię. Jako coś zupełnie zwyczajnego słuchamy relacji z wielomiesięcznej pracy ludzi na orbicie, nie dziwią nas ślady stóp na Księżycu, zdjęcia odległych planet zrobione z bliska, czy też jądro komety pokazane po raz pierwszy przez statek kosmiczny.

W bardzo krótkim okresie historycznym astronautyka stała się integralną częścią naszego życia, wiernym pomocnikiem w sprawach gospodarczych i wiedzy o otaczającym nas świecie. I nie ma wątpliwości, że dalszy rozwój ziemskiej cywilizacji nie może obejść się bez rozwoju całej przestrzeni przyziemnej.

Na przykład wielu naukowców wyjście z nadchodzącego kryzysu ekologicznego widzi na przykład w wykorzystaniu zasobów pobliskiej przestrzeni kosmicznej. „Jest oczywiste, że potencjał kosmiczny nie jest panaceum na wszystkie bolączki” – pisze wybitny ekspert w dziedzinie astronautyki K. Erike. „Proponowana ścieżka to po prostu jedna z najskuteczniejszych możliwości, jakie mamy dziś w arsenale zagwarantować przetrwanie ludzkości jako nowoczesnego społeczeństwa, jest to konieczne również w celu ciągłej ewolucji naszego społeczeństwa, przy jednoczesnym zachowaniu natury ziemskiej, która jest wyjątkowa na obszarze rozciągającym się wokół nas na wiele lat świetlnych.

Eksploracja kosmosu – tej „prowincji całej ludzkości” – postępuje w coraz szybszym tempie. Patrząc wstecz na to, co udało się już osiągnąć, możemy pokusić się o określenie przybliżonych terminów kolejnych etapów użytkowania naszego nowego siedliska. Dużo bardziej ryzykowne jest prognozowanie długoterminowe. Ale takie próby są również znane. Doktor nauk fizycznych i matematycznych JI. Leskov na przykład patrzy w przyszłość na całe tysiąclecie.

Zdaniem naukowca, w latach pozostałych do następnego stulecia w kosmosie zorganizowana zostanie najpierw pilotażowo-przemysłowa, a następnie masowa produkcja ulepszonych materiałów. Praktycznie nieograniczone możliwości energetyczne, w połączeniu z głęboką próżnią i nieważkością, to przede wszystkim to, co przyciąga przemysłowców w kosmos. Jednak wyjątkowe warunki technologiczne to nie jedyny powód proponowanej relokacji szeregu przedsiębiorstw, a być może całych gałęzi przemysłu, jak np. chemiczny, metalurgiczny, nuklearny...

Nasza planeta jest już tak zaśmiecona odpadami przemysłowymi, że dalsza ich ekspansja grozi katastrofalnymi skutkami dla całej biosfery. A zasoby surowców na Ziemi nie są na tyle duże, abyśmy mogli żyć spokojnie, nie martwiąc się o przyszłość. Dlatego coraz więcej ekspertów dochodzi do wniosku, że powszechna industrializacja przestrzeni blisko Ziemi jest nieunikniona. Nauka i technologia kosmiczna przygotowują się do tego, kontynuując badanie, jak na orbicie zachodzą różne procesy technologiczne, a jednocześnie tworząc projekty zaopatrzenia ich w energię.

Przewidując rozwój astronautyki na ten sam okres, inni eksperci zwracają uwagę na różne kierunki tego procesu. Prezes Międzynarodowej Akademii Astronautyki J. Muller wskazuje na przykład na nadchodzące powszechne wykorzystanie łączności satelitarnej do kompleksowych usług informacyjnych dla ludzi na całym świecie. Dołącza do niego radziecki akademik W. Awduewski. „Połączenie technologii kosmicznej z mikroelektroniką” – zauważa – „pozwala mówić o organizacji w niedalekiej przyszłości globalnego systemu komunikacji z abonentami, którzy nie są „przywiązani” do żadnych węzłów naziemnych jednego pola informacyjnego, w którym każdy może dołączyć do każdego w dowolnym czasie i miejscu na świecie. Oznacza to, że sposób życia milionów ludzi radykalnie się zmieni. Bogactwa kultury światowej będą dostępne dla każdego żyjącego na Ziemi - od zbiorów największych depozytów książek na świecie, sal Ermitażu i Luwru, w których można „odwiedzić” w dowolnym momencie, po biblioteki filmowe i muzyczne dowolnego spotkania publicznego lub prywatnego, pod hasłem stanie się rzeczywistością: wyższe wykształcenie dla każdego, kto będzie chciał je otrzymać, nie mówiąc już o możliwości uzyskania jakichkolwiek danych referencyjnych, odbycia spotkania operacyjnego…”

Aby przejść do kolejnego etapu eksploracji kosmosu, zdaniem L. Leskowa, konieczne będzie stworzenie nowych, bardziej wydajnych pojazdów: samolotów kosmicznych, załogowych i automatycznych statków kosmicznych, rakiet nośnych wielokrotnego użytku, holowników międzyorbitalnych o dużym udźwigu...

W latach 20.-50. XXI wieku na orbicie pojawią się gigantyczne reflektory światła słonecznego i kosmiczne elektrownie słoneczne, a potem nadejdzie czas na przemysłowy rozwój Księżyca. Wtedy naukowiec działa nie przez dziesięciolecia, ale przez stulecia. Wśród kolejnych etapów wymienia się m.in. tworzenie wielkoskalowych struktur w przestrzeni kosmicznej, wykorzystanie materii pozaziemskiej wraz z jej dostarczeniem na Ziemię, rozwój i transformację natury Marsa i Wenus.

Co dalej? A co najważniejsze, co stanie się z ludźmi, którzy na zawsze rozstali się ze swoją planetą? Jeden z czołowych ekspertów w dziedzinie medycyny kosmicznej i biologii, akademik O. Gazenko, rozważa dwa scenariusze osadnictwa kosmicznego: w Układzie Słonecznym i poza jego granicami. Jeśli, zdaniem naukowca, uda się stworzyć w przestrzeni kosmicznej siedlisko możliwie najbardziej zbliżone do ziemskiego, to ewolucja stałych mieszkańców „eterycznych osiedli” najwyraźniej będzie przebiegać w taki sam sposób, jak na Ziemi. To prawda, że \u200b\u200bistnieje możliwość, że pod wpływem promieni kosmicznych u ludzi wystąpią przypadkowe zmiany dziedziczne, a dalszy przebieg ewolucji stanie się nieprzewidywalny. Oczywiście może się to zdarzyć tylko wtedy, gdy do tego czasu nie zostaną znalezione żadne niezawodne środki ochrony.

Naukowiec dopuszcza taką opcję również wtedy, gdy głównym czynnikiem determinującym długoterminową ewolucję człowieka nie będzie promieniowanie, ale nieważkość. Wtedy ludzie, stopniowo tracąc niektóre cechy fizjologiczne „narzucone” im przez grawitację, staną się inni – być może podobni do „bezcielesnych” postaci z obrazów hiszpańskiego artysty El Greco.

Jeśli ludzkość nie ograniczy się do podboju Układu Słonecznego i wyjdzie poza jego granice, to – zdaniem akademika – za setki pokoleń nieskończone przestrzenie Galaktyki zamieszkają odrębne kolonie istot inteligentnych, wyraźnie różniących się od siebie nas i od siebie nawzajem.

Ale czy dana osoba dostosuje się do tak niezwykłych warunków życia? Oto co powiedział K. Ciołkowski: „...Obecnie zaawansowane warstwy ludzkości starają się coraz bardziej umieszczać swoje życie w sztucznych ramach i czyż nie na tym polega postęp? Walka ze złymi warunkami pogodowymi, wysokimi i niskimi temperatury, grawitacja, zwierzęta, szkodliwe owady i bakterie, czy nawet teraz nie tworzą wokół człowieka czysto sztucznego środowiska? W przestrzeni eterycznej ta sztuczność osiągnie jedynie swój ekstremalny limit, ale wtedy osoba będzie w warunkach, które są największe korzystne dla niego samego.”

Jednak nie szukajmy tak daleko. Wróćmy do prognoz na niedaleką przyszłość. Oczywiście ich autorzy doskonale zdają sobie sprawę, że proponowane przez nich schematy chronologiczne są bardzo przybliżone. Dlatego też nie starają się podawać konkretnych terminów realizacji poszczególnych projektów, skupiając się przede wszystkim na ich opisie technicznym. Tą samą zasadą będziemy kierować się w naszej opowieści o perspektywach pozaziemskiej działalności naszej cywilizacji.

Książka ta adresowana jest do młodych ludzi, „tych, którzy będą czytać, żeby budować” – tak zwracał się do swoich czytelników Yu Kondratyuk. Miną lata, a ci, którzy teraz przeglądają te strony, zaczną realizować dzisiejsze marzenia. Zgadza się: „czytaj, aby budować”!

Wstęp.

Ludzkość od zawsze marzyła o podróży w kosmos. Pisarze - pisarze science fiction, naukowcy, marzyciele - proponowali różnorodne środki, aby osiągnąć ten cel. Ale przez wiele stuleci żaden naukowiec ani pisarz science fiction nie był w stanie wynaleźć jedynego dostępnego dla człowieka środka, dzięki któremu można pokonać siłę grawitacji i polecieć w kosmos. Na przykład bohater opowiadania francuskiego pisarza Cyrano de Bergerac, napisanego w XVII wieku, dotarł na Księżyc, rzucając silny magnes na żelazny wózek, w którym się znajdował. Przyciągnięty magnesem powóz wznosił się coraz wyżej nad Ziemię, aż dotarł na Księżyc; baron Munchausen powiedział, że wspiął się na Księżyc po łodydze fasoli.

Po raz pierwszy marzenia i aspiracje wielu ludzi przybliżył do rzeczywistości rosyjski naukowiec Konstantin Eduardowicz Ciołkowski (1857–1935), który pokazał, że jedynym urządzeniem zdolnym pokonać grawitację jest rakieta, po raz pierwszy zaprezentował naukowe dowody na możliwość wykorzystania rakiety do lotów w przestrzeń kosmiczną, poza atmosferę ziemską i na inne planety Układu Słonecznego. Tsoilkovsky nazwał rakietę urządzeniem z silnikiem odrzutowym, które wykorzystuje znajdujące się w nim paliwo i utleniacz.

Silnik odrzutowy to silnik zdolny do zamiany energii chemicznej paliwa na energię kinetyczną strumienia gazu, a tym samym uzyskania prędkości w przeciwnym kierunku.

Na jakich zasadach i prawach fizycznych opiera się działanie silnika odrzutowego?

Jak wiadomo z kursu fizyki, strzałowi z broni towarzyszy odrzut. Zgodnie z prawami Newtona kula i pistolet leciałyby w różnych kierunkach z tą samą prędkością, gdyby miały tę samą masę. Wyrzucona masa gazów tworzy siłę reakcji, dzięki której można zapewnić ruch zarówno w powietrzu, jak i w przestrzeni pozbawionej powietrza, a co za tym idzie, następuje odrzut. Im większą siłę odrzutu odczuwa nasze ramię, tym większa jest masa i prędkość wydobywających się gazów, a co za tym idzie, im silniejsza reakcja działa, tym większa siła reakcji. Zjawiska te wyjaśnia zasada zachowania pędu:

wektorowa (geometryczna) suma impulsów ciał tworzących układ zamknięty pozostaje stała dla wszelkich ruchów i interakcji ciał układu.

Maksymalną prędkość, jaką może rozwinąć rakieta, oblicza się za pomocą wzoru Ciołkowskiego:

, Gdzie

v max – maksymalna prędkość rakiety,

v 0 – prędkość początkowa,

v r – prędkość wypływu gazu z dyszy,

m – masa początkowa paliwa,

M jest masą pustej rakiety.

Przedstawiony wzór Ciołkowskiego jest podstawą, na której opierają się całe obliczenia współczesnych rakiet. Liczba Ciołkowskiego to stosunek masy paliwa do masy rakiety na koniec pracy silnika – do masy pustej rakiety.

Ustaliliśmy zatem, że maksymalna osiągalna prędkość rakiety zależy przede wszystkim od prędkości wypływu gazu z dyszy. Z kolei natężenie przepływu gazów z dyszy zależy od rodzaju paliwa i temperatury strumienia gazu. Oznacza to, że im wyższa temperatura, tym większa prędkość. Następnie, aby uzyskać prawdziwą rakietę, należy wybrać najbardziej wysokokaloryczne paliwo, które wytwarza największą ilość ciepła. Ze wzoru wynika, że prędkość rakiety zależy między innymi od masy początkowej i końcowej rakiety, od tego, jaka część jej masy stanowi paliwo, a jaka część jest bezużyteczna (z punktu widzenia prędkości lotu) konstrukcje: korpus, mechanizmy itp. d.

Główny wniosek płynący ze wzoru Ciołkowskiego na określenie prędkości rakiety kosmicznej jest taki, że w przestrzeni pozbawionej powietrza rakieta będzie się rozwijać, im większa prędkość, tym większa prędkość wypływu gazu i im większa liczba Ciołkowskiego.

Urządzenie rakiety balistycznej.

Wyobraźmy sobie ogólnie nowoczesny pocisk ultradalekiego zasięgu.

Taka rakieta musi być wielopoziomowa. Ładunek bojowy znajduje się w jego głowie, a urządzenia sterujące, zbiorniki i silnik znajdują się za nim. Masa startowa rakiety przekracza masę ładunku 100-200 razy, w zależności od paliwa! Zatem prawdziwa rakieta powinna ważyć kilkaset ton, a jej długość powinna co najmniej sięgać wysokości dziesięciopiętrowego budynku. Na konstrukcję rakiety nałożono szereg wymagań. Konieczne jest więc na przykład, aby siła ciągu przechodziła przez środek ciężkości rakiety. Rakieta może zboczyć z zamierzonego kursu lub nawet zacząć się obracać, jeśli nie zostaną spełnione określone warunki.

Rys.1 Wewnętrzna budowa rakiety.

Za pomocą sterów możesz przywrócić prawidłowy kurs. W rozrzedzonym powietrzu działają stery gazowe, odchylając kierunek strumienia gazu, zaproponowany przez Ciołkowskiego. Stery aerodynamiczne działają, gdy rakieta leci w gęstym powietrzu.

Nowoczesne rakiety balistyczne działają przede wszystkim na silnikach zasilanych paliwem ciekłym. Jako paliwo stosuje się zwykle naftę, alkohol, hydrazynę i anilinę, a jako utleniacze stosuje się kwasy azotowy i nadchlorowy, ciekły tlen i nadtlenek wodoru. Najbardziej aktywnymi utleniaczami są fluor i ciekły ozon, lecz są one rzadko stosowane ze względu na ich ekstremalną wybuchowość.

Silnik jest najważniejszym elementem rakiety. Najważniejszym elementem silnika jest komora spalania i dysza. W komorach spalania, ze względu na to, że temperatura spalania paliwa osiąga 2500-3500 O C, należy stosować materiały szczególnie żaroodporne i skomplikowane metody chłodzenia. Konwencjonalne materiały nie są w stanie wytrzymać takich temperatur.

Pozostałe jednostki są również bardzo złożone. Przykładowo pompy, które miały dostarczać utleniacz i paliwo do dysz komory spalania, już w rakiecie V-2, jednej z pierwszych, były w stanie przepompować 125 kg paliwa na sekundę.

W niektórych przypadkach zamiast konwencjonalnych cylindrów stosuje się butle ze sprężonym powietrzem lub innym gazem, które mogą wyprzeć paliwo ze zbiorników i wprowadzić je do komory spalania.

Stery gazowe muszą być wykonane z grafitu lub ceramiki, są więc bardzo kruche i kruche, dlatego współcześni projektanci zaczynają odchodzić od stosowania sterów gazowych, zastępując je kilkoma dodatkowymi dyszami lub obracając najważniejszą dyszę. Rzeczywiście, na początku lotu, przy dużej gęstości powietrza, prędkość rakiety jest niska, więc stery słabo sterują, a gdy rakieta nabiera dużej prędkości, gęstość powietrza jest mała.

W amerykańskiej rakiecie zbudowanej według projektu Avangard silnik zawieszony jest na zawiasach i może być odchylany o 5-7 O. Moc każdego kolejnego stopnia i czas jego pracy są mniejsze, gdyż każdy stopień rakiety pracuje w zupełnie innych warunkach, które determinują jej konstrukcję, dlatego też konstrukcja samej rakiety może być prostsza.

Pocisk balistyczny wystrzeliwany jest ze specjalnego urządzenia startowego. Zwykle jest to ażurowy metalowy maszt lub nawet wieża, wokół której rakieta jest montowana kawałek po kawałku za pomocą dźwigów. Sekcje takiej wieży znajdują się naprzeciwko włazów inspekcyjnych niezbędnych do sprawdzania i debugowania sprzętu. Wieża oddala się w trakcie tankowania rakiety.

Rakieta startuje pionowo, a następnie powoli zaczyna się przechylać i wkrótce opisuje niemal ściśle eliptyczną trajektorię. Większość toru lotu takich rakiet przebiega na wysokości ponad 1000 km nad Ziemią, gdzie praktycznie nie ma oporu powietrza. Zbliżając się do celu, atmosfera zaczyna gwałtownie spowalniać ruch rakiety, podczas gdy jej powłoka staje się bardzo gorąca, a jeśli nie zostaną podjęte środki, rakieta może się zapaść, a jej ładunek może przedwcześnie eksplodować.

Zaprezentowany opis międzykontynentalnego rakiety balistycznej jest nieaktualny i odpowiada poziomowi rozwoju nauki i techniki lat 60-tych, jednak ze względu na ograniczony dostęp do współczesnych materiałów naukowych nie jest możliwe podanie dokładnego opisu działania nowoczesnego rakiety balistycznej. międzykontynentalny pocisk balistyczny ultradalekiego zasięgu. Mimo to w pracy podkreślono ogólne właściwości właściwe wszystkim rakietom. Praca może być również interesująca w celu zapoznania się z historią rozwoju i użytkowania opisywanych rakiet.

Deryabin V. M. Prawa zachowania w fizyce. – M.: Edukacja, 1982.

Gelfer Ya. M. Prawa ochrony. – M.: Nauka, 1967.

Ciało K. Świat bez form. – M.: Mir, 1976.

Encyklopedia dla dzieci. – M.: Wydawnictwo Akademii Nauk ZSRR, 1959.

Tekst jest wywiadem A.L. Chizhevsky’ego i K.E. Na podstawie pierwszej publikacji w czasopiśmie „Chemistry and Life” (nr 1, 1977).

Jestem czystym materialistą. Nie rozpoznaję niczego poza materią.

K.E.Tsiołkowski

Ludzkość jest nieśmiertelna.

K.E.Tsiołkowski

...Pewnego dnia, wchodząc do małego pokoju, zastałem zamyślonego K.E. Ciołkowskiego. Miał na sobie lekką bluzkę, z rozpiętym kołnierzykiem i siedział na swoim krześle, głęboko w nim osadzony. Nie od razu zauważył, że wszedłem po schodach i podszedłem do niego.

„Przeszkodziłem” – przemknęło mi przez głowę. Ale Konstanty Eduardowicz wyciągnął do mnie rękę i powiedział:

Usiądź, Aleksandrze Leonidowiczu. Na próżno myślałam o rzeczach, których nie da się wytłumaczyć...

Przywitaliśmy się i usiadłam na krześle obok niego.

Jak to jest - niewytłumaczalne? - Zapytałam. - Jakie cuda? Wydaje mi się, że wszystko, co istnieje na świecie, da się wyjaśnić.

Oczywiście z ludzkiego punktu widzenia. W tym celu otrzymał mózg, choć niedoskonały, zwłaszcza w niektórych...

Nie, Aleksandrze Leonidowiczu, to nie do końca prawda. Mózg, to prawda, potrafi przeniknąć do wielu rzeczy, ale nie do wszystkiego, z dala od wszystkiego... Są też i granice...

„A więc starożytni o tym wiedzieli” – zauważyłem – „nasza ignorancja jest ogromna i wiemy bardzo niewiele”.

Nie, to zupełnie inna kategoria pytań. Tego pytania nie można postawić samo w sobie, ponieważ jest to pytanie dotyczące wszystkich pytań...

To jest? Nie rozumiem cię…

Bardzo prosta. Są pytania, na które możemy dać odpowiedź - choć nie dokładną, ale na dzień dzisiejszy zadowalającą. Są pytania, o których możemy rozmawiać, które możemy omawiać, spierać się, nie zgadzać, ale są pytania, których nie możemy zadać ani innemu, ani nawet sobie, ale z pewnością zadajemy sobie w chwilach największego zrozumienia świata. Te pytania to: po co to wszystko? Jeśli zadaliśmy sobie tego rodzaju pytanie, oznacza to, że nie jesteśmy tylko zwierzętami, ale ludźmi z mózgiem, w którym nie występują tylko odruchy Sechenowa i ślinienie się Pawłowa, ale coś innego, coś innego, wcale niepodobnego do żadnego z odruchów lub ślinić się... Czy to możliwe, że materia koncentruje się w ludzkim mózgu w jakiś szczególny sposób, niezależnie od prymitywnych mechanizmów Sieczenowa i Pawłowa? Innymi słowy, czy w materii mózgowej nie ma elementów myślenia i świadomości, rozwijanych przez miliony lat i pozbawionych nawet najbardziej skomplikowanych aparatów odruchowych?.. Tak, proszę pana, Aleksandrze Leonidowiczu, gdy tylko zadasz sobie pytanie tego rodzaju, to wyrwałeś się z tradycyjnego uścisku i wzniosłeś się na nieskończone wyżyny: po co to wszystko – dlaczego istnieje materia, rośliny, zwierzęta, człowiek i jego mózg – także materia – wymagająca odpowiedzi na pytanie: po co to wszystko jest? Dlaczego istnieje świat, Wszechświat, Kosmos? Po co? Po co?

Materia jest jedyną rzeczą, która istnieje, niezależnie od jej ruchu lub ruchu w przestrzeni. Mówię o ruchu zewnętrznym, np. ruchu mojej ręki ze słuchaczem czy ruchu Ziemi po jej orbicie. Ruch ten nie determinuje materii i można go pominąć. Głęboka wiedza o budowie materii nie jest jeszcze dla nas dostępna. Ale pewnego dnia nadejdzie punkt zwrotny, gdy ludzkość zbliży się do tej „ezoterycznej” wiedzy. Wtedy będzie blisko pytania: dlaczego? Ale aby tak się stało, muszą minąć miliardy lat ery kosmicznej...

Wiele osób uważa, że martwię się o rakietę i martwię się o jej los z powodu samej rakiety. Byłby to poważny błąd. Dla mnie rakiety są tylko drogą, jedynie metodą przedostania się w głąb kosmosu, ale bynajmniej nie celem samym w sobie. Ludzie, którzy nie dojrzeli do takiego rozumienia rzeczy, mówią o tym, czego nie ma, co czyni mnie jakimś jednostronnym technikiem, a nie myślicielem. Niestety, wielu, którzy mówią lub piszą o statku rakietowym, tak właśnie myśli. Nie twierdzę, że posiadanie statków rakietowych jest bardzo ważne, ponieważ pomogą one ludzkości rozprzestrzenić się na cały świat. I właśnie dla tego przesiedlenia ciężko pracuję. Będzie inny sposób poruszania się w kosmosie – też to zaakceptuję… Cały sens polega na tym, aby przenieść się z Ziemi i zaludnić Kosmos. Musimy spotkać się w połowie drogi, że tak powiem, z filozofią kosmiczną! Niestety, nasi filozofowie w ogóle o tym nie myślą. I ktoś inny, jeśli nie filozofowie, powinien tę kwestię podjąć. Ale albo nie chcą, albo nie rozumieją ogromnej wagi problemu, albo po prostu się boją. I to jest możliwe! Wyobraźcie sobie filozofa, który się boi! Demokryt, który jest tchórzem! Nie do pomyślenia!

Sterowce, rakiety, druga zasada termodynamiki to dzieła naszych czasów, ale w nocy żyjemy inaczej, jeśli zadajemy sobie to cholerne pytanie. Twierdzą, że zadawanie takich pytań jest po prostu bezcelowe, szkodliwe i nienaukowe. Mówią, że to nawet przestępstwo. Zgadzam się z tą interpretacją... No cóż, jeśli nadal zadaje się to pytanie... Co w takim razie robić? Wycofać się, zakopać się w poduszkach, upić się, oślepić? I nie tylko tu, w pokoiku Ciołkowskiego, zadawane jest to pytanie, ale niektóre głowy są nim pełne, przesiąknięte nim - i to od ponad stulecia, przez ponad tysiąclecie... To pytanie nie wymaga laboratoriów, ani stanowisk, ani ateńskich akademie. Nikt tego nie rozwiązał: ani nauka, ani religia, ani filozofia. Staje przed ludzkością – ogromną, nieskończoną, jak cały ten świat i woła: dlaczego? Po co? Inni – ci, którzy rozumieją – po prostu milczą.

Tak, tak, powiedziałem. - Nie ma odpowiedzi na to pytanie. Ale może ty, Konstanty Eduardowicz, coś wymyśliłeś?

Ciołkowski się rozzłościł. Róg słuchowy zaczął poruszać się w jego rękach.

Czy ty to wymyśliłeś? Jak pytasz? Nie, Aleksandrze Leonidowiczu, nie możesz tak powiedzieć. Ten nauczyciel, jak wszyscy maluchy tego świata – i Konstanty Eduardowicz wskazał na swoją pierś – nie potrafi odpowiedzieć na to pytanie... Nic poza domysłami, może pewnymi!

„Przede wszystkim, aby odpowiedzieć na jakiekolwiek pytanie, należy je jasno sformułować” – powiedziałem.

Cóż, to tyle, ile chcesz. Mogę sformułować to pytanie, pozostaje tylko niejasne: czy może to być osoba prawdziwe i dokładne sformułuj to. Tego nie wiem, chociaż oczywiście chciałbym wiedzieć. Pytanie sprowadza się do tego samego: dlaczego i dlaczego istnieje ten świat i oczywiście my wszyscy jesteśmy materią. To pytanie jest proste, ale komu możemy je zadać? Do nas samych? Ale to na próżno! Tysiące filozofów, naukowców i przywódców religijnych przez kilka tysiącleci próbowało rozwiązać ten problem w taki czy inny sposób, ale w końcu uznało go za nierozwiązywalny. Fakt ten nie ułatwia zadania tym, którzy zadają sobie to pytanie. On nadal cierpi, cierpi z powodu swojej niewiedzy, niektórzy nawet twierdzą, że tego rodzaju pytanie jest „nienaukowe” (zrozumcie to: nienaukowe!), bo nikt nawet najmądrzejszy nie jest w stanie na nie odpowiedzieć. Tylko oni, ci najmądrzejsi ludzie, nie wyjaśnili, dlaczego był nienaukowy. Pomyślałem sobie tak: każde pytanie może być naukowe, jeśli wcześniej czy później znajdzie się na nie odpowiedź. „Nienaukowe” odnosi się do wszystkich pytań, które pozostają bez odpowiedzi. Ale człowiek stopniowo rozwiązuje niektóre tego rodzaju tajemnice. Na przykład za sto, tysiąc lat dowiemy się, jak działa atom, chociaż raczej nie dowiemy się, czym jest „elektryczność”, z której powstają wszystkie atomy, cała materia, czyli cały świat, przestrzeń itp. zostaną zbudowane, wówczas nauka przez wiele tysiącleci będzie rozwiązywać pytanie, czym jest „elektryczność”. Oznacza to, że niezależnie od tego, jak bardzo nauka się stara, natura nieustannie stawia przed nią nowe i nowe zadania o największej złożoności! Kiedy kwestia atomu lub elektryczności zostanie rozwiązana, pojawi się kolejne nowe pytanie dotyczące czegoś niejasnego dla ludzkiego umysłu... I tak dalej. Okazuje się, że człowiek nie jest na tyle dojrzały, aby rozwiązać tego typu problem, albo natura płata mu figle i boi się go, aby nie nauczył się więcej, niż wymaga tego prawo. A o tej karcie też nie wiemy nic wartościowego. Znów „ciemno w chmurach”. Tak więc jedno przylega do drugiego, ale w rzeczywistości okazuje się, że stoimy przed nieprzeniknioną ścianą niepewności.

Przeczytałeś dopiero początek artykułu K.E. Ciołkowski.

Miłej lektury!

Słowo kosmos jest synonimem słowa Wszechświat. Przestrzeń często dzieli się nieco arbitralnie na przestrzeń bliską, którą można obecnie badać za pomocą sztucznych satelitów Ziemi, statków kosmicznych, stacji międzyplanetarnych i innymi środkami, oraz przestrzeń odległą – wszystko inne, niewspółmiernie większe. W rzeczywistości przestrzeń bliska odnosi się do Układu Słonecznego, a przestrzeń odległa odnosi się do rozległych przestrzeni gwiazd i galaktyk.

Dosłowne znaczenie słowa „kosmonautyka”, które jest połączeniem dwóch greckich słów – „pływanie we Wszechświecie”. W potocznym użyciu słowo to oznacza zbiór różnych gałęzi nauki i technologii, które zapewniają badania i rozwój przestrzeni kosmicznej i ciał niebieskich za pomocą statków kosmicznych - sztucznych satelitów, automatycznych stacji różnego przeznaczenia, załogowych statków kosmicznych.

Kosmonautyka, lub jak to się czasem nazywa, astronautyka, łączy w sobie loty w przestrzeń kosmiczną, zespół dziedzin nauki i technologii, które służą badaniu i wykorzystaniu przestrzeni kosmicznej w interesie potrzeb ludzkości przy użyciu różnych środków kosmicznych. Za początek ery kosmicznej ludzkości uważa się 4 października 1957 r. - datę wystrzelenia pierwszego sztucznego satelity Ziemi w Związku Radzieckim.

Teoria lotu kosmicznego, od dawna marzenie ludzkości, stała się nauką w wyniku przełomowych prac wielkiego rosyjskiego naukowca Konstantina Eduardowicza Ciołkowskiego. Przestudiował podstawowe zasady balistyki rakietowej, zaproponował schemat silnika rakietowego na paliwo ciekłe i ustalił prawa określające siłę reaktywną silnika. Zaproponowano także schematy statku kosmicznego i podano zasady projektowania rakiet, które są obecnie szeroko stosowane w praktyce. Przez długi czas, aż do momentu, gdy pomysły, formuły i rysunki pasjonatów i naukowców zaczęły zamieniać się w przedmioty wytwarzane „w metalu” w biurach projektowych i warsztatach fabrycznych, teoretyczne podstawy astronautyki opierały się na trzech filarach: 1) teorii ruch statku kosmicznego ; 2) technologia rakietowa; 3) całość wiedzy astronomicznej o Wszechświecie. Następnie w głębi astronautyki powstał szeroki zakres nowych dyscyplin naukowych i technicznych, takich jak teoria systemów sterowania obiektami kosmicznymi, nawigacja kosmiczna, teoria systemów komunikacji kosmicznej i transmisji informacji, biologia i medycyna kosmiczna itp. Teraz że trudno nam sobie wyobrazić astronautykę bez tych dyscyplin, warto pamiętać, że teoretyczne podstawy astronautyki położył K. E. Ciołkowski w czasie, gdy przeprowadzono dopiero pierwsze eksperymenty z wykorzystaniem fal radiowych, a radio nie mogło być uważany za środek komunikacji w przestrzeni.

Przez wiele lat sygnalizacja za pomocą promieni słonecznych odbitych w kierunku Ziemi przez lustra znajdujące się na pokładzie międzyplanetarnego statku kosmicznego była poważnie rozważana jako środek komunikacji. Teraz, gdy jesteśmy przyzwyczajeni do tego, że nie jesteśmy zaskoczeni ani transmisjami telewizyjnymi na żywo z powierzchni Księżyca, ani zdjęciami radiowymi wykonanymi w pobliżu Jowisza lub na powierzchni Wenus, trudno w to uwierzyć. Można zatem postawić tezę, że teoria komunikacji kosmicznej, pomimo całego jej znaczenia, nadal nie jest głównym ogniwem łańcucha dyscyplin kosmicznych. Tym głównym ogniwem jest teoria ruchu obiektów kosmicznych. To właśnie można uznać za teorię lotu kosmicznego. Specjaliści zajmujący się tą nauką sami nazywają to inaczej: stosowana mechanika nieba, balistyka nieba, balistyka kosmiczna, kosmodynamika, mechanika lotów kosmicznych, teoria ruchu sztucznych ciał niebieskich. Wszystkie te nazwy mają to samo znaczenie, precyzyjnie wyrażone przez ostatnie określenie. Kosmodynamika jest zatem częścią mechaniki niebieskiej - nauki badającej ruch wszelkich ciał niebieskich, zarówno naturalnych (gwiazdy, Słońce, planety, ich satelity, komety, meteoroidy, pył kosmiczny), jak i sztucznych (automatyczne statki kosmiczne i załogowe statki kosmiczne) . Jest jednak coś, co odróżnia kosmodynamikę od mechaniki niebieskiej. Kosmodynamika, zrodzona w łonie mechaniki niebieskiej, korzysta ze swoich metod, ale nie mieści się w swoich tradycyjnych ramach.

Istotna różnica pomiędzy mechaniką stosowaną a mechaniką klasyczną polega na tym, że druga nie zajmuje się i nie może zajmować się wyborem orbit ciał niebieskich, natomiast pierwsza zajmuje się wyborem z ogromnej liczby możliwych trajektorii dotarcia do konkretnego ciała niebieskiego określonej trajektorii, uwzględniającej liczne, często sprzeczne żądania. Głównym wymaganiem jest minimalna prędkość, do której statek kosmiczny przyspiesza w początkowej aktywnej fazie lotu, i odpowiednio minimalna masa rakiety nośnej lub górnego stopnia orbity (podczas startu z niskiej orbity okołoziemskiej). Zapewnia to maksymalną ładowność, a co za tym idzie największą efektywność naukową lotu. Uwzględniane są również wymagania dotyczące łatwości sterowania, warunków komunikacji radiowej (na przykład w momencie wlotu stacji na planetę podczas przelotu), warunków badań naukowych (lądowanie na dziennej lub nocnej stronie planety) itp. Cosmodynamics zapewnia projektantom operacji kosmicznych metody optymalnego przejścia z jednej orbity na drugą, sposoby korygowania trajektorii. W jego polu widzenia znajdują się manewry orbitalne, nieznane klasycznej mechanice niebieskiej. Kosmodynamika jest podstawą ogólnej teorii lotów kosmicznych (podobnie jak aerodynamika jest podstawą teorii lotu w atmosferze samolotów, helikopterów, sterowców i innych statków powietrznych). Kosmodynamika dzieli tę rolę z dynamiką rakiet – nauką o ruchu rakiet. Obie nauki, ściśle ze sobą powiązane, stanowią podstawę technologii kosmicznej. Obydwa stanowią działy mechaniki teoretycznej, która sama w sobie jest odrębnym działem fizyki. Będąc nauką ścisłą, kosmodynamika wykorzystuje matematyczne metody badawcze i wymaga logicznie spójnego systemu prezentacji. Nie bez powodu podstawy mechaniki nieba opracowali po wielkich odkryciach Kopernika, Galileusza i Keplera właśnie ci uczeni, którzy wnieśli największy wkład w rozwój matematyki i mechaniki. Byli to Newton, Euler, Clairaut, d'Alembert, Lagrange, Laplace. Obecnie matematyka pomaga rozwiązywać problemy balistyki niebieskiej, a z kolei otrzymuje impuls w swoim rozwoju dzięki zadaniom, jakie stawia przed nią kosmodynamika.

Klasyczna mechanika nieba była nauką czysto teoretyczną. Jej wnioski konsekwentnie potwierdzały dane z obserwacji astronomicznych. Kosmodynamika wprowadziła eksperyment do mechaniki nieba, a mechanika nieba po raz pierwszy przekształciła się w naukę eksperymentalną, podobną pod tym względem np. do takiej gałęzi mechaniki jak aerodynamika. Mimowolnie pasywny charakter klasycznej mechaniki niebieskiej został zastąpiony aktywnym, ofensywnym duchem balistyki niebieskiej. Każde nowe osiągnięcie w astronautyce jest jednocześnie dowodem na skuteczność i dokładność metod kosmodynamiki. Kosmodynamikę dzieli się na dwie części: teorię ruchu środka masy statku kosmicznego (teoria trajektorii kosmicznych) i teorię ruchu statku kosmicznego względem środka masy (teoria „ruchu obrotowego”).

Silniki rakietowe

Głównym i prawie jedynym środkiem transportu w przestrzeni kosmicznej jest rakieta, którą po raz pierwszy zaproponował w tym celu w 1903 roku K. E. Ciołkowski. Prawa napędu rakietowego stanowią jeden z kamieni węgielnych teorii lotów kosmicznych.

Kosmonautyka dysponuje dużym arsenałem systemów napędu rakietowego, bazujących na wykorzystaniu różnych rodzajów energii. Ale we wszystkich przypadkach silnik rakietowy wykonuje to samo zadanie: w taki czy inny sposób wyrzuca z rakiety pewną masę, której rezerwa (tzw. Płyn roboczy) znajduje się wewnątrz rakiety. Na wyrzuconą z rakiety masę działa pewna siła i zgodnie z trzecim prawem mechaniki Newtona – prawem równości akcji i reakcji – ta sama siła, ale w przeciwnym kierunku, działa z wyrzuconej masy na rakietę. Ta ostatnia siła napędzająca rakietę nazywa się ciągiem. Intuicyjnie jest jasne, że siła ciągu powinna być tym większa, im większa jest masa wyrzucana z rakiety w jednostce czasu i im większa jest prędkość, jaką można nadać wyrzuconej masie.

Najprostszy schemat konstrukcji rakiety:

Na tym etapie rozwoju nauki i technologii istnieją silniki rakietowe oparte na różnych zasadach działania.

Termochemiczne silniki rakietowe.

Zasada działania silników termochemicznych (lub po prostu chemicznych) nie jest skomplikowana: w wyniku reakcji chemicznej (zwykle reakcji spalania) wydziela się duża ilość ciepła, a produkty reakcji nagrzewają się do wysokiej temperatury, gwałtownie rozszerzając się. wyrzucony z rakiety z dużą prędkością. Silniki chemiczne należą do szerszej klasy silników cieplnych (wymiennych ciepła), w których płyn roboczy wypływa na skutek jego rozprężania w wyniku ogrzewania. W przypadku takich silników prędkość spalin zależy głównie od temperatury rozprężających się gazów i ich średniej masy cząsteczkowej: im wyższa temperatura i mniejsza masa cząsteczkowa, tym większa jest prędkość spalin. Na tej zasadzie działają silniki rakietowe na paliwo ciekłe, silniki rakietowe na paliwo stałe i silniki oddychające powietrzem.

Jądrowe silniki cieplne.

Zasada działania tych silników prawie nie różni się od zasady działania silników chemicznych. Różnica polega na tym, że płyn roboczy nagrzewa się nie z powodu własnej energii chemicznej, ale z powodu „obcego” ciepła uwalnianego podczas reakcji wewnątrzjądrowej. W oparciu o tę zasadę zaprojektowano pulsacyjne nuklearne silniki cieplne, nuklearne silniki cieplne oparte na syntezie termojądrowej oraz radioaktywny rozpad izotopów. Jednakże zagrożenie skażeniem radioaktywnym atmosfery oraz zawarcie porozumienia o zaprzestaniu prób jądrowych w atmosferze, w przestrzeni kosmicznej i pod wodą, spowodowało zaprzestanie finansowania wspomnianych projektów.

Silniki cieplne z zewnętrznym źródłem energii.

Zasada ich działania opiera się na pobieraniu energii z zewnątrz. W oparciu o tę zasadę projektowany jest solarny silnik cieplny, którego źródłem energii jest Słońce. Promienie słoneczne skupione przez lustra służą do bezpośredniego podgrzewania cieczy roboczej.

Elektryczne silniki rakietowe.

Ta szeroka klasa silników łączy w sobie różne typy silników, które są obecnie bardzo intensywnie rozwijane. Płyn roboczy jest przyspieszany do określonej prędkości spalin za pomocą energii elektrycznej. Energia pozyskiwana jest z elektrowni jądrowej lub słonecznej znajdującej się na pokładzie statku kosmicznego (w zasadzie nawet z baterii chemicznej). Konstrukcje opracowywanych silników elektrycznych są niezwykle różnorodne. Należą do nich silniki elektrotermiczne, silniki elektrostatyczne (jonowe), silniki elektromagnetyczne (plazmowe), silniki elektryczne z poborem płynu roboczego z górnych warstw atmosfery.

Rakiety kosmiczne

Nowoczesna rakieta kosmiczna to złożona konstrukcja składająca się z setek tysięcy i milionów części, z których każda spełnia swoją zamierzoną rolę. Jednak z punktu widzenia mechaniki przyspieszania rakiety do wymaganej prędkości całą masę początkową rakiety można podzielić na dwie części: 1) masę płynu roboczego i 2) masę końcową pozostałą po wypuszczeniu płynu roboczego. Ta ostatnia często nazywana jest masą „suchą”, ponieważ płynem roboczym jest w większości przypadków paliwo ciekłe. Masa „sucha” (lub, jak kto woli, „pusta” masa rakiety, bez płynu roboczego) składa się z masy konstrukcji i masy ładunku. Przez projekt należy rozumieć nie tylko konstrukcję nośną rakiety, jej powłokę itp., ale także układ napędowy ze wszystkimi jego zespołami, układ sterowania, w tym sterowanie, urządzenia nawigacyjne i komunikacyjne itp. - jednym słowem, wszystko to, co zapewnia normalny lot rakiety. Ładunek składa się ze sprzętu naukowego, systemu telemetrii radiowej, korpusu statku kosmicznego wystrzeliwanego na orbitę, załogi i systemu podtrzymywania życia statku kosmicznego itp. Ładunek to coś, bez czego rakieta może wykonać normalny lot.

Przyspieszenie rakiety ułatwia fakt, że w miarę wypływu płynu roboczego masa rakiety maleje, dzięki czemu przy stałym ciągu przyspieszenie reaktywne stale rośnie. Ale niestety rakieta nie składa się tylko z jednego płynu roboczego. W miarę wyczerpywania się płynu roboczego uwolnione zbiorniki, nadmiar części skorupy itp. zaczynają obciążać rakietę własnym ciężarem, utrudniając przyspieszenie. W niektórych miejscach wskazane jest oddzielenie tych części od rakiety. Rakietę zbudowaną w ten sposób nazywa się rakietą kompozytową. Często rakieta kompozytowa składa się z niezależnych stopni rakietowych (dzięki temu z poszczególnych stopni można wykonać różne systemy rakietowe), połączonych szeregowo. Możliwe jest jednak także równoległe łączenie stopni obok siebie. Wreszcie są projekty rakiet kompozytowych, w których ostatni stopień wchodzi do poprzedniego, który jest zamknięty w poprzednim itd.; w tym przypadku etapy mają wspólny silnik i nie są już niezależnymi rakietami. Istotną wadą tego ostatniego schematu jest to, że po oddzieleniu zużytego stopnia przyspieszenie odrzutowca gwałtownie wzrasta, ponieważ silnik pozostaje taki sam, dlatego ciąg się nie zmienia, a przyspieszona masa rakiety gwałtownie spada. Komplikuje to dokładność naprowadzania rakiet i stawia zwiększone wymagania w zakresie wytrzymałości konstrukcji. Gdy stopnie są połączone szeregowo, nowo włączony stopień ma mniejszy ciąg i przyspieszenie nie zmienia się gwałtownie. Podczas gdy pierwszy stopień działa, pozostałe stopnie wraz z prawdziwym ładunkiem można uznać za ładunek pierwszego stopnia. Po wydzieleniu pierwszego stopnia zaczyna działać drugi stopień, który wraz z kolejnymi stopniami i właściwym ładunkiem tworzy samodzielną rakietę („pierwsza subrakieta”). W drugim etapie wszystkie kolejne etapy wraz z rzeczywistym ładunkiem pełnią rolę własnego ładunku itp. Każda podrakieta dodaje swoją idealną prędkość do już istniejącej prędkości, w wyniku czego ostateczna idealna prędkość rakieta wielostopniowa to suma idealnych prędkości poszczególnych podrakiet.

Rakieta jest bardzo „kosztownym” pojazdem. Rakiety kosmiczne „transportują” głównie paliwo niezbędne do pracy swoich silników oraz własną konstrukcję, na którą składają się głównie zbiorniki paliwa i układ napędowy. Ładunek stanowi jedynie niewielką część (1,5–2,0%) masy startowej rakiety.

Rakieta kompozytowa pozwala na bardziej efektywne wykorzystanie zasobów dzięki temu, że podczas lotu stopień, w którym wyczerpało się paliwo, zostaje oddzielony, a reszta paliwa rakietowego nie jest marnowana na przyspieszenie konstrukcji zużytego stopnia, który stał się niepotrzebne, aby kontynuować lot.

Opcje konfiguracji rakiety. Od lewej do prawej:

Rakieta jednostopniowa.
Rakieta o przekroju poprzecznym dwustopniowym.
Rakieta dwustopniowa z separacją wzdłużną.
Rakieta z zewnętrznymi zbiornikami paliwa, które są oddzielane po wyczerpaniu się znajdującego się w nich paliwa.

Strukturalnie rakiety wielostopniowe są wykonane z poprzecznym lub wzdłużnym oddzieleniem stopni.

W przypadku separacji poprzecznej stopnie są umieszczone jeden nad drugim i pracują sekwencyjnie jeden po drugim, włączając się dopiero po oddzieleniu poprzedniego stopnia. Schemat ten umożliwia tworzenie systemów w zasadzie z dowolną liczbą etapów. Jego wadą jest to, że zasobów kolejnych etapów nie można wykorzystać w pracy poprzedniego, będąc dla niego biernym obciążeniem.

Przy separacji wzdłużnej pierwszy stopień składa się z kilku identycznych rakiet (w praktyce od dwóch do ośmiu), rozmieszczonych symetrycznie wokół korpusu drugiego stopnia, tak że wypadkowe siły ciągu silników pierwszego stopnia są skierowane wzdłuż osi symetrii drugiego i działające jednocześnie. Schemat ten pozwala silnikowi drugiego stopnia pracować jednocześnie z silnikami pierwszego stopnia, zwiększając w ten sposób całkowity ciąg, co jest szczególnie konieczne podczas pracy pierwszego stopnia, gdy masa rakiety jest maksymalna. Ale rakieta z podłużnym oddzieleniem stopni może być tylko dwustopniowa.

Istnieje również łączony schemat separacji - wzdłużno-poprzeczny, który pozwala połączyć zalety obu schematów, w którym pierwszy etap jest oddzielony wzdłużnie od drugiego, a separacja wszystkich kolejnych etapów następuje poprzecznie. Przykładem takiego podejścia jest krajowa rakieta nośna Sojuz.

Wahadłowiec kosmiczny ma unikalną konstrukcję dwustopniowej rakiety oddzielonej wzdłużnie, której pierwszy stopień składa się z dwóch bocznie zamontowanych dopalaczy na paliwo stałe; w drugim etapie część paliwa znajduje się w zbiornikach orbitera (statek kosmiczny wielokrotnego użytku). sam w sobie), a jego większość mieści się w odłączanym zewnętrznym zbiorniku paliwa. W pierwszej kolejności układ napędowy orbitera zużywa paliwo ze zbiornika zewnętrznego, a w przypadku jego wyczerpania zbiornik zewnętrzny zostaje zresetowany i silniki kontynuują pracę na paliwie znajdującym się w zbiornikach orbitera. Taka konstrukcja umożliwia maksymalne wykorzystanie układu napędowego orbitera, który działa przez cały czas wyniesienia statku kosmicznego na orbitę.

Po oddzieleniu poprzecznym stopnie są połączone ze sobą specjalnymi sekcjami - adapterami - konstrukcjami nośnymi o kształcie cylindrycznym lub stożkowym (w zależności od stosunku średnic stopni), z których każdy musi wytrzymać całkowity ciężar wszystkich kolejnych etapach, pomnożona przez maksymalną wartość przeciążenia rakiety we wszystkich sekcjach, w których adapter ten stanowi część rakiety. Przy podziale wzdłużnym na korpusie drugiego stopnia powstają pasma mocy (przednie i tylne), do których mocowane są bloki pierwszego stopnia.

Elementy łączące części rakiety kompozytowej nadają jej sztywność ciała stałego, a po rozdzieleniu stopni powinny niemal natychmiast zwolnić stopień górny. Zazwyczaj stopnie łączone są za pomocą piroboltów. Pyrobolt to śruba mocująca, w której pręcie obok głowicy utworzona jest wnęka wypełniona materiałem wybuchowym kruszącym z detonatorem elektrycznym. Po przyłożeniu impulsu prądowego do detonatora elektrycznego następuje eksplozja, która niszczy pręt zamka, powodując odpadnięcie jego główki. Ilość materiału wybuchowego w piroboltie jest starannie dozowana tak, aby z jednej strony mieć gwarancję oderwania głowicy, a z drugiej nie uszkodzić rakiety. Po rozdzieleniu stopni następuje jednocześnie podawanie impulsu prądowego do zapalników elektrycznych wszystkich piroboltów łączących oddzielone części i połączenie zostaje rozłączone.

Następnie stopnie należy rozmieścić w bezpiecznej odległości od siebie. (Uruchomienie silnika wyższego stopnia w pobliżu niższego może spowodować wypalenie jego pojemności paliwowej i eksplozję resztek paliwa, co spowoduje uszkodzenie górnego stopnia lub destabilizację jego lotu.) Przy rozdzielaniu stopni w atmosferze siła aerodynamiczna silnika do ich rozdzielenia można wykorzystać nadchodzący przepływ powietrza, a podczas rozdzielania w pustce czasami stosuje się pomocnicze małe silniki rakietowe na paliwo stałe.

W rakietach na paliwo ciekłe te same silniki służą również do „osadzania” paliwa w zbiornikach górnego stopnia: gdy silnik dolnego stopnia jest wyłączony, rakieta leci bezwładnie, w stanie swobodnego spadania, podczas gdy ciecz paliwo w zbiornikach znajduje się w zawiesinie, co może prowadzić do awarii podczas uruchamiania silnika. Silniki pomocnicze zapewniają scenie niewielkie przyspieszenie, pod wpływem którego paliwo „osiada” na dnie zbiorników.

Zwiększanie liczby kroków daje pozytywny efekt tylko do pewnego limitu. Im więcej stopni, tym większa całkowita masa adapterów, a także silników pracujących tylko na jednej części lotu i w pewnym momencie dalsze zwiększanie liczby stopni przynosi efekt przeciwny do zamierzonego. We współczesnej praktyce rakietowej z reguły nie wykonuje się więcej niż czterech etapów.

Przy wyborze liczby etapów ważne są również kwestie niezawodności. Pyroboty i pomocnicze silniki rakietowe na paliwo stałe są elementami jednorazowego użytku, których działania nie można sprawdzić przed wystrzeleniem rakiety. Tymczasem awaria choćby jednego pirobolt może doprowadzić do awaryjnego przerwania lotu rakiety. Wzrost liczby elementów jednorazowych, które nie podlegają badaniom funkcjonalnym, zmniejsza niezawodność całej rakiety jako całości. Zmusza to również projektantów do powstrzymania się od stosowania zbyt wielu kroków.

Kosmiczne prędkości

Niezwykle ważne jest, aby pamiętać, że prędkość rozwijana przez rakietę (a wraz z nią cały statek kosmiczny) na aktywnej części ścieżki, czyli na tym stosunkowo krótkim odcinku podczas pracy silnika rakiety, musi być osiągana bardzo, bardzo wysoki.

Umieśćmy w myślach naszą rakietę w wolnej przestrzeni i włączmy jej silnik. Silnik wytworzył ciąg, rakieta otrzymała pewnego rodzaju przyspieszenie i zaczęła nabierać prędkości, poruszając się po linii prostej (jeśli siła ciągu nie zmienia kierunku). Jaką prędkość uzyska rakieta, zanim jej masa spadnie od wartości początkowej m 0 do wartości końcowej m k? Jeżeli przyjmiemy, że prędkość w wypływu materii z rakiety jest stała (jest to dość dokładnie obserwowane we współczesnych rakietach), to rakieta rozwinie prędkość v, wyrażoną Formuła Ciołkowskiego, który określa prędkość, jaką rozwija się statek powietrzny pod wpływem ciągu silnika rakietowego, niezmienionego w kierunku, przy braku innych sił:

gdzie ln oznacza naturalny, a log oznacza logarytmy dziesiętne

Prędkość obliczona ze wzoru Ciołkowskiego charakteryzuje zasoby energetyczne rakiety. To się nazywa ideał. Widzimy, że idealna prędkość nie zależy od drugiego masowego zużycia płynu roboczego, lecz zależy jedynie od prędkości spalin w oraz od liczby z = m 0 /m k, zwanej stosunkiem masowym lub liczbą Ciołkowskiego.

Istnieje koncepcja tak zwanych prędkości kosmicznych: pierwszej, drugiej i trzeciej. Pierwsza prędkość kosmiczna to prędkość, z jaką ciało (statek kosmiczny) wystrzelone z Ziemi może stać się jej satelitą. Jeżeli nie uwzględnimy wpływu atmosfery, to bezpośrednio nad poziomem morza pierwsza prędkość ucieczki wynosi 7,9 km/s i maleje wraz ze wzrostem odległości od Ziemi. Na wysokości 200 km od Ziemi wynosi 7,78 km/s. W praktyce przyjmuje się, że pierwsza prędkość ucieczki wynosi 8 km/s.

Aby pokonać grawitację Ziemi i zamienić się np. w satelitę Słońca lub dotrzeć do innej planety Układu Słonecznego, wystrzelone z Ziemi ciało (statek kosmiczny) musi osiągnąć drugą prędkość ucieczki, przyjmowaną równą do 11,2 km/s.

Ciało (statek kosmiczny) musi mieć trzecią prędkość kosmiczną na powierzchni Ziemi w przypadku, gdy wymagane jest pokonanie grawitacji Ziemi i Słońca i opuszczenie Układu Słonecznego. Przyjmuje się, że trzecia prędkość ucieczki wynosi 16,7 km/s.

Prędkości kosmiczne mają ogromne znaczenie. Są kilkadziesiąt razy szybsze od prędkości dźwięku w powietrzu. Tylko z tego jasno wynika, jakie złożone zadania stoją przed astronautyką.

Dlaczego kosmiczne prędkości są tak ogromne i dlaczego statki kosmiczne nie spadają na Ziemię? Rzeczywiście, to dziwne: Słońce swoimi ogromnymi siłami grawitacyjnymi utrzymuje Ziemię i wszystkie inne planety Układu Słonecznego blisko siebie, uniemożliwiając im odlot w przestrzeń kosmiczną. Wydawałoby się dziwne, że Ziemia trzyma Księżyc blisko siebie. Pomiędzy wszystkimi ciałami istnieją siły grawitacyjne, ale planety nie spadają na Słońce, ponieważ są w ruchu, to jest tajemnica.

Wszystko spada na Ziemię: krople deszczu, płatki śniegu, kamień spadający z góry i przewrócony ze stołu kubek. A Księżyc? Krąży wokół Ziemi. Gdyby nie działanie sił grawitacji, odleciałby stycznie do orbity, a gdyby nagle się zatrzymał, spadłby na Ziemię. Księżyc pod wpływem grawitacji Ziemi zbacza z prostej ścieżki, cały czas jakby „spadając” na Ziemię.

Ruch Księżyca odbywa się po pewnym łuku i dopóki działa grawitacja, Księżyc nie spadnie na Ziemię. Podobnie jest z Ziemią – gdyby się zatrzymała, wpadłaby w Słońce, ale nie stanie się to z tego samego powodu. Dwa rodzaje ruchu – jeden pod wpływem grawitacji, drugi pod wpływem bezwładności – sumują się i powodują ruch krzywoliniowy.

Prawo powszechnego ciążenia, utrzymujące Wszechświat w równowadze, odkrył angielski naukowiec Izaak Newton. Kiedy opublikował swoje odkrycie, ludzie mówili, że oszalał. Prawo grawitacji warunkuje nie tylko ruch Księżyca i Ziemi, ale także wszystkich ciał niebieskich Układu Słonecznego, a także sztucznych satelitów, stacji orbitalnych i statków międzyplanetarnych.

Prawa Keplera

Zanim rozważymy orbity statków kosmicznych, rozważmy prawa Keplera, które je opisują.

Johannes Kepler miał poczucie piękna. Przez całe dorosłe życie próbował udowodnić, że Układ Słoneczny jest jakimś mistycznym dziełem sztuki. Początkowo próbował połączyć jego strukturę z pięcioma wielościanami foremnymi klasycznej geometrii starożytnej Grecji. (Wielościan foremny to trójwymiarowa figura, której wszystkie ściany są równymi wielokątami foremnymi.) W czasach Keplera znanych było sześć planet, które wierzono, że są umieszczone na obracających się „kryształowych kulach”. Kepler argumentował, że kule te są ułożone w taki sposób, że wielościany foremne mieszczą się dokładnie pomiędzy sąsiednimi kulami. Pomiędzy dwiema zewnętrznymi kulami - Saturnem i Jowiszem - umieścił sześcian wpisany w kulę zewnętrzną, w który z kolei wpisana jest kula wewnętrzna; pomiędzy sferami Jowisza i Marsa - czworościan (czworościan foremny) itp. Sześć kul planet, pięć regularnych wielościanów wpisanych między nimi - wydawałoby się, że sama doskonałość?

Niestety, porównując swój model z obserwowanymi orbitami planet, Kepler zmuszony był przyznać, że rzeczywiste zachowanie ciał niebieskich nie mieści się w nakreślonych przez niego harmonijnych ramach. Jedynym efektem młodzieńczego zapału Keplera, który przetrwał wieki, był wykonany przez samego naukowca model Układu Słonecznego i podarowany jego patronowi, księciu Fryderykowi von Württemburg. W tym pięknie wykonanym metalowym artefakcie wszystkie sfery orbitalne planet i wpisane w nie regularne wielościany to puste w środku, nie komunikujące się ze sobą pojemniki, które w święta miały być wypełnione różnymi napojami, aby poczęstować gości księcia.

Dopiero po przeprowadzce do Pragi i zostaniu asystentem słynnego duńskiego astronoma Tycho Brahe Kepler natknął się na pomysły, które naprawdę uwieczniły jego nazwisko w annałach nauki. Tycho Brahe przez całe życie gromadził dane z obserwacji astronomicznych i zgromadził ogromne ilości informacji o ruchach planet. Po jego śmierci weszły w posiadanie Keplera. Notabene, zapisy te miały wówczas wielką wartość komercyjną, gdyż można było na ich podstawie sporządzać wyrafinowane horoskopy astrologiczne (dziś naukowcy wolą milczeć na temat tego działu wczesnej astronomii).

Przetwarzając wyniki obserwacji Tycho Brahe, Kepler napotkał problem, który nawet w przypadku nowoczesnych komputerów mógł wydawać się komuś nie do rozwiązania i Kepler nie miał innego wyjścia, jak tylko przeprowadzić wszystkie obliczenia ręcznie. Oczywiście, jak większość astronomów swoich czasów, Kepler znał już układ heliocentryczny Kopernika i wiedział, że Ziemia krąży wokół Słońca, czego dowodem jest opisany powyżej model Układu Słonecznego. Ale jak dokładnie obraca się Ziemia i inne planety? Wyobraźmy sobie problem w następujący sposób: jesteś na planecie, która po pierwsze obraca się wokół własnej osi, a po drugie krąży wokół Słońca po nieznanej ci orbicie. Patrząc w niebo widzimy inne planety, które również poruszają się po nieznanych nam orbitach. A zadaniem jest określenie, na podstawie danych obserwacyjnych wykonanych na naszym globie obracającym się wokół własnej osi wokół Słońca, geometrii orbit i prędkości ruchu innych planet. Dokładnie to ostatecznie udało się zrobić Keplerowi, po czym na podstawie uzyskanych wyników wyprowadził swoje trzy prawa!

Pierwsze prawo opisuje geometrię trajektorii orbit planet: każda planeta w Układzie Słonecznym obraca się po elipsie, w jednym z ognisk, w których znajduje się Słońce. Ze szkolnego kursu geometrii - elipsa to zbiór punktów na płaszczyźnie, suma odległości, z których do dwóch stałych punktów - ognisk - jest równa stałej. Inaczej mówiąc - wyobraźmy sobie przekrój bocznej powierzchni stożka przez płaszczyznę pod kątem do jego podstawy, ale nie przechodzącą przez podstawę - to także jest elipsa. Pierwsze prawo Keplera stwierdza, że orbity planet są elipsami, a w jednym z ognisk znajduje się Słońce. Mimośród (stopień wydłużenia) orbit i ich odległość od Słońca w peryhelium (punkt najbliższy Słońcu) i apohelii (punkt najbardziej odległy) są różne dla wszystkich planet, ale wszystkie orbity eliptyczne mają jedną wspólną cechę - Słońce znajduje się w jednym z dwóch ognisk elipsy. Po przeanalizowaniu danych obserwacyjnych Tycho Brahe Kepler doszedł do wniosku, że orbity planet to zbiór zagnieżdżonych elips. Przed nim po prostu nie przyszło to do głowy żadnemu astronomowi.

Nie można przecenić historycznego znaczenia pierwszego prawa Keplera. Przed nim astronomowie wierzyli, że planety poruszają się wyłącznie po orbitach kołowych, a jeśli nie mieściło się to w ramach obserwacji, główny ruch kołowy uzupełniano małymi okręgami, które planety opisywały wokół punktów głównej orbity kołowej. Było to przede wszystkim stanowisko filozoficzne, rodzaj faktu niezmiennego, nie podlegającego wątpliwościom i weryfikacji. Filozofowie argumentowali, że struktura niebieska, w odróżnieniu od ziemskiej, jest doskonała w swojej harmonii, a skoro najdoskonalszymi figurami geometrycznymi są okrąg i kula, oznacza to, że planety poruszają się po okręgu. Najważniejsze, że dzięki dostępowi do obszernych danych obserwacyjnych Tycho Brahe Johannes Kepler mógł przełamać to filozoficzne uprzedzenie, widząc, że nie odpowiada ono faktom – tak jak Kopernik odważył się usunąć Ziemię ze środka wszechświata, w obliczu argumentów zaprzeczających utartym ideom geocentrycznym, które polegały także na „niewłaściwym zachowaniu” planet na orbitach.

Drugie prawo opisuje zmianę prędkości ruchu planet wokół Słońca: każda planeta porusza się w płaszczyźnie przechodzącej przez środek Słońca, a w równych odstępach czasu wektor promienia łączący Słońce i planetę opisuje równe obszary . Im dalej planeta znajduje się na orbicie eliptycznej od Słońca, tym wolniejszy jest jej ruch, im bliżej Słońca, tym szybciej porusza się planeta. Teraz wyobraźmy sobie parę odcinków linii łączących dwie pozycje planety na jej orbicie z ogniskiem elipsy, w której znajduje się Słońce. Razem z leżącym pomiędzy nimi odcinkiem elipsy tworzą sektor, którego powierzchnia jest właśnie „obszarem odciętym odcinkiem linii prostej”. Właśnie o tym mówi drugie prawo. Im bliżej Słońca znajduje się planeta, tym krótsze są jej segmenty. Jednak w tym przypadku, aby sektor objął równą powierzchnię w jednakowym czasie, planeta musi przebyć większą odległość na swojej orbicie, co oznacza, że jej prędkość ruchu wzrasta.

Pierwsze dwa prawa dotyczą specyfiki trajektorii orbit pojedynczej planety. Trzecie prawo Keplera pozwala nam porównywać orbity planet ze sobą: kwadraty okresów obrotu planet wokół Słońca są powiązane jako sześciany półosi wielkich orbit planet. Mówi, że im dalej planeta znajduje się od Słońca, tym dłużej trwa pełny obrót podczas poruszania się po orbicie i tym dłużej trwa „rok” na tej planecie. Dziś wiemy, że wynika to z dwóch czynników. Po pierwsze, im dalej planeta znajduje się od Słońca, tym większy jest obwód jej orbity. Po drugie, wraz ze wzrostem odległości od Słońca maleje również prędkość liniowa ruchu planety.

W swoich prawach Kepler po prostu stwierdził fakty, po przestudiowaniu i uogólnieniu wyników obserwacji. Gdybyście go zapytali, co jest przyczyną eliptyczności orbit lub równości pól sektorów, nie odpowiedziałby. Wynikało to po prostu z przeprowadzonej przez niego analizy. Gdybyście zapytali go o ruch orbitalny planet w innych układach gwiezdnych, również nie miałby nic do powiedzenia. Musiałby zacząć wszystko od nowa – zgromadzić dane obserwacyjne, następnie je przeanalizować i spróbować zidentyfikować prawidłowości. Oznacza to, że po prostu nie miałby powodu wierzyć, że inny układ planetarny podlega tym samym prawom, co Układ Słoneczny.

Jeden z największych triumfów mechaniki klasycznej Newtona polega właśnie na tym, że dostarcza ona fundamentalnego uzasadnienia praw Keplera i potwierdza ich uniwersalność. Okazuje się, że prawa Keplera można wyprowadzić z praw mechaniki Newtona, prawa powszechnego ciążenia Newtona i prawa zachowania momentu pędu poprzez rygorystyczne obliczenia matematyczne. A jeśli tak, możemy być pewni, że prawa Keplera odnoszą się jednakowo do każdego układu planetarnego w dowolnym miejscu we Wszechświecie. Astronomowie poszukujący w kosmosie nowych układów planetarnych (a sporo ich już odkryto) co jakiś czas wykorzystują równania Keplera do obliczania parametrów orbit odległych planet, choć nie mogą ich bezpośrednio obserwować .

Trzecie prawo Keplera odegrało i nadal odgrywa ważną rolę we współczesnej kosmologii. Obserwując odległe galaktyki, astrofizycy wykrywają słabe sygnały emitowane przez atomy wodoru krążące po bardzo odległych orbitach od centrum galaktyki – znacznie dalej niż zwykle gwiazdy. Wykorzystując efekt Dopplera w widmie tego promieniowania, naukowcy określają prędkości obrotowe wodorowego obrzeża dysku galaktycznego, a na tej podstawie prędkości kątowe galaktyk jako całości. Prace naukowca, który mocno skierował nas na drogę do prawidłowego zrozumienia budowy naszego Układu Słonecznego, a dziś, wieki po jego śmierci, odgrywają tak ważną rolę w badaniu struktury rozległego Wszechświata.

Orbity

Duże znaczenie ma obliczenie trajektorii lotu statku kosmicznego, w którym należy realizować główny cel - maksymalną oszczędność energii. Obliczając tor lotu statku kosmicznego, należy określić najkorzystniejszy czas i, jeśli to możliwe, miejsce startu, wziąć pod uwagę efekty aerodynamiczne powstałe w wyniku interakcji urządzenia z atmosferą ziemską podczas startu i wykończenie i wiele więcej.

Wiele nowoczesnych statków kosmicznych, szczególnie tych z załogą, posiada na pokładzie stosunkowo małe silniki rakietowe, których głównym celem jest niezbędna korekta orbity i hamowanie podczas lądowania. Przy obliczaniu toru lotu należy uwzględnić jego zmiany związane z korektą. Większość trajektorii (właściwie cała trajektoria, z wyjątkiem jej części aktywnej i okresów regulacji) odbywa się przy wyłączonych silnikach, ale oczywiście pod wpływem pól grawitacyjnych ciał niebieskich.

Trajektoria statku kosmicznego nazywana jest orbitą. Podczas swobodnego lotu statku kosmicznego, gdy jego pokładowe silniki odrzutowe są wyłączone, ruch odbywa się pod wpływem sił grawitacyjnych i bezwładności, przy czym główną siłą jest grawitacja Ziemi.

Jeśli uznamy, że Ziemia jest ściśle kulista, a działanie ziemskiego pola grawitacyjnego jest jedyną siłą, to ruch statku kosmicznego jest zgodny ze znanymi prawami Keplera: zachodzi w stacjonarnej (w przestrzeni absolutnej) płaszczyźnie przechodzącej przez środek Ziemi - płaszczyzna orbity; orbita ma kształt elipsy lub koła (szczególny przypadek elipsy).

Orbity charakteryzują się szeregiem parametrów - układem wielkości określających orientację orbity ciała niebieskiego w przestrzeni, jego wielkość i kształt, a także położenie na orbicie ciała niebieskiego w pewnym ustalonym momencie. Niezakłóconą orbitę, po której porusza się ciało zgodnie z prawami Keplera, wyznacza:

Nachylenie orbity (i) do płaszczyzny odniesienia; może przyjmować wartości od 0° do 180°. Nachylenie jest mniejsze niż 90°, jeśli wydaje się, że ciało porusza się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, w stosunku do obserwatora znajdującego się na północnym biegunie ekliptyki lub północnym biegunie niebieskim, i większe niż 90°, jeśli ciało porusza się w przeciwnym kierunku. W odniesieniu do Układu Słonecznego jako płaszczyznę odniesienia zwykle wybiera się płaszczyznę orbity Ziemi (płaszczyznę ekliptyki), w przypadku sztucznych satelitów Ziemi jako płaszczyznę odniesienia zwykle wybiera się płaszczyznę równika ziemskiego; planet Układu Słonecznego, jako płaszczyznę odniesienia zwykle wybiera się płaszczyznę równika odpowiedniej planety.
Długość węzła rosnącego (Ω)- jeden z podstawowych elementów orbity, służący do matematycznego opisu kształtu orbity i jej orientacji w przestrzeni. Określa punkt, w którym orbita przecina główną płaszczyznę w kierunku z południa na północ. W przypadku ciał krążących wokół Słońca płaszczyzną główną jest ekliptyka, a punkt zerowy to pierwszy punkt Barana (równonoc wiosenna).
Oś główna jest połową głównej osi elipsy. W astronomii charakteryzuje średnią odległość ciała niebieskiego od ogniska.
Ekscentryczność- charakterystyka numeryczna przekroju stożkowego. Ekscentryczność jest niezmienna w odniesieniu do ruchów płaszczyzn i transformacji podobieństwa i charakteryzuje „zagęszczenie” orbity.
Argument perycentrum- definiuje się jako kąt pomiędzy kierunkami od środka przyciągającego do wznoszącego się węzła orbity i do perycentrum (punkt orbity satelity najbliższy środka przyciągającego), lub kąt pomiędzy linią węzłów a linią absydy. Liczony od środka przyciągającego w kierunku ruchu satelity, wybierany zwykle w zakresie 0°-360°. Aby wyznaczyć węzeł wstępujący i zstępujący, wybiera się pewną (tzw. bazową) płaszczyznę zawierającą środek przyciągania. Płaszczyzna ekliptyki (ruch planet, komet, asteroid wokół Słońca), płaszczyzna równikowa planety (ruch satelitów wokół planety) itp. są zwykle używane jako płaszczyzna podstawowa.
Przeciętna anomalia dla ciała poruszającego się po niezakłóconej orbicie - iloczyn jego średniego ruchu i czasu po przejściu przez perycentrum. Zatem średnia anomalia to odległość kątowa od perycentrum hipotetycznego ciała poruszającego się ze stałą prędkością kątową równą ruchowi średniemu.

Istnieją różne rodzaje orbit – równikowe (nachylenie „i” = 0°), polarne (nachylenie „i” = 90°), orbity synchroniczne ze Słońcem (parametry orbity są takie, że satelita przechodzi nad dowolnym punktem na powierzchni Ziemi w mniej więcej w tym samym czasie), lokalny czas słoneczny), niskoorbitalny (wysokości od 160 km do 2000 km), średnioorbitalny (wysokości od 2000 km do 35786 km), geostacjonarny (wysokość 35786 km), wysokoorbitalny (wysokości więcej niż 35786 km).