Kozmonavtika redno dosega osupljive uspehe. Umetni sateliti Zemlje nenehno iščejo vse bolj raznolike aplikacije. Biti astronavt v orbiti blizu Zemlje je postalo običajno. To bi bilo nemogoče brez glavne formule astronavtike - enačbe Ciolkovskega.
V našem času se nadaljuje preučevanje tako planetov kot drugih teles našega sončnega sistema (Venera, Mars, Jupiter, Uran, Zemlja itd.) in oddaljenih objektov (asteroidov, drugih sistemov in galaksij). Sklepi o značilnostih kozmičnega gibanja teles Ciolkovskega so postavili temelje za teoretične temelje astronavtike, kar je pripeljalo do izuma na desetine modelov električnih reaktivnih motorjev in izjemno zanimivih mehanizmov, na primer sončnega jadra.
Glavni problemi raziskovanja vesolja
Tri področja raziskav in razvoja v znanosti in tehnologiji so jasno opredeljena kot problemi raziskovanja vesolja:
- Letenje okoli Zemlje ali gradnja umetnih satelitov.
- lunini leti.
- Planetarni leti in leti do objektov sončnega sistema.
Tsiolkovskyjeva enačba za reaktivni pogon je prispevala k dejstvu, da je človeštvo doseglo neverjetne rezultate na vsakem od teh področij. Pojavile so se tudi številne nove uporabne znanosti: vesoljska medicina in biologija, sistemi za vzdrževanje življenja na vesoljskem plovilu, vesoljske komunikacije itd.
Dosežki v astronavtiki
Večina ljudi je danes slišala za velike dosežke: prvi pristanek na Luni (ZDA), prvi satelit (ZSSR) in podobno. Poleg najbolj znanih dosežkov, o katerih vsi slišijo, obstaja še veliko drugih. Zlasti ZSSR pripada:
- prva orbitalna postaja;
- prvi prelet lune in fotografije daljne strani;
- prvi pristanek na luni avtomatizirane postaje;
- prvi leti vozil na druge planete;
- prvi pristanek na Veneri in Marsu itd.
Mnogi se sploh ne zavedajo, kako veliki so bili dosežki ZSSR na področju kozmonavtike. Če kaj, so bili bistveno več kot le prvi satelit.
Toda Združene države niso nič manj prispevale k razvoju astronavtike. V ZDA hranijo:
- Vsi večji napredki pri uporabi zemeljske orbite (sateliti in satelitske komunikacije) za znanstvene namene in aplikacije.
- Številne misije na Luno, raziskovanje Marsa, Jupitra, Venere in Merkurja iz preletnih razdalj.
- Setznanstveni in medicinski poskusi, izvedeni v ničelni gravitaciji.
In čeprav so trenutno dosežki drugih držav bledi v primerjavi z ZSSR in ZDA, so se raziskovanju vesolja v obdobju po letu 2000 aktivno pridružile Kitajska, Indija in Japonska.
Vendar dosežki astronavtike niso omejeni na zgornje plasti planeta in visoke znanstvene teorije. Imela je velik vpliv tudi na preprosto življenje. Kot rezultat raziskovanja vesolja so v naše življenje prišle takšne stvari: strele, ježki, teflon, satelitske komunikacije, mehanski manipulatorji, brezžična orodja, sončne celice, umetno srce in še marsikaj. In prav formula hitrosti Ciolkovskega, ki je pomagala premagati gravitacijsko privlačnost in prispevala k nastanku vesoljske prakse v znanosti, je pomagala doseči vse to.
Izraz "kozmodinamika"
Tsiolkovskyjeva enačba je bila osnova kozmodinamike. Vendar je treba ta izraz razumeti bolj podrobno. Zlasti pri konceptih, ki so mu po pomenu blizu: astronavtika, nebesna mehanika, astronomija itd. Kozmonavtika je iz grščine prevedena kot "plavanje v vesolju." V običajnem primeru se ta izraz nanaša na množico vseh tehničnih zmogljivosti in znanstvenih dosežkov, ki omogočajo preučevanje vesolja in nebesnih teles.
Vesoljski leti so tisto, o čemer je človeštvo sanjalo že stoletja. In te sanje so se spremenile v resničnost, od teorije do znanosti, in vse zahvaljujoč formuli Tsiolkovsky za hitrost rakete. Iz del tega velikega znanstvenika vemo, da teorija astronavtike stoji na trehstebri:
- Teorija, ki opisuje gibanje vesoljskega plovila.
- Elektroraketni motorji in njihova proizvodnja.
- Astronomsko znanje in raziskovanje vesolja.
Kot že omenjeno, so se v vesoljski dobi pojavile številne druge znanstvene in tehnične discipline, kot so: sistemi za upravljanje vesoljskih plovil, sistemi komunikacije in prenosa podatkov v vesolju, vesoljska navigacija, vesoljska medicina in še veliko več. Omeniti velja, da v času rojstva temeljev astronavtike ni bilo niti radia kot takega. Preučevanje elektromagnetnih valov in prenosa informacij na velike razdalje z njihovo pomočjo se je šele začelo. Zato so utemeljitelji teorije resno obravnavali svetlobne signale – sončne žarke, ki se odbijajo proti Zemlji – kot način prenosa podatkov. Danes si kozmonavtike ni mogoče predstavljati brez vseh sorodnih uporabnih znanosti. V tistih daljnih časih je bila domišljija številnih znanstvenikov res neverjetna. Poleg komunikacijskih metod so se dotaknili tudi tem, kot je formula Ciolkovskega za večstopenjsko raketo.
Ali je med vso pestrostjo mogoče izpostaviti katero disciplino kot glavno? To je teorija gibanja kozmičnih teles. Prav ona služi kot glavna povezava, brez katere je astronavtika nemogoča. To področje znanosti se imenuje kozmodinamika. Čeprav ima veliko enakih imen: nebesna ali vesoljska balistika, mehanika vesoljskih letov, uporabna nebesna mehanika, znanost o gibanju umetnih nebesnih teles initd. Vsi se nanašajo na isto področje študija. Formalno kozmodinamika vstopa v nebesno mehaniko in uporablja svoje metode, vendar obstaja izjemno pomembna razlika. Nebesna mehanika preučuje samo orbite; nima izbire, kozmodinamika pa je zasnovana tako, da določa optimalne poti za dosego določenih nebesnih teles z vesoljskimi plovili. In enačba Tsiolkovskega za reaktivni pogon omogoča ladjam, da natančno določijo, kako lahko vplivajo na pot leta.
Kozmodinamika kot znanost
Odkar je K. E. Tsiolkovsky izpeljal formulo, se je znanost o gibanju nebesnih teles trdno oblikovala kot kozmodinamika. Vesoljim plovilom omogoča uporabo metod za iskanje optimalnega prehoda med različnimi orbitami, kar imenujemo orbitalno manevriranje in je osnova teorije gibanja v vesolju, tako kot je aerodinamika osnova atmosferskega letenja. Vendar to ni edina znanost, ki se ukvarja s tem vprašanjem. Poleg nje je tu še raketna dinamika. Obe znanosti tvorita trdne temelje za sodobno vesoljsko tehnologijo in obe sta vključeni v oddelek nebesne mehanike.
Kozmodinamika je sestavljena iz dveh glavnih delov:
- Teorija gibanja vztrajnostnega središča (mase) predmeta v prostoru ali teorija poti.
- Teorija gibanja kozmičnega telesa glede na njegovo vztrajnostno središče ali teorija vrtenja.
Če želite ugotoviti, kaj je enačba Tsiolkovskega, morate dobro razumeti mehaniko, torej Newtonove zakone.
Newtonov prvi zakon
Vsako telo se giblje enakomerno in pravokotno ali miruje, dokler ga zunanje sile, ki delujejo nanj, ne prisilijo, da spremeni to stanje. Z drugimi besedami, vektor hitrosti takšnega gibanja ostane konstanten. To vedenje teles imenujemo tudi inercialno gibanje.
Vsak drug primer, v katerem pride do kakršne koli spremembe vektorja hitrosti, pomeni, da ima telo pospešek. Zanimiv primer v tem primeru je gibanje materialne točke v krogu ali katerega koli satelita v orbiti. V tem primeru je gibanje enakomerno, vendar ne pravolinijsko, ker vektor hitrosti nenehno spreminja smer, kar pomeni, da pospešek ni enak nič. To spremembo hitrosti je mogoče izračunati s formulo v2 / r, kjer je v konstantna hitrost in r polmer orbite. Pospešek v tem primeru bo usmerjen v središče kroga na kateri koli točki poti telesa.
Na podlagi definicije zakona lahko le sila povzroči spremembo smeri materialne točke. V svoji vlogi (v primeru satelita) je planetna gravitacija. Privlačnost planetov in zvezd, kot lahko zlahka uganete, je velikega pomena v kozmodinamiki na splošno in zlasti pri uporabi enačbe Tsiolkovskega.
Newtonov drugi zakon
Pospešek je neposredno sorazmeren s silo in obratno sorazmeren s telesno maso. Ali v matematični obliki: a=F / m ali pogosteje - F=ma, kjer je m faktor sorazmernosti, ki predstavlja meroza vztrajnost telesa.
Ker je katera koli raketa predstavljena kot gibanje telesa s spremenljivo maso, se bo enačba Tsiolkovskega spremenila vsako enoto časa. V zgornjem primeru satelita, ki se giblje okoli planeta, če poznamo njegovo maso m, lahko zlahka ugotovimo silo, pod katero se vrti v orbiti, in sicer: F=mv2/r. Očitno bo ta sila usmerjena proti središču planeta.
Postavlja se vprašanje: zakaj satelit ne pade na planet? Ne pade, saj se njegova trajektorija ne seka s površino planeta, ker ga narava ne sili v gibanje vzdolž delovanja sile, ker je nanj sousmerjen le vektor pospeška in ne hitrost.
Upoštevati je treba tudi, da je v pogojih, kjer sta znani sila, ki deluje na telo, in njegova masa, mogoče ugotoviti pospešek telesa. In v skladu z njim matematične metode določajo pot, po kateri se to telo giblje. Tukaj pridemo do dveh glavnih problemov, s katerimi se ukvarja kozmodinamika:
- Razkrivanje sil, ki jih je mogoče uporabiti za manipuliranje gibanja vesoljske ladje.
- Določi gibanje te ladje, če so znane sile, ki delujejo nanjo.
Drugi problem je klasično vprašanje za nebesno mehaniko, prvi pa kaže na izjemno vlogo kozmodinamike. Zato je na tem področju fizike poleg formule Ciolkovskega za reaktivni pogon izjemno pomembno razumevanje Newtonove mehanike.
Newtonov tretji zakon
Vzrok sile, ki deluje na telo, je vedno drugo telo. Ampak restudi nasprotno. To je bistvo tretjega Newtonovega zakona, ki pravi, da za vsako dejanje obstaja dejanje enake velikosti, vendar nasprotne smeri, imenovano reakcija. Z drugimi besedami, če telo A deluje s silo F na telo B, potem telo B deluje na telo A s silo -F.
V primeru s satelitom in planetom nas Newtonov tretji zakon pripelje do razumevanja, da s kakšno silo planet privlači satelit, isti satelit privlači planet. Ta privlačna sila je odgovorna za posredovanje pospeška satelitu. Vendar daje planetu tudi pospešek, vendar je njegova masa tako velika, da je ta sprememba hitrosti zanj zanemarljiva.
Formula Ciolkovskega za reaktivni pogon v celoti temelji na razumevanju zadnjega Newtonovega zakona. Konec koncev, prav zaradi izstreljene mase plinov glavno telo rakete pridobi pospešek, kar ji omogoča, da se premika v pravo smer.
Malo o referenčnih sistemih
Ko razmišljamo o kakršnih koli fizičnih pojavih, se je težko ne dotakniti takšne teme kot referenčnega okvira. Gibanje vesoljskega plovila, tako kot katerega koli drugega telesa v vesolju, je mogoče določiti v različnih koordinatah. Ni napačnih referenčnih sistemov, obstajajo le bolj priročni in manj. Na primer, gibanje teles v sončnem sistemu je najbolje opisati v heliocentričnem referenčnem sistemu, to je v koordinatah, povezanih s Soncem, imenovanem tudi Kopernikov okvir. Vendar pa je gibanje Lune v tem sistemu manj priročno upoštevati, zato ga preučujemo v geocentričnih koordinatah - štetje je glede naZemlja, to se imenuje Ptolemajev sistem. Če pa je vprašanje, ali bo asteroid, ki leti v bližini, udaril v Luno, bo bolj priročno spet uporabiti heliocentrične koordinate. Pomembno je, da znaš uporabljati vse koordinatne sisteme in si na problem pogledati z različnih zornih kotov.
gibanje raket
Glavni in edini način potovanja v vesolju je raketa. To načelo je bilo prvič izraženo, kot piše na spletni strani Habr, s formulo Tsiolkovsky leta 1903. Od takrat so astronavtični inženirji izumili na desetine tipov raketnih motorjev, ki uporabljajo najrazličnejše vrste energije, vendar jih vse združuje eno načelo delovanja: izvrženje dela mase iz rezerv delovne tekočine, da se doseže pospešek. Sila, ki nastane kot rezultat tega procesa, se imenuje vlečna sila. Tukaj je nekaj zaključkov, ki nam bodo omogočili, da pridemo do enačbe Ciolkovskega in izpeljave njene glavne oblike.
Očitno se bo vlečna sila povečala glede na prostornino izvržene mase iz rakete na enoto časa in hitrost, ki jo ta masa uspe sporočiti. Tako dobimo razmerje F=wq, kjer je F vlečna sila, w hitrost vržene mase (m/s) in q porabljena masa na enoto časa (kg/s). Ločeno je treba omeniti pomen referenčnega sistema, ki je povezan posebej s samo raketo. Sicer je nemogoče opisati potisno silo raketnega motorja, če se vse meri glede na Zemljo ali druga telesa.
Raziskave in poskusi so pokazali, da razmerje F=wq ostane veljavno le za primere, ko je izvržena masa tekoča ali trdna. Toda rakete uporabljajo curek vročega plina. Zato je treba v razmerje vnesti številne popravke, nato pa dobimo dodaten člen razmerja S(pr - pa), ki se doda izvirniku wq. Tukaj je pr tlak, ki ga izvaja plin na izstopu iz šobe; pa je atmosferski tlak in S je območje šobe. Tako bi bila prečiščena formula videti takole:
F=wq + Spr - Spa.
Kjer lahko vidite, da se bo z vzpenjanjem rakete atmosferski tlak zmanjšal, sila potiska pa se bo povečala. Vendar imajo fiziki radi priročne formule. Zato se pogosto uporablja formula, podobna njeni prvotni obliki F=weq, kjer je we efektivna hitrost iztoka mase. Določen je eksperimentalno med testiranjem pogonskega sistema in je številčno enak izrazu w + (Spr - Spa) / q.
Razmislimo o konceptu, ki je identičen we - specifični impulz potiska. Specifično pomeni, da se nanaša na nekaj. V tem primeru gre za gravitacijo Zemlje. Če želite to narediti, se v zgornji formuli desna stran pomnoži in deli z g (9,81 m/s2):
F=weq=(we / g)qg ali F=I ud qg
Ta vrednost se meri Isp v Ns/kg ali karkoliisti m/s. Z drugimi besedami, specifični impulz potiska se meri v enotah hitrosti.
formula Ciolkovskega
Kot zlahka uganete, poleg potiska motorja na raketo delujejo številne druge sile: privlačnost Zemlje, gravitacija drugih predmetov v sončnem sistemu, atmosferski upor, svetlobni tlak, itd. Vsaka od teh sil daje raketi svoj pospešek, vsota delovanja pa vpliva na končni pospešek. Zato je primerno uvesti koncept pospeška curka ali ar=Ft / M, kjer je M masa rakete v določenem časovno obdobje. Pospešek curka je pospešek, s katerim bi se raketa premikala, če nanjo ne bi delovale zunanje sile. Očitno se bo pospešek povečal, ko se masa porabi. Zato obstaja še ena priročna značilnost - začetni pospešek curka ar0=FtM0, kjer M 0 je masa rakete na začetku gibanja.
Logično bi se bilo vprašati, kakšno hitrost se lahko raketa razvije v tako praznem prostoru, potem ko porabi nekaj mase delovnega telesa. Naj se masa rakete spremeni iz m0 v m1. Potem bo hitrost rakete po enakomerni porabi mase do vrednosti m1 kg določena s formulo:
V=wln(m0 / m1)
To ni nič drugega kot formula za gibanje teles s spremenljivo maso ali enačba Tsiolkovskega. Zaznamuje energijski vir rakete. In hitrost, pridobljena s to formulo, se imenuje idealna. Lahko se napišeta formula v drugi enaki različici:
V=Iudln(m0 / m1)
Omeniti velja uporabo formule Tsiolkovsky za izračun goriva. Natančneje, masa nosilne rakete, ki bo potrebna za vnos določene teže v Zemljino orbito.
Na koncu je treba reči o tako velikem znanstveniku, kot je Meshchersky. Skupaj s Ciolkovskim sta prednika astronavtike. Meshchersky je veliko prispeval k ustvarjanju teorije gibanja predmetov spremenljive mase. Zlasti formula Meshcherskega in Ciolkovskega je naslednja:
m(dv / dt) + u(dm / dt)=0, kjer je v hitrost materialne točke, u je hitrost vržene mase glede na raketo. Ta relacija se imenuje tudi diferencialna enačba Meščerskega, nato pa iz nje dobimo formulo Ciolkovskega kot posebno rešitev za materialno točko.
