Cosmonautica atinge în mod regulat un succes uimitor. Sateliții artificiali ai Pământului găsesc în mod constant aplicații din ce în ce mai diverse. A fi un astronaut pe orbită apropiată de Pământ a devenit obișnuit. Acest lucru ar fi fost imposibil fără formula principală a astronauticii - ecuația Tsiolkovsky.
În timpul nostru, studiul atât al planetelor, cât și al altor corpuri ale sistemului nostru solar (Venus, Marte, Jupiter, Uranus, Pământ etc.) și al obiectelor îndepărtate (asteroizi, alte sisteme și galaxii) continuă. Concluziile despre caracteristicile mișcării cosmice a corpurilor lui Ciolkovski au pus bazele bazelor teoretice ale astronauticii, care au dus la inventarea a zeci de modele de motoare cu reacție electrice și mecanisme extrem de interesante, de exemplu, o velă solară.
Principalele probleme ale explorării spațiului
Trei domenii de cercetare și dezvoltare în știință și tehnologie sunt clar identificate ca probleme ale explorării spațiului:
- Zburând în jurul Pământului sau construind sateliți artificiali.
- Zboruri pe Lună.
- Zboruri planetare și zboruri către obiectele sistemului solar.
Ecuația lui Tsiolkovsky pentru propulsia cu reacție a contribuit la faptul că omenirea a obținut rezultate uimitoare în fiecare dintre aceste domenii. Și, de asemenea, au apărut multe științe aplicate noi: medicina și biologia spațială, sistemele de susținere a vieții pe o navă spațială, comunicațiile spațiale etc.
Realizări în astronautică
Cei mai mulți oameni astăzi au auzit de realizări majore: prima aterizare pe Lună (SUA), primul satelit (URSS) și altele asemenea. Pe lângă cele mai faimoase realizări despre care aude toată lumea, există multe altele. În special, URSS aparține:
- prima stație orbitală;
- primul zbor al lunii și fotografii ale părții îndepărtate;
- prima aterizare pe lună a unei stații automate;
- primele zboruri ale vehiculelor către alte planete;
- prima aterizare pe Venus și Marte etc.
Mulți oameni nici nu realizează cât de mari au fost realizările URSS în domeniul cosmonauticii. În orice caz, au fost mult mai mult decât primul satelit.
Dar Statele Unite au contribuit nu mai puțin la dezvoltarea astronauticii. În SUA a avut loc:
- Toate progresele majore în utilizarea orbitei Pământului (sateliți și comunicații prin satelit) în scopuri și aplicații științifice.
- Multe misiuni pe Lună, explorarea lui Marte, Jupiter, Venus și Mercur de la distanțe de zbor.
- Setexperimente științifice și medicale efectuate în gravitate zero.
Și deși în momentul de față realizările altor țări palid în comparație cu URSS și SUA, dar China, India și Japonia s-au alăturat activ explorării spațiului în perioada de după 2000.
Cu toate acestea, realizările astronauticii nu se limitează la straturile superioare ale planetei și la teoriile științifice în alte. Ea a avut, de asemenea, o mare influență asupra vieții simple. Ca urmare a explorării spațiului, astfel de lucruri au intrat în viața noastră: fulgere, velcro, teflon, comunicații prin satelit, manipulatoare mecanice, instrumente fără fir, panouri solare, o inimă artificială și multe altele. Și formula vitezei lui Tsiolkovsky, care a ajutat la depășirea atracției gravitaționale și a contribuit la apariția practicii spațiale în știință, a fost cea care a ajutat la realizarea tuturor acestor lucruri.
Termenul „cosmodinamică”
Ecuația lui Tsiolkovsky a stat la baza cosmodinamicii. Cu toate acestea, acest termen trebuie înțeles mai detaliat. Mai ales în materie de concepte apropiate ca semnificație: astronautică, mecanică cerească, astronomie etc. Cosmonautica este tradusă din greacă prin „înotul în Univers”. În cazul obișnuit, acest termen se referă la masa tuturor capacităților tehnice și realizărilor științifice care permit studiul spațiului și al corpurilor cerești.
Zborurile spațiale sunt ceea ce umanitatea a visat de secole. Și aceste vise s-au transformat în realitate, de la teorie la știință, și toate datorită formulei Tsiolkovsky pentru viteza rachetei. Din lucrările acestui mare om de știință, știm că teoria astronauticii se bazează pe treistâlpi:
- Teorie care descrie mișcarea navelor spațiale.
- Motoare cu rachete electrice și producția lor.
- Cunoașterea astronomică și explorarea Universului.
După cum s-a menționat anterior, multe alte discipline științifice și tehnice au apărut în era spațială, cum ar fi: sistemele de control al navelor spațiale, sistemele de comunicații și transmisii de date în spațiu, navigația spațială, medicina spațială și multe altele. Este demn de remarcat faptul că, la momentul nașterii fundamentelor astronauticii, nu exista nici măcar un radio ca atare. Studiul undelor electromagnetice și transmiterea informațiilor pe distanțe lungi cu ajutorul lor era abia la început. Prin urmare, fondatorii teoriei au considerat în mod serios semnalele luminoase - razele soarelui reflectate spre Pământ - ca o modalitate de transmitere a datelor. Astăzi este imposibil să ne imaginăm cosmonautica fără toate științele aplicate conexe. În acele vremuri îndepărtate, imaginația unui număr de oameni de știință era cu adevărat uimitoare. Pe lângă metodele de comunicare, au abordat și subiecte precum formula Ciolkovski pentru o rachetă în mai multe etape.
Este posibil să evidențiem orice disciplină ca principală dintre toate varietățile? Este teoria mișcării corpurilor cosmice. Ea este cea care servește drept verigă principală, fără de care astronautica este imposibilă. Această zonă a științei se numește cosmodinamică. Deși are multe denumiri identice: balistica cerească sau spațială, mecanica zborului spațial, mecanică cerească aplicată, știința mișcării corpurilor cerești artificiale șietc. Toate se referă la același domeniu de studiu. Formal, cosmodinamica intră în mecanica cerească și își folosește metodele, dar există o diferență extrem de importantă. Mecanica cerească studiază doar orbitele; nu are de ales, dar cosmodinamica este concepută pentru a determina traiectoriile optime pentru atingerea anumitor corpuri cerești cu ajutorul navelor spațiale. Iar ecuația Tsiolkovsky pentru propulsia cu reacție permite navelor să determine exact modul în care pot influența calea de zbor.
Cosmodinamica ca știință
De când K. E. Tsiolkovsky a dedus formula, știința mișcării corpurilor cerești a prins ferm contur ca cosmodinamică. Acesta permite navelor spațiale să folosească metode pentru a găsi tranziția optimă între diferite orbite, ceea ce se numește manevră orbitală și stă la baza teoriei mișcării în spațiu, la fel cum aerodinamica este baza zborului atmosferic. Cu toate acestea, nu este singura știință care se ocupă de această problemă. Pe lângă aceasta, există și dinamica rachetelor. Ambele științe formează o bază solidă pentru tehnologia spațială modernă și ambele sunt incluse în secțiunea de mecanică cerească.
Cosmodinamica constă din două secțiuni principale:
- Teoria mișcării centrului de inerție (masă) al unui obiect în spațiu sau teoria traiectoriilor.
- Teoria mișcării unui corp cosmic în raport cu centrul său de inerție sau teoria rotației.
Pentru a afla care este ecuația lui Tsiolkovsky, trebuie să înțelegeți bine mecanica, adică legile lui Newton.
Prima lege a lui Newton
Orice corp se mișcă uniform și rectiliniu sau este în repaus până când forțele externe aplicate acestuia îl forțează să schimbe această stare. Cu alte cuvinte, vectorul viteză al unei astfel de mișcări rămâne constant. Acest comportament al corpurilor se mai numește și mișcare inerțială.
Orice alt caz în care are loc orice modificare a vectorului viteză înseamnă că corpul are accelerație. Un exemplu interesant în acest caz este mișcarea unui punct material într-un cerc sau a oricărui satelit pe orbită. În acest caz, există o mișcare uniformă, dar nu rectilinie, deoarece vectorul viteză își schimbă constant direcția, ceea ce înseamnă că accelerația nu este egală cu zero. Această modificare a vitezei poate fi calculată folosind formula v2 / r, unde v este viteza constantă și r este raza orbitei. Accelerația din acest exemplu va fi direcționată către centrul cercului în orice punct al traiectoriei corpului.
Pe baza definiției legii, numai forța poate provoca o schimbare a direcției unui punct material. În rolul său (pentru cazul unui satelit) este gravitația planetei. Atracția planetelor și a stelelor, așa cum puteți ghici cu ușurință, este de mare importanță în cosmodinamică în general și atunci când se utilizează ecuația Tsiolkovsky în special.
A doua lege a lui Newton
Accelerația este direct proporțională cu forța și invers proporțională cu masa corporală. Sau sub formă matematică: a=F / m, sau mai frecvent - F=ma, unde m este factorul de proporționalitate, care reprezintă măsurapentru inerția corpului.
Deoarece orice rachetă este reprezentată ca mișcarea unui corp cu o masă variabilă, ecuația Tsiolkovsky se va schimba în fiecare unitate de timp. În exemplul de mai sus al unui satelit care se deplasează în jurul planetei, cunoscându-i masa m, puteți afla cu ușurință forța sub care se rotește pe orbită și anume: F=mv2/r. Evident, această forță va fi îndreptată spre centrul planetei.
Se pune întrebarea: de ce satelitul nu cade pe planetă? Nu cade, deoarece traiectoria sa nu se intersectează cu suprafața planetei, deoarece natura nu o forțează să se miște de-a lungul acțiunii forței, deoarece doar vectorul accelerație este co-direcționat către ea, și nu viteza.
De asemenea, trebuie remarcat faptul că în condițiile în care sunt cunoscute forța care acționează asupra corpului și masa acestuia, se poate afla accelerația corpului. Și conform acesteia, metodele matematice determină calea pe care se mișcă acest corp. Aici ajungem la două probleme principale cu care se confruntă cosmodinamica:
- Forțe revelatoare care pot fi folosite pentru a manipula mișcarea unei nave spațiale.
- Determinați mișcarea acestei nave dacă sunt cunoscute forțele care acționează asupra ei.
A doua problemă este o întrebare clasică pentru mecanica cerească, în timp ce prima arată rolul excepțional al cosmodinamicii. Prin urmare, în această zonă a fizicii, pe lângă formula Tsiolkovsky pentru propulsia cu reacție, este extrem de important să înțelegem mecanica newtoniană.
A treia lege a lui Newton
Cauza unei forțe care acționează asupra unui corp este întotdeauna un alt corp. Dar adevaratde asemenea invers. Aceasta este esența celei de-a treia legi a lui Newton, care afirmă că pentru fiecare acțiune există o acțiune egală ca mărime, dar opusă ca direcție, numită reacție. Cu alte cuvinte, dacă corpul A acţionează cu forţa F asupra corpului B, atunci corpul B acţionează asupra corpului A cu forţa -F.
În exemplul cu un satelit și o planetă, a treia lege a lui Newton ne conduce la înțelegerea că cu ce forță planeta atrage satelitul, același satelit atrage planeta. Această forță atractivă este responsabilă pentru accelerarea satelitului. Dar dă și accelerație planetei, dar masa ei este atât de mare încât această schimbare a vitezei este neglijabilă pentru ea.
Formula lui Tsiolkovsky pentru propulsia cu reacție se bazează complet pe înțelegerea ultimei legi a lui Newton. La urma urmei, tocmai datorită masei ejectate de gaze, corpul principal al rachetei capătă o accelerație, ceea ce îi permite să se miște în direcția corectă.
Puține despre sistemele de referință
Când luați în considerare orice fenomen fizic, este dificil să nu atingeți un astfel de subiect ca cadru de referință. Mișcarea unei nave spațiale, ca orice alt corp din spațiu, poate fi fixată în coordonate diferite. Nu există sisteme de referință greșite, există doar mai convenabile și mai puține. De exemplu, mișcarea corpurilor în sistemul solar este cel mai bine descrisă într-un cadru de referință heliocentric, adică în coordonatele asociate cu Soarele, numit și cadru copernican. Cu toate acestea, mișcarea Lunii în acest sistem este mai puțin convenabilă de luat în considerare, deci este studiată în coordonate geocentrice - numărul este relativ laPământ, acesta se numește sistemul ptolemeic. Dar dacă întrebarea este dacă un asteroid care zboară în apropiere va lovi Luna, va fi mai convenabil să folosești din nou coordonatele heliocentrice. Este important să poți folosi toate sistemele de coordonate și să poți privi problema din diferite puncte de vedere.
Mișcarea rachetei
Principalul și singurul mod de a călători în spațiul cosmic este o rachetă. Pentru prima dată, acest principiu a fost exprimat, conform site-ului Habr, prin formula Tsiolkovsky în 1903. De atunci, inginerii astronautici au inventat zeci de tipuri de motoare rachete folosind o mare varietate de tipuri de energie, dar toate sunt unite printr-un singur principiu de funcționare: ejectarea unei părți din masă din rezervele fluidului de lucru pentru a obține accelerație. Forța care este generată ca urmare a acestui proces se numește forță de tracțiune. Iată câteva concluzii care ne vor permite să ajungem la ecuația Țiolkovski și la derivarea formei sale principale.
Evident, forța de tracțiune va crește în funcție de volumul de masă ejectat din rachetă pe unitatea de timp și de viteza pe care această masă reușește să o raporteze. Se obține astfel relația F=wq, unde F este forța de tracțiune, w este viteza masei aruncate (m/s) și q este masa consumată pe unitatea de timp (kg/s). Este demn de remarcat separat importanța sistemului de referință asociat în mod specific cu racheta în sine. În caz contrar, este imposibil să se caracterizeze forța de împingere a unui motor de rachetă dacă totul este măsurat în raport cu Pământul sau cu alte corpuri.
Cercetările și experimentele au arătat că raportul F=wq rămâne valabil doar pentru cazurile în care masa ejectată este un lichid sau un solid. Dar rachetele folosesc un jet de gaz fierbinte. Prin urmare, în raport trebuie introduse o serie de corecții și apoi obținem un termen suplimentar al raportului S(pr - pa), care se adaugă la originalul wq. Aici pr este presiunea exercitată de gaz la ieșirea duzei; pa este presiunea atmosferică și S este zona duzei. Astfel, formula rafinată ar arăta astfel:
F=wq + Spr - Spa.
Unde puteți vedea că, pe măsură ce racheta urcă, presiunea atmosferică va deveni mai mică, iar forța de împingere va crește. Cu toate acestea, fizicienii iubesc formulele convenabile. Prin urmare, este adesea folosită o formulă similară cu forma sa originală F=weq, unde we este viteza efectivă de scurgere a masei. Se determină experimental în timpul testării sistemului de propulsie și este numeric egal cu expresia w + (Spr - Spa) / q.
Să luăm în considerare un concept care este identic cu we - impuls specific de împingere. Specific înseamnă referitor la ceva. În acest caz, este la gravitația Pământului. Pentru a face acest lucru, în formula de mai sus, partea dreaptă este înmulțită și împărțită cu g (9,81 m/s2):
F=weq=(we / g)qg sau F=I ud qg
Această valoare este măsurată Isp în Ns/kg sau orice altcevaacelași m/s. Cu alte cuvinte, impulsul specific de tracțiune este măsurat în unități de viteză.
formula lui Tsiolkovsky
După cum puteți ghici cu ușurință, pe lângă forța motorului, asupra rachetei acționează multe alte forțe: atracția Pământului, gravitația altor obiecte din sistemul solar, rezistența atmosferică, presiunea ușoară, etc. Fiecare dintre aceste forțe dă propria sa accelerație rachetei, iar totalul din acțiune afectează accelerația finală. Prin urmare, este convenabil să se introducă conceptul de accelerație a jetului sau ar=Ft / M, unde M este masa rachetei într-un anumit perioada de timp. Accelerația jetului este accelerația cu care racheta s-ar mișca în absența forțelor externe care să acționeze asupra ei. Evident, pe măsură ce masa este cheltuită, accelerația va crește. Prin urmare, există o altă caracteristică convenabilă - accelerația inițială a jetului ar0=FtM0, unde M 0 este masa rachetei la începutul mișcării.
Ar fi logic să ne întrebăm ce viteză este capabilă să dezvolte o rachetă într-un spațiu atât de gol după ce a consumat o anumită cantitate din masa corpului de lucru. Lăsați masa rachetei să se schimbe de la m0 la m1. Apoi viteza rachetei după consumul uniform de masă până la valoarea m1 kg va fi determinată prin formula:
V=wln(m0 / m1)
Aceasta nu este altceva decât formula pentru mișcarea corpurilor cu masă variabilă sau ecuația Tsiolkovsky. Caracterizează resursa energetică a rachetei. Iar viteza obtinuta prin aceasta formula se numeste ideala. Poate fi scrisaceastă formulă într-o altă versiune identică:
V=Iudln(m0 / m1)
Este de remarcat utilizarea formulei Tsiolkovsky pentru calcularea combustibilului. Mai precis, masa vehiculului de lansare, care va fi necesară pentru a aduce o anumită greutate pe orbita Pământului.
În final, ar trebui spus despre un om de știință atât de mare ca Meshchersky. Împreună cu Tsiolkovsky sunt strămoșii astronauticii. Meshchersky a avut o contribuție uriașă la crearea teoriei mișcării obiectelor cu masă variabilă. În special, formula lui Meshchersky și Tsiolkovsky este următoarea:
m(dv / dt) + u(dm / dt)=0, unde v este viteza punctului material, u este viteza masei aruncate în raport cu racheta. Această relație se mai numește și ecuația diferențială Meshchersky, apoi formula Ciolkovsky se obține din ea ca o soluție particulară pentru un punct material.
