A kozmonautika rendszeresen lenyűgöző sikereket ér el. A Föld mesterséges műholdai folyamatosan egyre változatosabb alkalmazásokat találnak. A Föld-közeli pályán űrhajósnak lenni mindennapossá vált. Ez lehetetlen lett volna az űrhajózás fő képlete – a Ciolkovszkij-egyenlet – nélkül.
Naprendszerünk bolygóinak és más testeinek (Vénusz, Mars, Jupiter, Uránusz, Föld stb.) és távoli objektumoknak (kisbolygók, egyéb rendszerek és galaxisok) vizsgálata napjainkban is folytatódik. A Ciolkovszkij-testek kozmikus mozgásának jellemzőire vonatkozó következtetések lefektették az asztronutika elméleti alapjait, ami több tucat elektromos sugárhajtómű-modell és rendkívül érdekes mechanizmus, például egy napvitorla feltalálásához vezetett.
Az űrkutatás fő problémái
A tudományos és technológiai kutatás és fejlesztés három területe egyértelműen az űrkutatás problémájaként azonosítható:
- Föld körüli repülés vagy mesterséges műholdak építése.
- Holdrepülések.
- Bolygórepülések és repülések a Naprendszer objektumaira.
Ciolkovszkij sugárhajtású egyenlete hozzájárult ahhoz, hogy az emberiség elképesztő eredményeket ért el ezeken a területeken. Emellett számos új alkalmazott tudomány jelent meg: űrgyógyászat és biológia, életfenntartó rendszerek egy űrhajón, űrkommunikáció stb.
Eredmények az űrhajózásban
Ma a legtöbb ember hallott jelentős eredményekről: az első leszállás a Holdon (USA), az első műhold (Szovjetunió) és hasonlók. A leghíresebb eredményeken kívül, amelyekről mindenki hall, sok más is létezik. A Szovjetunió különösen a következőkhöz tartozik:
- első orbitális állomás;
- első elrepülés a Holdról és fotók a túlsó oldalról;
- egy automatizált állomás első leszállása a Holdon;
- járművek első repülései más bolygókra;
- első leszállás a Vénuszon és a Marson stb.
Sokan nem is sejtik, milyen nagyszerű eredményeket ért el a Szovjetunió a kozmonautika területén. Ha valami, akkor ezek sokkal többet jelentenek, mint az első műhold.
De az Egyesült Államok nem kevésbé járult hozzá az űrhajózás fejlődéséhez. Az Egyesült Államokban:
- A Föld körüli pálya (műholdak és műholdas kommunikáció) tudományos célokra és alkalmazásokra történő felhasználásában elért összes jelentősebb előrelépés.
- Sok küldetés a Holdra, a Mars, a Jupiter, a Vénusz és a Merkúr felfedezése elrepülő távolságból.
- Beállítászéró gravitáció mellett végzett tudományos és orvosi kísérletek.
És bár jelenleg más országok eredményei elhalványulnak a Szovjetunióhoz és az USA-hoz képest, Kína, India és Japán a 2000 utáni időszakban aktívan csatlakozott az űrkutatáshoz.
Az asztronautika eredményei azonban nem korlátozódnak a bolygó felső rétegeire és a magas tudományos elméletekre. Az egyszerű életre is nagy hatással volt. Az űrkutatás eredményeként ilyen dolgok kerültek az életünkbe: villámlás, tépőzár, teflon, műholdas kommunikáció, mechanikus manipulátorok, vezeték nélküli eszközök, napelemek, műszív és még sok más. És mindezt Ciolkovszkij sebességi képlete segítette elérni, amely segített leküzdeni a gravitációs vonzást, és hozzájárult a tudományban az űrgyakorlat megjelenéséhez.
A "kozmodinamika" kifejezés
Ciolkovszkij egyenlete képezte a kozmodinamika alapját. Ezt a kifejezést azonban részletesebben meg kell érteni. Főleg a jelentésükben hozzá közel álló fogalmak kérdésében: asztronautika, égi mechanika, csillagászat stb. A kozmonautikát görögül úgy fordítják: „úszás a világegyetemben”. A szokásos esetben ez a kifejezés minden olyan technikai képesség és tudományos vívmány tömegére vonatkozik, amelyek lehetővé teszik a tér és az égitestek tanulmányozását.
Az emberiség évszázadok óta álmodott az űrrepülésekről. És ezek az álmok valósággá váltak, az elmélettől a tudományig, és mindez a rakéta sebességére vonatkozó Ciolkovszkij-képletnek köszönhetően. Ennek a nagyszerű tudósnak a munkáiból tudjuk, hogy az asztronautika elmélete háromon állpillérek:
- Az űrhajók mozgását leíró elmélet.
- Elektro-rakétamotorok és gyártásuk.
- Csillagászati ismeretek és az Univerzum felfedezése.
Amint azt korábban megjegyeztük, sok más tudományos és műszaki tudományág is megjelent az űrkorszakban, mint például: űrhajóvezérlő rendszerek, kommunikációs és adatátviteli rendszerek az űrben, űrnavigáció, űrgyógyászat és még sok más. Érdemes megjegyezni, hogy az asztronutika alapjainak megszületésekor még rádió sem volt, mint olyan. Az elektromágneses hullámok tanulmányozása és segítségükkel nagy távolságra történő információtovábbítás még csak most kezdődött. Ezért az elmélet megalapítói komolyan fontolgatták a fényjeleket - a Föld felé visszaverődő napsugarakat -, mint adatátviteli módot. Ma már elképzelhetetlen a kozmonautika az összes kapcsolódó alkalmazott tudomány nélkül. Azokban a távoli időkben számos tudós képzelőereje valóban elképesztő volt. A kommunikációs módszerek mellett olyan témákat is érintettek, mint a Ciolkovszkij-képlet egy többlépcsős rakétához.
Ki lehet emelni bármelyik tudományágat a főként a sokféleség közül? Ez a kozmikus testek mozgáselmélete. Ő a fő láncszem, amely nélkül az űrhajózás lehetetlen. Ezt a tudományterületet kozmodinamikának nevezik. Bár sok azonos elnevezése van: égi vagy űrballisztika, űrrepülés mechanika, alkalmazott égi mechanika, mesterséges égitestek mozgásának tudománya, ill.stb. Mindegyik ugyanarra a tanulmányi területre vonatkozik. Formálisan a kozmodinamika belép az égi mechanikába, és alkalmazza annak módszereit, de van egy rendkívül fontos különbség. Az égi mechanika csak a pályákat tanulmányozza, nincs más választása, de a kozmodinamika célja, hogy meghatározza az optimális pályákat bizonyos égitestek űrhajók általi elérésére. És a Ciolkovszkij-egyenlet a sugárhajtásra lehetővé teszi a hajók számára, hogy pontosan meghatározzák, hogyan befolyásolhatják a repülési útvonalat.
A kozmodinamika mint tudomány
Amióta K. E. Ciolkovszkij levezette a képletet, az égitestek mozgásának tudománya szilárdan kozmodinamikai formát öltött. Lehetővé teszi az űrhajók számára, hogy módszereket alkalmazzanak a különböző pályák közötti optimális átmenet megtalálására, amit orbitális manőverezésnek neveznek, és ez az űrbeli mozgáselmélet alapja, ahogy az aerodinamika a légköri repülés alapja. Azonban nem ez az egyetlen tudomány, amely ezzel a kérdéssel foglalkozik. Ezen kívül van még rakétadinamika is. Mindkét tudomány szilárd alapot képez a modern űrtechnológia számára, és mindkettő az égi mechanika szekciójába tartozik.
A kozmodinamika két fő részből áll:
- Egy tárgy tehetetlenségi középpontjának (tömeg) térbeli mozgásának elmélete, vagy a pályák elmélete.
- A kozmikus test tehetetlenségi középpontjához viszonyított mozgásának elmélete, vagy a forgáselmélet.
Ahhoz, hogy kitaláljuk, mi a Ciolkovszkij-egyenlet, jól ismernie kell a mechanikát, vagyis a Newton-törvényeket.
Newton első törvénye
Bármely test egyenletesen és egyenes vonalúan mozog, vagy nyugalomban van, amíg külső erők rá nem kényszerítik ezen állapot megváltoztatására. Más szóval, az ilyen mozgás sebességvektora állandó marad. A testek ilyen viselkedését tehetetlenségi mozgásnak is nevezik.
Bármilyen más eset, amikor a sebességvektor változása következik be, azt jelenti, hogy a testnek van gyorsulása. Érdekes példa ebben az esetben egy anyagi pont körben vagy bármely pályán lévő műhold mozgása. Ebben az esetben egyenletes mozgás van, de nem egyenes vonalú, mert a sebességvektor folyamatosan változtatja az irányt, ami azt jelenti, hogy a gyorsulás nem egyenlő nullával. Ez a sebességváltozás a v2 / r képlettel számítható ki, ahol v az állandó sebesség és r a pálya sugara. Ebben a példában a gyorsulás a test röppályájának bármely pontján a kör középpontjára irányul.
A törvény definíciója alapján csak az erő okozhat irányváltozást egy anyagi pont irányában. Szerepében (egy műhold esetében) a bolygó gravitációja áll. A bolygók és csillagok vonzása, amint azt könnyen kitalálhatja, nagy jelentőséggel bír általában a kozmodinamikában, és különösen a Ciolkovszkij-egyenlet alkalmazásakor.
Newton második törvénye
A gyorsulás egyenesen arányos az erővel és fordítottan arányos a testtömeggel. Vagy matematikai formában: a=F / m, vagy gyakrabban - F=ma, ahol m az arányossági tényező, amely a mértéket jelölia test tehetetlenségére.
Mivel minden rakétát egy változó tömegű test mozgásaként ábrázolnak, a Ciolkovszkij-egyenlet minden időegységben változik. A fenti példában a bolygó körül mozgó műhold m tömegének ismeretében könnyen megtudhatja, hogy mekkora erővel forog a pályán, nevezetesen: F=mv2/r. Nyilvánvaló, hogy ez az erő a bolygó közepe felé irányul.
Felmerül a kérdés: miért nem esik a műhold a bolygóra? Nem esik le, mivel a pályája nem metszi a bolygó felszínét, mert a természet nem kényszeríti az erő hatására mozgásra, mert csak a gyorsulásvektor irányul rá, a sebesség nem.
Azt is meg kell jegyezni, hogy olyan körülmények között, ahol a testre ható erő és tömege ismert, meg lehet tudni a test gyorsulását. És eszerint a matematikai módszerek határozzák meg azt az utat, amelyen ez a test mozog. Itt két fő problémához érkezünk, amelyekkel a kozmodinamika foglalkozik:
- Az űrhajó mozgásának manipulálására használható erők feltárása.
- Határozza meg ennek a hajónak a mozgását, ha ismertek a rá ható erők.
A második probléma az égi mechanika klasszikus kérdése, míg az első a kozmodinamika kivételes szerepét mutatja be. Ezért a fizika ezen a területén a Ciolkovszkij-féle sugárhajtási képlet mellett rendkívül fontos a newtoni mechanika megértése is.
Newton harmadik törvénye
A testre ható erő oka mindig egy másik test. De igazaz ellenkezőjét is. Ez a lényege Newton harmadik törvényének, amely kimondja, hogy minden cselekvéshez tartozik egy nagyságrendű, de ellentétes irányú cselekvés, ezt nevezzük reakciónak. Más szóval, ha A test F erővel hat B testre, akkor B test -F erővel hat az A testre.
A műholddal és egy bolygóval kapcsolatos példában Newton harmadik törvénye elvezet bennünket ahhoz a megértéshez, hogy milyen erővel vonzza a bolygó a műholdat, ugyanaz a műhold vonzza a bolygót is. Ez a vonzó erő felelős a műhold gyorsulásáért. De gyorsulást is ad a bolygónak, de a tömege akkora, hogy ez a sebességváltozás elhanyagolható számára.
Ciolkovszkij sugárhajtási képlete teljes mértékben Newton utolsó törvényének megértésén alapul. Hiszen pontosan a kilökött gáztömegnek köszönhető, hogy a rakéta fő teste felgyorsul, ami lehetővé teszi, hogy a megfelelő irányba mozogjon.
Egy kicsit a referenciarendszerekről
Amikor bármilyen fizikai jelenséget vizsgálunk, nehéz nem érinteni egy ilyen témát referenciakeretként. Az űrhajó mozgása, mint bármely más test az űrben, különböző koordinátákban rögzíthető. Nincsenek rossz referenciarendszerek, csak kényelmesebbek és kevesebbek. Például a testek mozgása a Naprendszerben leginkább egy heliocentrikus vonatkoztatási rendszerben írható le, vagyis a Naphoz kapcsolódó koordinátákban, más néven kopernikuszi keretben. A Hold mozgását azonban ebben a rendszerben kevésbé kényelmes figyelembe venni, ezért geocentrikus koordinátákban tanulmányozzák - a számlálás relatívFöld, ezt Ptolemaioszi rendszernek hívják. De ha az a kérdés, hogy egy közelben repülő aszteroida eltalálja-e a Holdat, akkor kényelmesebb lesz ismét heliocentrikus koordinátákat használni. Fontos, hogy minden koordináta-rendszert használjunk, és a problémát különböző nézőpontokból tudjuk szemlélni.
Rakétamozgás
A világűrben való utazás fő és egyetlen módja a rakéta. Ezt az elvet először 1903-ban fejezték ki a Habr honlapja szerint a Ciolkovszkij-formula. Azóta az asztronautika mérnökök több tucat típusú rakétahajtóművet találtak fel sokféle energia felhasználásával, de mindegyiket egyetlen működési elv egyesíti: a tömeg egy részét kilökik a munkafolyadék tartalékaiból, hogy gyorsulást érjenek el. A folyamat eredményeként létrejövő erőt vonóerőnek nevezzük. Íme néhány következtetés, amelyek segítségével eljuthatunk a Ciolkovszkij-egyenlethez és annak fő alakjának levezetéséhez.
Nyilvánvalóan a vonóerő növekedni fog attól függően, hogy a rakétából egységnyi idő alatt kilökött tömeg mekkora mennyiséget és milyen sebességet tud jelezni. Így az F=wq összefüggést kapjuk, ahol F a vonóerő, w a dobott tömeg sebessége (m/s), q pedig az egységnyi idő alatt elfogyasztott tömeg (kg/s). Külön érdemes megjegyezni a kifejezetten magához a rakétához kapcsolódó referenciarendszer fontosságát. Egyébként lehetetlen jellemezni egy rakétahajtómű tolóerejét, ha mindent a Földhöz vagy más testekhez viszonyítva mérünk.
Kutatások és kísérletek kimutatták, hogy az F=wq arány csak olyan esetekben marad érvényben, amikor a kilökött tömeg folyékony vagy szilárd anyag. De a rakéták forró gázsugarat használnak. Ezért számos korrekciót kell bevinni az arányba, majd az Sarány további tagját kapjuk (pr - pa), amely hozzáadódik az eredeti wq -hoz. Itt pr a gáz által a fúvóka kimeneténél kifejtett nyomás; pa a légköri nyomás, S pedig a fúvóka területe. Így a finomított képlet így nézne ki:
F=wq + Spr - Spa.
Ahol látható, hogy ahogy a rakéta emelkedik, a légköri nyomás csökken, és a tolóerő nő. A fizikusok azonban szeretik a kényelmes képleteket. Ezért az eredeti formájához hasonló képletet gyakran használnak F=weq, ahol we az effektív tömegkiáramlási sebesség. Kísérletileg határozzák meg a meghajtórendszer tesztelése során, és numerikusan egyenlő a w + (Spr - Spa) / q.
Vegyünk egy fogalmat, amely megegyezik a we - specifikus tolóerő impulzussal. A konkrét azt jelenti, hogy valamire vonatkozik. Ebben az esetben a Föld gravitációjára vonatkozik. Ehhez a fenti képletben a jobb old alt megszorozzuk és elosztjuk g-vel (9,81 m/s2):
F=weq=(we / g)qg vagy F=I ud qg
Ez az érték Isp Ns/kg-ban vagy bármi másban mérhetőazonos m/s. Más szavakkal, a fajlagos tolóerő-impulzus mértékegysége a sebesség.
Ciolkovszkij képlete
Amint azt könnyen kitalálhatod, a motor tolóerőn kívül sok más erő is hat a rakétára: a Föld vonzása, a Naprendszer egyéb objektumainak gravitációja, légköri ellenállás, fénynyomás, stb. Ezen erők mindegyike megadja a saját gyorsulását a rakétának, és az akcióból származó összesség befolyásolja a végső gyorsulást. Ezért célszerű bevezetni a sugárgyorsulás vagy ar=Ft / M fogalmát, ahol M a rakéta tömege egy adott helyen. időtartam. A sugárgyorsulás az a gyorsulás, amellyel a rakéta mozogna külső erők nélkül. Nyilvánvaló, hogy a tömeg elhasználódásával a gyorsulás növekszik. Ezért van egy másik kényelmes jellemző is: a kezdeti sugárgyorsulás ar0=FtM0, ahol M 0 a rakéta tömege a mozgás kezdetén.
Logikus lenne megkérdezni, hogy egy rakéta mekkora sebességet képes kifejleszteni ilyen üres térben, miután elhasznált a működő test tömegéből. Változzon a rakéta tömege m0-ról m1-ra. Ekkor a rakéta sebességét az egyenletes tömegfogyasztás után m1 kg értékig a következő képlet határozza meg:
V=wln(m0 / m1)
Ez nem más, mint a változó tömegű testek mozgásának képlete vagy a Ciolkovszkij-egyenlet. Ez jellemzi a rakéta energiaforrását. Az ezzel a képlettel kapott sebességet pedig ideálisnak nevezzük. Lehet írniez a képlet egy másik azonos változatban:
V=Iudln(m0 / m1)
Érdemes megjegyezni a Ciolkovszkij-képlet használatát az üzemanyag kiszámításához. Pontosabban a hordozórakéta tömege, amelyre szükség lesz ahhoz, hogy bizonyos súlyt a Föld pályájára hozzon.
Végül el kell mondani egy olyan nagyszerű tudósról, mint Mescserszkij. Ciolkovszkijjal együtt ők az űrhajózás ősei. Meshchersky nagyban hozzájárult a változó tömegű tárgyak mozgáselméletének megalkotásához. Konkrétan Mescserszkij és Ciolkovszkij képlete a következő:
m(dv / dt) + u(dm / dt)=0, ahol v az anyagi pont sebessége, u a kidobott tömeg sebessége a rakétához viszonyítva. Ezt az összefüggést Mescserszkij-differenciálegyenletnek is nevezik, majd a Ciolkovszkij-képletet kapjuk belőle, mint egy anyagi pont konkrét megoldását.
