Kozmonautika redovito postiže zadivljujući uspjeh. Umjetni sateliti Zemlje stalno pronalaze sve raznolikije primjene. Biti astronaut u orbiti blizu Zemlje postalo je uobičajeno. To bi bilo nemoguće bez glavne formule astronautike - jednadžbe Tsiolkovsky.
U naše vrijeme nastavlja se proučavanje planeta i drugih tijela našeg Sunčevog sustava (Venera, Mars, Jupiter, Uran, Zemlja, itd.) i udaljenih objekata (asteroida, drugih sustava i galaksija). Zaključci o karakteristikama kozmičkog kretanja tijela Ciolkovskog postavili su temelje za teorijske temelje astronautike, što je dovelo do izuma desetaka modela električnih mlaznih motora i iznimno zanimljivih mehanizama, na primjer, solarnog jedra.
Glavni problemi istraživanja svemira
Tri područja istraživanja i razvoja u znanosti i tehnologiji jasno su identificirana kao problemi istraživanja svemira:
- Let oko Zemlje ili konstruiranje umjetnih satelita.
- Mjesečevi letovi.
- Planetarni letovi i letovi do objekata Sunčevog sustava.
Tsiolkovskyjeva jednadžba za mlazni pogon pridonijela je činjenici da je čovječanstvo postiglo nevjerojatne rezultate u svakom od ovih područja. Također, pojavile su se mnoge nove primijenjene znanosti: svemirska medicina i biologija, sustavi za održavanje života na letjelici, svemirske komunikacije, itd.
Postignuća u astronautici
Većina ljudi danas je čula za velika postignuća: prvo slijetanje na Mjesec (SAD), prvi satelit (SSSR) i slično. Osim najpoznatijih ostvarenja za koja svi čuju, tu su i mnoga druga. Konkretno, SSSR pripada:
- prva orbitalna stanica;
- prvi prelet Mjeseca i fotografije daleke strane;
- prvo slijetanje na Mjesec automatizirane stanice;
- prvi letovi vozila na druge planete;
- prvo slijetanje na Veneru i Mars, itd.
Mnogi ljudi uopće ne shvaćaju koliko su velika dostignuća SSSR-a na polju kozmonautike. Ako ništa drugo, bili su znatno više od samo prvog satelita.
Ali Sjedinjene Države nisu dale manji doprinos razvoju astronautike. U SAD-u održano:
- Svi veliki napredak u korištenju Zemljine orbite (sateliti i satelitske komunikacije) u znanstvene svrhe i primjene.
- Mnoge misije na Mjesec, istraživanje Marsa, Jupitera, Venere i Merkura iz daljine.
- Setznanstveni i medicinski eksperimenti provedeni u nultoj gravitaciji.
I iako u ovom trenutku postignuća drugih zemalja blijeda u odnosu na SSSR i SAD, Kina, Indija i Japan aktivno su se uključili u istraživanje svemira u razdoblju nakon 2000.
Međutim, dostignuća astronautike nisu ograničena na gornje slojeve planeta i visoke znanstvene teorije. Imala je velik utjecaj i na jednostavan život. Kao rezultat istraživanja svemira, takve su stvari ušle u naše živote: munje, čičak, teflon, satelitske komunikacije, mehanički manipulatori, bežični alati, solarni paneli, umjetno srce i još mnogo toga. I upravo je Tsiolkovskyjeva formula brzine, koja je pomogla prevladati gravitacijsko privlačenje i pridonijela nastanku svemirske prakse u znanosti, bila ta koja je pomogla postići sve to.
Izraz "kozmodinamika"
Ciolkovskyjeva jednadžba činila je osnovu kozmodinamike. Međutim, ovaj pojam treba detaljnije razumjeti. Pogotovo što se tiče pojmova koji su joj bliski po značenju: astronautika, nebeska mehanika, astronomija itd. Kozmonautika se s grčkog prevodi kao "plivanje u svemiru". U uobičajenom slučaju, ovaj izraz se odnosi na masu svih tehničkih mogućnosti i znanstvenih dostignuća koja omogućuju proučavanje svemira i nebeskih tijela.
Svemirski letovi ono su o čemu je čovječanstvo sanjalo stoljećima. I ti su se snovi pretvorili u stvarnost, od teorije do znanosti, a sve zahvaljujući Tsiolkovsky formuli za brzinu rakete. Iz radova ovog velikog znanstvenika znamo da teorija astronautike stoji na tristupovi:
- Teorija koja opisuje kretanje svemirske letjelice.
- Elektroraketni motori i njihova proizvodnja.
- Astronomsko znanje i istraživanje svemira.
Kao što je već spomenuto, mnoge druge znanstvene i tehničke discipline pojavile su se u svemirskom dobu, kao što su: sustavi upravljanja letjelicama, sustavi komunikacije i prijenosa podataka u svemiru, svemirska navigacija, svemirska medicina i još mnogo toga. Vrijedi napomenuti da u vrijeme rođenja temelja astronautike nije postojao čak ni radio kao takav. Proučavanje elektromagnetskih valova i prijenosa informacija na velike udaljenosti uz njihovu pomoć tek je počelo. Stoga su utemeljitelji teorije ozbiljno razmatrali svjetlosne signale – sunčeve zrake reflektirane prema Zemlji – kao način prijenosa podataka. Danas je nemoguće zamisliti kozmonautiku bez svih srodnih primijenjenih znanosti. U tim dalekim vremenima, mašta brojnih znanstvenika bila je doista nevjerojatna. Osim komunikacijskih metoda, dotaknuli su se i tema poput formule Ciolkovskog za višestupanjsku raketu.
Može li se među svom raznolikošću neku disciplinu izdvojiti kao glavnu? To je teorija gibanja kozmičkih tijela. Ona je ta koja služi kao glavna karika, bez koje je astronautika nemoguća. Ovo područje znanosti naziva se kozmodinamika. Iako ima mnogo identičnih naziva: nebeska ili svemirska balistika, mehanika svemirskih letova, primijenjena nebeska mehanika, znanost o kretanju umjetnih nebeskih tijela iitd. Svi se odnose na isto polje studija. Formalno, kozmodinamika ulazi u nebesku mehaniku i koristi se svojim metodama, ali postoji iznimno važna razlika. Nebeska mehanika proučava samo orbite; nema izbora, ali kozmodinamika je dizajnirana da odredi optimalne putanje za dostizanje određenih nebeskih tijela letjelicama. A jednadžba Tsiolkovskyja za mlazni pogon omogućuje brodovima da točno odrede kako mogu utjecati na putanju leta.
Kozmodinamika kao znanost
Otkad je K. E. Tsiolkovsky izveo formulu, znanost o kretanju nebeskih tijela čvrsto se oblikovala kao kozmodinamika. Omogućuje svemirskim letjelicama korištenje metoda za pronalaženje optimalnog prijelaza između različitih orbita, što se naziva orbitalno manevriranje, i temelj je teorije kretanja u svemiru, kao što je aerodinamika osnova atmosferskog leta. Međutim, to nije jedina znanost koja se bavi ovom problematikom. Osim nje, tu je i raketna dinamika. Obje ove znanosti čine čvrst temelj za modernu svemirsku tehnologiju, a obje su uključene u odjeljak nebeske mehanike.
Kozmodinamika se sastoji od dva glavna odjeljka:
- Teorija kretanja središta inercije (mase) objekta u prostoru, ili teorija putanja.
- Teorija gibanja kozmičkog tijela u odnosu na njegovo središte inercije, ili teorija rotacije.
Da biste shvatili što je jednadžba Ciolkovskog, morate dobro razumjeti mehaniku, odnosno Newtonove zakone.
Newtonov prvi zakon
Svako tijelo giba se jednoliko i pravocrtno ili miruje sve dok ga vanjske sile primijenjene na njega ne prisile da promijeni ovo stanje. Drugim riječima, vektor brzine takvog gibanja ostaje konstantan. Ovo ponašanje tijela naziva se i inercijalno gibanje.
Svaki drugi slučaj u kojem se dogodi bilo kakva promjena vektora brzine znači da tijelo ima ubrzanje. Zanimljiv primjer u ovom slučaju je kretanje materijalne točke u krugu ili bilo kojeg satelita u orbiti. U ovom slučaju postoji jednoliko gibanje, ali ne pravolinijsko, jer vektor brzine stalno mijenja smjer, što znači da akceleracija nije jednaka nuli. Ova promjena brzine može se izračunati pomoću formule v2 / r, gdje je v konstantna brzina, a r polumjer orbite. Ubrzanje u ovom primjeru bit će usmjereno na središte kružnice u bilo kojoj točki putanje tijela.
Na temelju definicije zakona, samo sila može uzrokovati promjenu smjera materijalne točke. U njegovoj je ulozi (za slučaj sa satelitom) gravitacija planeta. Privlačenje planeta i zvijezda, kao što možete lako pretpostaviti, od velike je važnosti u kozmodinamici općenito, a posebno kada se koristi jednadžba Tsiolkovsky.
Newtonov drugi zakon
Ubrzanje je izravno proporcionalno sili i obrnuto proporcionalno tjelesnoj masi. Ili u matematičkom obliku: a=F / m, ili češće - F=ma, gdje je m faktor proporcionalnosti, koji predstavlja mjeruza inerciju tijela.
Budući da je svaka raketa predstavljena kao kretanje tijela s promjenjivom masom, jednadžba Tsiolkovskyja će se promijeniti u svakoj jedinici vremena. U gornjem primjeru satelita koji se kreće oko planeta, znajući njegovu masu m, lako možete saznati silu pod kojom se rotira u orbiti, naime: F=mv2/r. Očito će ova sila biti usmjerena prema središtu planeta.
Postavlja se pitanje: zašto satelit ne pada na planet? Ne pada, budući da se njegova putanja ne siječe s površinom planeta, jer ga priroda ne tjera da se kreće uz djelovanje sile, jer mu je suusmjeren samo vektor ubrzanja, a ne i brzina.
Također treba napomenuti da je u uvjetima u kojima je poznata sila koja djeluje na tijelo i njegova masa moguće saznati akceleraciju tijela. I prema njoj matematičke metode određuju put kojim se ovo tijelo kreće. Ovdje dolazimo do dva glavna problema s kojima se kozmodinamika bavi:
- Otkrivajuće sile koje se mogu koristiti za manipuliranje kretanjem svemirskog broda.
- Odredite kretanje ovog broda ako su poznate sile koje na njega djeluju.
Drugi problem je klasično pitanje za nebesku mehaniku, dok prvi pokazuje iznimnu ulogu kozmodinamike. Stoga je u ovom području fizike, pored formule Ciolkovskog za mlazni pogon, iznimno važno razumjeti Newtonovu mehaniku.
Newtonov treći zakon
Uzrok sile koja djeluje na tijelo je uvijek drugo tijelo. Ali istinitotakođer suprotno. To je bit trećeg Newtonova zakona, koji kaže da za svaku akciju postoji djelovanje jednake veličine, ali suprotnog smjera, koje se zove reakcija. Drugim riječima, ako tijelo A djeluje silom F na tijelo B, onda tijelo B djeluje na tijelo A silom -F.
U primjeru sa satelitom i planetom, Newtonov treći zakon nas dovodi do shvaćanja da kojom silom planet privlači satelit, isti satelit privlači planet. Ova privlačna sila odgovorna je za davanje ubrzanja satelitu. Ali to također daje ubrzanje planetu, ali njegova je masa toliko velika da je ta promjena brzine za njega zanemariva.
Ciolkovskyjeva formula za mlazni pogon u potpunosti se temelji na razumijevanju posljednjeg Newtonovog zakona. Uostalom, upravo zbog izbačene mase plinova glavno tijelo rakete dobiva ubrzanje, što joj omogućuje kretanje u pravom smjeru.
Malo o referentnim sustavima
Kada se razmatraju bilo kakve fizičke pojave, teško je ne dotaknuti se takve teme kao referentnog okvira. Kretanje letjelice, kao i svakog drugog tijela u svemiru, može se fiksirati u različitim koordinatama. Ne postoje krivi referentni sustavi, postoje samo prikladniji i manje. Na primjer, kretanje tijela u Sunčevom sustavu najbolje je opisati u heliocentričnom referentnom okviru, odnosno u koordinatama povezanim sa Suncem, koji se također naziva Kopernikanov okvir. Međutim, kretanje Mjeseca u ovom sustavu je manje prikladno za razmatranje, pa se proučava u geocentričnim koordinatama - broj je u odnosu naZemlja, to se zove Ptolomejev sustav. Ali ako je pitanje hoće li asteroid koji leti u blizini pogoditi Mjesec, bit će prikladnije ponovno koristiti heliocentrične koordinate. Važno je biti u mogućnosti koristiti sve koordinatne sustave i biti u mogućnosti sagledati problem s različitih stajališta.
Pokret rakete
Glavni i jedini način putovanja u svemir je raketa. Prvi put je ovo načelo izraženo, prema web stranici Habr, formulom Tsiolkovsky 1903. godine. Od tada su astronautički inženjeri izumili desetke tipova raketnih motora koji koriste široku paletu vrsta energije, ali sve ih ujedinjuje jedno načelo rada: izbacivanje dijela mase iz rezervi radnog fluida kako bi se postiglo ubrzanje. Sila koja nastaje kao rezultat ovog procesa naziva se vučna sila. Evo nekoliko zaključaka koji će nam omogućiti da dođemo do jednadžbe Tsiolkovsky i izvođenja njenog glavnog oblika.
Očito će se vučna sila povećati ovisno o volumenu mase izbačene iz rakete u jedinici vremena i brzini koju ta masa uspije prijaviti. Tako se dobiva relacija F=wq, gdje je F vučna sila, w brzina bačene mase (m/s) i q potrošena masa u jedinici vremena (kg/s). Zasebno je vrijedno napomenuti važnost referentnog sustava povezanog posebno sa samom raketom. Inače je nemoguće okarakterizirati silu potiska raketnog motora ako se sve mjeri u odnosu na Zemlju ili druga tijela.
Istraživanja i eksperimenti su pokazali da omjer F=wq ostaje važeći samo za slučajeve u kojima je izbačena masa tekućina ili krutina. Ali rakete koriste mlaz vrućeg plina. Stoga se u omjer mora unijeti niz korekcija, a zatim dobivamo dodatni član omjera S(pr - pa), koji se dodaje izvornom wq. Ovdje je pr pritisak koji vrši plin na izlazu mlaznice; pa je atmosferski tlak, a S je područje mlaznice. Dakle, pročišćena formula bi izgledala ovako:
F=wq + Spr - Spa.
Tamo gdje možete vidjeti da kako se raketa penje, atmosferski tlak će postati manji, a sila potiska će se povećati. Međutim, fizičari vole prikladne formule. Stoga se formula slična svom izvornom obliku često koristi F=weq, gdje je we efektivna brzina protoka mase. Određuje se eksperimentalno tijekom ispitivanja pogonskog sustava i numerički je jednak izrazu w + (Spr - Spa) / q.
Razmotrimo koncept koji je identičan we - specifični impuls potiska. Specifičan znači koji se odnosi na nešto. U ovom slučaju, radi se o gravitaciji Zemlje. Da biste to učinili, u gornjoj formuli, desna strana se množi i dijeli s g (9,81 m/s2):
F=weq=(we / g)qg ili F=I ud qg
Ova vrijednost se mjeri Isp u Ns/kg ili kako godisti m/s. Drugim riječima, specifični impuls potiska mjeri se u jedinicama brzine.
formula Ciolkovskog
Kao što lako možete pretpostaviti, osim potiska motora, na raketu djeluju i mnoge druge sile: privlačenje Zemlje, gravitacija drugih objekata u Sunčevom sustavu, atmosferski otpor, svjetlosni tlak, itd. Svaka od tih sila daje vlastito ubrzanje raketi, a ukupna iz djelovanja utječe na konačno ubrzanje. Stoga je prikladno uvesti koncept ubrzanja mlaza ili ar=Ft / M, gdje je M masa rakete u određenom razdoblje. Ubrzanje mlaza je akceleracija kojom bi se raketa kretala u nedostatku vanjskih sila koje na nju djeluju. Očito, kako se masa troši, ubrzanje će se povećati. Stoga postoji još jedna zgodna karakteristika - početno ubrzanje mlaza ar0=FtM0, gdje je M 0 je masa rakete na početku kretanja.
Bilo bi logično zapitati se koju je brzinu raketa sposobna razviti u tako praznom prostoru nakon što potroši dio mase radnog tijela. Neka se masa rakete promijeni od m0 na m1. Tada će se brzina rakete nakon ravnomjerne potrošnje mase do vrijednosti m1 kg odrediti po formuli:
V=wln(m0 / m1)
Ovo nije ništa drugo nego formula za gibanje tijela s promjenjivom masom ili jednadžba Tsiolkovskyja. Karakterizira energetski resurs rakete. A brzina dobivena ovom formulom naziva se idealnom. Može se napisatiova formula u drugoj identičnoj verziji:
V=Iudln(m0 / m1)
Vrijedi napomenuti korištenje formule Tsiolkovsky za izračunavanje goriva. Točnije, masa lansirnog vozila, koja će biti potrebna da dovede određenu težinu u Zemljinu orbitu.
Na kraju treba reći o tako velikom znanstveniku kao što je Meshchersky. Zajedno s Ciolkovskim oni su preci astronautike. Meshchersky je dao ogroman doprinos stvaranju teorije gibanja objekata promjenjive mase. Konkretno, formula Meščerskog i Ciolkovskog je sljedeća:
m(dv / dt) + u(dm / dt)=0, gdje je v brzina materijalne točke, u je brzina bačene mase u odnosu na raketu. Ova se relacija također naziva diferencijalna jednadžba Meščerskog, a onda se iz nje dobiva formula Ciolkovskog kao posebno rješenje za materijalnu točku.
