Kosmoso tyrinėjimai ateityje. Kosminio skrydžio teorija

Žmonija visada svajojo keliauti į kosmosą. Rašytojai – mokslinės fantastikos rašytojai, mokslininkai, svajotojai – siūlė įvairias priemones šiam tikslui pasiekti. Tačiau daugelį amžių ne vienas mokslininkas ar mokslinės fantastikos rašytojas sugebėjo išrasti vienintelę žmogaus žinioje esančią priemonę, kuria būtų galima įveikti gravitacijos jėgą ir skristi į kosmosą. Pavyzdžiui, prancūzų rašytojo Cyrano de Bergerac apsakymo, parašyto XVII amžiuje, herojus Mėnulį pasiekė užmetęs stiprų magnetą virš geležinio vežimo, kuriame jis buvo. Karieta kilo vis aukščiau virš Žemės, traukė magnetą, kol pasiekė Mėnulį, baronas Miunhauzenas sakė, kad į Mėnulį pakilo pupelės stiebeliu.

Pirmą kartą daugelio žmonių svajones ir siekius prie realybės priartino rusų mokslininkas Konstantinas Eduardovičius Ciolkovskis (1857-1935), įrodęs, kad vienintelis įrenginys, galintis įveikti gravitaciją, yra raketa, jis pirmą kartą pristatė. moksliniai įrodymai apie galimybę panaudoti raketą skrydžiams į kosmosą, už Žemės atmosferos ribų ir į kitas Saulės sistemos planetas. Tsoilkovskis raketą pavadino prietaisu su reaktyviniu varikliu, kuris naudoja kurą ir oksidatorių.

Reaktyvinis variklis yra variklis, galintis paversti cheminę kuro energiją į dujų srovės kinetinę energiją ir taip įgyti greitį priešinga kryptimi.

Kokiais principais ir fiziniais dėsniais pagrįstas reaktyvinio variklio veikimas?

Kaip žinote iš fizikos kurso, šūvį iš ginklo lydi atatranka. Pagal Niutono dėsnius, kulka ir pistoletas skristų skirtingomis kryptimis tuo pačiu greičiu, jei jų masė būtų vienoda. Išstumiama dujų masė sukuria reaktyviąją jėgą, kurios dėka galima užtikrinti judėjimą tiek ore, tiek beorėje erdvėje ir taip atsiranda atatranka. Kuo didesnę atatrankos jėgą jaučia mūsų petys, tuo didesnė išeinančių dujų masė ir greitis, taigi, kuo stipresnė ginklo reakcija, tuo didesnė reaktyvioji jėga. Šie reiškiniai paaiškinami impulso išsaugojimo dėsniu:

• kūnų, sudarančių uždarą sistemą, impulsų vektorinė (geometrinė) suma išlieka pastovi bet kokiems sistemos kūnų judesiams ir sąveikoms.

Didžiausias greitis, kurį gali išvystyti raketa, apskaičiuojamas pagal Ciolkovskio formulę:

, Kur

v max – maksimalus raketos greitis,

v 0 – pradinis greitis,

v r – dujų srauto iš purkštuko greitis,

m – pradinė kuro masė,

M yra tuščios raketos masė.

Pateikta Ciolkovskio formulė yra pagrindas, kuriuo grindžiamas visas šiuolaikinių raketų skaičiavimas. Ciolkovskio skaičius yra kuro masės ir raketos masės santykis variklio veikimo pabaigoje - tuščios raketos svoriui.

Taigi, mes nustatėme, kad didžiausias pasiekiamas raketos greitis pirmiausia priklauso nuo dujų srauto iš purkštuko greičio. O purkštukų dujų srautas savo ruožtu priklauso nuo kuro rūšies ir dujų srovės temperatūros. Tai reiškia, kad kuo aukštesnė temperatūra, tuo didesnis greitis. Tada tikrai raketai reikia pasirinkti kaloringiausią kurą, kuris gamina daugiausiai šilumos. Formulė rodo, kad, be kita ko, raketos greitis priklauso nuo pradinės ir galutinės raketos masės, nuo to, kokia jos svorio dalis yra kuras, o kuri – nenaudinga (skrydžio greičio požiūriu). struktūros: korpusas, mechanizmai ir kt. d.

Pagrindinė šios Tsiolkovskio formulės išvada, skirta kosminės raketos greičiui nustatyti, yra ta, kad beorėje erdvėje raketa vystysis tuo didesniu greičiu, tuo didesnis dujų nutekėjimo greitis ir tuo didesnis Ciolkovskio skaičius.

Balistinės raketos įtaisas.

Įsivaizduokime bendrais bruožais modernią itin ilgo nuotolio raketą.

Tokia raketa turi būti kelių lygių. Kovinis užtaisas yra jo galvoje, o už jo yra valdymo įtaisai, tankai ir variklis. Raketos paleidimo svoris viršija naudingosios apkrovos svorį 100-200 kartų, priklausomai nuo kuro! Taigi tikra raketa turėtų sverti kelis šimtus tonų, o jos ilgis siekti bent dešimties aukštų pastato aukštį. Raketos konstrukcijai keliami keli reikalavimai. Taigi, pavyzdžiui, būtina, kad traukos jėga eitų per raketos svorio centrą. Jei nesilaikoma nurodytų sąlygų, raketa gali nukrypti nuo numatyto kurso ar net pradėti suktis.

1 pav. Vidinė raketos struktūra.

Galite atkurti teisingą kursą naudodami vairus. Retesniame ore veikia dujų vairai, nukreipiantys dujų srovės kryptį, kaip pasiūlė Ciolkovskis. Aerodinaminiai vairai veikia, kai raketa skrenda tankiame ore.

Šiuolaikinės balistinės raketos daugiausia veikia varikliuose, naudojantys skystąjį kurą. Kaip kuras dažniausiai naudojamas žibalas, alkoholis, hidrazinas, anilinas, o oksidatoriai – azoto ir perchloro rūgštys, skystas deguonis ir vandenilio peroksidas. Aktyviausi oksidatoriai yra fluoras ir skystas ozonas, tačiau jie retai naudojami dėl didelio sprogumo.

Variklis yra svarbiausias raketos elementas. Svarbiausias variklio elementas yra degimo kamera ir antgalis. Degimo kamerose dėl to, kad kuro degimo temperatūra siekia 2500-3500 APIE C, turi būti naudojamos ypač karščiui atsparios medžiagos ir sudėtingi aušinimo metodai. Įprastos medžiagos negali atlaikyti tokios temperatūros.

Likę vienetai taip pat yra labai sudėtingi. Pavyzdžiui, siurbliai, kurie turi tiekti oksidatorių ir kurą į degimo kameros purkštukus, jau esantys V-2 raketoje, vieni pirmųjų, per sekundę galėjo siurbti 125 kg degalų.

Kai kuriais atvejais vietoj įprastų balionų naudojami balionai su suslėgtu oru ar kitomis dujomis, kurios gali išstumti kurą iš bakų ir varyti į degimo kamerą.

Dujiniai vairai turi būti gaminami iš grafito arba keramikos, todėl yra labai trapūs ir trapūs, todėl šiuolaikiniai dizaineriai pradeda atsisakyti dujinių vairų naudojimo, pakeičiant juos keliais papildomais purkštukais arba sukant svarbiausią antgalį. Išties skrydžio pradžioje, esant dideliam oro tankiui, raketos greitis mažas, todėl vairai valdomi prastai, o ten, kur raketa įgauna didelį greitį, oro tankis mažas.

Amerikietiškoje raketoje, pagamintoje pagal „Avangard“ projektą, variklis pakabinamas ant vyrių ir gali būti nukreiptas 5–7 APIE. Kiekvienos sekančios pakopos galia ir jos veikimo laikas yra mažesnis, nes kiekviena raketos pakopa veikia visiškai skirtingomis sąlygomis, kurios lemia jos konstrukciją, todėl ir pačios raketos konstrukcija gali būti paprastesnė.

Balistinė raketa paleidžiama iš specialaus paleidimo įrenginio. Dažniausiai tai būna ažūrinis metalinis stiebas ar net bokštas, aplink kurį raketa gabalas po gabalo surenkama kranais. Tokio bokšto sekcijos yra priešais tikrinimo liukus, reikalingus įrangai tikrinti ir derinti. Pildant raketą, bokštelis tolsta.

Raketa paleidžiama vertikaliai, o paskui lėtai pradeda pasvirti ir netrukus apibūdina beveik griežtai elipsinę trajektoriją. Dauguma tokių raketų skrydžio trajektorijos yra daugiau nei 1000 km aukštyje virš Žemės, kur oro pasipriešinimo praktiškai nėra. Artėjant prie taikinio atmosfera pradeda smarkiai sulėtinti raketos judėjimą, tuo tarpu jos apvalkalas labai įkaista, o nesiėmus priemonių raketa gali subyrėti ir jos užtaisas sprogti per anksti.

Pateiktas tarpžemyninės balistinės raketos aprašymas yra pasenęs ir atitinka šeštojo dešimtmečio mokslo ir technologijų išsivystymo lygį, tačiau dėl ribotos prieigos prie šiuolaikinės mokslinės medžiagos neįmanoma tiksliai apibūdinti šiuolaikinės balistinės raketos veikimo. itin ilgo nuotolio tarpžemyninė balistinė raketa. Nepaisant to, darbe išryškėjo bendrosios visoms raketoms būdingos savybės. Darbas gali būti įdomus ir norint susipažinti su aprašytų raketų kūrimo ir naudojimo istorija.

Deryabin V. M. Fizikos išsaugojimo dėsniai. – M.: Išsilavinimas, 1982 m.

Gelfer Ya M. Apsaugos įstatymai. – M.: Nauka, 1967 m.

Kūnas K. Pasaulis be formų. – M.: Mir, 1976 m.

Vaikų enciklopedija. – M.: SSRS mokslų akademijos leidykla, 1959 m.

Vienas iš pirmojo palydovo kūrėjų kartą prisipažino, kad ne iš karto suprato, koks didelis poelgis buvo nuveiktas tada, 1957 m. O teisindamasis rėmėsi poetu V. Bryusovu, kuris teigė, kad „didžiuliai įvykiai tiesiogiai dalyvaujantiems yra beveik nepastebimi: kiekvienas prieš akis mato tik vieną detalę, visumos apimtis nepastebima žmonės kažkodėl nepastebi, kad žmonija įžengė į „stebuklų amžių“.

Dar tik įžengiame į ketvirtą kosmoso amžiaus dešimtmetį, bet jau gana įpratome prie tokių stebuklų kaip palydovinės ryšio ir orų stebėjimo sistemos, navigacija ir pagalba nelaimės ištiktiems sausumoje ir jūroje, apėmusių visą Žemę. Kaip kažkas visiškai įprasto, klausomės pranešimų apie ilgus mėnesius orbitoje dirbančių žmonių, mūsų nestebina pėdsakai Mėnulyje, tolimųjų planetų nuotraukos, darytos tuščiai, ar pirmą kartą erdvėlaivių parodytas kometos branduolys. .

Per labai trumpą istorinį laikotarpį astronautika tapo neatsiejama mūsų gyvenimo dalimi, ištikimu pagalbininku sprendžiant ekonominius reikalus ir pažįstant mus supantį pasaulį. Ir neabejotina, kad tolimesnė žemiškosios civilizacijos raida neapsieina be visos Žemės artimos erdvės plėtros.

Pavyzdžiui, daugelis mokslininkų išeitį iš artėjančios aplinkos krizės mato naudodami netoliese esančios erdvės išteklius. „Akivaizdu, kad kosmoso potencialas nėra panacėja nuo visų nelaimių“, – rašo žymus astronautikos srities ekspertas K. Erike. „Siūlomas kelias yra tiesiog viena iš efektyviausių galimybių mūsų arsenale garantuoti žmonijos, kaip šiuolaikinės visuomenės, išlikimą. Tai būtina ir siekiant nuolatinės mūsų visuomenės raidos, kartu išsaugant žemės gamtą, kuri yra unikali mus supančioje teritorijoje.

Kosmoso – šios „visos žmonijos provincijos“ – tyrinėjimai tęsiasi vis sparčiau. Žvelgdami atgal į tai, kas jau buvo pasiekta, galime pabandyti nustatyti apytiksles datas kitiems mūsų naujosios buveinės naudojimo etapams. Daug rizikingiau daryti ilgalaikes prognozes. Tačiau tokie bandymai taip pat žinomi. Fizinių ir matematikos mokslų daktaras JI. Pavyzdžiui, Leskovas žvelgia į visą tūkstantmetį.

Mokslininko teigimu, per metus, likusius iki kito šimtmečio, kosmose bus organizuojama pirmiausia bandomoji-pramoninė, o vėliau masinė patobulintų medžiagų gamyba. Praktiškai neribotos energijos galimybės kartu su giliu vakuumu ir nesvarumu yra tai, kas pramonininkus pirmiausia traukia į kosmosą. Tačiau unikalios technologinės sąlygos nėra vienintelė priežastis, dėl kurios siūloma perkelti daugybę įmonių, o gal ir ištisas pramonės šakas, pavyzdžiui, chemijos, metalurgijos, branduolinės...

Mūsų planeta jau taip užkimšta pramoninių atliekų, kad tolesnė jos plėtra gresia katastrofiškomis pasekmėmis visai biosferai. O Žemės žaliavų atsargos nėra tokios didelės, kad galėtume ramiai gyventi, nesijaudindami dėl ateities. Todėl vis daugiau ekspertų prieina prie išvados, kad plačiai paplitusi Žemės artimos erdvės industrializacija yra neišvengiama. Kosmoso mokslas ir technologijos tam ruošiasi toliau tirdami, kaip orbitoje vyksta įvairūs technologiniai procesai, ir kartu kurdami projektus jų aprūpinimui energija.

Prognozuodami astronautikos raidą tam pačiam laikotarpiui, kiti ekspertai atkreipia dėmesį į įvairias šio proceso kryptis. Pavyzdžiui, Tarptautinės astronautikos akademijos prezidentas J. Mulleris atkreipia dėmesį į artėjantį plačiai paplitusį palydovinio ryšio naudojimą teikiant išsamias informacijos paslaugas žmonėms visame pasaulyje. Prie jo prisijungia sovietinis akademikas V. Avdujevskis. „Kosmoso technologijų susiejimas su mikroelektronika, – pažymi jis, – leidžia kalbėti apie artimiausioje ateityje sukurtą pasaulinę komunikacijos sistemą su abonentais, kurie nėra „pririšti“ prie jokių antžeminių mazgų, tai yra, apie kūrimą Vieno informacinio lauko, kuriame kiekvienas gali prisijungti bet kuriuo metu ir bet kurioje pasaulio vietoje. Tai reiškia, kad milijonų ir milijonų žmonių gyvenimo būdas iš esmės pasikeis - nuo didžiausių pasaulyje knygų saugyklų kolekcijų, Ermitažo ir Luvro salių, kuriose galite „apsilankyti“ bet kurią akimirką, iki bet kurio viešo ar privataus susitikimo filmų ir muzikos bibliotekų, šūkis taps realybe: aukštasis mokslas kiekvienam norinčiam jį gauti, jau nekalbant apie galimybę gauti kokius nors orientacinius duomenis, surengti operatyvinį susirinkimą...“

Norint pereiti į kitą kosmoso tyrinėjimo etapą, L. Leskovo nuomone, reikės sukurti naujas, efektyvesnes transporto priemones: aviacijos erdvėlaivius, pilotuojamus ir automatinius erdvėlaivius, daugkartinio naudojimo raketas, tarporbitinius vilkikus, turinčius didelę keliamąją galią...

XXI amžiaus 20–50-aisiais orbitoje pasirodys milžiniški saulės šviesos atšvaitai ir saulės erdvės jėgainės, o po to ateis laikas pramoniniam Mėnulio vystymuisi. Tada mokslininkas veikia ne dešimtmečius, o šimtmečius. Tarp šių etapų yra išvardyti tokie etapai, kaip didelio masto struktūrų kūrimas erdvėje, nežemiškos medžiagos panaudojimas ją nugabenant į Žemę, Marso ir Veneros prigimties vystymasis ir transformacija.

Kas toliau? Ir svarbiausia, kas nutiks žmonėms, kurie amžiams išsiskyrė su savo planeta? Vienas iš pirmaujančių kosminės medicinos ir biologijos ekspertų, akademikas O. Gazenko, svarsto du erdvės įsikūrimo scenarijus: Saulės sistemoje ir už jos ribų.

Jei, mokslininko manymu, erdvėje įmanoma sukurti buveinę, kuri būtų kuo artimesnė Žemėje esančiam, „eterinių gyvenviečių“ nuolatinių gyventojų evoliucija, matyt, vyks taip pat, kaip ir Žemėje. Tiesa, yra tikimybė, kad, veikiant kosminiams spinduliams, žmonėms įvyks atsitiktiniai paveldimi pokyčiai, ir tolimesnė evoliucijos eiga taps nenuspėjama. Natūralu, kad tai gali atsitikti tik tuo atveju, jei iki to laiko nebus rasta patikimų apsaugos priemonių.

Mokslininkas pripažįsta ir tokį variantą, kai pagrindinis veiksnys, lemiantis ilgalaikę žmogaus evoliuciją, bus ne radiacija, o nesvarumas. Tada žmonės, palaipsniui prarasdami kai kurias gravitacijos jiems „primestas“ fiziologines savybes, taps kitokie – galbūt panašūs į „nekūniškus“ ispanų menininko El Greco paveikslų personažus.

Jei žmonija neapsiribos Saulės sistemos užkariavimu ir peržengs jos ribas, tai, akademiko nuomone, po šimtų kartų nesibaigiančiose Galaktikos platybėse atsidurs atskiros protingų būtybių kolonijos, kurios pastebimai skiriasi nuo jų. mus ir vienas nuo kito.

Bet ar žmogus prisitaikys prie tokių neįprastų gyvenimo sąlygų?

Ši knyga skirta jauniems žmonėms, „tiems, kurie skaitys, kad statytų“ - taip į savo skaitytojus kreipėsi Yu. Praeis metai, o tie, kurie dabar varto šiuos puslapius, pradės pildyti šiandienines svajones. Teisingai: „skaitykite, kad sukurtumėte“!

4 pamokos metodika
„Astronautikos pagrindai“

Pamokos tikslas: plėtoti žinias apie astronautikos teorinius ir praktinius pagrindus.

Mokymosi tikslai:

Bendrasis išsilavinimas: sąvokų formavimas:

Apie kosmoso tyrimo teorines ir praktines prielaidas, užduotis ir metodus;
- apie astronautikos ir astronomijos, fizikos ir kitų gamtos bei matematikos mokslų ir technologijų ryšį;
- apie astronautiką - erdvėlaivius;
- apie pagrindinius reaktyvinių raketų variklių tipus (kieto kuro raketų varikliai, skysto kuro varikliai, elektriniai varikliai, branduoliniai varikliai);
- apie erdvėlaivių judėjimo trajektorijas, greičius ir ypatybes, tarpplanetinės ir tarpžvaigždinės navigacijos ypatybes.

Edukacinis: mokinių mokslinės pasaulėžiūros formavimas jiems susipažįstant su žmogaus pažinimo istorija. Patriotinis ugdymas susipažįstant su išskirtiniu Rusijos mokslo ir technologijų vaidmeniu plėtojant astronautiką. Politechnikos išsilavinimas ir darbo švietimas pateikiant informaciją apie praktinį astronautikos pritaikymą.

Vystymasis: ugdomi įgūdžiai spręsti problemas naudojant kosminių kūnų judėjimo dėsnius, Ciolkovskio formules ir kosminius greičius, apibūdinančius erdvėlaivio judėjimą.

Studentai privalo žinoti:

Apie astronautiką (astronautikos tyrimo dalyką, uždavinį ir metodus, ryšį su kitais mokslais);
- apie astronautiką: pagrindiniai erdvėlaivių tipai, jų konstrukcija ir charakteristikos;
- apie pagrindinius raketų variklių tipus, jų sandarą ir charakteristikas
- Ciolkovskio formulė, I, II, III kosminių greičių formulės ir reikšmės (Žemei);
- apie erdvėlaivių skrydžio trajektorijas ir ryšį tarp jų orbitų formos ir judėjimo greičio.

Studentai privalo sugebėti: išspręskite Ciolkovskio formulės ir kosminių kūnų judėjimo dėsnių taikymo uždavinius erdvėlaivio judėjimo charakteristikoms apskaičiuoti.

Vaizdinės priemonės ir demonstracijos:

Filmo juostos: „Kosminių skrydžių mechanikos elementai“.
Filmai: „Dirbtiniai Žemės palydovai“; „Kosminiai skrydžiai“.
Lentelės: „Skrydžiai į kosmosą“; „Kosmoso tyrimai“.
Prietaisai ir įrankiai: palydovų judėjimo demonstravimo įtaisas.

Namų darbai:

1) Išstudijuokite vadovėlio medžiagą:
- B.A. Vorontsovas-Velyaminova: 14 straipsnio 4 dalis, 16 straipsnio 4 dalis.
- E.P. Levitanas: §§ 7-11 (kartojimas).
- A.V. Zasova, E.V. Kononovičius: § 11; 11 pratimai (3, 4)

2) Atlikite užduotis iš Vorontsovo-Velyaminovo B.A. problemų rinkinio. : 174; 179; 180; 186.

3) Pamokai „Kosmonautikos istorija“ ruošti pranešimus ir pranešimus.

Pamokos planas

Medžiagos pateikimo metodika

Šią pamoką geriausia vesti paskaitos forma, kurios metu sisteminami, apibendrinami ir plėtojamos studentų „ikimokslinės“ astronautikos žinios ir informacija apie astronautiką ir reaktyvinę jėgą, kurias jie mokėsi gamtos istorijos, gamtos istorijos kursuose. ir fizika per visą mokymosi laikotarpį, vykdoma. Vadovo autoriai siūlo apsiriboti klausimų apie dirbtinių palydovų orbitas ir greitį, erdvėlaivių skrydžius į Mėnulį ir paprasčiausias tarpplanetinių skrydžių trajektorijas analize. Manome, kad būtina šią medžiagą papildyti ir išplėsti, teorizuoti, kad mokymosi rezultate studentas įgytų holistinį supratimą apie astronautikos teorinius ir praktinius pagrindus. Medžiagos pristatymas turėtų būti grindžiamas anksčiau išstudijuota fizikos (klasikinės mechanikos pagrindai: Niutono dėsniai, gravitacijos dėsnis, impulso išsaugojimo dėsnis, reaktyvinės jėgos dėsnis) ir astronomijos (astrometrija ir dangaus mechanika: Keplerio dėsniai, informacija apie kosmosą) medžiaga. greičiai, kosminių kūnų orbitos ir trikdžiai). Patriotinis ugdymo aspektas realizuojamas sutelkiant studentų dėmesį į šalies mokslo ir technologijų pasiekimus, Rusijos mokslininkų indėlį į raketų mokslo ir astronautikos atsiradimą, formavimąsi ir plėtrą. Reikėtų vengti istorinių detalių ir išsaugoti ją vėlesnei pamokai.

Kosmonautika – skrydžiai kosmose; mokslo ir technologijų šakų visuma, užtikrinanti kosmoso ir kosminių objektų bei jų sistemų tyrinėjimą ir plėtrą naudojant įvairius erdvėlaivius (SCAV): raketas, dirbtinius Žemės palydovus (AES), automatines tarpplanetines stotis (AMS), erdvėlaivius (SC) , valdomas arba valdomas iš Žemės.

Teorinį astronautikos pagrindą sudaro:

1. Astronomija (astrometrija, dangaus mechanika ir astrofizika).

2. Skrydžių į kosmosą teorija – kosmodinamika – taikomoji dangaus mechanikos dalis, tiriant skrydžio trajektorijas, erdvėlaivių orbitos parametrus ir kt.

3. Raketas, teikiantis kosminių raketų, variklių, valdymo sistemų, ryšių ir informacijos perdavimo, mokslinės įrangos ir kt. kūrimo mokslinių ir techninių problemų sprendimus.

4. Kosmoso biologija ir medicina.

Pagrindinė ir iki šiol vienintelė transporto priemonė kosmose yra raketa. Raketos judėjimo dėsniai išvedami remiantis klasikinės mechanikos dėsniais: kinematika ir dinamika (II Niutono dėsnis, impulso tvermės dėsnis ir kt.).

K. E. Ciolkovskio formulė apibūdina raketos judėjimą kosminėje erdvėje neatsižvelgiant į išorinių sąlygų veikimą ir apibūdina raketos energijos išteklius:

, - Ciolkovskio numeris, Kur m 0 - inicialus, m k – galutinė raketos masė, w – išmestos masės greitis raketos atžvilgiu (reaktyvinio srauto greitis), g- laisvo kritimo pagreitis.

Ryžiai. 73

Nešančioji raketa (LV) yra daugiapakopė balistinė raketa, skirta naudingajam kroviniui paleisti į kosmosą (AES, AMS, erdvėlaiviai ir kt.). Paleidimo raketos paprastai yra 2-4 pakopų raketos, kurios suteikia pabėgimo greitį naudingajam kroviniui I - II (73 pav.).

Raketinis variklis (RM) yra reaktyvinis variklis, skirtas raketoms ir nenaudoja aplinkos. RD ne tik į variklį tiekiama energija (cheminė, saulės, branduolinė ir kt.) paverčiama variklio darbinio skysčio judėjimo kinetine energija, bet ir tiesiogiai sukuriama varomoji traukos jėga. iš variklio ištekančios darbinio skysčio srovės reakcijos forma. Taigi, RD yra tarsi paties variklio ir varymo įrenginio derinys.

Savitoji riedėjimo tako trauka nustatoma pagal formulę: .

Šiuo metu plačiai naudojami tik cheminiai XRD.

Kietojo kuro raketinis variklis (kietojo kuro raketinis variklis) buvo naudojamas maždaug 2000 metų – plačiai naudojamas raketų artilerijoje ir ribotai astronautikoje. Kietojo kuro raketų variklių traukos diapazonas svyruoja nuo gramų iki šimtų tonų (galingiems raketiniams varikliams). Kuras užpildų pavidalu (iš pradžių - juodi milteliai, nuo XIX a. pabaigos - be dūmų milteliai, nuo XX a. vidurio - specialios kompozicijos) visiškai dedamas į degimo kamerą. Užvedus, degimas paprastai tęsiasi tol, kol degalai visiškai sudegs, traukos pokytis nereguliuojamas. Jis yra paprasčiausias savo konstrukcija ir veikimu, tačiau turi nemažai trūkumų: maža specifinė trauka, vienas paleidimas ir kt. Jis montuojamas kai kuriose nešančiose raketose JAV (Scout, Thor, Titan), Prancūzijoje ir Japonijoje. Jis taip pat naudojamas kaip stabdymo, gelbėjimo, korekcinės ir kt. sistemos (74 pav.).

Skystas raketinis variklis (LPRE) yra raketinis variklis, varomas skystu raketiniu kuru. K. E. Ciolkovskio pasiūlymas 1903 m. Pagrindinis šiuolaikinių kosminių technologijų variklis. Trauka nuo gramo dalių iki šimtų tonų. Pagal paskirtį skysto kuro varikliai skirstomi į pagrindinius (varomuosius), stabdomuosius, korekcinius ir kt. Kaip kuras naudojami: oksidatoriai – skystas deguonis, azoto tetroksidas, vandenilio peroksidas; degiosios medžiagos - žibalas, hidrazinas, skystas amoniakas, skystas vandenilis. Perspektyviausias skysto vandenilio ir deguonies derinys (LV Energia) (75 pav.).

Norint padidinti savitąją trauką, perspektyvus yra branduolinės energijos naudojimas. Branduolinių raketų variklių eksperimentiniai pavyzdžiai ( KIEMAS) buvo kuriami nuo septintojo dešimtmečio vidurio SSRS ir JAV. Šiuo metu Rusija yra vienintelė valstybė, turinti sustainer branduolinį raketų paleidimo įrenginį (76 pav.).

Vystymasis tęsiasi elektriniai riedėjimo takai(EP) – elektroterminis, elektromagnetinis, joninis. Pirmieji eksperimentiniai elektrinio varymo pavyzdžiai buvo sukurti SSRS 1929-30 m.; Šiuo metu elektros varomieji varikliai naudojami kaip erdvėlaivių padėties valdymo varikliai Rusijoje ir JAV. Varomasis jonų variklis sumontuotas AMS, paleistas 90-ųjų pabaigoje. JAV (77 pav.).

Kosminių skrydžių mechanikos požiūriu riedėjimo keliai skirstomi į:

1. Varomosios sistemos, kurių išmetimo greitis yra ribotas w » 3 - 30 km/s, nustatomas pagal aukščiausią reaktyvinio srauto temperatūrą (cheminė, branduolinė ir kt.). Jie veikia trumpai (minutes, sekundes) atmosferoje ir vakuume mažose aktyviose skrydžio trajektorijos atkarpose (šimtai km).

2. Ribotos galios sistemos su atskiru energijos šaltiniu, nuo kurio priklauso jų efektyvumas (elektros ir kt.).

3. Sistemos su ribota trauka (buriavimo ir radioizotopų).

Aktyvių skrydžio fazių metu erdvėlaivio judėjimas priklauso nuo jo variklių darbo; pasyviose trajektorijų atkarpose erdvėlaivio judėjimą įtakoja kosminių kūnų traukos jėgos, lengvas slėgis ir saulės vėjas, o viršutiniuose atmosferos sluoksniuose – aerodinaminės trinties jėgos.

Pagrindines pasyvaus erdvėlaivio judėjimo charakteristikas galima nustatyti išsprendus 2 korpusų problemą.

Masyvių kosminių kūnų centriniame gravitaciniame lauke erdvėlaiviai juda Keplerio orbitomis ir:

1. Erdvėlaivio trajektorija yra tiesi tuo atveju, kai jo pradinis greitis u 0 = 0 ir erdvėlaivis tolygiai paspartintas krenta svorio centro link.

2. Erdvėlaiviai juda elipsinėmis trajektorijomis, kai pradinis greitis nukreiptas kampu į svorio centrą, ties . Elipsinėmis orbitomis aplink Žemę juda jos palydovai, modernūs erdvėlaiviai ir orbitinės stotys, taip pat erdvėlaiviai, skriejantys aplink jų tiriamas planetas.

3. Pagal parabolines trajektorijas u 0 = u II, kai galutinis erdvėlaivio greitis be galo nutolusiame erdvės taške lygus nuliui.

4. Hiperbolinėmis trajektorijomis (u 0 > u II), beveik nesiskiriančiomis nuo tiesių, esančių dideliu atstumu nuo svorio centro.

Tarpplanetinių skrydžių trajektorijos skiriasi forma, skrydžio trukme, energijos sąnaudomis ir kitais veiksniais, priklausomai nuo skrydžio į kosmosą tikslo ir savybių. Įdomu pastebėti, kad erdvėlaiviai beveik niekada nejuda tiesia linija: jų judėjimo trajektorijos (išskyrus kai kuriuos idealizuotus atvejus) yra antros eilės kreivių segmentai (apskritimai, elipsės, parabolės ir hiperbolės), jungiantys kosminių kūnų orbitas. arba patys kūnai.

Yra 3 pasyvios tarpplanetinių skrydžių trajektorijų atkarpos: 1) Žemės „veikimo sferos“ viduje, kurioje erdvėlaivio judėjimą lemia tik gravitacijos jėga; 2) nuo Žemės įtakos sferos ribos iki kosminio kūno įtakos sferos ribos - skrydžio tikslas, ilgiausias ir tolydžiausias, kuriuo erdvėlaivio judėjimą lemia trauka. Saulės; 3) kosminio kūno veikimo sferoje – skrydžio tikslas.

Aukščiau jau buvo pažymėta, kad norint išeiti iš Žemės įtakos sferos, erdvėlaivis turi turėti greitį u > u II; . Papildomas greitis, kurį turi įgyti dirbtinio palydovo orbitoje esantis erdvėlaivis, norėdamas palikti Žemės įtakos sferą, vadinamas išėjimo greičiu u V. , Kur r- atstumas nuo kosminio kūno, R dÅ – Žemės įtakos sferos spindulys ( R dÅ = 925 000 km).

Paleidžiant erdvėlaivį nuo Žemės paviršiaus, būtina atsižvelgti į:

1) Žemės sukimosi aplink savo ašį greitis ir kryptis;
2) Žemės sukimosi aplink Saulę greitis ir kryptis (u Å = 29,785 km/s).

Labai sunku paleisti palydovus, besisukančius priešinga Žemės sukimosi krypčiai aplink savo ašį, o tam reikia didelių energijos sąnaudų; Sunkiau paleisti erdvėlaivį trajektorija, kuri nėra ekliptikos plokštumoje.

Jei išėjimo greitis sutampa su Žemės judėjimo greičiu prieš Å, erdvėlaivio orbita, išskyrus perihelį, yra už Žemės orbitos ribų (79c pav.).
Su priešinga greičio kryptimi u V Erdvėlaivio orbita, išskyrus afelį, yra Žemės orbitos viduje (79a pav.).
Esant ta pačia kryptimi ir greičių lygybei u V= u Å erdvėlaivio orbita tampa tiesi, išilgai kurios erdvėlaivis kris į Saulę apie 64 dienas (79d pav.).
Kai u V= 0, erdvėlaivio orbita sutampa su Žemės orbita (79b pav.).

Kuo didesnis greitis u V Erdvėlaivis, tuo didesnis jo elipsinės orbitos ekscentriškumas. Vertė nustatoma gana paprastais skaičiavimais v in, būtini tam, kad erdvėlaivio orbitų perihelis arba afelis būtų išorinių ar vidinių planetų orbitoje, .

Erdvėlaivių skrydžio trajektorijos, kurios vienu metu liečia Žemės orbitas ir kosminius kūnus – tarpplanetinio skrydžio taikinius – vadinamos. Hohmano trajektorijos(juos apskaičiavusio vokiečių mokslininko W. Homanno garbei).

Išorinėms planetoms: . Vidinėms planetoms: , Kur r- vidutinis planetinio kūno atstumas nuo Saulės.

Skrydžio Homan trajektorija trukmė apskaičiuojama pagal formulę: vidutinė saulėta diena.

Skaičiuojant tarpplanetinio skrydžio trajektoriją naudojant Hohmanno trajektorijas, būtina atsižvelgti į santykinę Žemės, Saulės ir tikslinės planetos padėtį (pradinę konfigūraciją), planetų judėjimo jų orbitose ypatybes ir ypatybes. . Pavyzdžiui, skrydis į Marsą trumpiausia Hohmano trajektorija užtruks tik 69,9 d., iki Jupiterio – 1,11 metų, į Plutoną – 19,33 metų. Tačiau tikroji optimali abipusė Žemės, Saulės ir šių planetų padėtis pasitaiko itin retai, todėl norint sutrumpinti skrydžio laiką būtina padidinti u. V, kuris reikalauja papildomų energijos sąnaudų. Todėl, be kitų priežasčių, pilotuojami skrydžiai į Saulės sistemos planetas yra daug brangesni ir sunkesni, nei tyrinėti šias planetas naudojant erdvėlaivius, kurie ilgus metus gali skristi į taikinius ekonomiškiausiomis trajektorijomis. Atsižvelgiant į planetų ir Saulės trikdžių įtaką, AWS ir erdvėlaiviai turi turėti variklius, reguliuojančius judėjimo trajektoriją.

Pasiekęs tikslinės planetos veikimo sferą, norėdamas įskristi į elipsinę arba apskritą orbita aplink ją, erdvėlaivis turi sumažinti savo greitį iki mažesnės nei II kosminės reikšmės duotai planetai.

Tarpplanetinėje navigacijoje plačiai naudojamas erdvėlaivių manevras Saulės sistemos planetų gravitaciniame lauke.

Judant centriniame masyvaus kosminio kūno gravitaciniame lauke, erdvėlaivį veikia traukianti šio kūno jėga, keičianti erdvėlaivio judėjimo greitį ir kryptį. Erdvėlaivio pagreičio kryptis ir dydis priklauso nuo to, kaip arti erdvėlaivis nuskrenda nuo kosminio kūno ir nuo kampo j tarp erdvėlaivio įėjimo ir išėjimo į šio kūno veikimo sferą krypčių.

Erdvėlaivio greitis keičiasi:

Erdvėlaivis didžiausią pagreitį įgyja judėdamas trajektorija, einančia minimaliu atstumu nuo kosminio kūno, jei erdvėlaivio patekimo į veikimo sferą greitis yra lygus I kosminiam greičiui u I šio kūno paviršiuje, o .

Skrisdamas aplink Mėnulį erdvėlaivis gali padidinti greitį 1,68 km/s, skrisdamas aplink Venerą – 7,328 km/s, skrisdamas aplink Jupiterį – 42,73 km/s. Greitį, kuriuo erdvėlaivis palieka planetos įtakos sferą, galima gerokai padidinti įjungus variklius tuo metu, kai praeina periapsė.

Fig. 80-81 parodytos kai kurios apskaičiuotos tarpplanetinių skrydžių trajektorijos.

Tarpžvaigždiniam skrydžiui erdvėlaivis turi peržengti Saulės įtakos sferą, lygią 9 × 10 12 km. Tarpžvaigždiniai atstumai didžiuliai: artimiausia žvaigždė yra 270 000 AU; Aplink Saulę aprašytoje 10 pc spindulio sferoje yra tik apie 50 žvaigždžių.

Šiuo metu erdvėlaiviai „Pioneer 10“ ir „11“ bei „Voyager 1“ ir „2“ iškeliavo į skrydį už Saulės sistemos ribų, kurie per tūkstančius metų nutols iki 1 šviesmečio atstumo.

Esami ir net perspektyvūs raketų variklių tipai nėra tinkami arba mažai naudingi tarpžvaigždiniams skrydžiams, nes jie negali pagreitinti erdvėlaivio iki greičio, viršijančio 0,1 šviesos greičio. Su .

Į artimiausias žvaigždes teoriškai įmanomi tik vienpusiai automatinių tarpžvaigždinių zondų (AIS) skrydžiai arba pilotuojami skrydžiai, siekiant kolonizuoti tinkamas planetas su įgula „grįžtamosios mirties“ (žiemos miego) būsenoje arba pasikeitus kartoms. laivo viduje, o tai reikalauja išspręsti daugelį problemų tik technines, bet ir etines, psichologines, biologines problemas (įgula niekada negrįš į Žemę; didžiąją gyvenimo dalį ar net visą savo gyvenimą kartų kaitos metu teks praleisti laivo viduje būtina sukurti visiškai uždarą erdvėlaivio ekosistemą ir pan.); dar prieš paleidimą antžeminiai astronominiai stebėjimai turi garantuoti žemiškų planetų su tinkamomis gyvybei sąlygomis egzistavimą šalia žvaigždės – skrydžio taikinio (kitaip skrydis praranda prasmę).

Šiuolaikinės astronautikos „mėlynoji svajonė“ yra teoriškai ideali kvantinė (fotoninė) raketų paleidimo priemonė, kurios w = c – vienintelis tinkamas tarpžvaigždiniams skrydžiams Galaktikos viduje (78 pav.).

Fizinių kūnų judėjimas artimu šviesos greičiui yra nagrinėjamas bendrojoje reliatyvumo teorijoje (GTR), kuri tiria bet kokių fizinių procesų erdvės ir laiko modelius.

Bendrosios reliatyvumo teorijos ribose Ciolkovskio formulė yra apibendrinta ir yra tokia: ,

Kur z- Ciolkovskio numeris, m 0 - inicialus, m 1 – galutinė erdvėlaivio masė, u 1 – galutinis erdvėlaivio greitis žemės atskaitos rėme, w – srovės srauto greitis laivo atžvilgiu.

Net fotonų žvaigždėlaivis negali pasiekti šviesos greičio, kai w = c nes: .

Pagal šiuolaikinį mokslą, skrydis didesniu nei šviesos greitis yra neįmanomas jokiems materialiems objektams. Tačiau (teoriškai) žvaigždėlaivis gali skristi greičiu, artimu šviesos greičiui.

Galimi tarpžvaigždinio skrydžio variantai:

1. Skrydis 3 etapais: erdvėlaivio įsibėgėjimas iki maksimalaus greičio; riedėjimo skrydis išjungus variklius; stabdymas iki nulinio greičio.
2. Skrydis 2 etapais su pastoviu pagreičiu: pirmoje skrydžio pusėje erdvėlaivis padidina greitį pagreičiu g~ gÅ= 10 m/s 2 ir tada pradeda stabdyti tuo pačiu pagreičiu.

Remiantis pagrindiniais bendrosios reliatyvumo teorijos principais, stebėtojui erdvėlaivyje, artėjant prie šviesos greičio, visi fiziniai procesai sulėtės, o atstumai pagal erdvėlaivio judėjimo kryptį sumažės tiek pat: erdvė ir laikas yra tarsi „suspausti“. Laivo atskaitos rėme jis stovės, bet Žemės ir skrydžio taikinio atžvilgiu judės greičiu u £ c.

Nuosavo (laivo) skrydžio laikas ir nepriklausomas laikas, praėjęs nuo paleidimo Žemėje momento, apskaičiuojami naudojant skirtingas formules: , Kur Ir - hiperbolinio kosinuso ir hiperbolinio sinuso funkcijos, r- atstumas iki skrydžio tikslo.

Su nuolatiniu pagreičiu g= 10 m/s 2 skrydis į žvaigždę a Kentaurį užtruks 3,6 metų pagal laivo laikrodį, 4,5 metų pagal žemės laikrodį; skrydis į Galaktikos centrą vyks pagal laivo laikrodį T k= 19,72 metų, pagal Žemę T Å= 27000 metų; skrydis į M31 galaktiką („Andromedos ūkas“), artimiausią iš spiralinių galaktikų, užtruks atitinkamai T k= 28 metai ir T Å= 3,5 milijono metų!

Tai yra kaina, kurią reikia mokėti už tarpžvaigždinius skrydžius pagal „dvynių paradoksą“: astronautai, apskridę pusę galaktikos ir pasenę dešimtis metų, grįš į Žemę tūkstančiams ir milijonams metų po paleidimo. Be grynai etinių ateivių, grįžtančių iš iš esmės „vienpusio skrydžio“ iš tolimosios praeities į ateities pasaulį, problemų, iškyla svarbi astronautų teikiamos informacijos vertės problema: skrydžio metu mokslas Žemėje nestovi vietoje!

Tarpžvaigždinių skrydžių energetinės problemos yra labai svarbios: norint pasiekti antrąjį kosminį tarpplanetinio pilotuojamo skrydžio Žemė – Marsas greitį, energijos bus išeikvota apie 8,4 × 10 9 kW × h (sukurta 100 galios elektrinės). MW per 8,5 valandos), tada erdvėlaivį pagreitinti iki 0,2 Su reikalinga energija yra 10 15 kW × h – visa energija, kurią Žemės jėgainės pagamina per 10 metų. Padidinus greitį iki 0,4 s, energijos sąnaudos padidės 16 kartų, o variklio efektyvumas 100 %! Termobranduolinio raketinio variklio kuro atsargos sudarys daugiau nei 99% erdvėlaivio masės. Antimedžiagos sintezei vienam fotonų laivo skrydžiui reikia tokio energijos kiekio, kad šiuolaikinis mokslas negali nurodyti jos šaltinio Saulės sistemoje.

Taigi, pagal fizikos dėsnius, esant dabartiniam žemiškosios civilizacijos išsivystymo lygiui, tarpžvaigždinių pilotuojamų erdvėlaivių skrydžiai praktiškai neįmanomi. Netoliese esančių žvaigždžių tyrimai tarpžvaigždiniais nepilotuojamais AMS yra visiškai įmanomi (šiuo metu JAV ir Rusijoje rengiami projektai, skirti AMS paleisti į Proxima Centauri, Barnard's Star ir kai kuriuos kitus objektus XXI amžiaus viduryje). Kelių dešimčių tonų naudingo krovinio masės AMZ įsibėgės iki 0,1–0,2 greičio Su saulės, radioizotopinių ar termobranduolinių raketų variklių, skrydžio laikas sieks dešimtis ar net šimtus metų.

Išnagrinėta medžiaga konsoliduojama sprendžiant uždavinius:

10 pratimas:

1. Kodėl lengviau paleisti erdvėlaivį į Plutoną nei į Saulę?

2. Ar įmanoma, 60-ųjų pamėgta mokslinės fantastikos situacija, kai erdvėlaivis su sugedusiu varikliu prisitraukia ir nukrenta į Saulę?

3. Kur ir kodėl apsimoka rasti kosmodromus: ties ašigaliais ar ties Žemės pusiauju?

4. Nustatykite greitį, kuriuo erdvėlaivis palieka Saulės sistemą. Kiek laiko užtruks nuskristi iki artimiausios žvaigždės?

5. Kodėl nesvarumas atsiranda erdvėlaivio viduje pasyviojoje skrydžio trajektorijos dalyje?

6. Kokiu greičiu skrieja AMS, besisukančios aplink Jupiterį: a) 2000 km atstumu; b) 10 000 km nuo planetos?

7. Brėžinyje nupieškite Žemės, Saulės ir Marso konfigūraciją, laikant jų orbitas apskritomis, skrendant sovietiniams erdvėlaiviams „Mars-2“ ir „Mars-3“, kurie Marsą pasiekė lapkričio 21 d. 1971 m. ir 1971 m. gruodžio 2 d. po 192 ir 188 dienų skrydžio, jei planetų priešprieša įvyko 1971 m. rugpjūčio 10 d.

Pasak V.V. Radzievskis turėtų atkreipti dėstytojų ir studentų dėmesį „į didžiulę praktinę astronomijos svarbą, susijusią su aktyviu kosmoso tyrinėjimu, į astronautikos vaidmenį sprendžiant aplinkos taršos aplinkos problemas (orą teršiančių įmonių perkėlimas į kosmosą, išleidimas į kosmosą). pavojingos pramonės atliekos į kosmosą, demografinės perspektyvos)... Būtina sustiprinti astronautikos elementus pačioje programoje, įvesti klausimus: energijos tvermės dėsnis 2-kūnų problemoje (elementari išvada)...

60–80-aisiais Sovietų Sąjungos mokyklose buvo dėstomas A. D. pasirenkamasis kursas. Marlensky „Kosmonautikos pagrindai“ (IX klasė, 70 val. mokymų, 2 val. per savaitę). Informacija apie jos struktūrą, turinį ir pamokų planavimą gali būti naudinga šiuolaikiniam fizikos ir astronomijos mokytojui, naudojant atitinkamą medžiagą fizikos ir astronomijos pamokose (ypač fizikos ir matematikos pamokose) bei popamokinėje veikloje:

1) Astronautikos istorija(2 val.) (Pirmieji fantastiniai skrydžio į kosmosą projektai. K.E. Ciolkovskis – mokslinės astronautikos pradininkas. Pagrindiniai raketų technologijos vystymosi etapai. Pirmojo sovietinio palydovo paleidimas ir kosmoso amžiaus pradžia. Žmogaus skrydis į kosmosą ).

2) Raketų judėjimas ir projektavimas(4 val.) (Raketos principas. Kintamos masės kūnų mechanikos samprata. Ciolkovskio formulė. Vienpakopės raketos pagrindinės dalys ir skaitinės charakteristikos. Daugiapakopės raketos. Raketų varikliai ir kuras). Pradėkite kartodami impulso išsaugojimo dėsnį; remdamiesi juo, analizuokite vieno impulso masės išmetimą iš raketos. Apsvarstykite eilę nuoseklių išmetimų ir parodykite, kad gaunamas raketos greitis vienkrypčių išmetimų metu yra lygus greičių, kuriuos ji gauna kiekvienu masės išmetimu, sumai. Praneškite Ciolkovskio formulę (be išsamios išvados, bet su išsamia fizinės reikšmės analize ir atitinkamų problemų sprendimu). Apsvarstykite raketos judėjimą dinamikos dėsnių požiūriu, priklausomai nuo reaktyviosios jėgos. Eksperimentiškai demonstruokite reaktyviosios jėgos atsiradimą, naudodami tekančių vandens čiurkšlių pavyzdžius ir parodykite, kaip galima keisti traukos jėgą (pateikiama įrengimo schema). Supažindinti studentus su vienpakopių ir daugiapakopių raketų skaitinėmis charakteristikomis. Pasiūlykite (namuose) sukurti skirtingų charakteristikų raketų projektus, išardykite juos kitoje pamokoje. RD darbas nagrinėjamas bendrais bruožais. Nagrinėjamos jų konstrukcijos, degalų tiekimo schemos ir charakteristikų (greičio, temperatūros ir degimo produktų slėgio išilgai riedėjimo tako ašies) kitimo grafikai. Atkreipkite dėmesį į pagrindinius raketų variklių ir raketų kuro duomenis, palyginti su šiluminiais varikliais ir antžeminio transporto kuru. Naudinga demonstruoti veikiančius raketų modelius.

3) Laisvas raketos judėjimas gravitaciniame lauke(8 val.) (Centrinis gravitacinis laukas. 2 kūnų uždavinys. Mechaninės energijos tvermės judant gravitaciniame lauke dėsnis. Gravitacijos parametras. Elipsine orbita judančio kūno greičio formulė. Judėjimo trajektorijos gravitaciniame lauke (Keplerio orbitos). Pakartokite visuotinės gravitacijos dėsnį 2 materialių taškų atžvilgiu ir detaliai išanalizuokite jo formulę; nurodyti galimybę pavaizduoti masyvius kosminius kūnus materialių taškų pavidalu. Susidaro mintis apie gravitacinį lauką kaip centrinių jėgų lauką ir jo charakteristikas: gravitacijos pagreitį (leidžiantį nustatyti centrinio lauko jėgos poveikį įvairiuose lauko taškuose įvestiems kūnams) ir potencialus (energijos sąnaudoms nustatyti). įvairiems kūnų judesiams šioje srityje). Pagrįskite begalybės taškų gravitacinio potencialo nulinės vertės pasirinkimą, šiuo atveju visų kosminių kūnų gravitaciniai potencialai matuojami nuo nulinio lygio ir yra lengvai palyginami. Palyginus planetų paviršiaus taškų gravitacinius potencialus, galima spręsti, kiek darbo reikia norint pašalinti kūną iš tam tikro taško iki begalybės (pristatant II kosminio greičio sampratą). Dviejų kūnų problemos sprendimas grindžiamas energijos tvermės ir kampinio momento dėsniais (kampinio momento išsaugojimo dėsnio samprata turėtų būti suformuota remiantis Žukovskio stendo demonstravimu, kampinio momento sąvokos apibrėžimu impulsą ir daugybę eksperimentų)

4) Raketos judėjimas veikiant traukai(6 val.) (Erdvėlaivio įkėlimas į orbitą. Greičio nuostoliai. Pradiniai ir bendrieji būdingieji greičiai. Erdvėlaivio valdymas. Trajektorijos korekcijos. Perkrovos skrydžio metu. Kosminės navigacijos samprata. Inercinė, astro- ir radijo navigacija. Orientacija ir stabilizavimas erdvėlaivis). 5) Dirbtiniai Žemės palydovai(8 valandos) (Palydovo orbitos. Orbitų perturbacija, kurią sukelia Žemės nesferiškumas, atmosferos pasipriešinimas, Mėnulio ir Saulės gravitacija. Palydovo judėjimas Žemės paviršiaus atžvilgiu. Palydovo iškėlimas į orbitą. Daugybiniai manevrai orbitoje. Nusileidimas iš orbitos. 6) Skrydžiai į Mėnulį ir planetas(8 val.) (Skrydžio trajektorijos į Mėnulį. Dirbtiniai Mėnulio palydovai. Nusileidimas į Mėnulį. Skrydžio trajektorijos į planetas. Optimalios trajektorijos. Paleidimo langai. Trajektorijos korekcijos. Kelių impulsų trajektorijos. Planetų gravitacinio lauko naudojimas norint pakeisti erdvėlaivių trajektorijos. Nusileidimas ant planetų. 7) Kosminio skrydžio sąlygos(2 val.) (Radiacinis pavojus. Meteoritų pavojus. Apsaugos metodai. Gyvybės palaikymas erdvėlaivyje. Kosmoso psichologija. Gyvenimo erdvėlaivyje ritmas. Nesvarumo ir perkrovos įtaka kūnui). 8) Mokslinis ir praktinis astronautikos panaudojimas(6 val.) (SSRS pasiekimai naudojant kosmosą. Palydovų, erdvėlaivių ir AWS mokslinė įranga. Žemės, Žemės artimos erdvės, Mėnulio, planetų, tarpplanetinės erdvės tyrimai astronautikos priemonėmis. Praktinis astronautikos panaudojimas : geodezijoje, meteorologijoje, navigacijai, ryšiams, žemės išteklių tyrinėjimui). 9) Astronautikos perspektyvos(2 val.) (Tolimesnių kosminių skrydžių Saulės sistemoje projektai. Mėnulio ir planetų tyrinėjimo projektai. Tarpžvaigždinių skrydžių galimybė). 10 valandų praktinio darbo (įskaitant astronominius stebėjimus).

Akademikas M.V. Keldysh.
Kosminio skrydžio mechanika

Akademikas T.M. Enejevas
pavaduotojas Vardo IPM direktorius. M.V. Keldysh, profesorius E.L. Akim

Prieš penkiasdešimt metų, 1957 m. spalio 4 d., žmonija pirmą kartą išleido į kosmosą įrenginį, kuris ilgą laiką skrido žemoje Žemės orbita, siųsdamas signalus apie savo prietaisų veikimą. Pirmasis dirbtinis Žemės palydovas buvo paleistas naudojant raketą R-7.

Šio palydovo paleidimas buvo ilgas ir sudėtingas. Apie skrydžius į kosmosą žmonės svajojo jau seniai. Pirmą kartą ši svajonė įgavo tikrą pagrindą po novatoriško Ciolkovskio darbo, kuris parodė, kad tokie skrydžiai yra įmanomi naudojant raketų technologiją. Jis išvedė garsiąją formulę, pagal kurią galima apskaičiuoti degalų tiekimą, reikalingą reikiamam raketos greičiui pasiekti, ir sukūrė kompozicinių raketų teorijos užuomazgas.

Tačiau realus darbas įgyvendinant skrydžio į kosmosą idėją prasidėjo po karo, nes reikėjo skubiai kurti raketų technologiją kariniams tikslams. Norint atremti tuomet iškilusią branduolinės atakos prieš Sovietų Sąjungą grėsmę, reikėjo sukurti tarpžemyninę sudėtinę balistinę raketą. Nuostabaus inžinieriaus ir dizainerio Sergejaus Pavlovičiaus Korolevo projektavimo biure buvo sukurta tokia raketa - garsioji R-7. Žinoma, karališkasis projektavimo biuras dirbo bendradarbiaudamas su kitomis organizacijomis, kurios kūrė variklius, valdymo sistemas, paleidimo įrenginius ir t.t. Čia reikia paminėti vyriausiuosius konstruktorius V.P. Gluško, N.N. Pilyugina, M.S. Riazanskis, V.I. Kuznecova, V.P. Barmina. Negalima neprisiminti nuostabių Sergejaus Pavlovičiaus Korolevo padėjėjų, jo pavaduotojų V.P. Mishine, V.A. Voskresenskis, K.D. Bushuevas, B.E. Chertoke.

Tačiau jau intensyvaus darbo kuriant raketas laikotarpiu kai kurie jo aktyvūs dalyviai galvojo apie skrydį į kosmosą. Rimčiausią tyrimą atliko dvi komandos – grupė M.K. Tikhonravovas viename iš karinių techninių institutų ir M.V. Keldysh V.A Steklova. Šiuos tyrimus šiltai palaikė Korolevas, kuris nuo pat didelių raketų kūrimo pradžios numatė jų pritaikymą kosmose. 1950 m. jis nustebino Steklovo instituto mokslininkus, kurie su juo diskutavo apie R-7 dizainą, atsitiktine fraze: „Mes vis tiek skrisime aplink Žemės rutulį!

Žinoma, pagrindinė figūra įgyvendinant pirmuosius sovietinius kosminius skrydžius buvo Korolevas. Tačiau kartu su juo reikėtų paminėti dar vieną asmenį, panašų indėlį į mūsų raketų ir kosmoso technologijų plėtrą – Mstislavą Vsevolodovičių Keldyšą.

Ryžiai. 1. Mstislavas Vsevolodovičius Keldyšas

1946 m., būdamas trisdešimt penkerių, ką tik išrinktas tikruoju SSRS mokslų akademijos nariu, M.V. Keldysh buvo paskirtas Reaktyvinių tyrimų instituto (RNII) vadovu – dabar pavadintas tyrimų centras. M.V. Keldysh. Nuo 1948 m. jis pradėjo dirbti su raketų dinamika ir taikė dangaus mechaniką jo vardu pavadintame Matematikos instituto mechanikos skyriuje. V.A. SSRS Steklovo mokslų akademija.

Pažymėtina, kad iš pradžių pagrindinis Mstislavo Vsevolodovičiaus dėmesys, žinoma, buvo sutelktas į karinius raketų technologijos naudojimo aspektus. Tačiau yra visas pagrindas manyti, kad jis, kaip ir S.P. Korolevas, jau pradiniame tiriamojo darbo etape, galvojo apie jų „kosminę“ ateitį. Bet kuriuo atveju, pačioje šeštojo dešimtmečio pradžioje, atsakydamas į vieno iš Steklovo matematikos instituto Mechanikos katedros darbuotojo klausimą apie galimybę katedroje plėtoti skrydžio į kosmosą teoriją, jis ne tik šiltai atsiliepė. palaikė šią idėją, bet ir siūlė pradėti darbus neatidėlioti to ateičiai.

Nuo 1948 m. M.V. Keldysh iš pradžių Steklovo matematikos institute, o paskui SSRS mokslų akademijos Taikomosios matematikos institute katedroje, kuriai vadovavo akademikas D.E. Okhotsimsky, buvo pradėtas platus darbų spektras raketų dinamikos ir kosminių skrydžių mechanikos srityje. Jau pirmuoju šio darbo laikotarpiu, dar prieš paleidžiant pirmąjį dirbtinį Žemės palydovą, komanda, vadovaujama M.V. Keldysh, buvo gauta keletas iš esmės svarbių rezultatų, kurie turėjo rimtos įtakos raketų ir kosmoso technologijų plėtrai. Pažymėkime keletą svarbiausių iš jų.

1949-1951 metais Buvo baigta darbų serija, skirta optimalių kompozicinių raketų konstrukcijų ir charakteristikų analizei ir nustatymui. Šie darbai padėjo S.P. Korolevui galutinai pasirinko kompozitinės raketos R-7 dizainą. Per šį laikotarpį buvo atliktas darbas siekiant nustatyti optimalų programos valdymą. Šio darbo rezultatai padėjo žymiai pagerinti R-7 raketų ir tarpžemyninių sparnuotųjų raketų skrydžio charakteristikas, o vėliau buvo daugelio tolesnių tyrimų teorinis pagrindas. Per tą patį laikotarpį buvo išspręstos sudėtingos raketų judėjimo arti masės centro problemos, atsižvelgiant į skysčio, kuris turėjo laisvą paviršių raketų bakuose, mobilumą.

Instituto darbuotojai balistinių raketų skrydžio bandymų metu sudarė raketų kovinių galvučių smūgio taškų prognozes pirmame universaliame kompiuteryje „Strela-1“. Šie operatyviniai nustatymai buvo atlikti remiantis trajektorijos matavimo duomenimis, kuriuos institutas gavo iš antžeminės sekimo įrangos telegrafo ryšio kanalais. „Strela-1“ kompiuterių kambaryje buvo ryšių įrenginys, jungęs institutą su Maskvos srities matavimo ir valdymo centrais. Tai buvo paprastas lauko prietaisas, ant kurio viršelio buvo parašyta „saugokitės, priešas klauso“. Naudojant šį įrenginį, paieškos grupei buvo perduotos prognozuojamos raketos galvutės smūgio taško koordinatės. Vėliau jie gavo informaciją apie perduotos prognozės patikimumą.

1953 m. institutas pirmą kartą pasiūlė balistinį erdvėlaivio nusileidimą iš orbitos į Žemę ir pademonstravo galimybę jį panaudoti pilotuojamiems skrydžiams. Taikant šį metodą, Yu.A. Gagarino skrydis į kosmosą buvo baigtas sėkmingai nusileidus. 1954 metais instituto darbuotojai sukūrė pirmąją specifinę dirbtinio palydovo gravitacinio (pasyviojo) stabilizavimo sistemos versiją ir sukonstravo tokio stabilizavimo teoriją. Visi paminėti kūriniai atlikti pirmą kartą pasaulyje.

1954 metais M.V. Keldysh kartu su S.P. Korolevas ir M.K. Tikhonravovas pateikė pasiūlymą sukurti dirbtinį Žemės palydovą ir tiesiogiai dalyvavo rengiant memorandumą vyriausybei šia tema. 1956 m. Mstislavas Vsevolodovičius buvo paskirtas SSRS mokslų akademijos Prezidiumo specialiosios komisijos dirbtinių palydovų klausimais (objekto „D“ komisija) pirmininku. 1958 m. TSKP CK ir SSRS Ministrų Tarybos sprendimu M.V. Keldysh buvo paskirtas Mokslų akademijos Tarpžinybinės kosmoso tyrimų tarybos (ISSC for CI) pirmininku. Nuo to laiko, būdamas visapusiškų mokslo ir technikos plėtros vadovu, ir kaip Tarptautinės CI mokslo ir technikos tarybos pirmininkas, M. V. Keldyshas buvo ypač atsakingas už SSRS kosmoso programos pažangą net ir pačiu intensyviausiu daugiašalės veiklos laikotarpiu, kai 1961–1975 metais buvo SSRS mokslų akademijos prezidentas.

Tapęs SSRS mokslų akademijos prezidentu, Mstislavas Vsevolodovičius gavo galimybę valdyti sovietinės kosmoso programos kūrimą ir įgyvendinimą nauju, aukštesniu lygiu. Per šiuos metus išspręstų mokslinių problemų spektras yra neįprastai platus ir įvairus. Jam tiesiogiai dalyvaujant, buvo tiriamos bendros astronautikos problemos, jos vystymosi tendencijos ir perspektyvos. Kosminio skrydžio mechanika, valdymo teorija, navigacija ir orientacija nuolat buvo jo regėjimo lauke.

Istorinės reikšmės turėjo Mstislavo Vsevolodovičiaus Keldyšo kūrybinis kontaktas ir draugystė su Sergejumi Pavlovičiumi Korolevu. Būtent šio kontakto ir draugystės dėka mūsų raketų technologija labai greitai išsivystė, o ypač greitai – skrydžio į kosmosą technologija. Apskritai aukščiau išvardytų nuostabių žmonių galaktikoje Mstislavas Vsevolodovičius atliko ypatingą vaidmenį. Jo idėjų ir iniciatyvos dėka pavyko įveikti labai sunkius mūsų raketų ir kosmoso technologijų plėtros momentus bei organizuoti sistemingus kosmoso tyrimus mūsų šalyje.

Paleidus pirmąjį dirbtinį Žemės palydovą, frontas, vadovaujamas M.V. Keldysho darbas Steklovo matematikos instituto Taikomosios matematikos katedroje labai išsiplėtė, o vėlesniais metais kosminių skrydžių mechanikoje praktiškai nebuvo daugiau ar mažiau rimtų problemų, kurių M. V. vienokiu ar kitokiu laipsniu nepalietė. Keldysh ir jo „komanda“. Taigi iš karto po pirmojo palydovo paleidimo Steklovo matematinio instituto mokslinių tyrimų skyriuje buvo pradėti darbai siekiant užtikrinti Žemės palydovų ir kitų erdvėlaivių skrydžio sekimą. M. V. darbuotojai. Keldysh sukūrė techniką ir pirmą kartą nustatė orbitą naudodamas kompiuterį. Vėliau OPM Steklovo mechanikos inžinerijos institute buvo sukurtas balistinis centras, kuris tapo bendros SSRS koordinavimo ir skaičiavimo centrų sistemos dalimi. Jų užduotis apėmė trajektorijos informacijos rinkimą ir apdorojimą, siekiant nustatyti tikrąsias skraidančių objektų orbitas, taip pat atitinkamų valdymo komandų kūrimą. Centras tapo neatskiriama erdvėlaivių skrydžių uždarojo ciklo valdymo dalimi ir prisidėjo prie sėkmingo kosminių programų įgyvendinimo.

Pradėtas darbas dėl integruoto balistinio skrydžio į Mėnulį, Marsą ir Venerą projektavimo. M.V. Keldysh ne tik vadovavo šiems dizaino tyrimams. Daug dėmesio skyrė projektų įgyvendinimui.

Iš pradžių pagrindinės pastangos buvo nukreiptos į Mėnulio pasiekimo ir cislunarinės erdvės tyrinėjimo problemą. Atitinkamas darbas buvo atliktas per trumpą laiką, bendrai vadovaujant M. V. Keldysh. Puikus „mėnulio“ ciklo darbo pavyzdys buvo erdvėlaiviui „Luna-3“ pasirinktos trajektorijos skraidant aplinkui ir fotografuojant iš Žemės nematomą Mėnulio pusę.

Ryžiai. 2. Erdvėlaivio Luna-3 skrydžio schema

Čia pirmą kartą pasaulinėje praktikoje buvo pasiūlytas ir sėkmingai įgyvendintas „gravitacinis manevras“ – tikslingas erdvėlaivio trajektorijos pakeitimas, kai dangaus kūnas (Mėnulis) sutrikdo jo judėjimą.

Ryžiai. 3. Pirmoji tolimosios Mėnulio pusės nuotrauka, padaryta erdvėlaiviu Luna-3

Institutas atliko ir įgyvendino LKI kartu su pramonės projektavimo studijas, susijusias su visų vietinių Mėnulio erdvėlaivių navigacijos palaikymu skrydžiams į Mėnulį. Šių 24 CA sąrašas pateiktas toliau pateiktame paveikslėlyje.

Ryžiai. 4. Skrydžių į Mėnulį sąrašas

Ypač vertas dėmesio automatinės stoties „Luna-9“, pirmojo dirbtinio Mėnulio palydovo „Luna-10“ ir stoties „Luna-16“ (projektas „E-8“) pirmasis minkštas nusileidimas Mėnulio paviršiuje. ), kuris pirmą kartą surinko ir pristatė mėginius į Žemės mėnulio dirvožemį.

Ryžiai. 5. „Mėnulis 20“. Konteineris su mėnulio dirvožemiu

Rengiant Mėnulio ekspedicijas, Mstislavas Vsevolodovičius Keldyšas ir Sergejus Pavlovičius Korolevas priėmė bendrą sprendimą pradėti nepilotuojamų skrydžių į Marsą ir Venerą balistinį projektavimą. Institutas sukūrė esminius techninius sprendimus, kurie vėliau suvaidino svarbų vaidmenį plėtojant kosmoso technologijas: buvo sukurtas metodas erdvėlaiviui pagreitinti su tarpiniu įterpimu į atvirą dirbtinio Žemės palydovo orbitą (6 pav.), kuris vėliau tapo universalus erdvėlaivių pagreitinimo metodas; erdvėlaivių skrydžio valdymo schema, kuri sudarė pagrindą visiems darbams tiek balistinio projektavimo, tiek praktinio tarpplanetinių erdvėlaivių skrydžių valdymo srityje.

Ryžiai. 6. Transporto priemonės pagreičio metodas su tarpiniu įterpimu į atvirą dirbtinio Žemės palydovo orbitą

Ši schema užtikrino tiek maksimalaus valdymo tikslumo pasiekimą skrydžio metu, tiek minimalias masės sąnaudas, susijusias su pačios valdymo sistemos sukūrimu. Vadovaujant M. V. Keldysh OPM komanda dalyvavo visuose projektavimo ir balistiniuose darbuose, taip pat balistiniuose ir navigaciniuose erdvėlaivių skrydžiuose, skirtuose tarpplanetinei erdvei, planetoms ir mažiems Saulės sistemos kūnams tirti. Akivaizdžiausi yra mūsų 16 erdvėlaivių skrydžiai į Venerą, parodyti Fig. 7.

Ryžiai. 7. Skrydžių į Venerą sąrašas

Ypač atkreiptinas dėmesys į Venera-4, kuris pirmą kartą Žemei perdavė planetos atmosferos parametrus; pirmieji dirbtiniai Veneros palydovai „Venera-9“, „Venera-10“ ir jų nusileidimo aparatai (8 pav.), kurie užtikrino pirmųjų panoramų nuo šios paslaptingos planetos paviršiaus perdavimą į Žemę; WIS „Venera-15“ ir „Venera-16“, kurios leido naudojant unikalų Veneros radijo kartografavimo eksperimentą (9 pav.), sukurti aukštos kokybės planetos ir jos reljefo vaizdus, ​​sukurti pirmuosius Veneros atlasas.

Ryžiai. 8. AMS „Venera-4“ nusileidimo aikštelės – „Venera-14“

Ryžiai. 9. Erdvėlaivio orbita
"Venera-15" - "Venera-16"

Taip pat būtina atkreipti dėmesį į mūsų erdvėlaivių „Vega-1 ir 2“ skrydžius į Halio kometą (10 pav.), į Veneros atmosferą atgabenant balionų zondus ir paleidžiant Europos tarpplanetinę stotį „Giotto“ ( Tarptautinis projektas „Pilotas“) į kometos branduolį (11 pav.).

Ryžiai. 10. AMS „Vega-1“ ir „Vega-2“

Ryžiai. 11. AMS "Vega-1" skrydžio schema

Vadovaujant M. V. Keldysh Mokslų akademijos Taikomosios matematikos institute, buvo pradėtas darbas nauja kryptimi, kuri turi svarbią gamtamokslinę ir taikomąją reikšmę erdvėlaivių navigacijai ir skrydžių valdymui. Tai yra astronominių konstantų išaiškinimas ir labai tikslių dangaus kūnų judėjimo teorijų konstravimas. Pirmą kartą pasaulinėje praktikoje Mėnulio gravitacinio lauko necentralumo parametrai buvo nustatyti iš trajektorijos matavimų. Sukurta pirmoji mūsų šalyje itin tiksli Veneros judėjimo teorija. Išaiškintos Žemės ir Mėnulio gravitacinės konstantos bei dinaminis Veneros suspaudimas.

Galiausiai, vadovaujant M.V. Keldysh atliko projektavimo ir balistinius darbus kurdamas daugybę unikalių dirbtinių Žemės palydovų, naujas ir perspektyvias palydovų valdymo ir stabilizavimo sistemas (pasyvias stabilizavimo sistemas), taip pat siekdamas nustatyti faktinį judėjimą aplink laisvųjų Žemės masės centrą. skraidantys dirbtiniai Žemės palydovai (pavyzdžiui, Protonas).

Nuo tada, kai Jungtinėse Valstijose buvo pradėtas intensyvus daugkartinio naudojimo kosminės erdvės sistemos „Space Shuttle“ projektas, kūrimas, aktualus klausimas, ar įmanoma sukurti panašią sistemą mūsų šalyje. M.V. Keldysh ne kartą aptarė problemų, kurias galima išspręsti naudojant daugkartinio naudojimo erdvės sistemą, spektrą, jos sukūrimo sunkumus ir būdus, kaip juos įveikti. Dėl to buvo sukurta universalios transporto priemonės koncepcija, galinti išspręsti mokslines, ekonomines ir gynybos problemas. Priimtas techninis sprendimas buvo laikomas tarpiniu žingsniu kuriant visiškai daugkartinį kosminį aparatą, skirtą skrydžiams bet kuriame atmosferos aukštyje ir net už jos ribų. Tuo pačiu metu „Energia-Buran“ sistemos sukūrimas leido išspręsti problemas, susijusias su sunkiosios nešančiosios raketos, kurios naudingoji galia apie 100 tonų, ir deguonies-vandenilio variklių kūrimo bei aviacijos ir erdvėlaivio su labai sudėtinga ir sudėtinga konstrukcija. pažangi valdymo sistema.

Ne be vidinių dvejonių ir abejonių, nusprendęs, kad reikia sukurti raketų ir kosmoso sistemą Energia-Buran, M.V. Keldysh daug pastangų, talento ir organizacinių įgūdžių skyrė šiam projektui įgyvendinti.

Ryžiai. 12. Kaip Buranas prasidėjo

Ryžiai. 13. „Energija-Buran“

Ryžiai. 14. Burano nusileidimas

Mstislavas Vsevolodovičius puikiai sujungė drąsaus svajotojo, siekiančio įmanomų ribų, ir blaivaus realisto, žinančio, kur šios ribos baigiasi, savybes. Kai, sužavėję pirmąsias kosminių skrydžių sėkmes, kai kurie rimtai svarstė pilotuojamo skrydžio į Marsą projektą 1964 m. (skraidančioje versijoje), Mstislavas Vsevolodovičius iškart atkreipė dėmesį į tokių projektų nerealumą dėl daugelio priežasčių ir pažymėjo. kad nepilotuojamos automatinės transporto priemonės būtų pagrindinė tolimų planetų tyrinėjimo priemonė. Tačiau tai nesutrukdė jam artimiausioje ateityje aptarti pilotuojamus skrydžius į tolimas planetas ir išsamiai išnagrinėti įvairius jų projektus.

S.P. Korolevo ir M.V. Keldysh, institute buvo sukurtas balistinis centras (BC IPM). Jai patikėtas balistinės navigacijos palaikymo (BNS) darbas, skirtas pilotuojamų erdvėlaivių ir automatinių erdvėlaivių skrydžiams valdyti mokslo ir šalies ekonominiais tikslais. Kartu su Gynybos ministerijos ir „Roscosmos“ balistiniais centrais sėkmingai užtikrina vidaus erdvėlaivių skrydžius.

M.V. Keldysh labai atidžiai stebėjo mūsų verslo centro darbą. Jis labai džiaugėsi sėkme ir nusiminė dėl nesėkmių. Atėjęs į Valstybinės komisijos posėdžius NII-4 MO (kur šie posėdžiai vyko pirmaisiais metais), jis su pavydu analizavo dviejų BC (IPM ir NII-4) dabartinius prognozės duomenis, kurie buvo paskelbti formoje. stalo ant posėdžių kambario sienos. Jei jis aptiko didelių prognozių neatitikimų, grįžęs į IPM uždavė klausimą: „Kas yra tikslesnis ir kodėl?

M.V. Keldysh pabrėžė, kad mūsų verslo centras neturėtų būti tik galingas skaičiavimo centras, kuris greitai atlieka reikiamus skaičiavimus. Jis pareikalavo, kad centras tiesiogiai dalyvautų visuose naujo erdvėlaivio kūrimo ir bandymo etapuose.

Daugiau nei 40 metų BC IPM sėkmingai sprendžia sudėtingas balistinio ir navigacinio palaikymo problemas valdant pilotuojamus erdvėlaivius „Vostok“, „Voskhod“, „Soyuz“, ilgalaikes orbitines stotis „Salyut“ ir „Mir“, krovininis erdvėlaivis „Progress“, daugkartinio naudojimo erdvėlaivis „Buran“, automatinis erdvėlaivis „Luna“, „Venus“, „Marsas“, „Vega“, „Phobos“, „Astron“, „Granat“, „Interball“ ir kt. šiuos darbus atlieka glaudžiai bendradarbiaudama su plėtros organizacijomis SC - RSC Energia, NPO im. S.A. Lavochkina su TsNIIMASH ir kt.

Vadovaudamasis M.V. įsakymais ir tradicijomis. Keldysh, IPM tęsia pažangius kosminio skrydžio mechanikos tyrimus. Pastaraisiais metais institutas kartu su NIIPMiE MAI atliko erdvėlaivių balistikos ir navigacijos tyrimus, naudodamas elektrinę raketų varomąją sistemą kaip varomąjį variklį. Institutas kartu su S. A. Lavočkino vardu pavadinta NPO, NIIPMiE MAI, GEOKHI ir IKI RAS parengė Saulės sistemos reliktinės medžiagos – mažo dangaus kūno, natūralaus Marso Fobo palydovo, dirvožemio mėginių pristatymo į Žemę projektą. (projektas „Phobos-Grunt“, paleidimas į Marsą 2009 m.). Projektas turi esminę mokslinę ir svarbią mokslinę ir techninę reikšmę. Projekte IPM išsprendė balistikos, navigacijos ir erdvėlaivių skrydžių valdymo problemas visuose skrydžio etapuose (15 pav.).

Ryžiai. 15. Erdvėlaivio Phobos-Grunt skrydžio schema

Projektas turi svarbią socialinę ir politinę reikšmę. Po 20 metų pertraukos mūsų erdvėlaivių skrydžiuose į Mėnulį ir planetas, sėkmingas tokio projekto įgyvendinimas atkurs šalies autoritetą planetų kosmoso tyrimuose.

Apibendrinant trumpą M.V. veiklos apžvalgą. Keldyshas kosminių skrydžių mechanikos srityje, galime pasakyti, kad jis įnešė išskirtinį indėlį į sovietų raketų ir kosmoso mokslo bei technologijų plėtrą, suteikdamas jam teisę užimti garbingą vietą jos istorijoje.

Žodis kosmosas yra žodžio Visata sinonimas. Erdvė dažnai kiek savavališkai skirstoma į artimąją erdvę, kurią šiuo metu galima tyrinėti pasitelkus dirbtinius Žemės palydovus, erdvėlaivius, tarpplanetines stotis ir kitas priemones, o tolimąją erdvę – visa kita, nepalyginamai didesnę. Tiesą sakant, artimoji erdvė reiškia Saulės sistemą, o tolima erdvė – didžiulius žvaigždžių ir galaktikų plotus.

Pažodinė žodžio „kosmonautika“ reikšmė, kuri yra dviejų graikiškų žodžių junginys – „plaukimas Visatoje“. Įprastoje vartosenoje šis žodis reiškia aibę įvairių mokslo ir technikos šakų, kurios atlieka kosmoso ir dangaus kūnų tyrimus ir plėtrą erdvėlaivių pagalba – dirbtinius palydovus, įvairios paskirties automatines stotis, pilotuojamus erdvėlaivius.

Kosmonautika arba, kaip kartais vadinama, astronautika, jungia skrydžius į kosmosą, mokslo ir technikos šakų rinkinį, kuris tarnauja kosmoso tyrinėjimui ir naudojimui žmonijos poreikiams, naudojant įvairias kosmoso priemones. Žmonijos kosminio amžiaus pradžia laikoma 1957 metų spalio 4 diena – data, kai Sovietų Sąjungoje buvo paleistas pirmasis dirbtinis Žemės palydovas.

Skrydžių į kosmosą teorija, sena žmonijos svajonė, tapo mokslu dėl didžiojo rusų mokslininko Konstantino Eduardovičiaus Ciolkovskio pagrindinių darbų. Jis išstudijavo pagrindinius raketų balistikos principus, pasiūlė skystos raketos variklio schemą ir nustatė dėsnius, nulemiančius variklio reaktyviąją jėgą. Taip pat buvo pasiūlytos erdvėlaivių schemos ir pateikti dabar praktikoje plačiai taikomi raketų projektavimo principai. Ilgą laiką, iki to momento, kai entuziastų ir mokslininkų idėjos, formulės ir brėžiniai ėmė virsti „metale“ projektavimo biuruose ir gamyklų dirbtuvėse gaminamais objektais, teoriniai astronautikos pagrindai rėmėsi ant trijų ramsčių: 1) teorijos. erdvėlaivio judėjimas; 2) raketų technologija; 3) astronominių žinių apie Visatą visuma. Vėliau astronautikos gelmėse atsirado daugybė naujų mokslo ir technikos disciplinų, tokių kaip kosminių objektų valdymo sistemų teorija, kosminė navigacija, kosminių ryšių ir informacijos perdavimo sistemų teorija, kosmoso biologija ir medicina ir kt. kad mums sunku įsivaizduoti astronautiką Be šių disciplinų pravartu prisiminti, kad teorinius astronautikos pagrindus padėjo K. E. Ciolkovskis tais laikais, kai buvo atlikti tik pirmieji radijo bangų panaudojimo eksperimentai, o radijas negalėjo. būti laikoma komunikacijos priemone erdvėje.

Daugelį metų signalizacija, naudojant saulės spindulius, atsispindinčius į Žemę iš veidrodžių, esančių tarpplanetiniame erdvėlaivyje, buvo rimtai vertinama kaip ryšio priemonė. Dabar, kai esame įpratę, kad mūsų nestebina nei tiesioginė televizijos transliacija iš Mėnulio paviršiaus, nei radijo nuotraukos, darytos netoli Jupiterio ar Veneros paviršiuje, sunku tuo patikėti. Todėl galima teigti, kad kosminių komunikacijų teorija, nepaisant visos savo svarbos, vis dar nėra pagrindinė kosmoso disciplinų grandinės grandis. Ši pagrindinė grandis yra erdvės objektų judėjimo teorija. Būtent tai galima laikyti skrydžio į kosmosą teorija. Patys su šiuo mokslu užsiimantys specialistai jį vadina skirtingai: taikomoji dangaus mechanika, dangaus balistika, kosmoso balistika, kosmodinamika, kosminių skrydžių mechanika, dirbtinių dangaus kūnų judėjimo teorija. Visi šie pavadinimai turi tą pačią reikšmę, tiksliai išreikštą paskutiniu terminu. Taigi kosmodinamika yra dangaus mechanikos dalis – mokslas, tiriantis bet kokių dangaus kūnų judėjimą – tiek natūralių (žvaigždės, Saulė, planetos, jų palydovai, kometos, meteoroidai, kosminės dulkės), tiek dirbtiniai (automatiniai erdvėlaiviai ir pilotuojami erdvėlaiviai). . Tačiau yra kažkas, kas skiria kosmodinamiką nuo dangaus mechanikos. Kosmodinamika, gimusi dangaus mechanikos krūtinėje, naudoja savo metodus, bet netelpa į savo tradicinius rėmus.

Esminis skirtumas tarp taikomosios dangaus mechanikos ir klasikinės mechanikos yra tas, kad antroji nenagrinėja ir negali pasirinkti dangaus kūnų orbitų, o pirmoji susijusi su atranka iš daugybės galimų trajektorijų, leidžiančių pasiekti tam tikrą dangaus kūną. tam tikra trajektorija, kurioje atsižvelgiama į daugybę, dažnai prieštaringų reikalavimų. Pagrindinis reikalavimas – minimalus greitis, iki kurio erdvėlaivis įsibėgėja pradinėje aktyviojoje skrydžio fazėje, ir atitinkamai minimali nešančiosios raketos arba orbitinės viršutinės pakopos masė (paleidžiant iš žemos Žemės orbitos). Tai užtikrina didžiausią naudingąją apkrovą, taigi ir didžiausią mokslinį skrydžio efektyvumą. Taip pat imami reikalavimai dėl valdymo patogumo, radijo ryšio sąlygų (pavyzdžiui, tuo momentu, kai stotis patenka į planetą skrisdama aplink ją), sąlygų moksliniams tyrimams (nusileidimo dieninėje ar naktinėje planetos pusėje) ir kt. Kosmodinamika suteikia kosmoso operacijų projektuotojams optimalaus perėjimo iš vienos orbitos į kitą metodus, trajektorijos koregavimo būdus. Jo regėjimo lauke yra orbitinis manevravimas, nežinomas klasikinei dangaus mechanikai. Kosmodinamika yra bendrosios skrydžio į kosmosą teorijos pagrindas (kaip aerodinamika yra skrydžio lėktuvų, malūnsparnių, dirižablių ir kitų orlaivių atmosferoje teorijos pagrindas). Kosmodinamika šį vaidmenį dalijasi su raketų dinamika – raketų judėjimo mokslu. Abu mokslai, glaudžiai persipynę, sudaro kosmoso technologijų pagrindą. Abu jie yra teorinės mechanikos, kuri pati yra atskira fizikos dalis. Būdama tikslusis mokslas, kosmodinamika naudoja matematinius tyrimo metodus ir reikalauja logiškai nuoseklios pateikimo sistemos. Ne veltui dangaus mechanikos pagrindus po didžiųjų Koperniko, Galilėjaus ir Keplerio atradimų sukūrė būtent tie mokslininkai, kurie įnešė didžiausią indėlį į matematikos ir mechanikos raidą. Tai buvo Niutonas, Eileris, Clairaut, d'Alembertas, Lagranžas, Laplasas. Ir šiuo metu matematika padeda išspręsti dangaus balistikos problemas ir, savo ruožtu, įgauna postūmį vystytis dėl kosmodinamikos jai keliamų užduočių.

Klasikinė dangaus mechanika buvo grynai teorinis mokslas. Jos išvadas nuosekliai patvirtino astronominių stebėjimų duomenys. Kosmodinamika įvedė eksperimentą į dangaus mechaniką, o dangaus mechanika pirmą kartą virto eksperimentiniu mokslu, šiuo požiūriu panašiu į, tarkime, tokią mechanikos šaką kaip aerodinamika. Nevalingai pasyvią klasikinės dangaus mechanikos prigimtį pakeitė aktyvi, įžeidžianti dangaus balistikos dvasia. Kiekvienas naujas astronautikos pasiekimas kartu yra kosmodinamikos metodų efektyvumo ir tikslumo įrodymas. Kosmodinamika skirstoma į dvi dalis: erdvėlaivio masės centro judėjimo teoriją (kosminių trajektorijų teoriją) ir erdvėlaivio judėjimo masės centro atžvilgiu teoriją ("sukimosi judėjimo" teoriją).

Raketų varikliai

Pagrindinė ir beveik vienintelė transporto priemonė kosmose yra raketa, kurią tam 1903 metais pirmą kartą pasiūlė K. E. Ciolkovskis. Raketos varymo dėsniai yra vienas iš kertinių kosminio skrydžio teorijos akmenų.

Kosmonautika turi didelį raketų varymo sistemų arsenalą, pagrįstą įvairių rūšių energijos naudojimu. Bet visais atvejais raketinis variklis atlieka tą pačią užduotį: vienaip ar kitaip išsviedžia iš raketos tam tikrą masę, kurios rezervas (vadinamasis darbinis skystis) yra raketos viduje. Iš raketos išmestą masę veikia tam tikra jėga, o pagal trečiąjį Niutono mechanikos dėsnį – veiksmo ir reakcijos lygybės dėsnį – ta pati jėga, tik priešinga kryptimi, iš išmestos masės veikia raketą. Ši paskutinė jėga, kuri varo raketą, vadinama trauka. Intuityviai aišku, kad traukos jėga turi būti didesnė, tuo didesnė masė per laiko vienetą išmetama iš raketos ir tuo didesnis greitis gali būti perduotas išmestai masei.

Paprasčiausia raketos konstrukcijos schema:

Šiame mokslo ir technologijų vystymosi etape yra raketų varikliai, pagrįsti skirtingais veikimo principais.

Termocheminiai raketiniai varikliai.

Termocheminių (arba tiesiog cheminių) variklių veikimo principas nesudėtingas: vykstant cheminei reakcijai (dažniausiai degimo reakcijai) išsiskiria didelis šilumos kiekis ir iki aukštos temperatūros įkaitinti reakcijos produktai, greitai besiplečiantys, yra. dideliu greičiu išmestas iš raketos. Cheminiai varikliai priklauso platesnei šiluminių (šilumos mainų) variklių klasei, iš kurių darbinis skystis išteka dėl jo plėtimosi kaitinant. Tokiems varikliams išmetamųjų dujų greitis daugiausia priklauso nuo besiplečiančių dujų temperatūros ir nuo jų vidutinės molekulinės masės: kuo aukštesnė temperatūra ir kuo mažesnė molekulinė masė, tuo didesnis išmetamųjų dujų greitis. Šiuo principu veikia skysto kuro raketų varikliai, kietojo kuro raketiniai varikliai ir oru kvėpuojantys varikliai.

Branduoliniai šiluminiai varikliai.

Šių variklių veikimo principas beveik nesiskiria nuo cheminių variklių veikimo principo. Skirtumas tas, kad darbinis skystis įkaista ne dėl savo cheminės energijos, o dėl „pašalinės“ šilumos, išsiskiriančios intrabranduolinės reakcijos metu. Remiantis šiuo principu, buvo suprojektuoti pulsuojantys branduoliniai šiluminiai varikliai, termobranduolinės sintezės ir radioaktyvaus izotopų skilimo pagrindu veikiantys branduoliniai šiluminiai varikliai. Tačiau dėl atmosferos radioaktyviosios taršos pavojaus ir susitarimo nutraukti branduolinius bandymus atmosferoje, kosmose ir po vandeniu sudarymas minėtų projektų finansavimas buvo nutrauktas.

Šilumos varikliai su išoriniu energijos šaltiniu.

Jų veikimo principas pagrįstas energijos gavimu iš išorės. Šiuo principu suprojektuotas saulės šiluminis variklis, kurio energijos šaltinis yra Saulė. Saulės spinduliai, koncentruoti veidrodžių, naudojami tiesiogiai šildyti darbinį skystį.

Elektriniai raketų varikliai.

Ši plati variklių klasė apjungia įvairių tipų variklius, kurie šiuo metu yra labai intensyviai kuriami. Darbinis skystis pagreitinamas iki tam tikro išmetimo greičio naudojant elektros energiją. Energija gaunama iš atominės ar saulės elektrinės, esančios erdvėlaivyje (iš esmės net iš cheminės baterijos). Kuriamų elektros variklių konstrukcijos yra itin įvairios. Tai elektroterminiai varikliai, elektrostatiniai (joniniai) varikliai, elektromagnetiniai (plazminiai) varikliai, elektriniai varikliai su darbinio skysčio įsiurbimu iš viršutinių atmosferos sluoksnių.

Kosminės raketos

Šiuolaikinė kosminė raketa yra sudėtinga struktūra, susidedanti iš šimtų tūkstančių ir milijonų dalių, kurių kiekviena atlieka numatytą vaidmenį. Tačiau raketos pagreitinimo iki reikiamo greičio mechanikos požiūriu visą pradinę raketos masę galima suskirstyti į dvi dalis: 1) darbinio skysčio masę ir 2) galutinę masę, likusią po paleidimo. darbinio skysčio. Pastaroji dažnai vadinama „sausa“ mase, nes darbinis skystis daugeliu atvejų yra skystasis kuras. „Sausa“ raketos masė (arba, jei norite, „tuščia“ masė be darbinio skysčio) susideda iš konstrukcijos masės ir naudingojo krovinio masės. Konstrukcija turėtų būti suprantama ne tik kaip atraminė raketos konstrukcija, jos korpusas ir kt., bet ir varomoji sistema su visais jos mazgais, valdymo sistema, įskaitant valdiklius, navigacijos ir ryšio įrangą ir tt - vienu žodžiu, viskas, kas užtikrina normalų raketos skrydį. Naudingoji apkrova susideda iš mokslinės įrangos, radijo telemetrijos sistemos, į orbitą paleidžiamo erdvėlaivio korpuso, erdvėlaivio įgulos ir gyvybės palaikymo sistemos ir tt Naudingoji apkrova yra tai, be ko raketa gali atlikti normalų skrydį.

Raketos pagreitį palengvina tai, kad ištekėjus darbiniam skysčiui raketos masė mažėja, dėl to, esant pastoviai traukai, reaktyvusis pagreitis nuolat didėja. Bet, deja, raketa susideda ne tik iš vieno darbinio skysčio. Pasibaigus darbinio skysčio galiojimo laikui, išleisti bakai, perteklinės sviedinio dalys ir pan., pradeda apkrauti raketą savo svoriu, todėl sunku įsibėgėti. Kai kuriose vietose šias dalis patartina atskirti nuo raketos. Taip pastatyta raketa vadinama sudėtine raketa. Dažnai sudėtinė raketa susideda iš nepriklausomų raketų pakopų (dėl to iš atskirų pakopų galima pagaminti įvairias raketų sistemas), sujungtų nuosekliai. Tačiau galimas ir lygiagretus laiptelių sujungimas vienas šalia kito. Galiausiai yra kompozitinių raketų projektai, kuriuose paskutinė pakopa patenka į ankstesnę, kuri yra uždaryta ankstesnėje ir pan.; šiuo atveju pakopos turi bendrą variklį ir nebėra savarankiškos raketos. Reikšmingas pastarosios schemos trūkumas yra tas, kad atskyrus panaudotą etapą, reaktyvinis pagreitis smarkiai padidėja, nes variklis išlieka toks pat, todėl trauka nepasikeitė, o pagreitinta raketos masė smarkiai sumažėjo. Tai apsunkina raketų nukreipimo tikslumą ir kelia didesnius reikalavimus konstrukcijos stiprumui. Kai pakopos sujungiamos nuosekliai, naujai įjungta scena turi mažesnę trauką, o pagreitis staigiai nesikeičia. Kol veikia pirmasis etapas, likusius etapus ir tikrąją naudingąją apkrovą galime laikyti pirmosios pakopos naudingąja apkrova. Po pirmosios pakopos atskyrimo pradeda veikti antroji pakopa, kuri kartu su vėlesnėmis pakopomis ir faktine naudingąja apkrova sudaro nepriklausomą raketą („pirmoji subraketa“). Antroje pakopoje visos paskesnės pakopos kartu su tikra naudingąja apkrova atlieka savo naudingosios apkrovos vaidmenį ir tt Kiekviena antrinė raketa prideda savo idealų greitį prie esamo greičio ir dėl to galutinis idealus greitis daugiapakopė raketa yra idealių atskiros antrinės raketos greičių suma.

Raketa yra labai „brangi“ transporto priemonė. Erdvėlaivių nešančiosios raketos daugiausia „gabena“ kurą, reikalingą jų varikliams ir jų pačių struktūrai, kurią daugiausia sudaro kuro talpyklos ir varomoji sistema, valdyti. Naudingoji apkrova sudaro tik nedidelę dalį (1,5–2,0 %) raketos paleidimo masės.

Sudėtinė raketa leidžia efektyviau panaudoti išteklius dėl to, kad skrydžio metu yra atskiriama pakopa, išeikvojusi kurą, o likęs raketos kuras nėra eikvojamas greitinant panaudotos pakopos projektavimą, kuris tapo nebūtina tęsti skrydį.

Raketos konfigūracijos parinktys. Iš kairės į dešinę:

1. Vienpakopė raketa.
2. Dviejų pakopų skerspjūvio raketa.
3. Dviejų pakopų raketa su išilginiu atskyrimu.
4. Raketa su išoriniais degalų bakais, kurie atskiriami juose esantį kurą išeikvojus.

Struktūriškai daugiapakopės raketos gaminamos su skersiniu arba išilginiu pakopų atskyrimu.

Esant skersiniam atskyrimui, pakopos dedamos viena virš kitos ir veikia nuosekliai viena po kitos, įjungiamos tik atskyrus ankstesnį etapą. Ši schema leidžia iš esmės kurti sistemas su bet kokiu etapų skaičiumi. Jo trūkumas yra tas, kad vėlesnių etapų resursai negali būti naudojami ankstesnio etapo darbe, nes tai yra pasyvi apkrova.

Esant išilginiam atskyrimui, pirmąją pakopą sudaro kelios identiškos raketos (praktiškai nuo dviejų iki aštuonių), išdėstytų simetriškai aplink antrosios pakopos korpusą taip, kad susidariusios pirmosios pakopos variklių traukos jėgos būtų nukreiptos išilgai simetrijos ašies. antrosios ir veikia vienu metu. Ši schema leidžia antrosios pakopos varikliui veikti vienu metu su pirmosios varikliais, taip padidinant bendrą trauką, o tai ypač reikalinga eksploatuojant pirmąjį etapą, kai raketos masė yra maksimali. Tačiau raketa su išilginiu pakopų atskyrimu gali būti tik dviejų pakopų.

Taip pat yra kombinuota atskyrimo schema - išilginė-skersinė, kuri leidžia sujungti abiejų schemų privalumus, kai pirmasis etapas yra padalintas iš antrosios išilgai, o visų tolesnių etapų atskyrimas vyksta skersai. Tokio požiūrio pavyzdys yra vietinė nešėja Sojuz.

„Space Shuttle“ turi unikalią dviejų pakopų išilgai atskirtos raketos konstrukciją, kurios pirmoji pakopa susideda iš dviejų šonuose sumontuotų kietojo kuro stiprintuvų, dalis kuro yra orbitinėse talpyklose (daugkartinio naudojimo erdvėlaivyje). pati), o didžioji jo dalis yra nuimamame išoriniame degalų bake. Pirma, orbitos varomoji sistema sunaudoja degalus iš išorinio bako, o kai jis išsenka, išorinis bakas nustatomas iš naujo ir varikliai toliau dirba su degalais, esančiais orbitos bakuose. Ši konstrukcija leidžia maksimaliai išnaudoti orbitos varomąją sistemą, kuri veikia viso erdvėlaivio paleidimo į orbitą metu.

Skersai atskirtos pakopos viena su kita sujungiamos specialiomis sekcijomis – adapteriais – cilindrinės arba kūginės formos laikančiosiomis konstrukcijomis (priklausomai nuo pakopų skersmenų santykio), kurių kiekviena turi atlaikyti bendrą visų vėlesnių dalių svorį. etapai, padauginti iš didžiausios perkrovos, kurią patiria raketa visose atkarpose, kuriose šis adapteris yra raketos dalis, vertės. Su išilginiu padalijimu ant antrojo pakopos korpuso sukuriamos galios juostos (priekyje ir gale), prie kurių tvirtinami pirmos pakopos blokai.

Elementai, jungiantys kompozitinės raketos dalis, suteikia jai kieto kūno standumo, o atsiskyrus pakopos, jos turėtų beveik akimirksniu atlaisvinti viršutinę pakopą. Paprastai žingsniai sujungiami naudojant piroboltus. Piroboltas – tai tvirtinimo varžtas, kurio strype šalia galvutės sukuriama ertmė, užpildyta didelio sprogmens su elektriniu detonatoriumi. Kai elektros detonatorius veikia srovės impulsą, įvyksta sprogimas, kuris sunaikina varžto strypą ir nukrenta jo galvutė. Sprogmenų kiekis pirobolte kruopščiai dozuojamas taip, kad, viena vertus, jis garantuotai nuplėštų galvą, o iš kitos – nepažeistų raketos. Atskyrus pakopos, vienu metu į visų atskirtas dalis jungiančių pirovaržtų elektrinius detonatorius pavedamas srovės impulsas ir jungtis atlaisvinama.

Toliau laipteliai turi būti išdėstyti saugiu atstumu vienas nuo kito. (Užvedus aukštesnės pakopos variklį šalia žemesnio, gali perdegti jo degalų talpa ir įvykti likutinio kuro sprogimas, o tai sugadins viršutinę pakopą arba destabilizuos jos skrydį.) Atskiriant pakopos atmosferoje, aerodinaminė jėga Jiems atskirti gali būti naudojamas atvažiuojantis oro srautas, o atskiriant tuščioje vietoje kartais naudojami pagalbiniai maži kieto raketiniai varikliai.

Skystosiose raketose tie patys varikliai taip pat padeda „nusodinti“ kurą viršutinės pakopos bakuose: išjungus apatinės pakopos variklį, raketa skrenda pagal inerciją, laisvo kritimo būsenoje, o skystis. degalai bakuose yra pakabinami, o tai gali sukelti gedimą užvedant variklį. Pagalbiniai varikliai suteikia scenai nedidelį pagreitį, kurio įtakoje degalai „nusėda“ ant bakų dugno.

Žingsnių skaičiaus didinimas duoda teigiamą efektą tik iki tam tikros ribos. Kuo daugiau etapų, tuo didesnė bendra adapterių masė, taip pat variklių, veikiančių tik vienoje skrydžio dalyje, ir tam tikru momentu tolesnis etapų skaičiaus padidėjimas tampa neproduktyvus. Šiuolaikinėje raketų mokslo praktikoje daugiau nei keturi etapai, kaip taisyklė, nesudaromi.

Renkantis etapų skaičių, svarbūs ir patikimumo klausimai. Piroboltai ir pagalbiniai kietojo kuro raketų varikliai yra vienkartiniai elementai, kurių veikimo negalima patikrinti prieš paleidžiant raketą. Tuo tarpu sugedus tik vienam piroboltui, raketos skrydis gali būti nutrauktas avariniu būdu. Padidėjus vienkartinių elementų, kuriems netaikomas funkcinis bandymas, skaičius sumažina visos raketos patikimumą. Tai taip pat verčia dizainerius susilaikyti nuo per daug žingsnių.

Kosminiai greičiai

Nepaprastai svarbu pažymėti, kad raketos (o kartu ir viso erdvėlaivio) greitis aktyviojoje kelio dalyje, tai yra toje gana trumpoje atkarpoje, kol veikia raketos variklis, turi būti pasiektas labai, labai aukštas.

Protiškai pastatykime savo raketą į laisvą erdvę ir įjunkime jos variklį. Variklis sukūrė trauką, raketa gavo tam tikrą pagreitį ir pradėjo didinti greitį, judėdama tiesia linija (jei traukos jėga nekeičia krypties). Kokį greitį įgis raketa, kol jos masė sumažės nuo pradinės m 0 iki galutinės vertės m k? Jeigu darysime prielaidą, kad iš raketos ištekančios medžiagos greitis w yra pastovus (tai gana tiksliai stebima šiuolaikinėse raketose), tai raketa išvys greitį v, išreikštą Ciolkovskio formulė, kuris nustato greitį, kurį orlaivis išvysto veikiamas raketos variklio traukos, nepakitusios krypties, nesant visų kitų jėgų:

kur ln žymi natūralųjį, o log – dešimtainį logaritmą

Greitis, apskaičiuotas pagal Ciolkovskio formulę, apibūdina raketos energijos išteklius. Tai vadinama idealu. Matome, kad idealus greitis nepriklauso nuo antrojo darbinio skysčio masės suvartojimo, o priklauso tik nuo išmetimo greičio w ir nuo skaičiaus z = m 0 /m k, vadinamo masės santykiu arba Ciolkovskio skaičiumi.

Yra vadinamųjų kosminių greičių samprata: pirmasis, antrasis ir trečiasis. Pirmasis kosminis greitis – tai greitis, kuriuo iš Žemės paleistas kūnas (erdvėlaivis) gali tapti jo palydovu. Jei neatsižvelgsime į atmosferos įtaką, tada tiesiai virš jūros lygio pirmasis pabėgimo greitis yra 7,9 km/s ir mažėja didėjant atstumui nuo Žemės. 200 km aukštyje nuo Žemės jis yra 7,78 km/s. Praktiškai manoma, kad pirmasis pabėgimo greitis yra 8 km/s.

Kad įveiktų Žemės gravitaciją ir pavirstų, pavyzdžiui, Saulės palydovu ar pasiektų kokią nors kitą Saulės sistemos planetą, iš Žemės paleistas kūnas (erdvėlaivis) turi pasiekti antrą pabėgimo greitį, lygų. iki 11,2 km/s.

Kūnas (erdvėlaivis) turi turėti trečiąjį kosminį greitį Žemės paviršiuje tuo atveju, kai reikia, kad jis galėtų įveikti Žemės ir Saulės gravitaciją ir palikti Saulės sistemą. Trečiasis pabėgimo greitis laikomas 16,7 km/s.

Kosminiai greičiai yra milžiniški savo reikšme. Jie keliasdešimt kartų greitesni už garso greitį ore. Tik iš to aišku, su kokiomis sudėtingomis užduotimis susiduriama astronautikos srityje.

Kodėl kosminiai greičiai tokie milžiniški ir kodėl erdvėlaiviai nenukrenta į Žemę? Iš tiesų, tai keista: Saulė su savo milžiniškomis gravitacinėmis jėgomis laiko Žemę ir visas kitas Saulės sistemos planetas šalia savęs, neleisdama joms skristi į kosmosą. Atrodytų keista, kad Žemė laiko Mėnulį šalia savęs. Tarp visų kūnų yra traukos jėgos, bet planetos nenukrenta ant Saulės, nes juda, čia yra paslaptis.

Į Žemę krenta viskas: lietaus lašai, snaigės, nuo kalno krintantis akmuo ir nuo stalo nuvirtęs puodelis. O Mėnulis? Jis sukasi aplink Žemę. Jei ne gravitacijos jėgos, jis liestiniu būdu nuskristų į orbitą, o jei staiga sustotų, nukristų į Žemę. Mėnulis dėl Žemės gravitacijos nukrypsta nuo tiesaus kelio, visą laiką tarsi „krenta“ į Žemę.

Mėnulio judėjimas vyksta tam tikru lanku, ir tol, kol veiks gravitacija, Mėnulis nenukris į Žemę. Tas pats yra su Žeme - jei ji sustotų, ji nukristų į Saulę, bet tai neįvyks dėl tos pačios priežasties. Dviejų tipų judėjimas – vienas veikiamas gravitacijos, kitas – dėl inercijos – sumuojasi ir sukelia kreivinį judėjimą.

Visuotinės gravitacijos dėsnį, kuris palaiko Visatą pusiausvyroje, atrado anglų mokslininkas Isaacas Newtonas. Kai jis paskelbė savo atradimą, žmonės sakė, kad jis išprotėjo. Gravitacijos dėsnis lemia ne tik Mėnulio ir Žemės, bet ir visų Saulės sistemos dangaus kūnų, taip pat dirbtinių palydovų, orbitinių stočių ir tarpplanetinių erdvėlaivių judėjimą.

Keplerio dėsniai

Prieš svarstydami erdvėlaivių orbitas, panagrinėkime juos apibūdinančius Keplerio dėsnius.

Johannesas Kepleris turėjo grožio jausmą. Visą savo suaugusiojo gyvenimą jis bandė įrodyti, kad Saulės sistema yra kažkoks mistinis meno kūrinys. Iš pradžių jis bandė susieti jo struktūrą su penkiais taisyklingais klasikinės senovės graikų geometrijos daugiakampiais. (Taisyklingas daugiakampis yra trimatė figūra, kurios visi paviršiai yra vienodi taisyklingi daugiakampiai.) Keplerio laikais buvo žinomos šešios planetos, kurios, kaip manoma, yra ant besisukančių „kristalinių sferų“. Kepleris teigė, kad šios sferos yra išdėstytos taip, kad taisyklingi daugiakampiai tiksliai tilptų tarp gretimų sferų. Tarp dviejų išorinių sferų – Saturno ir Jupiterio – jis įdėjo į išorinę sferą įrašytą kubą, į kurį, savo ruožtu, yra įrašyta vidinė sfera; tarp Jupiterio ir Marso sferu - tetraedras (taisyklingasis tetraedras) ir pan. Šešios planetų sferos, tarp jų įrašyti penki taisyklingi daugiakampiai - atrodytų, kad pats tobulumas?

Deja, palyginęs savo modelį su stebimomis planetų orbitomis, Kepleris buvo priverstas pripažinti, kad tikrasis dangaus kūnų elgesys netelpa į jo išdėstytą harmoningą sistemą. Vienintelis šimtmečius išgyvenusio Keplerio jaunatviško impulso rezultatas buvo paties mokslininko pagamintas Saulės sistemos modelis, įteiktas kaip dovana jo globėjui kunigaikščiui Frederickui von Württemburg. Šiame gražiai atliktame metaliniame artefakte visos planetų orbitos sferos ir jose įrašyti taisyklingi daugiakampiai yra tuščiaviduriai tarpusavyje nesusisiekiantys indai, kurie švenčių dienomis turėjo būti pripildyti įvairiais gėrimais kunigaikščio svečiams pavaišinti.

Tik persikėlęs į Prahą ir tapęs garsaus danų astronomo Tycho Brahe asistentu, Kepleris susidūrė su idėjomis, kurios tikrai įamžino jo vardą mokslo metraščiuose. Tycho Brahe visą savo gyvenimą rinko astronominių stebėjimų duomenis ir sukaupė milžiniškus kiekius informacijos apie planetų judėjimą. Po jo mirties jie pateko į Keplerio nuosavybę. Šie įrašai, beje, tuo metu turėjo didelę komercinę vertę, nes pagal juos buvo galima sudaryti rafinuotus astrologinius horoskopus (šiandien mokslininkai nori tylėti apie šią ankstyvosios astronomijos skyrių).

Apdorojant Tycho Brahe stebėjimų rezultatus, Kepleris susidūrė su problema, kuri net ir naudojant šiuolaikinius kompiuterius kažkam gali pasirodyti sunkiai įveikiama, todėl Kepleris neturėjo kito pasirinkimo, kaip visus skaičiavimus atlikti rankomis. Žinoma, kaip ir dauguma to meto astronomų, Kepleris jau buvo susipažinęs su Koperniko heliocentrine sistema ir žinojo, kad Žemė sukasi aplink Saulę, ką įrodo aukščiau aprašytas Saulės sistemos modelis. Bet kaip tiksliai sukasi Žemė ir kitos planetos? Įsivaizduokime problemą taip: esate planetoje, kuri, pirma, sukasi aplink savo ašį, antra, sukasi aplink Saulę jums nežinoma orbita. Žvelgdami į dangų matome kitas planetas, kurios taip pat juda mums nežinomomis orbitomis. O užduotis – remiantis stebėjimų duomenimis, atliktais mūsų gaubliu, besisukančio aplink savo ašį aplink Saulę, nustatyti kitų planetų orbitų geometriją ir judėjimo greitį. Būtent tai Kepleriui galiausiai pavyko padaryti, o po to, remdamasis gautais rezultatais, jis išvedė tris savo dėsnius!

Pirmasis dėsnis apibūdina planetų orbitų trajektorijų geometriją: kiekviena Saulės sistemos planeta sukasi elipsėje, kurios viename iš židinių yra Saulė. Iš mokyklinio geometrijos kurso – elipsė yra plokštumos taškų rinkinys, atstumų, nuo kurių iki dviejų fiksuotų taškų – židinių – suma lygi konstantai. Arba kitaip – ​​įsivaizduokite kūgio šoninio paviršiaus atkarpą plokštuma, kuri yra kampu į pagrindą, o ne per pagrindą – tai irgi elipsė. Pirmasis Keplerio dėsnis teigia, kad planetų orbitos yra elipsės, kurių viename iš židinių yra Saulė. Orbitų ekscentriškumas (pailgėjimo laipsnis) ir jų atstumas nuo Saulės perihelyje (arčiausiai Saulės esančiame taške) ir apohelijoje (tolimiausiame taške) yra skirtingi visose planetose, tačiau visos elipsės orbitos turi vieną bendrą bruožą - Saulė yra viename iš dviejų elipsės židinių. Išanalizavęs Tycho Brahe stebėjimo duomenis, Kepleris padarė išvadą, kad planetų orbitos yra įdėtos elipsės. Iki jo to tiesiog nebuvo kilęs nė vienam astronomui.

Keplerio pirmojo dėsnio istorinės reikšmės negalima pervertinti. Prieš jį astronomai manė, kad planetos juda išskirtinai žiedinėmis orbitomis, o jei tai netilpo į stebėjimų rėmus, pagrindinis žiedinis judėjimas buvo papildytas mažais apskritimais, kuriuos planetos apibūdino aplink pagrindinės žiedinės orbitos taškus. Tai visų pirma buvo filosofinė pozicija, tam tikras nekintamas faktas, nekeliantis abejonių ar patikrinimų. Filosofai teigė, kad dangaus struktūra, skirtingai nei žemiškoji, yra tobula savo harmonijoje, o kadangi tobuliausios geometrinės figūros yra apskritimas ir sfera, tai reiškia, kad planetos juda ratu. Svarbiausia, kad, gavęs prieigą prie plačių Tycho Brahe stebėjimų duomenų, Johannesas Kepleris sugebėjo peržengti šį filosofinį prietarą, pamatęs, kad jis neatitinka faktų – lygiai taip pat, kaip Kopernikas išdrįso pašalinti Žemę iš centro. Visatos, susidūrusios su argumentais, kurie prieštarauja nuolatinėms geocentrinėms idėjoms, kurias taip pat sudarė „netinkamas planetų elgesys“ orbitose.

Antrasis dėsnis apibūdina planetų judėjimo aplink Saulę greičio kitimą: kiekviena planeta juda plokštuma, einančia per Saulės centrą, o vienodais laikotarpiais spindulio vektorius, jungiantis Saulę ir planetą, nusako vienodus plotus. . Kuo toliau planetos elipsinė orbita nukelia ją nuo Saulės, tuo lėčiau ji juda prie Saulės, tuo planeta juda greičiau. Dabar įsivaizduokite porą linijų atkarpų, jungiančių dvi planetos padėtis jos orbitoje su elipsės, kurioje yra Saulė, židiniu. Kartu su elipsės segmentu, esančiu tarp jų, jie sudaro sektorių, kurio plotas yra būtent „sritis, kurią atskiria tiesia linija“. Būtent apie tai kalba antrasis įstatymas. Kuo planeta arčiau Saulės, tuo segmentai trumpesni. Bet šiuo atveju, kad sektorius per vienodą laiką apimtų vienodą plotą, planeta savo orbita turi nukeliauti didesnį atstumą, vadinasi, didėja jos judėjimo greitis.

Pirmieji du dėsniai susiję su vienos planetos orbitinių trajektorijų specifika. Trečiasis Keplerio dėsnis leidžia palyginti planetų orbitas tarpusavyje: planetų sukimosi aplink Saulę periodų kvadratai yra susiję kaip planetų orbitų pusiau pagrindinių ašių kubai. Sakoma, kad kuo toliau planeta yra nuo Saulės, tuo ilgiau užtrunka pilnai apsisukti judant orbitoje ir atitinkamai ilgiau trunka „metai“ šioje planetoje. Šiandien žinome, kad tai lemia du veiksniai. Pirma, kuo toliau planeta yra nuo Saulės, tuo ilgesnis jos orbitos perimetras. Antra, didėjant atstumui nuo Saulės, mažėja ir linijinis planetos judėjimo greitis.

Savo įstatymuose Kepleris tiesiog konstatavo faktus, išstudijavęs ir apibendrinęs stebėjimų rezultatus. Jei būtum paklausęs, kas lėmė orbitų elipsiškumą ar sektorių plotų lygumą, jis tau nebūtų atsakęs. Tai tiesiog išplaukė iš jo analizės. Jei paklaustumėte jo apie planetų judėjimą orbitoje kitose žvaigždžių sistemose, jis taip pat neturėtų ką atsakyti. Jis turėtų pradėti viską iš naujo – kaupti stebėjimo duomenis, tada juos analizuoti ir bandyti nustatyti modelius. Tai yra, jis tiesiog neturėtų pagrindo manyti, kad kita planetų sistema paklūsta tiems patiems dėsniams kaip ir Saulės sistema.

Vienas didžiausių klasikinės Niutono mechanikos triumfų slypi būtent tame, kad ji suteikia esminį Keplerio dėsnių pagrindimą ir jų universalumą. Pasirodo, Keplerio dėsniai gali būti išvesti iš Niutono mechanikos dėsnių, Niutono visuotinės gravitacijos dėsnio ir kampinio momento išsaugojimo dėsnio atliekant griežtus matematinius skaičiavimus. Ir jei taip, galime būti tikri, kad Keplerio dėsniai vienodai taikomi bet kuriai planetų sistemai bet kurioje Visatoje. Astronomai, ieškantys naujų planetų sistemų erdvėje (ir nemažai jų jau buvo atrasta), karts nuo karto, kaip savaime suprantama, naudoja Keplerio lygtis tolimų planetų orbitų parametrams apskaičiuoti, nors negali jų tiesiogiai stebėti. .

Trečiasis Keplerio dėsnis suvaidino ir vaidina svarbų vaidmenį šiuolaikinėje kosmologijoje. Stebėdami tolimas galaktikas, astrofizikai aptinka silpnus signalus, kuriuos skleidžia vandenilio atomai, skriejantys labai tolimomis orbitomis nuo galaktikos centro – daug toliau, nei paprastai būna žvaigždės. Naudodami Doplerio efektą šios spinduliuotės spektre, mokslininkai nustato galaktikos disko vandenilio periferijos sukimosi greitį, o iš jų – visų galaktikų kampinius greičius. Mokslininko darbai, tvirtai nukreipę mus į teisingą mūsų saulės sistemos sandaros supratimą, ir šiandien, praėjus šimtmečiams po jo mirties, atlieka tokį svarbų vaidmenį tyrinėjant didžiulės Visatos sandarą.

Orbitos

Didelę reikšmę turi erdvėlaivių skrydžio trajektorijų apskaičiavimas, kuriame reikėtų siekti pagrindinio tikslo – maksimalaus energijos taupymo. Skaičiuojant erdvėlaivio skrydžio trajektoriją, būtina nustatyti palankiausią laiką ir, jei įmanoma, paleidimo vietą, atsižvelgti į aerodinaminius efektus, atsirandančius dėl įrenginio sąveikos su Žemės atmosfera paleidimo metu ir baigti, ir daug daugiau.

Daugelis šiuolaikinių erdvėlaivių, ypač turinčių įgulą, turi palyginti nedidelius įmontuotus raketų variklius, kurių pagrindinė paskirtis – būtinas orbitos koregavimas ir stabdymas tūpimo metu. Skaičiuojant skrydžio trajektoriją, reikia atsižvelgti į jos pokyčius, susijusius su koregavimu. Didžioji trajektorijos dalis (tiesą sakant, visa trajektorija, išskyrus jos aktyviąją dalį ir reguliavimo periodus) vykdoma išjungus variklius, bet, žinoma, veikiant dangaus kūnų gravitaciniams laukams.

Erdvėlaivio trajektorija vadinama orbita. Laisvo erdvėlaivio skrydžio metu, kai išjungiami jo lėktuvo reaktyviniai varikliai, judėjimas vyksta veikiant gravitacinėms jėgoms ir inercijai, o pagrindinė jėga yra Žemės gravitacija.

Jei Žemę laikysime griežtai sferine, o Žemės gravitacinio lauko veikimas yra vienintelė jėga, tai erdvėlaivio judėjimas paklūsta gerai žinomiems Keplerio dėsniams: jis vyksta nejudančioje (absoliučioje erdvėje) plokštumoje, einančioje pro šalį. Žemės centras – orbitos plokštuma; orbita turi elipsės arba apskritimo formą (ypatingas elipsės atvejis).

Orbitoms būdinga daugybė parametrų – dydžių sistema, kuri lemia dangaus kūno orbitos orientaciją erdvėje, jo dydį ir formą, taip pat padėtį dangaus kūno orbitoje tam tikru fiksuotu momentu. Netrikdomą orbitą, kuria kūnas juda pagal Keplerio dėsnius, lemia:

1. Orbitos polinkis (i)į atskaitos plokštumą; gali turėti vertes nuo 0° iki 180°. Pasvirimas yra mažesnis nei 90°, jei atrodo, kad kūnas juda prieš laikrodžio rodyklę stebėtojui šiauriniame ekliptikos ašigalyje arba šiauriniame dangaus ašigalyje, ir didesnis nei 90°, jei kūnas juda priešinga kryptimi. Taikant Saulės sistemą, Žemės orbitos plokštuma (ekliptikos plokštuma) paprastai pasirenkama dirbtiniams Žemės palydovams, Žemės pusiaujo plokštuma paprastai pasirenkama kaip atskaitos plokštuma Saulės sistemos planetų, atskaitos plokštuma dažniausiai pasirenkama atitinkamos planetos pusiaujo plokštuma.
2. Kylančiojo mazgo ilguma (Ω)– vienas iš pagrindinių orbitos elementų, naudojamas matematiškai apibūdinti orbitos formą ir jos orientaciją erdvėje. Apibrėžiamas taškas, kuriame orbita kerta pagrindinę plokštumą kryptimi iš pietų į šiaurę. Kūnų, besisukančių aplink Saulę, pagrindinė plokštuma yra ekliptika, o nulinis taškas yra pirmasis Avino taškas (vasaros lygiadienis).
3. Pagrindinė (-ios) ašis (-ės) yra pusė pagrindinės elipsės ašies. Astronomijoje jis apibūdina vidutinį dangaus kūno atstumą nuo židinio.
4. Ekscentriškumas- skaitinė kūgio pjūvio charakteristika. Ekscentriškumas yra nekintamas plokštumos judesių ir panašumo transformacijų atžvilgiu ir apibūdina orbitos „suspaudimą“.
5. Periapsio argumentas- apibrėžiamas kaip kampas tarp krypčių nuo traukos centro iki kylančio orbitos mazgo ir periapsės (palydovo orbitos taško, esančio arčiausiai traukimo centro), arba kampas tarp mazgų linijos ir orbitos linijos. apses. Skaičiuojama nuo traukos centro palydovo judėjimo kryptimi, dažniausiai pasirenkama 0°-360° diapazone. Didėjančiam ir mažėjančiam mazgui nustatyti pasirenkama tam tikra (vadinamoji bazinė) plokštuma, kurioje yra traukos centras. Kaip bazinė plokštuma dažniausiai naudojama ekliptinė plokštuma (planetų, kometų, asteroidų judėjimas aplink Saulę), planetos pusiaujo plokštuma (palydovų judėjimas aplink planetą) ir kt.
6. Vidutinė anomalija kūnui, judančiam netrikdoma orbita – jo vidutinio judėjimo ir laiko intervalo, praėjus periapsiui, sandauga. Taigi vidutinė anomalija yra kampinis atstumas nuo hipotetinio kūno, judančio pastoviu kampiniu greičiu, lygiu vidutiniam judėjimui, periapsės.

Yra įvairių tipų orbitos – pusiaujo (polinkis "i" = 0°), polinės (polinkis "i" = 90°), saulės sinchroninės orbitos (orbitos parametrai tokie, kad palydovas praskrieja per bet kurį žemės paviršiaus tašką maždaug tiek pat vietos saulės laiku), žemos orbitos (aukštis nuo 160 km iki 2000 km), vidutinės orbitos (aukštis nuo 2000 km iki 35786 km), geostacionarus (aukštis virš jūros lygio 35786 km), aukštas orbitinis (aukštis virš jūros lygio). nei 35786 km).