Космонавтика үнемі керемет жетістікке жетеді. Жердің жасанды серіктері үнемі әртүрлі қосымшаларды табуда. Жерге жақын орбитада астронавт болу үйреншікті жағдайға айналды. Бұл астронавтиканың негізгі формуласы Циолковский теңдеуісіз мүмкін емес еді.
Біздің заманымызда екі планетаны да, Күн жүйесінің басқа денелерін де (Венера, Марс, Юпитер, Уран, Жер, т.б.) және алыстағы объектілерді (астероидтар, басқа жүйелер мен галактикалар) зерттеу жалғасуда. Циолковскийдің денелерінің ғарыштық қозғалысының сипаттамалары туралы тұжырымдар астронавтиканың теориялық негіздерінің негізін қалады, бұл электрлік реактивті қозғалтқыштардың ондаған үлгілерін және өте қызықты механизмдерді, мысалы, күн желкенін ойлап табуға әкелді.
Ғарышты игерудің негізгі мәселелері
Ғылым мен техникадағы зерттеулер мен әзірлемелердің үш бағыты ғарышты игеру проблемалары ретінде анық анықталған:
- Жерді айналып ұшу немесе жасанды жерсеріктерді жасау.
- Айдағы рейстер.
- Планеталық ұшулар және Күн жүйесінің объектілеріне ұшулар.
Циолковскийдің реактивті қозғалысқа арналған теңдеуі адамзаттың осы салалардың әрқайсысында таңғажайып нәтижелерге қол жеткізуіне ықпал етті. Сондай-ақ, көптеген жаңа қолданбалы ғылымдар пайда болды: ғарыштық медицина және биология, ғарыш кемесіндегі тіршілікті қамтамасыз ету жүйелері, ғарыштық байланыс және т.б.
Астронавтикадағы жетістіктер
Бүгінгі таңда адамдардың көпшілігі үлкен жетістіктер туралы естіді: Айға бірінші рет қонды (АҚШ), бірінші жер серігі (КСРО) және т.б. Барлығы еститін ең танымал жетістіктерден басқа, көптеген басқалар бар. Атап айтқанда, КСРО мыналарға жатады:
- бірінші орбиталық станция;
- Айдың алғашқы ұшып өтуі және алыс жақтың суреттері;
- автоматтандырылған станцияның айына бірінші қонуы;
- көліктердің басқа планеталарға алғашқы рейсі;
- Венера мен Марсқа бірінші қону, т.б.
Көп адамдар КСРО-ның космонавтика саласындағы жетістіктерінің қаншалықты зор болғанын түсінбейді де. Бірдеңе болса, олар бірінші спутниктен әлдеқайда көп болды.
Бірақ АҚШ астронавтиканың дамуына кем емес үлес қосты. АҚШ-та өтті:
- Жер орбитасын (спутниктер мен спутниктік байланыс) ғылыми мақсаттар мен қолданбалар үшін пайдаланудағы барлық негізгі жетістіктер.
- Айға көптеген миссиялар, ұшатын қашықтықтан Марс, Юпитер, Венера және Меркурийді зерттеу.
- Орнатунөлдік гравитацияда жүргізілген ғылыми және медициналық эксперименттер.
Қазіргі уақытта басқа елдердің жетістіктері КСРО мен АҚШ-қа қарағанда нашар болғанымен, Қытай, Үндістан және Жапония 2000 жылдан кейінгі кезеңде ғарышты игеруге белсенді түрде қосылды.
Алайда астронавтиканың жетістіктері планетаның жоғарғы қабаттарымен және жоғары ғылыми теориялармен шектелмейді. Ол қарапайым өмірге де үлкен әсер етті. Ғарыштық зерттеулердің нәтижесінде біздің өмірімізге осындай заттар кірді: найзағай, велкро, тефлон, спутниктік байланыс, механикалық манипуляторлар, сымсыз құралдар, күн батареялары, жасанды жүрек және т.б. Ал гравитациялық тартылуды жеңуге көмектескен және ғылымда ғарыш тәжірибесінің пайда болуына ықпал еткен Циолковскийдің жылдамдық формуласы осының бәріне қол жеткізуге көмектесті.
"Космодинамика" термині
Циолковский теңдеуі космодинамиканың негізін құрады. Дегенмен, бұл терминді толығырақ түсіну керек. Әсіресе мағынасы жағынан оған жақын ұғымдар мәселесінде: астронавтика, аспан механикасы, астрономия т.б. Космонавтика грек тілінен аударғанда «Әлемде жүзу» деп аударылады. Әдеттегі жағдайда бұл термин ғарыш пен аспан денелерін зерттеуге мүмкіндік беретін барлық техникалық мүмкіндіктер мен ғылыми жетістіктердің массасын білдіреді.
Ғарышқа ұшу – адамзат ғасырлар бойы армандаған нәрсе. Бұл армандар теориядан ғылымға дейін шындыққа айналды және барлығы зымыран жылдамдығының Циолковский формуласының арқасында. Осы ұлы ғалымның еңбектерінен біз ғарыштану теориясының үште тұрғанын білемізтіректер:
- Ғарыш кемелерінің қозғалысын сипаттайтын теория.
- Электро-зымыран қозғалтқыштары және олардың өндірісі.
- Астрономиялық білім және Ғаламды зерттеу.
Бұған дейін атап өтілгендей, ғарыш дәуірінде көптеген басқа ғылыми-техникалық пәндер пайда болды, мысалы: ғарыш аппараттарын басқару жүйелері, ғарыштағы байланыс және деректерді беру жүйелері, ғарыштық навигация, ғарыштық медицина және т.б. Айта кету керек, астронавтиканың негізі қаланған кезде мұндай радио да болмаған. Электромагниттік толқындарды зерттеу және олардың көмегімен ақпаратты алыс қашықтыққа жіберу енді ғана басталды. Сондықтан теорияның негізін салушылар жарық сигналдарын – Жерге қарай шағылған күн сәулелерін деректерді беру тәсілі ретінде байыпты қарастырды. Бүгінгі таңда космонавтиканы барлық сабақтас қолданбалы ғылымдарсыз елестету мүмкін емес. Сонау сонау заманда біраз ғалымдардың қиялы шынында да ғажап еді. Байланыс әдістерінен басқа, олар көп сатылы зымыранға арналған Циолковский формуласы сияқты тақырыптарды қозғады.
Барлық әртүрліліктің ішінде негізгісі ретінде кез келген пәнді бөліп көрсетуге болады ма? Бұл ғарыштық денелердің қозғалысының теориясы. Ол басты буын ретінде қызмет етеді, онсыз астронавтика мүмкін емес. Бұл ғылым саласы космодинамика деп аталады. Оның көптеген ұқсас атаулары болғанымен: аспан немесе ғарыш баллистикасы, ғарыштық ұшу механикасы, қолданбалы аспан механикасы, жасанды аспан денелерінің қозғалысы туралы ғылым жәнет.б. Олардың барлығы бір зерттеу саласына жатады. Ресми түрде космодинамика аспан механикасына еніп, оның әдістерін қолданады, бірақ өте маңызды айырмашылық бар. Аспан механикасы тек орбиталарды зерттейді, оның таңдауы жоқ, бірақ космодинамика ғарыш аппараттары арқылы белгілі бір аспан денелеріне жетудің оңтайлы траекторияларын анықтауға арналған. Ал реактивті қозғалысқа арналған Циолковский теңдеуі кемелерге ұшу жолына қалай әсер ететінін дәл анықтауға мүмкіндік береді.
Космодинамика ғылым ретінде
К. Е. Циолковский формуланы шығарғаннан бері аспан денелерінің қозғалысы туралы ғылым космодинамика ретінде берік қалыптаса бастады. Ол ғарыш аппараттарына әртүрлі орбиталардың арасындағы оңтайлы ауысуды табу әдістерін қолдануға мүмкіндік береді, бұл орбиталық маневр деп аталады және аэродинамика атмосфералық ұшудың негізі сияқты ғарыштағы қозғалыс теориясының негізі болып табылады. Дегенмен, бұл мәселемен айналысатын жалғыз ғылым емес. Оған қоса, зымыран динамикасы да бар. Бұл ғылымдардың екеуі де заманауи ғарыштық технологиялардың берік негізін құрайды және екеуі де аспан механикасы бөліміне кіреді.
Космодинамика екі негізгі бөлімнен тұрады:
- Заттың кеңістіктегі инерция центрінің (массасының) қозғалысының теориясы немесе траекториялар теориясы.
- Ғарыштық дененің оның инерция центріне қатысты қозғалысының теориясы немесе айналу теориясы.
Циолковский теңдеуінің не екенін анықтау үшін механиканы, яғни Ньютон заңдарын жақсы білу керек.
Ньютонның бірінші заңы
Кез келген дене біркелкі және түзу сызықты қозғалады немесе оған әсер еткен сыртқы күштер оны осы күйді өзгертуге мәжбүрлегенше тыныштықта болады. Басқаша айтқанда, мұндай қозғалыстың жылдамдық векторы тұрақты болып қалады. Денелердің бұл әрекеті инерциялық қозғалыс деп те аталады.
Жылдамдық векторында кез келген өзгеріс орын алатын кез келген басқа жағдай денеде үдеу бар екенін білдіреді. Бұл жағдайда қызықты мысал - шеңбердегі материалдық нүктенің немесе орбитада кез келген жерсеріктің қозғалысы. Бұл жағдайда бірқалыпты қозғалыс болады, бірақ түзу сызықты емес, өйткені жылдамдық векторы үнемі бағытты өзгертеді, яғни үдеу нөлге тең емес. Жылдамдықтың бұл өзгерісін v2 / r формуласы арқылы есептеуге болады, мұндағы v – тұрақты жылдамдық және r – орбитаның радиусы. Бұл мысалдағы үдеу дене траекториясының кез келген нүктесіндегі шеңбердің ортасына бағытталады.
Заңның анықтамасына сүйенсек, материалдық нүктенің бағытын тек күш ғана өзгерте алады. Оның рөлінде (спутник жағдайында) планетаның тартылыс күші. Планеталар мен жұлдыздардың тартылуы, сіз оңай болжауға болатындай, жалпы космодинамикада және әсіресе Циолковский теңдеуін қолданғанда үлкен маңызға ие.
Ньютонның екінші заңы
Үдеу күшке тура пропорционал және дене массасына кері пропорционал. Немесе математикалық түрде: a=F / m, немесе жиірек - F=ma, мұндағы m - өлшемді білдіретін пропорционалдық коэффициентідене инерциясы үшін.
Кез келген зымыран массасы айнымалы дененің қозғалысы ретінде берілгендіктен, Циолковский теңдеуі уақыт бірлігінде өзгереді. Жерсеріктің планетаны айналып қозғалуының жоғарыда келтірілген мысалында оның массасын m біле отырып, оның орбитада айналу күшін оңай табуға болады, атап айтқанда: F=mv2/r. Бұл күш планетаның орталығына бағытталатыны анық.
Сұрақ туындайды: неліктен спутник планетаға түспейді? Ол құламайды, өйткені оның траекториясы планетаның бетімен қиылыспайды, өйткені табиғат оны күштің әрекеті бойынша қозғалуға мәжбүрлемейді, өйткені оған жылдамдық емес, тек үдеу векторы ғана бірге бағытталған.
Денеге әсер ететін күш пен оның массасы белгілі жағдайларда дененің үдеуін білуге болатынын да ескерген жөн. Және оған сәйкес математикалық әдістер бұл дененің қозғалатын жолын анықтайды. Мұнда біз космодинамика шешетін екі негізгі мәселеге келеміз:
- Ғарыш кемесінің қозғалысын басқару үшін пайдалануға болатын ашу күштері.
- Осы кемеге әсер ететін күштер белгілі болса, оның қозғалысын анықтаңыз.
Екінші мәселе аспан механикасына арналған классикалық сұрақ болса, біріншісі космодинамиканың ерекше рөлін көрсетеді. Сондықтан физиканың осы саласында реактивті қозғалыстың Циолковский формуласынан басқа, Ньютон механикасын түсіну өте маңызды.
Ньютонның үшінші заңы
Денеге әсер ететін күштің себебі әрқашан басқа дене. Бірақ рассонымен қатар керісінше. Бұл Ньютонның үшінші заңының мәні болып табылады, онда әрбір әрекет үшін шамасы тең, бірақ бағыты бойынша қарама-қарсы әрекет болады, реакция деп аталады. Басқаша айтқанда, егер А денесі В денесіне F күшімен әсер етсе, В денесі А денесіне -F күшімен әсер етеді.
Спутник пен планета мысалында Ньютонның үшінші заңы бізді планета қандай күшпен жер серігін тартатын болса, сол жер серігі планетаны тартады деген түсінікке әкеледі. Бұл тартымды күш спутникке жеделдету беруге жауапты. Бірақ ол сонымен қатар планетаға үдеу береді, бірақ оның массасы соншалық, жылдамдықтағы бұл өзгеріс ол үшін шамалы.
Циолковскийдің реактивті қозғалысқа арналған формуласы толығымен Ньютонның соңғы заңын түсінуге негізделген. Өйткені, зымыранның негізгі корпусы оның дұрыс бағытта қозғалуына мүмкіндік беретін үдеуді дәл лақтырылған газдар массасының арқасында алады.
Анықтамалық жүйелер туралы аз
Кез келген физикалық құбылыстарды қарастырғанда, анықтамалық жүйе сияқты тақырыпты қозғамау қиын. Ғарыш кемесінің қозғалысы, ғарыштағы кез келген басқа дене сияқты, әртүрлі координаттарда белгіленуі мүмкін. Қате анықтамалық жүйелер жоқ, тек ыңғайлырақ және азырақ. Мысалы, Күн жүйесіндегі денелердің қозғалысы гелиоцентрлік санақ жүйесінде, яғни Күнмен байланысты координаттарда жақсы сипатталады, оны коперниктік кадр деп те атайды. Дегенмен, бұл жүйедегі Айдың қозғалысын қарастыру ыңғайлы емес, сондықтан ол геоцентрлік координаттарда зерттеледі - санау салыстырмалыЖер, бұл Птолемей жүйесі деп аталады. Бірақ жақын жерде ұшатын астероид Айға соқтығысады ма деген сұрақ туындаса, гелиоцентрлік координаттарды қайтадан пайдалану ыңғайлырақ болады. Барлық координат жүйелерін пайдалана білу және мәселеге әртүрлі көзқараспен қарай білу маңызды.
Зымыран қозғалысы
Ғарыш кеңістігінде саяхаттаудың негізгі және жалғыз жолы – зымыран. Алғаш рет бұл принцип 1903 жылы Циолковский формуласымен Habr веб-сайтында айтылған. Содан бері астронавтика инженерлері әртүрлі энергия түрлерін пайдалана отырып, зымыран қозғалтқыштарының ондаған түрлерін ойлап тапты, бірақ олардың барлығы бір жұмыс принципімен біріктірілген: үдеу алу үшін массаның бір бөлігін жұмыс сұйықтығының қорынан шығару. Осы процестің нәтижесінде пайда болатын күшті тарту күші деп атайды. Міне, Циолковский теңдеуіне және оның негізгі түрінің туындысына келуге мүмкіндік беретін кейбір қорытындылар.
Уақыт бірлігінде зымыраннан лақтырылатын масса көлеміне және бұл массаның есеп бере алатын жылдамдығына байланысты тарту күші арта түсетіні анық. Осылайша, F=wq қатынасы алынады, мұндағы F – тарту күші, w – лақтырылған массаның жылдамдығы (м/с) және q – уақыт бірлігіне жұмсалған масса (кг/с). Зымыранның өзімен байланысты анықтамалық жүйенің маңыздылығын бөлек атап өткен жөн. Әйтпесе, егер бәрі Жерге немесе басқа денелерге қатысты өлшенсе, зымыран қозғалтқышының тарту күшін сипаттау мүмкін емес.
Зерттеулер мен эксперименттер F=wq қатынасы лақтырылатын масса сұйық немесе қатты дене болған жағдайда ғана жарамды болып қалатынын көрсетті. Бірақ зымырандар ыстық газ ағынын пайдаланады. Сондықтан арақатынасқа бірқатар түзетулер енгізу керек, содан кейін біз Sқатынасының қосымша терминін аламыз (pr - pa), ол түпнұсқаға қосылады wq. Мұнда pr – саптаманың шығуындағы газдың қысымы; pa - атмосфералық қысым, S - саптама ауданы. Осылайша, нақтыланған формула келесідей болады:
F=wq + Spr - Spa.
Мұнда зымыран көтерілген сайын атмосфералық қысым азайып, тарту күші артады. Дегенмен, физиктер ыңғайлы формулаларды жақсы көреді. Сондықтан, оның бастапқы түріне ұқсас формула жиі пайдаланылады F=weq, мұндағы we - массаның тиімді шығу жылдамдығы. Ол қозғалтқыш жүйесін сынау кезінде эксперименталды түрде анықталады және сандық түрде w + (Spr - Spa) / q. өрнекке тең.
we - ерекше күш импульсіне ұқсас тұжырымдаманы қарастырайық. Нақты бір нәрсеге қатысты дегенді білдіреді. Бұл жағдайда бұл Жердің тартылыс күші. Ол үшін жоғарыдағы формулада оң жағы g көбейтіліп, бөлінеді (9,81 м/с2):
F=weq=(we / g)qg немесе F=I ud qg
Бұл мән Isp Ns/кг немесе басқалармен өлшенедібірдей м/с. Басқаша айтқанда, меншікті күш импульсі жылдамдық бірліктерімен өлшенеді.
Циолковский формуласы
Оңай болжауға болатындай, қозғалтқыштың күшінен басқа, зымыранға көптеген басқа күштер әсер етеді: Жердің тартылуы, Күн жүйесіндегі басқа заттардың тартылуы, атмосфералық кедергі, жарық қысымы, Осы күштердің әрқайсысы зымыранға өз үдеуін береді, ал әрекеттен алынған жиынтық соңғы үдеуге әсер етеді. Сондықтан реактивті жылдамдықты немесе ar=Ft / M түсінігін енгізу ыңғайлы, мұндағы М – белгілі бір шамадағы зымыранның массасы. уақыт кезеңі. Реактивті жеделдету - бұл зымыранға әсер ететін сыртқы күштер болмаған кезде қозғалатын үдеу. Әлбетте, масса жұмсалған сайын, жеделдету артады. Сондықтан, тағы бір ыңғайлы сипаттама бар - ағынның бастапқы үдеуі ar0=FtM0, мұнда M 0 – зымыранның қозғалыс басындағы массасы.
Зымыран жұмыс органының массасының біраз бөлігін пайдаланғаннан кейін мұндай бос кеңістікте қандай жылдамдықпен дами алады деп сұрау қисынды болар еді. Зымыранның массасы m0-ден m1-ге өзгерсін. Содан кейін m1 кг мәніне дейінгі массаны біркелкі тұтынудан кейінгі ракетаның жылдамдығы мына формуламен анықталады:
V=wln(m0 / m1)
Бұл массасы айнымалы денелер қозғалысының формуласы немесе Циолковский теңдеуінен басқа ештеңе емес. Ол зымыранның энергетикалық ресурсын сипаттайды. Ал осы формула бойынша алынған жылдамдық идеал деп аталады. Жазуға боладыбұл формула басқа ұқсас нұсқада:
V=Iudln(m0 / m1)
Отынды есептеу үшін Циолковский формуласын қолдануды атап өткен жөн. Дәлірек айтқанда, Жер орбитасына белгілі бір салмақты әкелу үшін қажет зымыран тасығыштың массасы.
Соңында Мещерский сияқты ұлы ғалым туралы айту керек. Циолковскиймен бірге олар астронавтиканың атасы. Мещерский массасы өзгермелі заттардың қозғалысы теориясын құруға орасан зор үлес қосты. Атап айтқанда, Мещерский мен Циолковскийдің формуласы келесідей:
m(dv / dt) + u(дм / дт)=0, мұндағы v – материалдық нүктенің жылдамдығы, u – зымыранға қатысты лақтырылған массаның жылдамдығы. Бұл қатынас Мещерскийдің дифференциалдық теңдеуі деп те аталады, одан Циолковский формуласы материалдық нүкте үшін белгілі бір шешім ретінде алынады.
