Cosmonautics oppnår jevnlig forbløffende suksess. Jordens kunstige satellitter finner stadig flere og flere forskjellige bruksområder. Å være astronaut i bane nær jorden har blitt vanlig. Dette ville vært umulig uten hovedformelen for astronautikk - Tsiolkovsky-ligningen.
I vår tid fortsetter studiet av både planeter og andre kropper i vårt solsystem (Venus, Mars, Jupiter, Uranus, Jorden, etc.) og fjerne objekter (asteroider, andre systemer og galakser). Konklusjonene om egenskapene til den kosmiske bevegelsen til Tsiolkovskys kropper la grunnlaget for det teoretiske grunnlaget for astronautikk, som førte til oppfinnelsen av dusinvis av modeller av elektriske jetmotorer og ekstremt interessante mekanismer, for eksempel et solseil.
Hovedproblemer med romutforskning
Tre områder innen forskning og utvikling innen vitenskap og teknologi er tydelig identifisert som problemer med romutforskning:
- Flyver rundt jorden eller konstruerer kunstige satellitter.
- Måneflyvninger.
- Planetflyvninger og flyvninger til objektene i solsystemet.
Tsiolkovskys ligning for jetfremdrift har bidratt til at menneskeheten har oppnådd fantastiske resultater på hvert av disse områdene. Og også mange nye anvendte vitenskaper har dukket opp: rommedisin og biologi, livsstøttesystemer på et romfartøy, romkommunikasjon osv.
prestasjoner i astronautikk
De fleste i dag har hørt om store prestasjoner: den første landingen på månen (USA), den første satellitten (USSR) og lignende. I tillegg til de mest kjente prestasjonene som alle hører om, er det mange andre. Spesielt tilhører USSR:
- første orbitalstasjon;
- første forbiflyvning av månen og bilder av den andre siden;
- første landing på månen til en automatisert stasjon;
- første flyvninger med kjøretøy til andre planeter;
- første landing på Venus og Mars, osv.
Mange mennesker skjønner ikke engang hvor store prestasjoner Sovjetunionen oppnådde innen kosmonautikk. Om noe var de betydelig mer enn bare den første satellitten.
Men USA har ikke gitt mindre bidrag til utviklingen av astronautikk. I USA holdt:
- Alle store fremskritt i bruken av jordbane (satelitter og satellittkommunikasjon) for vitenskapelige formål og applikasjoner.
- Mange oppdrag til månen, utforskning av Mars, Jupiter, Venus og Merkur fra flybyavstander.
- Settvitenskapelige og medisinske eksperimenter utført i null tyngdekraft.
Og selv om prestasjonene til andre land for øyeblikket blekner sammenlignet med USSR og USA, ble Kina, India og Japan aktivt med i utforskningen av verdensrommet i perioden etter 2000.
Men prestasjonene til astronautikk er ikke begrenset til de øvre lagene av planeten og høye vitenskapelige teorier. Hun hadde også stor innflytelse på det enkle livet. Som et resultat av romutforskning har slike ting kommet inn i livene våre: lyn, borrelås, teflon, satellittkommunikasjon, mekaniske manipulatorer, trådløse verktøy, solcellepaneler, et kunstig hjerte og mye mer. Og det var Tsiolkovskys hastighetsformel, som bidro til å overvinne gravitasjonsattraksjon og bidro til fremveksten av rompraksis i vitenskapen, som bidro til å oppnå alt dette.
Begrepet "kosmodynamikk"
Tsiolkovskys ligning dannet grunnlaget for kosmodynamikken. Imidlertid bør dette begrepet forstås mer detaljert. Spesielt når det gjelder begreper nær det i betydning: astronautikk, himmelmekanikk, astronomi, etc. Kosmonautikk er oversatt fra gresk som "svømming i universet." I det vanlige tilfellet refererer dette begrepet til massen av alle tekniske evner og vitenskapelige prestasjoner som tillater studier av rom og himmellegemer.
Romflyvninger er det menneskeheten har drømt om i århundrer. Og disse drømmene ble til virkelighet, fra teori til vitenskap, og alt takket være Tsiolkovsky-formelen for raketthastighet. Fra verkene til denne store vitenskapsmannen vet vi at teorien om astronautikk står på tresøyler:
- Teori som beskriver romfartøyets bevegelse.
- Elektrokrakettmotorer og deres produksjon.
- Astronomisk kunnskap og utforskning av universet.
Som tidligere nevnt, dukket det opp mange andre vitenskapelige og tekniske disipliner i romalderen, for eksempel: romfartøykontrollsystemer, kommunikasjons- og dataoverføringssystemer i verdensrommet, romnavigasjon, rommedisin og mye mer. Det er verdt å merke seg at på tidspunktet for fødselen av grunnlaget for astronautikk, var det ikke engang en radio som sådan. Studiet av elektromagnetiske bølger og overføring av informasjon over lange avstander med deres hjelp var så vidt i gang. Derfor vurderte grunnleggerne av teorien seriøst lyssignaler – solens stråler reflektert mot jorden – som en måte å overføre data på. I dag er det umulig å forestille seg kosmonautikk uten alle relaterte anvendte vitenskaper. I disse fjerne tider var fantasien til en rekke forskere virkelig fantastisk. I tillegg til kommunikasjonsmetoder kom de også inn på temaer som Tsiolkovsky-formelen for en flertrinnsrakett.
Er det mulig å skille ut hvilken som helst disiplin som den viktigste blant alle variantene? Det er teorien om bevegelse av kosmiske legemer. Det er hun som fungerer som hovedleddet, uten hvilken astronautikk er umulig. Dette området av vitenskap kalles kosmodynamikk. Selv om den har mange identiske navn: himmel- eller romballistikk, romfluktmekanikk, anvendt himmelmekanikk, vitenskapen om bevegelse av kunstige himmellegemer ogosv. De refererer alle til samme studieretning. Formelt sett går kosmodynamikken inn i himmelmekanikken og bruker dens metoder, men det er en ekstremt viktig forskjell. Himmelmekanikk studerer bare baner; den har ikke noe valg, men kosmodynamikk er designet for å bestemme de optimale banene for å nå visse himmellegemer med romfartøy. Og Tsiolkovsky-ligningen for jetfremdrift lar skip bestemme nøyaktig hvordan de kan påvirke flyveien.
Cosmodynamics as a science
Siden K. E. Tsiolkovsky utledet formelen, har vitenskapen om bevegelsen til himmellegemer tatt form som kosmodynamikk. Den lar romfartøyer bruke metoder for å finne den optimale overgangen mellom ulike baner, som kalles orbital manøvrering, og er grunnlaget for teorien om bevegelse i rommet, akkurat som aerodynamikk er grunnlaget for atmosfærisk flukt. Det er imidlertid ikke den eneste vitenskapen som omhandler dette problemet. I tillegg til det er det også rakettdynamikk. Begge disse vitenskapene danner et solid grunnlag for moderne romteknologi, og begge er inkludert i delen av himmelmekanikk.
Cosmodynamics består av to hovedseksjoner:
- Teorien om bevegelsen av treghetssenteret (massen) til et objekt i rommet, eller teorien om baner.
- Teorien om bevegelsen til et kosmisk legeme i forhold til dets treghetssenter, eller teorien om rotasjon.
For å finne ut hva Tsiolkovsky-ligningen er, må du ha en god forståelse av mekanikk, det vil si Newtons lover.
Newtons første lov
Enhver kropp beveger seg jevnt og rettlinjet eller er i ro til ytre krefter påført den tvinger den til å endre denne tilstanden. Med andre ord forblir hastighetsvektoren for en slik bevegelse konstant. Denne oppførselen til kropper kalles også treghetsbevegelse.
Alle andre tilfeller der en endring i hastighetsvektoren oppstår betyr at kroppen har akselerasjon. Et interessant eksempel i dette tilfellet er bevegelsen av et materialpunkt i en sirkel eller en hvilken som helst satellitt i bane. I dette tilfellet er det jevn bevegelse, men ikke rettlinjet, fordi hastighetsvektoren hele tiden endrer retning, noe som betyr at akselerasjonen ikke er lik null. Denne hastighetsendringen kan beregnes ved hjelp av formelen v2 / r, hvor v er konstant hastighet og r er radius til banen. Akselerasjonen i dette eksemplet vil bli rettet til sentrum av sirkelen på et hvilket som helst punkt i kroppens bane.
Basert på definisjonen av loven, er det kun kraft som kan forårsake en endring i retningen til et materiell punkt. I sin rolle (for tilfellet med en satellitt) er planetens tyngdekraft. Tiltrekningen av planeter og stjerner, som du lett kan gjette, er av stor betydning i kosmodynamikk generelt og ved bruk av Tsiolkovsky-ligningen spesielt.
Newtons andre lov
Akselerasjon er direkte proporsjonal med kraft og omvendt proporsjonal med kroppsmasse. Eller i matematisk form: a=F / m, eller mer vanlig - F=ma, der m er proporsjonalitetsfaktoren, som representerer måletfor treghet i kroppen.
Siden enhver rakett er representert som bevegelsen til et legeme med variabel masse, vil Tsiolkovsky-ligningen endre hver tidsenhet. I eksemplet ovenfor på en satellitt som beveger seg rundt planeten og kjenner massen m, kan du enkelt finne ut kraften som den roterer under i bane, nemlig: F=mv2/r. Det er klart at denne kraften vil bli rettet mot planetens sentrum.
Spørsmålet oppstår: hvorfor faller ikke satellitten på planeten? Den faller ikke, siden dens bane ikke skjærer overflaten til planeten, fordi naturen ikke tvinger den til å bevege seg langs kraftens virkning, fordi bare akselerasjonsvektoren er medrettet til den, og ikke hastigheten.
Det skal også bemerkes at under forhold hvor kraften som virker på kroppen og dens masse er kjent, er det mulig å finne ut akselerasjonen til kroppen. Og ifølge den bestemmer matematiske metoder banen som denne kroppen beveger seg langs. Her kommer vi til to hovedproblemer som kosmodynamikken håndterer:
- Avslørende krefter som kan brukes til å manipulere bevegelsen til et romskip.
- Fest bevegelsen til dette skipet hvis kreftene som virker på det er kjent.
Det andre problemet er et klassisk spørsmål for himmelmekanikk, mens det første viser kosmodynamikkens eksepsjonelle rolle. Derfor, i dette området av fysikk, i tillegg til Tsiolkovsky-formelen for jetfremdrift, er det ekstremt viktig å forstå newtonsk mekanikk.
Newtons tredje lov
Årsaken til en kraft som virker på en kropp er alltid en annen kropp. Men santogså det motsatte. Dette er essensen av Newtons tredje lov, som sier at for hver handling er det en handling som er like stor, men motsatt i retning, k alt reaksjon. Med andre ord, hvis kropp A virker med kraft F på kropp B, så virker kropp B på kropp A med kraft -F.
I eksemplet med en satellitt og en planet, leder Newtons tredje lov oss til forståelsen av at med hvilken kraft planeten tiltrekker seg satellitten, tiltrekker den samme satellitten planeten. Denne attraktive kraften er ansvarlig for å gi akselerasjon til satellitten. Men det gir også akselerasjon til planeten, men massen er så stor at denne endringen i hastighet er ubetydelig for den.
Tsiolkovskys formel for jetfremdrift er fullstendig basert på forståelsen av Newtons siste lov. Tross alt er det nettopp på grunn av den utkastede massen av gasser at hoveddelen av raketten får akselerasjon, noe som gjør at den kan bevege seg i riktig retning.
Litt om referansesystemer
Når man vurderer fysiske fenomener, er det vanskelig å ikke berøre et slikt emne som en referanseramme. Bevegelsen til et romfartøy, som alle andre kropper i rommet, kan festes i forskjellige koordinater. Det er ingen feil referansesystemer, det er bare mer praktiske og mindre. For eksempel er bevegelsen av kropper i solsystemet best beskrevet i en heliosentrisk referanseramme, det vil si i koordinater knyttet til Solen, også k alt den kopernikanske rammen. Imidlertid er Månens bevegelse i dette systemet mindre praktisk å vurdere, så den studeres i geosentriske koordinater - tellingen er i forhold tilJorden, dette kalles det ptolemaiske systemet. Men hvis spørsmålet er om en asteroide som flyr i nærheten vil treffe Månen, vil det være mer praktisk å bruke heliosentriske koordinater igjen. Det er viktig å kunne bruke alle koordinatsystemer og kunne se på problemstillingen fra ulike synsvinkler.
Rocket movement
Den viktigste og eneste måten å reise i verdensrommet er en rakett. For første gang ble dette prinsippet uttrykt, ifølge Habr-nettstedet, av Tsiolkovsky-formelen i 1903. Siden den gang har astronautiske ingeniører oppfunnet dusinvis av typer rakettmotorer ved å bruke et bredt spekter av energityper, men de er alle forent av ett operasjonsprinsipp: å kaste ut en del av massen fra reservene til arbeidsvæsken for å oppnå akselerasjon. Kraften som genereres som et resultat av denne prosessen kalles trekkraften. Her er noen konklusjoner som vil tillate oss å komme til Tsiolkovsky-ligningen og utledningen av dens hovedform.
Selvsagt vil trekkraften øke avhengig av volumet masse som kastes ut fra raketten per tidsenhet og hastigheten som denne massen klarer å rapportere. Dermed oppnås relasjonen F=wq, der F er trekkraften, w er hastigheten til den kastede massen (m/s) og q er massen forbrukt per tidsenhet (kg/s). Det er verdt å merke seg separat viktigheten av referansesystemet knyttet spesifikt til selve raketten. Ellers er det umulig å karakterisere skyvekraften til en rakettmotor hvis alt måles i forhold til jorden eller andre kropper.
Forskning og eksperimenter har vist at forholdet F=wq forblir gyldig bare for tilfeller der den utstøpte massen er en væske eller et fast stoff. Men raketter bruker en stråle med varm gass. Derfor må det innføres en del korreksjoner i forholdet, og så får vi en tilleggsledd av forholdet S(pr - pa), som legges til den originale wq. Her er pr trykket som utøves av gassen ved dyseutgangen; pa er atmosfærisk trykk og S er dyseareal. Dermed vil den raffinerte formelen se slik ut:
F=wq + Spr - Spa.
Der du kan se at når raketten klatrer, vil atmosfærisk trykk bli mindre, og skyvekraften vil øke. Imidlertid elsker fysikere praktiske formler. Derfor brukes ofte en formel som ligner dens opprinnelige form F=weq, der we er den effektive masseutstrømningshastigheten. Den bestemmes eksperimentelt under testing av fremdriftssystemet og er numerisk lik uttrykket w + (Spr - Spa) / q.
La oss vurdere et konsept som er identisk med we - spesifikk skyveimpuls. Spesifikk betyr at det gjelder noe. I dette tilfellet er det til jordens tyngdekraft. For å gjøre dette, i formelen ovenfor, multipliseres høyresiden og divideres med g (9,81 m/s2):
F=weq=(we / g)qg eller F=I ud qg
Denne verdien er målt Isp i Ns/kg eller hva som helstsamme m/s. Med andre ord, den spesifikke skyveimpulsen måles i hastighetsenheter.
Tsiolkovskys formel
Som du lett kan gjette, i tillegg til skyvekraften til motoren, virker mange andre krefter på raketten: Jordens tiltrekning, tyngdekraften til andre objekter i solsystemet, atmosfærisk motstand, lett trykk, osv. Hver av disse kreftene gir sin egen akselerasjon til raketten, og totalen fra handlingen påvirker den endelige akselerasjonen. Derfor er det praktisk å introdusere begrepet jetakselerasjon eller ar=Ft / M, der M er massen til raketten i en viss periode. Jetakselerasjon er akselerasjonen som raketten vil bevege seg med i fravær av ytre krefter som virker på den. Åpenbart, ettersom massen er brukt, vil akselerasjonen øke. Derfor er det en annen praktisk karakteristikk - den innledende jetakselerasjonen ar0=FtM0, der M 0 er massen til raketten ved starten av bevegelsen.
Det ville være logisk å spørre hvilken hastighet en rakett er i stand til å utvikle i et så tomt rom etter at den har brukt opp en del av massen til arbeidskroppen. La massen til raketten endres fra m0 til m1. Da vil hastigheten til raketten etter ensartet masseforbruk opp til verdien m1 kg bestemmes av formelen:
V=wln(m0 / m1)
Dette er ikke annet enn formelen for bevegelsen til kropper med variabel masse eller Tsiolkovsky-ligningen. Det kjennetegner energiressursen til raketten. Og hastigheten oppnådd med denne formelen kalles ideell. Kan skrivesdenne formelen i en annen identisk versjon:
V=Iudln(m0 / m1)
Det er verdt å merke seg bruken av Tsiolkovsky-formelen for å beregne drivstoff. Mer presist, massen til bæreraketten, som vil være nødvendig for å bringe en viss vekt inn i jordens bane.
Til slutt skal det sies om en så stor vitenskapsmann som Meshchersky. Sammen med Tsiolkovsky er de astronautikkens forfedre. Meshchersky ga et stort bidrag til etableringen av teorien om bevegelse av objekter med variabel masse. Spesielt formelen til Meshchersky og Tsiolkovsky er som følger:
m(dv / dt) + u(dm / dt)=0, der v er hastigheten til materialpunktet, u er hastigheten til den kastede massen i forhold til raketten. Denne relasjonen kalles også Meshchersky-differensialligningen, deretter hentes Tsiolkovsky-formelen fra den som en spesiell løsning for et materialpunkt.
