Cosmonautics opnår jævnligt forbløffende succes. Jordens kunstige satellitter finder konstant flere og flere forskellige anvendelser. At være astronaut i kredsløb nær Jorden er blevet almindeligt. Dette ville have været umuligt uden astronautikkens hovedformel - Tsiolkovsky-ligningen.
I vores tid fortsætter undersøgelsen af både planeter og andre kroppe i vores solsystem (Venus, Mars, Jupiter, Uranus, Jorden osv.) og fjerne objekter (asteroider, andre systemer og galakser). Konklusionerne om egenskaberne ved den kosmiske bevægelse af Tsiolkovskys kroppe lagde grundlaget for det teoretiske grundlag for astronautikken, hvilket førte til opfindelsen af snesevis af modeller af elektriske jetmotorer og ekstremt interessante mekanismer, for eksempel et solsejl.
De vigtigste problemer med udforskning af rummet
Tre områder inden for forskning og udvikling inden for videnskab og teknologi er tydeligt identificeret som problemer med rumudforskning:
- Flyver jorden rundt eller konstruerer kunstige satellitter.
- Måneflyvninger.
- Planetflyvninger og flyvninger til objekterne i solsystemet.
Tsiolkovskys ligning for jetfremdrift har bidraget til, at menneskeheden har opnået fantastiske resultater på hvert af disse områder. Og også mange nye anvendte videnskaber er dukket op: rummedicin og biologi, livsstøttesystemer på et rumfartøj, rumkommunikation osv.
præstationer inden for astronautik
De fleste mennesker i dag har hørt om store præstationer: den første landing på månen (USA), den første satellit (USSR) og lignende. Ud over de mest berømte præstationer, som alle hører om, er der mange andre. Især USSR tilhører:
- første orbitalstation;
- første forbiflyvning af månen og billeder af den anden side;
- første landing på månen af en automatiseret station;
- første flyvninger med køretøjer til andre planeter;
- første landing på Venus og Mars osv.
Mange mennesker er ikke engang klar over, hvor store USSR's præstationer var inden for kosmonautik. Om noget var de væsentligt mere end blot den første satellit.
Men USA har ikke ydet mindre bidrag til udviklingen af astronautik. I USA afholdt:
- Alle større fremskridt i brugen af jordens kredsløb (satelliter og satellitkommunikation) til videnskabelige formål og applikationer.
- Mange missioner til Månen, udforskning af Mars, Jupiter, Venus og Merkur fra forbiflyvningsafstande.
- Sætvidenskabelige og medicinske eksperimenter udført i nul tyngdekraft.
Og selv om andre landes resultater i øjeblikket blegner i forhold til USSR og USA, men Kina, Indien og Japan deltog aktivt i udforskningen af rummet i perioden efter 2000.
Men astronautikkens resultater er ikke begrænset til de øverste lag af planeten og høje videnskabelige teorier. Hun havde også stor indflydelse på det enkle liv. Som et resultat af udforskning af rummet er sådanne ting kommet ind i vores liv: lyn, velcro, teflon, satellitkommunikation, mekaniske manipulatorer, trådløse værktøjer, solpaneler, et kunstigt hjerte og meget mere. Og det var Tsiolkovskys hastighedsformel, som hjalp med at overvinde tyngdekraftens tiltrækning og bidrog til fremkomsten af rumpraksis i videnskaben, der hjalp med at opnå alt dette.
Udtrykket "cosmodynamics"
Tsiolkovskys ligning dannede grundlaget for kosmodynamikken. Dette udtryk skal dog forstås mere detaljeret. Især i spørgsmålet om begreber tæt på det i betydning: astronautik, himmelmekanik, astronomi osv. Kosmonautik er oversat fra græsk som "svømning i universet". I det sædvanlige tilfælde refererer dette udtryk til massen af alle tekniske kapaciteter og videnskabelige resultater, der tillader studiet af rummet og himmellegemer.
Rumflyvninger er, hvad menneskeheden har drømt om i århundreder. Og disse drømme blev til virkelighed, fra teori til videnskab, og alt takket være Tsiolkovsky-formlen for rakethastighed. Fra denne store videnskabsmands værker ved vi, at teorien om astronautik står på tresøjler:
- Teori, der beskriver rumfartøjers bevægelse.
- Elektro-raketmotorer og deres produktion.
- Astronomisk viden og udforskning af universet.
Som tidligere nævnt dukkede mange andre videnskabelige og tekniske discipliner op i rumalderen, såsom: rumfartøjskontrolsystemer, kommunikations- og datatransmissionssystemer i rummet, rumnavigation, rummedicin og meget mere. Det er værd at bemærke, at på tidspunktet for fødslen af grundlaget for astronautik var der ikke engang en radio som sådan. Studiet af elektromagnetiske bølger og transmission af information over lange afstande med deres hjælp var lige begyndt. Derfor overvejede grundlæggerne af teorien seriøst lyssignaler - solens stråler reflekteret mod Jorden - som en måde at overføre data på. I dag er det umuligt at forestille sig kosmonautik uden alle de relaterede anvendte videnskaber. I disse fjerne tider var fantasien hos en række videnskabsmænd virkelig fantastisk. Ud over kommunikationsmetoder kom de også ind på emner som Tsiolkovsky-formlen for en flertrinsraket.
Er det muligt at udpege en hvilken som helst disciplin som den vigtigste blandt alle de forskellige? Det er teorien om bevægelse af kosmiske legemer. Det er hende, der tjener som hovedleddet, uden hvilken astronautik er umulig. Dette område af videnskab kaldes kosmodynamik. Selvom det har mange identiske navne: himmel- eller rumballistik, rumflyvningsmekanik, anvendt himmelmekanik, videnskaben om bevægelse af kunstige himmellegemer ogosv. De refererer alle til samme studieretning. Formelt går kosmodynamikken ind i den himmelske mekanik og bruger dens metoder, men der er en yderst vigtig forskel. Himmelmekanik studerer kun baner; den har intet valg, men kosmodynamikken er designet til at bestemme de optimale baner for at nå visse himmellegemer med rumfartøjer. Og Tsiolkovsky-ligningen for jetfremdrift gør det muligt for skibe at bestemme præcis, hvordan de kan påvirke flyvevejen.
Cosmodynamics as a science
Siden K. E. Tsiolkovsky udledte formlen, har videnskaben om himmellegemers bevægelse fast taget form som kosmodynamik. Det giver rumfartøjer mulighed for at bruge metoder til at finde den optimale overgang mellem forskellige baner, hvilket kaldes orbital manøvrering, og er grundlaget for teorien om bevægelse i rummet, ligesom aerodynamik er grundlaget for atmosfærisk flyvning. Det er dog ikke den eneste videnskab, der beskæftiger sig med dette problem. Ud over det er der også raketdynamik. Begge disse videnskaber danner et solidt fundament for moderne rumteknologi, og begge er inkluderet i sektionen af himmelmekanik.
Cosmodynamics består af to hovedsektioner:
- Teorien om bevægelsen af et objekts inerticenter (masse) i rummet, eller teorien om baner.
- Teorien om et kosmisk legemes bevægelse i forhold til dets inerticenter, eller teorien om rotation.
For at finde ud af, hvad Tsiolkovsky-ligningen er, skal du have en god forståelse af mekanik, det vil sige Newtons love.
Newtons første lov
Enhver krop bevæger sig ensartet og retlinet eller er i hvile, indtil ydre kræfter påført den tvinger den til at ændre denne tilstand. Med andre ord forbliver hastighedsvektoren for en sådan bevægelse konstant. Denne opførsel af kroppe kaldes også inertibevægelse.
Ethvert andet tilfælde, hvor enhver ændring i hastighedsvektoren forekommer, betyder, at kroppen har acceleration. Et interessant eksempel i dette tilfælde er bevægelsen af et materialepunkt i en cirkel eller enhver satellit i kredsløb. I dette tilfælde er der ensartet bevægelse, men ikke retlinet, fordi hastighedsvektoren hele tiden ændrer retning, hvilket betyder, at accelerationen ikke er lig med nul. Denne hastighedsændring kan beregnes ved hjælp af formlen v2 / r, hvor v er den konstante hastighed, og r er kredsløbets radius. Accelerationen i dette eksempel vil blive rettet mod midten af cirklen på ethvert punkt af kroppens bane.
Baseret på definitionen af loven er det kun kraft, der kan forårsage en ændring i retningen af et materielt punkt. I sin rolle (i tilfældet med en satellit) er planetens tyngdekraft. Tiltrækningen af planeter og stjerner, som du nemt kan gætte, er af stor betydning i kosmodynamikken generelt og ved brug af Tsiolkovsky-ligningen i særdeleshed.
Newtons anden lov
Acceleration er direkte proportional med kraft og omvendt proportional med kropsmasse. Eller i matematisk form: a=F / m, eller mere almindeligt - F=ma, hvor m er proportionalitetsfaktoren, som repræsenterer måletfor kropsinerti.
Da enhver raket er repræsenteret som bevægelsen af et legeme med en variabel masse, vil Tsiolkovsky-ligningen ændre hver tidsenhed. I ovenstående eksempel på en satellit, der bevæger sig rundt på planeten, ved at kende dens masse m, kan du nemt finde ud af den kraft, som den roterer under i kredsløb, nemlig: F=mv2/r. Denne kraft vil naturligvis blive rettet mod planetens centrum.
Spørgsmålet opstår: hvorfor falder satellitten ikke ned på planeten? Den falder ikke, da dens bane ikke skærer planetens overflade, fordi naturen ikke tvinger den til at bevæge sig langs kraftens virkning, fordi kun accelerationsvektoren er co-rettet til den, og ikke hastigheden.
Det skal også bemærkes, at under forhold, hvor kraften, der virker på kroppen og dens masse, er kendt, er det muligt at finde ud af kroppens acceleration. Og ifølge den bestemmer matematiske metoder den vej, hvormed denne krop bevæger sig. Her kommer vi til to hovedproblemer, som kosmodynamikken beskæftiger sig med:
- Afslørende kræfter, der kan bruges til at manipulere et rumskibs bevægelse.
- Bestem dette skibs bevægelse, hvis de kræfter, der virker på det, er kendt.
Det andet problem er et klassisk spørgsmål for himmelmekanik, mens det første viser kosmodynamikkens enestående rolle. Derfor er det på dette område af fysik, ud over Tsiolkovsky-formlen for jetfremdrift, ekstremt vigtigt at forstå newtonsk mekanik.
Newtons tredje lov
Årsagen til en kraft, der virker på en krop, er altid en anden krop. Men sandtogså det modsatte. Dette er essensen af Newtons tredje lov, som siger, at der for hver handling er en handling af samme størrelse, men modsat i retning, kaldet reaktion. Med andre ord, hvis krop A virker med kraft F på krop B, så virker krop B på krop A med kraft -F.
I eksemplet med en satellit og en planet fører Newtons tredje lov os til forståelsen af, at med hvilken kraft planeten tiltrækker satellitten, tiltrækker den samme satellit planeten. Denne tiltrækningskraft er ansvarlig for at give satellitten acceleration. Men det giver også planeten acceleration, men dens masse er så stor, at denne hastighedsændring er ubetydelig for den.
Tsiolkovskys formel for jetfremdrift er fuldstændig baseret på forståelsen af Newtons sidste lov. Det er jo netop på grund af den udstødte masse af gasser, at rakettens hovedlegeme får acceleration, som gør det muligt for den at bevæge sig i den rigtige retning.
Lidt om referencesystemer
Når man overvejer fysiske fænomener, er det svært ikke at berøre et sådant emne som referenceramme. Bevægelsen af et rumfartøj, som enhver anden krop i rummet, kan fastgøres i forskellige koordinater. Der er ingen forkerte referencesystemer, der er kun mere bekvemme og mindre. For eksempel er bevægelser af kroppe i solsystemet bedst beskrevet i en heliocentrisk referenceramme, det vil sige i koordinater forbundet med Solen, også kaldet den kopernikanske ramme. Månens bevægelse i dette system er dog mindre bekvem at overveje, så den studeres i geocentriske koordinater - tællingen er ift. Jorden, dette kaldes det ptolemæiske system. Men hvis spørgsmålet er, om en asteroide, der flyver i nærheden, vil ramme Månen, vil det være mere bekvemt at bruge heliocentriske koordinater igen. Det er vigtigt at kunne bruge alle koordinatsystemer og kunne se på problemet fra forskellige synsvinkler.
Raketbevægelse
Den vigtigste og eneste måde at rejse i det ydre rum er en raket. For første gang blev dette princip udtrykt, ifølge Habr-webstedet, af Tsiolkovsky-formlen i 1903. Siden da har astronautiske ingeniører opfundet snesevis af typer raketmotorer ved hjælp af en bred vifte af energityper, men de er alle forenet af et funktionsprincip: at udstøde en del af massen fra reserverne af arbejdsvæsken for at opnå acceleration. Den kraft, der genereres som et resultat af denne proces, kaldes trækkraften. Her er nogle konklusioner, der vil give os mulighed for at komme til Tsiolkovsky-ligningen og udledningen af dens hovedform.
Det er klart, at trækkraften vil stige afhængigt af mængden af masse, der kastes ud fra raketten pr. tidsenhed, og den hastighed, som denne masse formår at rapportere. Således opnås relationen F=wq, hvor F er trækkraften, w er hastigheden af den kastede masse (m/s) og q er den forbrugte masse pr. tidsenhed (kg/s). Det er værd at bemærke særskilt vigtigheden af referencesystemet, der specifikt er forbundet med selve raketten. Ellers er det umuligt at karakterisere trykkraften af en raketmotor, hvis alt måles i forhold til Jorden eller andre legemer.
Forskning og eksperimenter har vist, at forholdet F=wq kun forbliver gyldigt i tilfælde, hvor den udstødte masse er en væske eller et fast stof. Men raketter bruger en stråle af varm gas. Derfor skal der indføres en række rettelser i forholdet, og så får vi en ekstra led af forholdet S(pr - pa), som føjes til den originale wq. Her er pr det tryk, der udøves af gassen ved dyseudgangen; pa er atmosfærisk tryk, og S er dyseareal. Den raffinerede formel ville således se sådan ud:
F=wq + Spr - Spa.
Hvor du kan se, at når raketten klatrer, vil det atmosfæriske tryk blive mindre, og trykkraften vil stige. Men fysikere elsker praktiske formler. Derfor bruges ofte en formel svarende til dens oprindelige form F=weq, hvor we er den effektive masseudstrømningshastighed. Den bestemmes eksperimentelt under afprøvningen af fremdriftssystemet og er numerisk lig med udtrykket w + (Spr - Spa) / q.
Lad os overveje et koncept, der er identisk med we - specifik trykimpuls. Specifik betyder, at det vedrører noget. I dette tilfælde er det til jordens tyngdekraft. For at gøre dette, i ovenstående formel, ganges højre side og divideres med g (9,81 m/s2):
F=weq=(we / g)qg eller F=I ud qg
Denne værdi er målt Isp i Ns/kg eller hvad som helstsamme m/s. Med andre ord måles den specifikke trykimpuls i hastighedsenheder.
Tsiolkovskys formel
Som du nemt kan gætte, virker der udover motorens fremdrift mange andre kræfter på raketten: Jordens tiltrækning, tyngdekraften af andre objekter i solsystemet, atmosfærisk modstand, let tryk, osv. Hver af disse kræfter giver sin egen acceleration til raketten, og totalen fra handlingen påvirker den endelige acceleration. Derfor er det praktisk at introducere begrebet jetacceleration eller ar=Ft / M, hvor M er rakettens masse i en bestemt tidsrum. Jetacceleration er den acceleration, som raketten ville bevæge sig med i fravær af eksterne kræfter, der virker på den. Det er klart, når massen er brugt, vil accelerationen stige. Derfor er der en anden bekvem karakteristik - den indledende jetacceleration ar0=FtM0, hvor M 0 er rakettens masse ved starten af bevægelse.
Det ville være logisk at spørge, hvilken hastighed en raket er i stand til at udvikle i sådan et tomt rum, efter at den har brugt en vis mængde af massen af det arbejdende legeme. Lad massen af raketten ændre sig fra m0 til m1. Så vil rakettens hastighed efter ensartet masseforbrug op til værdien m1 kg blive bestemt af formlen:
V=wln(m0 / m1)
Dette er intet andet end formlen for bevægelse af legemer med variabel masse eller Tsiolkovsky-ligningen. Det karakteriserer rakettens energiressource. Og hastigheden opnået ved denne formel kaldes ideel. Kan skrivesdenne formel i en anden identisk version:
V=Iudln(m0 / m1)
Det er værd at bemærke brugen af Tsiolkovsky-formlen til beregning af brændstof. Mere præcist, massen af løfteraketten, som vil være påkrævet for at bringe en vis vægt ind i jordens kredsløb.
I sidste ende skal det siges om en så stor videnskabsmand som Meshchersky. Sammen med Tsiolkovsky er de astronautikkens forfædre. Meshchersky ydede et stort bidrag til skabelsen af teorien om bevægelse af objekter med variabel masse. Især er formlen for Meshchersky og Tsiolkovsky som følger:
m(dv / dt) + u(dm / dt)=0, hvor v er hastigheden af materialepunktet, u er hastigheden af den kastede masse i forhold til raketten. Denne relation kaldes også Meshchersky-differentialligningen, så fås Tsiolkovsky-formlen fra den som en bestemt løsning for et materielt punkt.
