Ang Cosmonautics ay regular na nakakamit ng nakamamanghang tagumpay. Ang mga artipisyal na satellite ng Earth ay patuloy na nakakahanap ng higit at mas magkakaibang mga aplikasyon. Ang pagiging isang astronaut sa malapit-Earth orbit ay naging karaniwan. Ito ay magiging imposible kung wala ang pangunahing formula ng astronautics - ang Tsiolkovsky equation.
Sa ating panahon, nagpapatuloy ang pag-aaral ng parehong mga planeta at iba pang mga katawan ng ating solar system (Venus, Mars, Jupiter, Uranus, Earth, atbp.) at malalayong bagay (asteroids, iba pang sistema at galaxy). Ang mga konklusyon tungkol sa mga katangian ng cosmic motion ng mga katawan ni Tsiolkovsky ay naglatag ng pundasyon para sa mga teoretikal na pundasyon ng astronautics, na humantong sa pag-imbento ng dose-dosenang mga modelo ng mga electric jet engine at lubhang kawili-wiling mga mekanismo, halimbawa, isang solar sail.
Mga pangunahing problema ng paggalugad sa kalawakan
Tatlong bahagi ng pananaliksik at pagpapaunlad sa agham at teknolohiya ang malinaw na kinilala bilang mga problema sa paggalugad sa kalawakan:
- Paglipad sa paligid ng Earth o paggawa ng mga artipisyal na satellite.
- Mga flight sa buwan.
- Planetary flight at flight papunta sa mga bagay ng solar system.
Tsiolkovsky's equation para sa jet propulsion ay nag-ambag sa katotohanan na ang sangkatauhan ay nakamit ang mga kamangha-manghang resulta sa bawat isa sa mga lugar na ito. At gayundin, maraming bagong aplikadong agham ang lumitaw: space medicine at biology, life support system sa isang spacecraft, space communications, atbp.
Mga nakamit sa astronautics
Narinig na ng karamihan sa mga tao ngayon ang mga malalaking tagumpay: ang unang landing sa buwan (USA), ang unang satellite (USSR) at iba pa. Bilang karagdagan sa mga pinakatanyag na tagumpay na naririnig ng lahat, marami pang iba. Sa partikular, ang USSR ay kabilang sa:
- unang orbital station;
- unang paglipad ng buwan at mga larawan sa malayong bahagi;
- unang landing sa buwan ng isang automated na istasyon;
- unang paglipad ng mga sasakyan sa ibang planeta;
- unang landing sa Venus at Mars, atbp.
Maraming tao ang hindi man lang nakakaalam kung gaano kahusay ang mga nagawa ng USSR sa larangan ng cosmonautics. Kung mayroon man, sila ay higit pa sa unang satellite.
Ngunit ang Estados Unidos ay gumawa ng hindi gaanong kontribusyon sa pag-unlad ng astronautics. Sa US gaganapin:
- Lahat ng malalaking pag-unlad sa paggamit ng Earth orbit (mga satellite at satellite communications) para sa mga layunin at aplikasyong siyentipiko.
- Maraming misyon sa Buwan, paggalugad ng Mars, Jupiter, Venus at Mercury mula sa mga flyby distance.
- Itakdasiyentipiko at medikal na mga eksperimento na isinagawa sa zero gravity.
At bagama't sa ngayon ay maputla ang mga nagawa ng ibang mga bansa kumpara sa USSR at USA, ngunit aktibong sumali ang China, India at Japan sa paggalugad ng kalawakan sa panahon pagkatapos ng 2000.
Gayunpaman, ang mga nakamit ng astronautics ay hindi limitado sa itaas na layer ng planeta at matataas na siyentipikong teorya. Malaki rin ang impluwensya niya sa simpleng buhay. Bilang resulta ng paggalugad sa kalawakan, ang mga ganitong bagay ay dumating sa ating buhay: kidlat, Velcro, Teflon, mga komunikasyon sa satellite, mga mekanikal na manipulator, mga wireless na tool, mga solar panel, isang artipisyal na puso, at marami pa. At ito ay ang velocity formula ni Tsiolkovsky, na tumulong sa pagtagumpayan ng gravitational attraction at nag-ambag sa paglitaw ng space practice sa science, na nakatulong na makamit ang lahat ng ito.
Ang terminong "cosmodynamics"
Tsiolkovsky's equation ang naging batayan ng cosmodynamics. Gayunpaman, ang terminong ito ay dapat na maunawaan nang mas detalyado. Lalo na sa usapin ng mga konseptong malapit dito sa kahulugan: astronautics, celestial mechanics, astronomy, atbp. Ang Cosmonautics ay isinalin mula sa Greek bilang "swimming in the Universe." Sa karaniwang kaso, ang terminong ito ay tumutukoy sa masa ng lahat ng teknikal na kakayahan at siyentipikong tagumpay na nagbibigay-daan sa pag-aaral ng kalawakan at celestial body.
Ang mga flight sa kalawakan ang pinangarap ng sangkatauhan sa loob ng maraming siglo. At ang mga pangarap na ito ay naging katotohanan, mula sa teorya hanggang sa agham, at lahat salamat sa formula ng Tsiolkovsky para sa bilis ng rocket. Mula sa mga gawa ng mahusay na siyentipikong ito, alam natin na ang teorya ng astronautics ay nakatayo sa tatlomga haligi:
- Teoryang naglalarawan sa paggalaw ng spacecraft.
- Mga electro-rocket engine at ang kanilang produksyon.
- Astronomical na kaalaman at paggalugad sa Uniberso.
Tulad ng naunang nabanggit, maraming iba pang mga siyentipiko at teknikal na disiplina ang lumitaw sa panahon ng kalawakan, tulad ng: mga sistema ng kontrol ng spacecraft, komunikasyon at mga sistema ng paghahatid ng data sa kalawakan, pag-navigate sa kalawakan, gamot sa kalawakan at marami pa. Kapansin-pansin na sa oras ng kapanganakan ng mga pundasyon ng astronautics, walang kahit isang radyo na tulad nito. Ang pag-aaral ng mga electromagnetic wave at ang paghahatid ng impormasyon sa malalayong distansya sa kanilang tulong ay nagsisimula pa lamang. Samakatuwid, ang mga tagapagtatag ng teorya ay seryosong isinasaalang-alang ang mga light signal - ang mga sinag ng araw na sumasalamin sa Earth - bilang isang paraan ng pagpapadala ng data. Sa ngayon, imposibleng isipin ang mga kosmonautika nang wala ang lahat ng kaugnay na agham. Sa mga panahong iyon, talagang kamangha-mangha ang imahinasyon ng maraming siyentipiko. Bilang karagdagan sa mga paraan ng komunikasyon, hinawakan din nila ang mga paksa tulad ng Tsiolkovsky formula para sa isang multi-stage na rocket.
Posible bang iisa ang anumang disiplina bilang pangunahing isa sa lahat ng iba't ibang uri? Ito ay ang teorya ng paggalaw ng mga cosmic na katawan. Siya ang nagsisilbing pangunahing link, kung wala ang mga astronautika ay imposible. Ang lugar na ito ng agham ay tinatawag na cosmodynamics. Bagama't marami itong magkaparehong pangalan: celestial o space ballistics, space flight mechanics, applied celestial mechanics, ang agham ng paggalaw ng mga artipisyal na celestial na katawan atatbp. Lahat sila ay tumutukoy sa parehong larangan ng pag-aaral. Sa pormal na paraan, ang cosmodynamics ay pumapasok sa celestial mechanics at ginagamit ang mga pamamaraan nito, ngunit mayroong isang napakahalagang pagkakaiba. Pinag-aaralan lang ng celestial mechanics ang mga orbit; wala itong pagpipilian, ngunit idinisenyo ang cosmodynamics upang matukoy ang pinakamainam na mga trajectory para maabot ang ilang celestial body sa pamamagitan ng spacecraft. At ang Tsiolkovsky equation para sa jet propulsion ay nagpapahintulot sa mga barko na matukoy nang eksakto kung paano nila maiimpluwensyahan ang landas ng paglipad.
Cosmodynamics bilang isang agham
Mula nang ihinuha ni K. E. Tsiolkovsky ang pormula, ang agham ng paggalaw ng mga celestial body ay matatag na nahugis bilang cosmodynamics. Pinapayagan nito ang spacecraft na gumamit ng mga pamamaraan upang mahanap ang pinakamainam na paglipat sa pagitan ng iba't ibang mga orbit, na tinatawag na orbital maneuvering, at ang batayan ng teorya ng paggalaw sa kalawakan, tulad ng aerodynamics ang batayan ng paglipad sa atmospera. Gayunpaman, hindi lamang ito ang agham na tumatalakay sa isyung ito. Bilang karagdagan dito, mayroon ding rocket dynamics. Pareho sa mga agham na ito ay bumubuo ng matibay na pundasyon para sa modernong teknolohiya sa kalawakan, at pareho silang kasama sa seksyon ng celestial mechanics.
Cosmodynamics ay binubuo ng dalawang pangunahing seksyon:
- Ang teorya ng paggalaw ng sentro ng inertia (mass) ng isang bagay sa kalawakan, o ang teorya ng mga tilapon.
- Ang teorya ng paggalaw ng isang cosmic body na may kaugnayan sa sentro ng inertia nito, o ang teorya ng pag-ikot.
Upang malaman kung ano ang Tsiolkovsky equation, kailangan mong magkaroon ng mahusay na pag-unawa sa mechanics, iyon ay, ang mga batas ni Newton.
unang batas ni Newton
Anumang katawan ay gumagalaw nang pare-pareho at rectilinearly o nasa pahinga hanggang sa puwersahin ito ng panlabas na puwersa na baguhin ang estadong ito. Sa madaling salita, ang velocity vector ng naturang paggalaw ay nananatiling pare-pareho. Ang pag-uugaling ito ng mga katawan ay tinatawag ding inertial motion.
Anumang iba pang kaso kung saan naganap ang anumang pagbabago sa velocity vector ay nangangahulugan na ang katawan ay may acceleration. Ang isang kagiliw-giliw na halimbawa sa kasong ito ay ang paggalaw ng isang materyal na punto sa isang bilog o anumang satellite sa orbit. Sa kasong ito, mayroong pare-parehong paggalaw, ngunit hindi rectilinear, dahil ang velocity vector ay patuloy na nagbabago ng direksyon, na nangangahulugan na ang acceleration ay hindi katumbas ng zero. Ang pagbabagong ito sa bilis ay maaaring kalkulahin gamit ang formula na v2 / r, kung saan ang v ay ang pare-parehong bilis at r ang radius ng orbit. Ang acceleration sa halimbawang ito ay ididirekta sa gitna ng bilog sa anumang punto ng trajectory ng katawan.
Batay sa kahulugan ng batas, puwersa lamang ang maaaring magdulot ng pagbabago sa direksyon ng isang materyal na punto. Sa papel nito (para sa kaso na may satellite) ay ang gravity ng planeta. Ang pagkahumaling ng mga planeta at bituin, gaya ng madali mong mahulaan, ay napakahalaga sa cosmodynamics sa pangkalahatan at kapag ginagamit ang Tsiolkovsky equation sa partikular.
pangalawang batas ni Newton
Ang acceleration ay direktang proporsyonal sa puwersa at inversely proportional sa body mass. O sa mathematical form: a=F / m, o mas karaniwan - F=ma, kung saan ang m ay ang proportionality factor, na kumakatawan sa sukatpara sa body inertia.
Dahil ang anumang rocket ay kinakatawan bilang paggalaw ng isang katawan na may variable na masa, magbabago ang Tsiolkovsky equation sa bawat yunit ng oras. Sa halimbawa sa itaas ng isang satellite na gumagalaw sa paligid ng planeta, alam ang mass nito na m, madali mong malalaman ang puwersa kung saan ito umiikot sa orbit, katulad ng: F=mv2/r. Malinaw, ang puwersang ito ay ididirekta patungo sa gitna ng planeta.
Bumangon ang tanong: bakit hindi nahuhulog ang satellite sa planeta? Hindi ito nahuhulog, dahil ang trajectory nito ay hindi sumasalubong sa ibabaw ng planeta, dahil hindi ito pinipilit ng kalikasan na gumalaw kasama ang pagkilos ng puwersa, dahil ang acceleration vector lamang ang nakadirekta dito, at hindi ang bilis.
Dapat ding tandaan na sa mga kondisyon kung saan nalalaman ang puwersang kumikilos sa katawan at ang masa nito, posibleng malaman ang pagbilis ng katawan. At ayon dito, tinutukoy ng mga pamamaraan ng matematika ang landas kung saan gumagalaw ang katawan na ito. Narito tayo sa dalawang pangunahing problema na tinatalakay ng cosmodynamics:
- Nagpapakita ng mga puwersa na maaaring gamitin upang manipulahin ang paggalaw ng isang spaceship.
- Tukuyin ang paggalaw ng barkong ito kung alam ang puwersang kumikilos dito.
Ang pangalawang problema ay isang klasikong tanong para sa celestial mechanics, habang ang una ay nagpapakita ng pambihirang papel ng cosmodynamics. Samakatuwid, sa lugar na ito ng physics, bilang karagdagan sa Tsiolkovsky formula para sa jet propulsion, napakahalagang maunawaan ang Newtonian mechanics.
Ikatlong Batas ni Newton
Ang sanhi ng puwersang kumikilos sa isang katawan ay palaging ibang katawan. Pero totookabaligtaran din. Ito ang kakanyahan ng ikatlong batas ni Newton, na nagsasaad na para sa bawat aksyon ay may isang aksyon na katumbas ng magnitude, ngunit kabaligtaran sa direksyon, na tinatawag na reaksyon. Sa madaling salita, kung ang katawan A ay kumikilos nang may puwersa F sa katawan B, ang katawan B ay kumikilos sa katawan A nang may puwersa -F.
Sa halimbawa sa isang satellite at isang planeta, ang ikatlong batas ni Newton ay humahantong sa atin sa pag-unawa na sa anong puwersa ang planeta ay umaakit sa satellite, ang parehong satellite ay umaakit sa planeta. Ang kaakit-akit na puwersa na ito ay responsable para sa pagbibigay ng acceleration sa satellite. Ngunit nagbibigay din ito ng acceleration sa planeta, ngunit ang masa nito ay napakalaki kaya ang pagbabago sa bilis na ito ay bale-wala para dito.
Ang formula ni Tsiolkovsky para sa jet propulsion ay ganap na nakabatay sa pagkaunawa sa huling batas ni Newton. Pagkatapos ng lahat, ito ay tiyak na dahil sa ejected mass ng mga gas na ang pangunahing katawan ng rocket ay nakakakuha ng acceleration, na nagpapahintulot sa ito na lumipat sa tamang direksyon.
Kaunti tungkol sa mga reference system
Kapag isinasaalang-alang ang anumang pisikal na kababalaghan, mahirap na hindi hawakan ang naturang paksa bilang isang frame of reference. Ang paggalaw ng isang spacecraft, tulad ng anumang iba pang katawan sa kalawakan, ay maaaring maayos sa iba't ibang mga coordinate. Walang mga maling sistema ng sanggunian, mayroon lamang mas maginhawa at mas kaunti. Halimbawa, ang paggalaw ng mga katawan sa solar system ay pinakamahusay na inilarawan sa isang heliocentric frame of reference, iyon ay, sa mga coordinate na nauugnay sa Araw, na tinatawag ding Copernican frame. Gayunpaman, ang paggalaw ng Buwan sa sistemang ito ay hindi gaanong maginhawa upang isaalang-alang, kaya pinag-aaralan ito sa mga geocentric na coordinate - ang bilang ay nauugnay saEarth, ito ay tinatawag na Ptolemaic system. Ngunit kung ang tanong ay kung ang isang asteroid na lumilipad sa malapit ay tatama sa Buwan, magiging mas maginhawang gumamit muli ng heliocentric coordinates. Mahalagang magamit ang lahat ng mga coordinate system at matingnan ang problema mula sa iba't ibang punto ng view.
Rocket movement
Ang pangunahing at tanging paraan upang maglakbay sa outer space ay isang rocket. Sa unang pagkakataon ang prinsipyong ito ay ipinahayag, ayon sa website ng Habr, sa pamamagitan ng pormula ng Tsiolkovsky noong 1903. Simula noon, ang mga inhinyero ng astronautical ay nag-imbento ng dose-dosenang mga uri ng mga rocket engine gamit ang iba't ibang uri ng enerhiya, ngunit lahat sila ay pinagsama ng isang prinsipyo ng operasyon: ang pag-eject ng bahagi ng masa mula sa mga reserba ng working fluid upang makakuha ng acceleration. Ang puwersa na nabuo bilang resulta ng prosesong ito ay tinatawag na puwersa ng traksyon. Narito ang ilang konklusyon na magbibigay-daan sa atin na makarating sa Tsiolkovsky equation at ang derivation ng pangunahing anyo nito.
Malinaw, tataas ang puwersa ng traksyon depende sa dami ng masa na inilalabas mula sa rocket bawat yunit ng oras at ang bilis na naiulat ng masa na ito. Kaya, ang kaugnayan F=wq ay nakuha, kung saan ang F ay ang puwersa ng traksyon, w ay ang bilis ng itinapon na masa (m/s) at q ay ang masa na natupok sa bawat yunit ng oras (kg/s). Kapansin-pansing hiwalay ang kahalagahan ng sistema ng sanggunian na partikular na nauugnay sa mismong rocket. Kung hindi, imposibleng tukuyin ang thrust force ng isang rocket engine kung ang lahat ay sinusukat kaugnay ng Earth o iba pang mga katawan.
Ipinakita ng pananaliksik at mga eksperimento na ang ratio F=wq ay nananatiling wasto lamang para sa mga kaso kung saan ang inilabas na masa ay isang likido o isang solid. Ngunit ang mga rocket ay gumagamit ng isang jet ng mainit na gas. Samakatuwid, dapat isama ang ilang mga pagwawasto sa ratio, at pagkatapos ay makakakuha tayo ng karagdagang termino ng ratio na S(pr - pa), na idinagdag sa orihinal na wq. Dito ang pr ay ang pressure na ibinibigay ng gas sa labasan ng nozzle; Ang pa ay atmospheric pressure at ang S ay nozzle area. Kaya, magiging ganito ang hitsura ng pinong formula:
F=wq + Spr - Spa.
Kung saan makikita mo na habang umaakyat ang rocket, bababa ang atmospheric pressure, at tataas ang thrust force. Gayunpaman, gusto ng mga physicist ang mga maginhawang formula. Samakatuwid, madalas na ginagamit ang isang formula na katulad ng orihinal nitong anyo F=weq, kung saan ang we ay ang epektibong mass outflow velocity. Ito ay natutukoy sa eksperimentong panahon ng pagsubok ng propulsion system at ayon sa numero ay katumbas ng expression na w + (Spr - Spa) / q.
Pag-isipan natin ang isang konsepto na kapareho ng we - tiyak na thrust impulse. Ang tiyak na ibig sabihin ay nauukol sa isang bagay. Sa kasong ito, ito ay sa gravity ng Earth. Upang gawin ito, sa formula sa itaas, ang kanang bahagi ay pinarami at hinahati sa g (9.81 m/s2):
F=weq=(we / g)qg o F=I ud qg
Ang halagang ito ay sinusukat Isp sa Ns/kg o anumanparehong m/s. Sa madaling salita, ang partikular na thrust impulse ay sinusukat sa mga unit ng bilis.
pormula ni Tsiolkovsky
Dahil madali mong mahulaan, bilang karagdagan sa thrust ng makina, maraming iba pang pwersa ang kumikilos sa rocket: ang atraksyon ng Earth, ang gravity ng iba pang mga bagay sa solar system, atmospheric resistance, light pressure, atbp. Ang bawat isa sa mga pwersang ito ay nagbibigay ng sarili nitong acceleration sa rocket, at ang kabuuang mula sa aksyon ay nakakaapekto sa huling acceleration. Samakatuwid, maginhawang ipakilala ang konsepto ng jet acceleration o ar=Ft / M, kung saan ang M ay ang masa ng rocket sa isang tiyak panahon. Ang jet acceleration ay ang acceleration kung saan ang rocket ay gumagalaw sa kawalan ng mga panlabas na pwersa na kumikilos dito. Malinaw, habang ginagastos ang masa, tataas ang acceleration. Samakatuwid, may isa pang maginhawang katangian - ang paunang jet acceleration ar0=FtM0, kung saan Ang M 0 ay ang masa ng rocket sa simula ng paggalaw.
Magiging lohikal na itanong kung anong bilis ang kayang umunlad ng isang rocket sa isang walang laman na espasyo pagkatapos nitong maubos ang ilang dami ng masa ng gumaganang katawan. Hayaang magbago ang bigat ng rocket mula m0 hanggang m1. Pagkatapos ang bilis ng rocket pagkatapos ng pare-parehong pagkonsumo ng masa hanggang sa halagang m1 kg ay tutukuyin ng formula:
V=wln(m0 / m1)
Ito ay walang iba kundi ang formula para sa paggalaw ng mga katawan na may variable na masa o ang Tsiolkovsky equation. Nailalarawan nito ang mapagkukunan ng enerhiya ng rocket. At ang bilis na nakuha ng formula na ito ay tinatawag na ideal. Maaaring isulatang formula na ito sa isa pang kaparehong bersyon:
V=Iudln(m0 / m1)
Nararapat na tandaan ang paggamit ng Tsiolkovsky Formula para sa pagkalkula ng gasolina. Mas tiyak, ang bigat ng sasakyang ilulunsad, na kakailanganing magdala ng tiyak na timbang sa orbit ng Earth.
Sa huli dapat itong sabihin tungkol sa isang mahusay na siyentipiko tulad ni Meshchersky. Kasama si Tsiolkovsky, sila ang mga ninuno ng astronautics. Gumawa ng malaking kontribusyon si Meshchersky sa paglikha ng teorya ng paggalaw ng mga bagay na may variable na masa. Sa partikular, ang formula ng Meshchersky at Tsiolkovsky ay ang mga sumusunod:
m(dv / dt) + u(dm / dt)=0, kung saan ang v ay ang bilis ng materyal na punto, ang u ay ang bilis ng itinapon na masa na nauugnay sa rocket. Ang kaugnayang ito ay tinatawag ding Meshchersky differential equation, pagkatapos ay ang Tsiolkovsky formula ay nakuha mula dito bilang isang partikular na solusyon para sa isang materyal na punto.
