Космонавтика дайыма укмуштуудай ийгиликтерге жетишет. Жердин жасалма спутниктери тынымсыз көбүрөөк жана ар түрдүү колдонмолорду таап жатышат. Жерге жакын орбитада астронавт болуу кадыресе көрүнүшкө айланды. Космонавтиканын негизги формуласы - Циолковский теңдемесисиз бул мүмкүн эмес эле.
Биздин доордо биздин Күн системасынын эки планетасын жана башка денелерин (Венера, Марс, Юпитер, Уран, Жер ж. б.) жана алыскы объектилерди (астероиддер, башка системалар жана галактикалар) изилдөө уланууда. Циолковскийдин денелеринин космостук кыймылынын мүнөздөмөлөрү жөнүндөгү корутундулар астронавтиканын теориялык негиздерине негиз салды, мунун аркасында реактивдүү электр кыймылдаткычтарынын ондогон моделдери жана өтө кызыктуу механизмдер, мисалы, күн парусу ойлоп табылган.
Космосту изилдөөнүн негизги көйгөйлөрү
Илим менен техникадагы изилдөөлөрдүн жана иштеп чыгуулардын үч багыты космос мейкиндигин изилдөөнүн көйгөйлөрү катары так аныкталган:
- Жерди айланып учуу же жасалма спутниктерди куруу.
- Айдагы каттамдар.
- Планеталык учуулар жана Күн системасынын объектилерине учуулар.
Циолковскийдин реактивдүү кыймылга карата теңдемеси адамзаттын бул багыттардын ар биринде укмуштуудай натыйжаларга жетишкендигине салым кошкон. Ошондой эле көптөгөн жаңы прикладдык илимдер пайда болду: космостук медицина жана биология, космостук кемедеги жашоону камсыз кылуу системалары, космостук байланыштар ж.б.
Астронавтикадагы жетишкендиктер
Бүгүнкү күндө көпчүлүк адамдар негизги жетишкендиктер жөнүндө уккан: Айга биринчи жолу конуу (АКШ), биринчи спутник (СССР) жана ушул сыяктуулар. Ар бир адам уккан белгилүү жетишкендиктерден тышкары, башка көптөгөн нерселер бар. Атап айтканда, СССРге таандык:
- биринчи орбиталык станция;
- Айдын биринчи учушу жана алыскы тараптын сүрөттөрү;
- автоматташтырылган станциянын Айга биринчи конуусу;
- унаалардын башка планеталарга биринчи учуулары;
- Венера менен Марска биринчи конуу ж.б.
СССРдин космонавтика тармагындагы жетишкендиктери канчалык зор болгонун көп адамдар түшүнүшпөйт. Болбосо, алар биринчи спутниктен алда канча көп болгон.
Бирок Америка Кошмо Штаттары астронавтиканы өнүктүрүүгө кем эмес салым кошкон. АКШда өткөрүлдү:
- Жер орбитасын (спутниктер жана спутниктик байланыштар) илимий максаттар жана колдонмолор үчүн пайдалануудагы бардык негизги жетишкендиктер.
- Айга көптөгөн миссиялар, Марсты, Юпитерди, Венераны жана Меркурийди учуучу аралыктан изилдөө.
- Орнотуунөлдүк гравитацияда жүргүзүлгөн илимий жана медициналык эксперименттер.
Учурда СССР жана АКШга салыштырмалуу башка өлкөлөрдүн жетишкендиктери начар болгону менен, 2000-жылдан кийинки мезгилде Кытай, Индия жана Япония космосту изилдөөгө активдүү кошулган.
Бирок, астронавтиканын жетишкендиктери планетанын жогорку катмарлары жана жогорку илимий теориялар менен гана чектелбейт. Ал жөнөкөй жашоого да чоң таасирин тийгизген. Космосту изилдөөнүн натыйжасында биздин жашообузга мындай нерселер кирди: чагылган, Velcro, Teflon, спутниктик байланыштар, механикалык манипуляторлор, зымсыз аспаптар, күн батареялары, жасалма жүрөк жана башка көптөгөн нерселер. Ал эми гравитациялык тартылууну жеңүүгө жардам берген жана илимде космостук практиканын пайда болушуна салым кошкон Циолковскийдин ылдамдык формуласы мунун баарына жетишүүгө жардам берген.
"Космодинамика" термини
Циолковскийдин теңдемеси космодинамиканын негизин түзгөн. Бирок, бул термин кененирээк түшүнүү керек. Айрыкча мааниси боюнча ага жакын түшүнүктөр маселесинде: астронавтика, асман механикасы, астрономия ж.б. Космонавтика грек тилинен «Ааламда сүзүү» деп которулат. Кадимки учурда бул термин космосту жана асман телолорун изилдөөгө мүмкүндүк берген бардык техникалык мүмкүнчүлүктөрдүн жана илимий жетишкендиктердин массасын билдирет.
Космостук учуулар – бул адамзат кылымдар бою кыялданган нерсе. Жана бул кыялдар теориядан илимге чейин чындыкка айланды жана бардыгы ракетанын ылдамдыгынын Циолковский формуласынын аркасында. Бул улуу илимпоздун эмгектеринен биз астронавтика теориясы үчкө турганын билебизмамылар:
- Космостук аппараттардын кыймылын сүрөттөгөн теория.
- Электро-ракеталык кыймылдаткычтар жана аларды өндүрүү.
- Астрономиялык билим жана Ааламды изилдөө.
Мурда белгиленгендей, космостук доордо башка көптөгөн илимий-техникалык дисциплиналар пайда болгон, мисалы: космостук аппараттарды башкаруу системалары, космостогу байланыш жана маалыматтарды берүү системалары, космостук навигация, космостук медицина жана башка көптөгөн нерселер. Айта кетчү нерсе, астронавтиканын негиздери жаралган мезгилде ал тургай мындай радио да болгон эмес. Электромагниттик толкундарды изилдөө жана алардын жардамы менен маалыматты узак аралыкка жеткирүү жаңыдан башталган. Ошондуктан, теориянын негиздөөчүлөрү жарык сигналдарын - Жерге чагылышкан күндүн нурларын маалыматтарды берүү жолу катары олуттуу карашты. Бүгүнкү күндө космонавтиканы бардык тиешелүү прикладдык илимдерсиз элестетүү мүмкүн эмес. Ошол алыскы мезгилде бир катар илимпоздордун фантазиясы чындап эле укмуш болчу. Байланыш ыкмаларынан тышкары, алар көп баскычтуу ракетанын Циолковский формуласы сыяктуу темаларды да козгошту.
Бардык сорттордун ичинен негизгиси катары кандайдыр бир дисциплинаны бөлүп көрсөтүүгө болобу? Бул космостук телолордун кыймылынын теориясы. Ал негизги звено болуп кызмат кылат, ансыз астронавтика мүмкүн эмес. Илимдин бул чөйрөсү космодинамика деп аталат. Анын көптөгөн окшош аталыштары бар болсо да: асман же космостук баллистика, космостук учуу механикасы, прикладдык асман механикасы, жасалма асман телолорунун кыймылы жөнүндөгү илим жанаж.б. Алардын баары бир изилдөө тармагына тиешелүү. Формалдуу түрдө космодинамика асман механикасына кирет жана анын ыкмаларын колдонот, бирок өтө маанилүү айырма бар. Асман механикасы орбиталарды гана изилдейт, анын тандоосу жок, бирок космодинамика космостук аппараттар менен кээ бир асман телолоруна жетүү үчүн оптималдуу траекторияларды аныктоого арналган. Ал эми реактивдүү кыймылга арналган Циолковский теңдемеси кемелерге алардын учуу жолуна кандай таасир эте аларын так аныктоого мүмкүндүк берет.
Космодинамика илим катары
К. Е. Циолковский формуланы чыгаргандан бери асман телолорунун кыймылы жөнүндөгү илим космодинамика катары бекем калыптанган. Ал космос кораблдерине ар турдуу орбиталардын ортосундагы оптималдуу өтүүнү табуу методдорун колдонууга мүмкүндүк берет, бул орбиталык маневр деп аталат жана аэродинамика атмосфералык учуунун негизи болгондой эле космостогу кыймылдын теориясынын негизи болуп саналат. Бирок, бул маселе менен алектенген жалгыз илим эмес. Мындан тышкары, ракета динамикасы да бар. Бул эки илим тең заманбап космостук технологиялар үчүн бекем пайдубал түзөт жана экөө тең асман механикасынын бөлүмүнө кирет.
Космодинамика эки негизги бөлүмдөн турат:
- Бир нерсенин мейкиндиктеги инерция борборунун (массасынын) кыймылынын теориясы же траекториялар теориясы.
- Космикалык дененин анын инерция борборуна карата кыймылынын теориясы же айлануу теориясы.
Циолковскийдин теңдемеси эмне экенин түшүнүү үчүн механиканы, башкача айтканда Ньютондун мыйзамдарын жакшы түшүнүшүңүз керек.
Ньютондун биринчи мыйзамы
Кандайдыр бир дене бир калыпта жана түз сызыктуу кыймылдайт же ага колдонулган тышкы күчтөр аны бул абалды өзгөртүүгө мажбурламайынча тынч абалда болот. Башкача айтканда, мындай кыймылдын ылдамдык вектору туруктуу бойдон калат. Денелердин мындай кыймыл-аракети инерциялык кыймыл деп да аталат.
Ылдамдык векторунда кандайдыр бир өзгөрүү болгон башка жагдайлар денеде ылдамдануу бар экенин билдирет. Бул учурда бир кызыктуу мисал айланадагы материалдык чекиттин кыймылы же орбитада кандайдыр бир спутник болуп саналат. Бул учурда бир тектүү кыймыл болот, бирок түз сызыктуу эмес, анткени ылдамдык вектору багытын тынымсыз өзгөртүп турат, демек, ылдамдануу нөлгө барабар эмес. Ылдамдыктын бул өзгөрүүсүн v2 / r формуласы менен эсептөөгө болот, мында v – туруктуу ылдамдык жана r – орбитанын радиусу. Бул мисалдагы ылдамдануу дененин траекториясынын каалаган чекитинде айлананын борборуна багытталат.
Мыйзамдын аныктамасына таянсак, күч гана материалдык чекиттин багытын өзгөртүүгө алып келиши мүмкүн. Анын ролунда (спутник менен болгон учурда) планетанын тартылуу күчү. Планеталардын жана жылдыздардын тартылышы, сиз оңой эле болжолдосоңуз болот, жалпысынан космодинамикада жана өзгөчө Циолковский теңдемесин колдонууда чоң мааниге ээ.
Ньютондун экинчи мыйзамы
Ылдамдоо күчкө түз пропорционал жана дене массасына тескери пропорционал. Же математикалык түрдө: a=F / m, же көбүнчө - F=ma, мында m - өлчөнү билдирген пропорционалдык фактор.дененин инерциясы үчүн.
Ар кандай ракета массасы өзгөрүлмө дененин кыймылы катары берилгендиктен, Циолковский теңдемеси убакыт бирдигинин ар биринде өзгөрүп турат. Жогорудагы мисалда спутник планетаны айланып айланып, анын массасын m билип туруп, анын орбитада айланган күчүн оңой таба аласыз, тактап айтканда: F=mv2/r. Албетте, бул күч планетанын борборуна багытталат.
Суроо туулат: эмне үчүн спутник планетага түшпөйт? Ал кулап кетпейт, анткени анын траекториясы планетанын бети менен кесилишкен эмес, анткени табият аны күчтүн аракети боюнча кыймылга мажбурлабайт, анткени ага ылдамдык эмес, ылдамдануу вектору гана ко-багытталган.
Ошондой эле денеге таасир этүүчү күч жана анын массасы белгилүү болгон шарттарда дененин ылдамдануусун билүүгө болорун белгилей кетүү керек. Жана ага ылайык, математикалык ыкмалар бул дененин кыймылда турган жолун аныктайт. Бул жерде биз космодинамика чечүүчү эки негизги маселеге келдик:
- Космостук кеменин кыймылын башкаруу үчүн колдонула турган ачыкка чыгаруучу күчтөр.
- Бул кемеге таасир этүүчү күчтөр белгилүү болсо, анын кыймылын аныктаңыз.
Экинчи маселе асман механикасы үчүн классикалык суроо, ал эми биринчиси космодинамиканын өзгөчө ролун көрсөтөт. Ошондуктан, физиканын бул тармагында реактивдүү кыймылдын Циолковский формуласынан тышкары, Ньютон механикасын түшүнүү өтө маанилүү.
Ньютондун үчүнчү мыйзамы
Денеге таасир этүүчү күчтүн себеби ар дайым башка дене болот. Бирок чыношондой эле карама-каршы. Бул Ньютондун үчүнчү мыйзамынын маңызы болуп саналат, анда ар бир аракет үчүн чоңдугу боюнча бирдей, бирок багыты боюнча карама-каршы болгон реакция деп аталган аракет болот. Башкача айтканда, эгерде А денеси В денесине F күчү менен таасир этсе, анда В денеси А денесине -F күчү менен таасир этет.
Спутник жана планета менен болгон мисалда Ньютондун үчүнчү мыйзамы бизди планета спутникти кандай күч менен тартат, ошол эле спутник планетаны тартат деген түшүнүккө алып барат. Бул жагымдуу күч спутникке ылдамдануу үчүн жооптуу. Бирок ал планетага ылдамданууну да берет, бирок анын массасы ушунчалык чоң болгондуктан, ылдамдыктагы бул өзгөрүү ал үчүн анча деле маанилүү эмес.
Циолковскийдин реактивдүү кыймылдоо формуласы толугу менен Ньютондун акыркы мыйзамын түшүнүүгө негизделген. Антке-ни, дал ушул газдардын агып чыккан массасынын аркасында ракетанын негизги корпусу ылдамдыкка ээ болуп, анын туура багытка жылышына мумкундук берет.
Маалымдама системалары жөнүндө бир аз
Кандайдыр бир физикалык кубулуштарды карап жатканда, мындай темага шилтеме катары кайрылбай коюу кыйын. Кораблдин кыймылы, космостогу башка денелер сыяктуу эле, ар кандай координаттарда белгилениши мүмкүн. Туура эмес маалымдама системалары жок, болгону ыңгайлуураак жана азыраак. Мисалы, Күн системасындагы телолордун кыймылы гелиоцентрдик эсептөө системасында, башкача айтканда, Күн менен байланышкан координаттарда эң жакшы сүрөттөлгөн, аны Коперник алкагы деп да аташат. Бирок, бул системада Айдын кыймылын карап чыгуу анча ыңгайлуу эмес, ошондуктан ал геоцентрдик координаттарда изилденет - эсептөө салыштырмалууЖер, бул Птолемей системасы деп аталат. Бирок жакын жерде учкан астероид Айга тийеби деген суроо туулат, анда гелиоцентрдик координаттарды кайра колдонуу ыңгайлуураак болот. Бардык координат системаларын колдоно билүү жана көйгөйгө ар кандай көз караштан карай билүү маанилүү.
Ракета кыймылы
Космос мейкиндигинде саякаттоонун негизги жана жалгыз жолу – ракета. Биринчи жолу бул принцип 1903-жылы Циолковскийдин формуласы менен, Habr сайтында айтылган. Ошондон бери астронавтика инженерлери энергиянын ар кандай түрлөрүн колдонуу менен ракета кыймылдаткычтарынын ондогон түрлөрүн ойлоп табышты, бирок алардын бардыгын иштөөнүн бир принциби бириктирет: ылдамданууну алуу үчүн жумушчу суюктуктун запастарынан массанын бир бөлүгүн чыгаруу. Бул процесстин натыйжасында пайда болгон күч тартуу күчү деп аталат. Циолковскийдин теңдемесине жана анын негизги формасынын туундусуна келүүгө мүмкүндүк берүүчү кээ бир тыянактар.
Албетте, тартуу күчү убакыт бирдигинде ракетадан чыгарылган массанын көлөмүнө жана бул масса кабарлай турган ылдамдыкка жараша көбөйөт. Ошентип, F=wq катышы алынат, мында F - тартуу күчү, w - ыргытылган массанын ылдамдыгы (м/с) жана q - убакыт бирдигине сарпталган масса (кг/с). Бул ракетанын өзү менен атайын байланышкан маалымдама системасынын маанилүүлүгүн өзүнчө белгилей кетүү керек. Болбосо, бардыгы Жерге же башка телолорго карата өлчөнгөн болсо, ракета кыймылдаткычынын согуу күчүн мүнөздөп берүү мүмкүн эмес.
Изилдөөлөр жана эксперименттер F=wq катышы сыртка чыгарылган масса суюк же катуу болгон учурларда гана күчүндө калаарын көрсөттү. Бирок ракеталар ысык газдын агымын колдонушат. Демек, катышка бир катар оңдоолор киргизилиши керек, андан кийин катыштын кошумча мөөнөтүн алабыз S(pr - pa), баштапкы wq кошулган. Бул жерде pr – соплодон чыккан газдын басымы; pa - атмосфералык басым жана S - соплолордун аймагы. Ошентип, такталган формула төмөнкүдөй болот:
F=wq + Spr - Spa.
Бул жерден ракета көтөрүлгөн сайын атмосфералык басым азайып, түртүү күчү жогорулай турганын көрүүгө болот. Бирок, физиктер ыңгайлуу формулаларды жакшы көрүшөт. Ошондуктан, анын баштапкы формасына окшош формула көбүнчө F=weq колдонулат, мында we - массанын эффективдүү агып чыгуу ылдамдыгы. Ал кыймылдаткыч системасын сыноо учурунда эксперименталдык түрдө аныкталат жана сан жагынан w + (Spr - Spa) / q. туюнтмасына барабар.
Келгиле, we менен бирдей болгон концепцияны карап көрөлү. Белгилүү бир нерсеге тиешелүү дегенди билдирет. Бул учурда, ал Жердин тартылуу болуп саналат. Бул үчүн, жогорудагы формулада оң жагы g (9,81 м/с2) көбөйтүлүп, бөлүнөт:
F=weq=(we / g)qg же F=I ud qg
Бул маани Isp Ns/kg же башка менен өлчөнөтошол эле м/с. Башкача айтканда, өзгөчө түртүү импульс ылдамдык бирдиктери менен өлчөнөт.
Циолковскийдин формуласы
Ойлонуп тургандай, кыймылдаткычтын кыймылынан тышкары ракетага башка көптөгөн күчтөр да таасир этет: Жердин тартылуусу, Күн системасындагы башка объекттердин тартылышы, атмосфералык каршылык, жарык басымы, Бул күчтөрдүн ар бири ракетага өзүнүн ылдамдыгын берет жана иш-аракеттен алынган жалпы жыйынтык акыркы ылдамданууга таасирин тийгизет. Ошондуктан реактивдүү ылдамдануу же ar=Ft / M түшүнүгүн киргизүү ыңгайлуу, мында М – ракетанын белгилүү өлчөмдөгү массасы. убакыт мезгили. Реактивдүү ылдамдануу - бул ракетанын ага таасир этүүчү тышкы күчтөр болбогондо кыймылдай турган ылдамдыгы. Албетте, масса жумшалган сайын, ылдамдатуу күчөйт. Ошондуктан, дагы бир ыңгайлуу мүнөздөмөсү бар - алгачкы реактивдүү ылдамдануу ar0=FtM0, мында M 0 – ракетанын кыймылдын башталышындагы массасы.
Ракета жумушчу органдын массасынын кандайдыр бир өлчөмүн бүтүргөндөн кийин мындай бош мейкиндикте кандай ылдамдыкта өнүгүп кете алат деп суроо логикага ылайыктуу болмок. Ракетанын массасы m0 дан m1 чейин өзгөрсүн. Ошондо ракетанын ылдамдыгы m1 кг маанисине чейинки массаны бир калыпта сарптагандан кийинки формула менен аныкталат:
V=wln(m0 / m1)
Бул өзгөрүлмө массалуу денелердин кыймылынын формуласы же Циолковский теңдемесинен башка эч нерсе эмес. Ал ракетанын энергетикалык ресурсун мүнөздөйт. Жана бул формула боюнча алынган ылдамдык идеалдуу деп аталат. Жазса болотбул формула башка окшош версияда:
V=Iudln(m0 / m1)
Отунду эсептөө үчүн Циолковский формуласын колдонууну белгилей кетүү керек. Тагыраак айтканда, Жердин орбитасына белгилүү бир салмакты алып келүү үчүн талап кылынуучу ракетанын массасы.
Акырында Мещерский сыяктуу улуу окумуштуу женунде айтуу керек. Циолковский менен бирге алар астронавтиканын ата-бабалары. Мещерский өзгөрүлмө массалуу объекттердин кыймыл теориясын түзүүгө эбегейсиз салым кошкон. Атап айтканда, Мещерский менен Циолковскийдин формуласы төмөнкүдөй:
m(dv / dt) + u(дм / дт)=0, мында v – материалдык чекиттин ылдамдыгы, u – ыргытылган массанын ракетага салыштырмалуу ылдамдыгы. Бул катыш Мещерскийдин дифференциалдык теңдемеси деп да аталат, андан Циолковский формуласы материалдык чекит үчүн конкреттүү чечим катары алынат.
