Kosmonautika redovno postiže zapanjujuće uspjehe. Umjetni sateliti Zemlje stalno pronalaze sve raznovrsnije primjene. Biti astronaut u orbiti oko Zemlje postalo je uobičajeno. Ovo bi bilo nemoguće bez glavne formule astronautike - jednačine Ciolkovskog.
U našem vremenu se nastavlja proučavanje planeta i drugih tijela našeg Sunčevog sistema (Venera, Mars, Jupiter, Uran, Zemlja, itd.) i udaljenih objekata (asteroida, drugih sistema i galaksija). Zaključci o karakteristikama kosmičkog kretanja tijela Ciolkovskog postavili su temelje za teorijske osnove astronautike, što je dovelo do pronalaska desetina modela električnih mlaznih motora i izuzetno zanimljivih mehanizama, na primjer, solarnog jedra.
Glavni problemi istraživanja svemira
Tri oblasti istraživanja i razvoja u nauci i tehnologiji jasno su identifikovane kao problemi istraživanja svemira:
- Let oko Zemlje ili konstruisanje veštačkih satelita.
- Mjesečevi letovi.
- Planetarni letovi i letovi do objekata Sunčevog sistema.
Ciolkovskyjeva jednačina za mlazni pogon doprinijela je činjenici da je čovječanstvo postiglo zadivljujuće rezultate u svakoj od ovih oblasti. Takođe, pojavile su se mnoge nove primenjene nauke: svemirska medicina i biologija, sistemi za održavanje života na letelici, svemirske komunikacije, itd.
Dostignuća u astronautici
Većina ljudi danas je čula za velika dostignuća: prvo sletanje na Mesec (SAD), prvi satelit (SSSR) i slično. Pored najpoznatijih ostvarenja za koja svi čuju, postoje i mnoga druga. Konkretno, SSSR pripada:
- prva orbitalna stanica;
- prvi prelet Mjeseca i fotografije daleke strane;
- prvo sletanje na mesec automatizovane stanice;
- prvi letovi vozila na druge planete;
- prvo sletanje na Veneru i Mars, itd.
Mnogi ljudi ni ne shvataju koliko su velika dostignuća SSSR-a u oblasti kosmonautike. Ako ništa drugo, bili su znatno više od prvog satelita.
Ali Sjedinjene Države nisu dale manji doprinos razvoju astronautike. U SAD-u održano:
- Svi veliki napredak u korišćenju Zemljine orbite (sateliti i satelitske komunikacije) u naučne svrhe i primene.
- Mnoge misije na Mjesec, istraživanje Marsa, Jupitera, Venere i Merkura sa udaljenosti.
- Setnaučni i medicinski eksperimenti izvedeni u nultom gravitaciji.
I iako u ovom trenutku dostignuća drugih zemalja blede u odnosu na SSSR i SAD, Kina, Indija i Japan su se aktivno uključili u istraživanje svemira u periodu nakon 2000. godine.
Međutim, dostignuća astronautike nisu ograničena na gornje slojeve planete i visoke naučne teorije. Ona je takođe imala veliki uticaj na jednostavan život. Kao rezultat istraživanja svemira, takve su stvari ušle u naše živote: munje, čičak trake, teflon, satelitske komunikacije, mehanički manipulatori, bežični alati, solarni paneli, umjetno srce i još mnogo toga. A formula brzine Ciolkovskog, koja je pomogla da se prevaziđe gravitaciono privlačenje i doprinela pojavi svemirske prakse u nauci, pomogla je da se sve ovo postigne.
Izraz "kosmodinamika"
Ciolkovskyjeva jednačina čini osnovu kosmodinamike. Međutim, ovaj pojam treba detaljnije razumjeti. Pogotovo kada su u pitanju pojmovi koji su joj bliski po značenju: astronautika, nebeska mehanika, astronomija, itd. Kosmonautika se sa grčkog prevodi kao "plivanje u svemiru". U uobičajenom slučaju, ovaj termin se odnosi na masu svih tehničkih mogućnosti i naučnih dostignuća koja omogućavaju proučavanje svemira i nebeskih tijela.
Svemirski letovi su ono o čemu je čovečanstvo sanjalo vekovima. I ovi snovi su se pretvorili u stvarnost, od teorije do nauke, a sve zahvaljujući Tsiolkovsky formuli za brzinu rakete. Iz radova ovog velikog naučnika znamo da teorija astronautike stoji na tristubovi:
- Teorija koja opisuje kretanje svemirskih letjelica.
- Elektroraketni motori i njihova proizvodnja.
- Astronomsko znanje i istraživanje svemira.
Kao što je ranije navedeno, mnoge druge naučne i tehničke discipline pojavile su se u svemirskom dobu, kao što su: sistemi upravljanja svemirskim brodovima, sistemi komunikacije i prenosa podataka u svemiru, svemirska navigacija, svemirska medicina i još mnogo toga. Vrijedi napomenuti da u vrijeme rađanja osnova astronautike nije postojao čak ni radio kao takav. Proučavanje elektromagnetnih valova i prijenosa informacija na velike udaljenosti uz njihovu pomoć tek je počelo. Stoga su osnivači teorije ozbiljno razmatrali svjetlosne signale - sunčeve zrake reflektirane prema Zemlji - kao način prenošenja podataka. Danas je nemoguće zamisliti kosmonautiku bez svih srodnih primijenjenih nauka. U tim dalekim vremenima, mašta brojnih naučnika bila je zaista neverovatna. Osim komunikacijskih metoda, dotakli su se i tema kao što je formula Ciolkovskog za višestepenu raketu.
Da li je moguće izdvojiti neku disciplinu kao glavnu među svom raznolikošću? To je teorija kretanja kosmičkih tijela. Ona je ta koja služi kao glavna karika, bez koje je astronautika nemoguća. Ovo područje nauke naziva se kosmodinamika. Iako ima mnogo identičnih naziva: nebeska ili svemirska balistika, mehanika svemirskih letova, primijenjena nebeska mehanika, nauka o kretanju umjetnih nebeskih tijela iitd. Svi se odnose na istu oblast studija. Formalno, kosmodinamika ulazi u nebesku mehaniku i koristi svoje metode, ali postoji izuzetno bitna razlika. Nebeska mehanika proučava samo orbite; nema izbora, ali kosmodinamika je dizajnirana da odredi optimalne putanje za dostizanje određenih nebeskih tijela svemirskim brodovima. A jednačina Ciolkovskog za mlazni pogon omogućava brodovima da odrede tačno kako mogu uticati na putanju leta.
Kosmodinamika kao nauka
Otkad je K. E. Ciolkovsky izveo formulu, nauka o kretanju nebeskih tijela čvrsto se oblikovala kao kosmodinamika. Omogućava svemirskim letjelicama da koriste metode za pronalaženje optimalnog prijelaza između različitih orbita, što se naziva orbitalno manevriranje, i osnova je teorije kretanja u svemiru, kao što je aerodinamika osnova atmosferskog leta. Međutim, to nije jedina nauka koja se bavi ovim pitanjem. Pored nje, tu je i raketna dinamika. Obje ove nauke čine čvrst temelj za modernu svemirsku tehnologiju, a obje su uključene u odjeljak nebeske mehanike.
Kosmodinamika se sastoji od dva glavna dijela:
- Teorija kretanja centra inercije (mase) objekta u prostoru, ili teorija putanja.
- Teorija kretanja kosmičkog tijela u odnosu na njegovo središte inercije, ili teorija rotacije.
Da biste shvatili šta je jednačina Ciolkovskog, morate dobro razumjeti mehaniku, odnosno Newtonove zakone.
Njutnov prvi zakon
Svako tijelo se kreće jednoliko i pravolinijski ili miruje sve dok ga vanjske sile primijenjene na njega ne prisile da promijeni ovo stanje. Drugim riječima, vektor brzine takvog kretanja ostaje konstantan. Ovo ponašanje tijela se također naziva inercijalno kretanje.
Svaki drugi slučaj u kojem se dogodi bilo kakva promjena vektora brzine znači da tijelo ima ubrzanje. Zanimljiv primjer u ovom slučaju je kretanje materijalne točke u krugu ili bilo kojeg satelita u orbiti. U ovom slučaju postoji jednoliko kretanje, ali ne pravolinijsko, jer vektor brzine stalno mijenja smjer, što znači da ubrzanje nije jednako nuli. Ova promjena brzine se može izračunati korištenjem formule v2 / r, gdje je v konstantna brzina, a r radijus orbite. Ubrzanje u ovom primjeru će biti usmjereno na centar kruga u bilo kojoj tački putanje tijela.
Na osnovu definicije zakona, samo sila može uzrokovati promjenu smjera materijalne tačke. U njegovoj ulozi (za slučaj sa satelitom) je planetna gravitacija. Privlačenje planeta i zvijezda, kao što možete lako pretpostaviti, je od velike važnosti u kosmodinamici općenito, a posebno kada se koristi jednačina Ciolkovskog.
Njutnov drugi zakon
Ubrzanje je direktno proporcionalno sili i obrnuto proporcionalno tjelesnoj masi. Ili u matematičkom obliku: a=F / m, ili još češće - F=ma, gdje je m faktor proporcionalnosti, koji predstavlja mjeruza inerciju tijela.
Pošto je svaka raketa predstavljena kao kretanje tijela promjenjive mase, jednačina Ciolkovskog će se promijeniti u svakoj jedinici vremena. U gornjem primjeru satelita koji se kreće oko planete, znajući njegovu masu m, lako možete saznati silu pod kojom se rotira u orbiti, naime: F=mv2/r. Očigledno, ova sila će biti usmjerena prema centru planete.
Postavlja se pitanje: zašto satelit ne pada na planetu? Ne pada, jer se njegova putanja ne siječe s površinom planete, jer je priroda ne tjera da se kreće duž djelovanja sile, jer je na nju suusmjeren samo vektor ubrzanja, a ne i brzina.
Takođe treba napomenuti da je u uslovima u kojima je poznata sila koja djeluje na tijelo i njegova masa moguće saznati ubrzanje tijela. I prema njemu, matematičke metode određuju put kojim se ovo tijelo kreće. Ovdje dolazimo do dva glavna problema s kojima se kosmodinamika bavi:
- Otkrivajuće sile koje se mogu koristiti za manipulisanje kretanjem svemirskog broda.
- Odredite kretanje ovog broda ako su poznate sile koje na njega djeluju.
Drugi problem je klasično pitanje za nebesku mehaniku, dok prvi pokazuje izuzetnu ulogu kosmodinamike. Stoga je u ovoj oblasti fizike, pored formule Ciolkovskog za mlazni pogon, izuzetno važno razumjeti Newtonovu mehaniku.
Newtonov treći zakon
Uzrok sile koja djeluje na tijelo je uvijek drugo tijelo. Ali istinatakođe suprotno. Ovo je suština trećeg Newtonovog zakona, koji kaže da za svaku akciju postoji akcija jednake veličine, ali suprotnog smjera, koja se zove reakcija. Drugim riječima, ako tijelo A djeluje silom F na tijelo B, onda tijelo B djeluje na tijelo A silom -F.
U primjeru sa satelitom i planetom, Newtonov treći zakon nas dovodi do razumijevanja da kojom silom planeta privlači satelit, isti satelit privlači planetu. Ova privlačna sila je odgovorna za davanje ubrzanja satelitu. Ali to također daje ubrzanje planeti, ali njena masa je toliko velika da je ova promjena brzine za nju zanemarljiva.
Formula Ciolkovskog za mlazni pogon u potpunosti je zasnovana na razumijevanju posljednjeg Newtonovog zakona. Uostalom, upravo zbog izbačene mase gasova glavno telo rakete dobija ubrzanje, što joj omogućava da se kreće u pravom smeru.
Malo o referentnim sistemima
Kada se razmatra bilo koji fizički fenomen, teško je ne dotaknuti se takve teme kao referentnog okvira. Kretanje svemirske letjelice, kao i svakog drugog tijela u svemiru, može se fiksirati u različitim koordinatama. Ne postoje pogrešni referentni sistemi, postoje samo zgodniji i manje. Na primjer, kretanje tijela u Sunčevom sistemu najbolje je opisati u heliocentričnom referentnom okviru, odnosno u koordinatama povezanim sa Suncem, koji se također naziva Kopernikanov okvir. Međutim, kretanje Mjeseca u ovom sistemu je manje zgodno za razmatranje, pa se proučava u geocentričnim koordinatama - brojanje je relativnoZemlja, ovo se zove Ptolomejev sistem. Ali ako je pitanje hoće li asteroid koji leti u blizini pogoditi Mjesec, bit će zgodnije ponovo koristiti heliocentrične koordinate. Važno je biti u mogućnosti koristiti sve koordinatne sisteme i biti u mogućnosti sagledati problem sa različitih tačaka gledišta.
Pokret rakete
Glavni i jedini način putovanja u svemir je raketa. Po prvi put je ovaj princip izražen, prema sajtu Habr, formulom Ciolkovskog 1903. godine. Od tada su astronautički inženjeri izmislili desetke tipova raketnih motora koji koriste široku paletu vrsta energije, ali sve ih objedinjuje jedan princip rada: izbacivanje dijela mase iz rezervi radnog fluida kako bi se postiglo ubrzanje. Sila koja nastaje kao rezultat ovog procesa naziva se vučna sila. Evo nekih zaključaka koji će nam omogućiti da dođemo do jednačine Ciolkovskog i izvođenja njenog glavnog oblika.
Očigledno, vučna sila će se povećati u zavisnosti od zapremine mase izbačene iz rakete u jedinici vremena i brzine koju ta masa uspeva da prijavi. Tako se dobija relacija F=wq, gdje je F vučna sila, w brzina bačene mase (m/s), a q masa potrošena u jedinici vremena (kg/s). Vrijedi posebno napomenuti važnost referentnog sistema koji je posebno povezan sa samom raketom. Inače, nemoguće je okarakterisati silu potiska raketnog motora ako se sve mjeri u odnosu na Zemlju ili druga tijela.
Istraživanja i eksperimenti su pokazali da odnos F=wq ostaje važeći samo za slučajeve kada je izbačena masa tečnost ili čvrsta materija. Ali rakete koriste mlaz vrućeg gasa. Zbog toga se u omjer mora unijeti određeni broj korekcija i tada se dobija dodatni član omjera S(pr - pa), koji se dodaje originalnom wq. Ovdje je pr pritisak koji vrši plin na izlazu mlaznice; pa je atmosferski pritisak, a S je površina mlaznice. Dakle, rafinirana formula bi izgledala ovako:
F=wq + Spr - Spa.
Tamo gdje možete vidjeti da kako se raketa penje, atmosferski pritisak će postati manji, a sila potiska će se povećati. Međutim, fizičari vole zgodne formule. Stoga se formula slična njenom originalnom obliku često koristi F=weq, gdje je we efektivna brzina protoka mase. Određuje se eksperimentalno tokom ispitivanja pogonskog sistema i numerički je jednak izrazu w + (Spr - Spa) / q.
Razmotrimo koncept koji je identičan we - specifični impuls potiska. Specifično znači da se odnosi na nešto. U ovom slučaju, radi se o gravitaciji Zemlje. Da biste to učinili, u gornjoj formuli, desna strana se množi i dijeli sa g (9,81 m/s2):
F=weq=(we / g)qg ili F=I ud qg
Ova vrijednost se mjeri Isp u Ns/kg ili kako godisti m/s. Drugim riječima, specifični impuls potiska mjeri se u jedinicama brzine.
formula Ciolkovskog
Kao što lako možete pretpostaviti, pored potiska motora, na raketu djeluju i mnoge druge sile: privlačenje Zemlje, gravitacija drugih objekata u Sunčevom sistemu, atmosferski otpor, svjetlosni pritisak, itd. Svaka od ovih sila daje svoje vlastito ubrzanje raketi, a ukupni rezultat djelovanja utječe na konačno ubrzanje. Stoga je zgodno uvesti koncept mlaznog ubrzanja ili ar=Ft / M, gdje je M masa rakete u određenom vremenski period. Ubrzanje mlaza je ubrzanje kojim bi se raketa kretala u odsustvu vanjskih sila koje djeluju na nju. Očigledno, kako se masa troši, ubrzanje će se povećati. Stoga postoji još jedna zgodna karakteristika - početno ubrzanje mlaza ar0=FtM0, gdje je M 0 je masa rakete na početku kretanja.
Bilo bi logično zapitati se koju brzinu raketa može razviti u tako praznom prostoru nakon što potroši dio mase radnog tijela. Neka se masa rakete promijeni od m0 na m1. Tada će se brzina rakete nakon ravnomjerne potrošnje mase do vrijednosti m1 kg odrediti po formuli:
V=wln(m0 / m1)
Ovo nije ništa drugo do formula za kretanje tijela promjenjive mase ili jednačina Ciolkovskog. Karakterizira energetski resurs rakete. A brzina dobivena ovom formulom naziva se idealnom. Može se napisatiova formula u drugoj identičnoj verziji:
V=Iudln(m0 / m1)
Vrijedi napomenuti korištenje formule Tsiolkovsky za izračunavanje goriva. Tačnije, masa lansirne rakete, koja će biti potrebna da unese određenu težinu u Zemljinu orbitu.
Na kraju treba reći o tako velikom naučniku kao što je Meščerski. Zajedno sa Ciolkovskim oni su preci astronautike. Meshchersky je dao ogroman doprinos stvaranju teorije kretanja objekata promjenjive mase. Konkretno, formula Meščerskog i Ciolkovskog je sljedeća:
m(dv / dt) + u(dm / dt)=0, gdje je v brzina materijalne tačke, u je brzina bačene mase u odnosu na raketu. Ova relacija se još naziva i diferencijalna jednačina Meščerskog, onda se iz nje dobija formula Ciolkovskog kao posebno rešenje za materijalnu tačku.
