Cosmonautics når regelbundet fantastiska framgångar. Jordens konstgjorda satelliter hittar ständigt fler och fler olika tillämpningar. Att vara en astronaut i en omloppsbana nära jorden har blivit vanligt. Detta skulle ha varit omöjligt utan astronautikens huvudformel - Tsiolkovsky-ekvationen.
I vår tid fortsätter studiet av både planeter och andra kroppar i vårt solsystem (Venus, Mars, Jupiter, Uranus, Jorden, etc.) och avlägsna objekt (asteroider, andra system och galaxer). Slutsatserna om egenskaperna hos den kosmiska rörelsen hos Tsiolkovskys kroppar lade grunden för astronautikens teoretiska grund, vilket ledde till uppfinningen av dussintals modeller av elektriska jetmotorer och extremt intressanta mekanismer, till exempel ett solsegel.
Huvudproblem med rymdutforskning
Tre områden av forskning och utveckling inom vetenskap och teknik är tydligt identifierade som problem med rymdutforskning:
- Flyga runt jorden eller bygga konstgjorda satelliter.
- Månflyg.
- Planetflygningar och flygningar till solsystemets objekt.
Tsiolkovskys ekvation för jetframdrivning har bidragit till att mänskligheten har uppnått fantastiska resultat inom vart och ett av dessa områden. Och många nya tillämpade vetenskaper har dykt upp: rymdmedicin och biologi, livsuppehållande system på en rymdfarkost, rymdkommunikation, etc.
prestationer inom astronautik
De flesta människor idag har hört talas om stora framgångar: den första landningen på månen (USA), den första satelliten (USSR) och liknande. Förutom de mest kända prestationerna som alla hör talas om, finns det många andra. Särskilt USSR tillhör:
- första orbitalstationen;
- månens första förbiflygning och bilder från den bortre sidan;
- första landning på månen på en automatiserad station;
- första flygningar med fordon till andra planeter;
- första landning på Venus och Mars, etc.
Många människor inser inte ens hur stora framgångarna från Sovjetunionen var inom kosmonautiken. Om något var de betydligt mer än bara den första satelliten.
Men USA har inte bidragit mindre till utvecklingen av astronautiken. I USA hålls:
- Alla stora framsteg i användningen av jordens omloppsbana (satelliter och satellitkommunikation) för vetenskapliga ändamål och tillämpningar.
- Många uppdrag till månen, utforskning av Mars, Jupiter, Venus och Merkurius från flygförbi-avstånd.
- Setvetenskapliga och medicinska experiment utförda utan tyngdkraft.
Och även om andra länders prestationer för tillfället bleknar i jämförelse med Sovjetunionen och USA, men Kina, Indien och Japan gick aktivt med i utforskningen av rymden under perioden efter 2000.
Men astronautikens prestationer är inte begränsade till de övre skikten av planeten och höga vetenskapliga teorier. Hon hade också ett stort inflytande på det enkla livet. Som ett resultat av rymdutforskning har sådana saker kommit in i våra liv: blixtar, kardborreband, teflon, satellitkommunikation, mekaniska manipulatorer, trådlösa verktyg, solpaneler, ett konstgjort hjärta och mycket mer. Och det var Tsiolkovskys hastighetsformel, som hjälpte till att övervinna gravitationell attraktion och bidrog till framväxten av rymdpraktik inom vetenskapen, som hjälpte till att uppnå allt detta.
Termen "cosmodynamics"
Tsiolkovskys ekvation utgjorde grunden för kosmodynamiken. Denna term bör dock förstås mer i detalj. Särskilt när det gäller begrepp som ligger nära den i betydelse: astronautik, himlamekanik, astronomi, etc. Kosmonautik översätts från grekiska som "simma i universum". I det vanliga fallet hänvisar denna term till massan av alla tekniska förmågor och vetenskapliga landvinningar som tillåter studier av rymden och himlakroppar.
Rymdflyg är vad mänskligheten har drömt om i århundraden. Och dessa drömmar förvandlades till verklighet, från teori till vetenskap, och allt tack vare Tsiolkovskys formel för rakethastighet. Från denna stora vetenskapsmans verk vet vi att teorin om astronautik står på trepelare:
- Teori som beskriver rymdfarkosternas rörelse.
- Elektroraketmotorer och deras produktion.
- Astronomisk kunskap och utforskning av universum.
Som tidigare noterat dök många andra vetenskapliga och tekniska discipliner upp i rymdåldern, såsom: kontrollsystem för rymdfarkoster, kommunikations- och dataöverföringssystem i rymden, rymdnavigering, rymdmedicin och mycket mer. Det är värt att notera att vid tidpunkten för födelsen av grunderna för astronautiken fanns det inte ens en radio som sådan. Studiet av elektromagnetiska vågor och överföring av information över långa avstånd med deras hjälp hade bara börjat. Därför övervägde grundarna av teorin på allvar ljussignaler - solens strålar reflekterade mot jorden - som ett sätt att överföra data. Idag är det omöjligt att föreställa sig kosmonautik utan alla relaterade tillämpade vetenskaper. I dessa avlägsna tider var fantasin hos ett antal forskare verkligen fantastisk. Förutom kommunikationsmetoder berörde de även ämnen som Tsiolkovskijs formel för en flerstegsraket.
Är det möjligt att peka ut vilken disciplin som helst som den främsta bland alla varianter? Det är teorin om rörelse hos kosmiska kroppar. Det är hon som fungerar som huvudlänken, utan vilken astronautik är omöjligt. Detta område av vetenskap kallas kosmodynamik. Även om det har många identiska namn: himla- eller rymdballistik, rymdflygmekanik, tillämpad himlamekanik, vetenskapen om konstgjorda himlakroppars rörelse ochetc. De hänvisar alla till samma studieområde. Formellt går kosmodynamiken in i den himmelska mekaniken och använder dess metoder, men det finns en extremt viktig skillnad. Himlamekaniken studerar bara banor, den har inget val, men kosmodynamiken är utformad för att bestämma de optimala banorna för att nå vissa himlakroppar med rymdfarkoster. Och Tsiolkovskys ekvation för jetframdrivning tillåter fartyg att bestämma exakt hur de kan påverka flygvägen.
Cosmodynamics as a science
Sedan K. E. Tsiolkovsky härledde formeln har vetenskapen om himlakropparnas rörelse tagit form som kosmodynamik. Den tillåter rymdfarkoster att använda metoder för att hitta den optimala övergången mellan olika banor, vilket kallas orbital manövrering, och är grunden för teorin om rörelse i rymden, precis som aerodynamik är grunden för atmosfärisk flygning. Det är dock inte den enda vetenskapen som behandlar denna fråga. Utöver det finns det också raketdynamik. Båda dessa vetenskaper utgör en solid grund för modern rymdteknik, och båda ingår i sektionen av himlamekanik.
Cosmodynamics består av två huvudsektioner:
- Teorin om rörelsen av tröghetscentrum (massa) för ett föremål i rymden, eller teorin om banor.
- Teorin om en kosmisk kropps rörelse i förhållande till dess tröghetscentrum, eller teorin om rotation.
För att ta reda på vad Tsiolkovskys ekvation är måste du ha en god förståelse för mekanik, det vill säga Newtons lagar.
Newtons första lag
Varje kropp som helst rör sig likformigt och rätlinjigt eller är i vila tills yttre krafter som appliceras på den tvingar den att ändra detta tillstånd. Med andra ord förblir hastighetsvektorn för sådan rörelse konstant. Detta beteende hos kroppar kallas också tröghetsrörelse.
Alla andra fall där någon förändring i hastighetsvektorn inträffar betyder att kroppen har acceleration. Ett intressant exempel i detta fall är rörelsen av en materialpunkt i en cirkel eller vilken satellit som helst i omloppsbana. I detta fall är det enhetlig rörelse, men inte rätlinjig, eftersom hastighetsvektorn hela tiden ändrar riktning, vilket gör att accelerationen inte är lika med noll. Denna hastighetsförändring kan beräknas med formeln v2 / r, där v är den konstanta hastigheten och r är omloppsbanans radie. Accelerationen i det här exemplet kommer att riktas mot cirkelns centrum vid vilken punkt som helst av kroppens bana.
Baserat på lagens definition kan endast kraft orsaka en förändring i riktningen för en materiell punkt. I sin roll (för fallet med en satellit) är planetens gravitation. Attraktionen av planeter och stjärnor, som du lätt kan gissa, är av stor betydelse inom kosmodynamiken i allmänhet och när man använder Tsiolkovskys ekvation i synnerhet.
Newtons andra lag
Acceleration är direkt proportionell mot kraft och omvänt proportionell mot kroppsmassa. Eller i matematisk form: a=F / m, eller vanligare - F=ma, där m är proportionalitetsfaktorn, som representerar måttetför kroppens tröghet.
Eftersom vilken raket som helst representeras som rörelsen hos en kropp med en variabel massa, kommer Tsiolkovskys ekvation att förändras varje tidsenhet. I exemplet ovan på en satellit som rör sig runt planeten och känner till dess massa m, kan du enkelt ta reda på kraften under vilken den roterar i omloppsbana, nämligen: F=mv2/r. Uppenbarligen kommer denna kraft att riktas mot planetens centrum.
Frågan uppstår: varför faller inte satelliten på planeten? Den faller inte, eftersom dess bana inte skär med planetens yta, eftersom naturen inte tvingar den att röra sig längs kraftens verkan, eftersom endast accelerationsvektorn är medriktad till den, och inte hastigheten.
Det bör också noteras att under förhållanden där kraften som verkar på kroppen och dess massa är känd, är det möjligt att ta reda på kroppens acceleration. Och enligt den bestämmer matematiska metoder vägen längs vilken denna kropp rör sig. Här kommer vi till två huvudproblem som kosmodynamiken hanterar:
- Avslöjande krafter som kan användas för att manipulera ett rymdskepps rörelse.
- Fastställ fartygets rörelse om de krafter som verkar på det är kända.
Det andra problemet är en klassisk fråga för himlamekanik, medan det första visar kosmodynamikens exceptionella roll. Därför är det inom detta område av fysiken, förutom Tsiolkovsky-formeln för jetframdrivning, extremt viktigt att förstå newtonsk mekanik.
Newtons tredje lag
Orsaken till en kraft som verkar på en kropp är alltid en annan kropp. Men santockså motsatsen. Detta är kärnan i Newtons tredje lag, som säger att det för varje handling finns en handling som är lika stor, men motsatt i riktningen, kallad reaktion. Med andra ord, om kropp A verkar med kraft F på kropp B, så verkar kropp B på kropp A med kraft -F.
I exemplet med en satellit och en planet leder Newtons tredje lag oss till förståelsen att med vilken kraft planeten attraherar satelliten, attraherar samma satellit planeten. Denna attraktionskraft är ansvarig för att förmedla acceleration till satelliten. Men det ger också acceleration till planeten, men dess massa är så stor att denna hastighetsförändring är försumbar för den.
Tsiolkovskys formel för jetframdrivning är helt baserad på förståelsen av Newtons sista lag. När allt kommer omkring är det just på grund av den utstötta massan av gaser som raketens huvudkropp får acceleration, vilket gör att den kan röra sig i rätt riktning.
Litt om referenssystem
När man överväger några fysiska fenomen är det svårt att inte beröra ett sådant ämne som en referensram. Rörelsen av en rymdfarkost, som alla andra kroppar i rymden, kan fixeras i olika koordinater. Det finns inga felaktiga referenssystem, det finns bara bekvämare och mindre. Till exempel beskrivs kroppars rörelse i solsystemet bäst i en heliocentrisk referensram, det vill säga i koordinater förknippade med solen, även kallad den kopernikanska ramen. Månens rörelse i detta system är dock mindre bekväm att överväga, så den studeras i geocentriska koordinater - räkningen är i förhållande tillJorden, detta kallas det ptolemaiska systemet. Men om frågan är om en asteroid som flyger i närheten kommer att träffa månen, kommer det att vara bekvämare att använda heliocentriska koordinater igen. Det är viktigt att kunna använda alla koordinatsystem och kunna se på problemet ur olika synvinklar.
Raketrörelse
Det främsta och enda sättet att resa i yttre rymden är en raket. För första gången uttrycktes denna princip, enligt Habr-webbplatsen, av Tsiolkovsky-formeln 1903. Sedan dess har astronautiska ingenjörer uppfunnit dussintals typer av raketmotorer som använder en mängd olika typer av energi, men de är alla förenade av en funktionsprincip: att kasta ut en del av massan från reserverna av arbetsvätskan för att uppnå acceleration. Kraften som genereras som ett resultat av denna process kallas dragkraften. Här är några slutsatser som gör det möjligt för oss att komma till Tsiolkovsky-ekvationen och härledningen av dess huvudform.
Självklart kommer dragkraften att öka beroende på volymen massa som skjuts ut från raketen per tidsenhet och hastigheten som denna massa lyckas rapportera. Således erhålls förhållandet F=wq, där F är dragkraften, w är hastigheten för den utkastade massan (m/s) och q är den förbrukade massan per tidsenhet (kg/s). Det är värt att notera separat vikten av referenssystemet som är specifikt kopplat till själva raketen. Annars är det omöjligt att karakterisera dragkraften hos en raketmotor om allt mäts i förhållande till jorden eller andra kroppar.
Forskning och experiment har visat att förhållandet F=wq förblir giltigt endast för fall där den utstötta massan är en vätska eller ett fast ämne. Men raketer använder en stråle av het gas. Därför måste ett antal korrigeringar införas i förhållandet, och då får vi ytterligare en term av förhållandet S(pr - pa), som läggs till originalet wq. Här är pr trycket som utövas av gasen vid munstyckets utgång; pa är atmosfärstryck och S är munstycksarea. Således skulle den förfinade formeln se ut så här:
F=wq + Spr - Spa.
Där du kan se att när raketen klättrar kommer atmosfärstrycket att bli lägre och dragkraften kommer att öka. Men fysiker älskar bekväma formler. Därför används ofta en formel som liknar dess ursprungliga form F=weq, där we är den effektiva massans utflödeshastighet. Den bestäms experimentellt under provningen av framdrivningssystemet och är numeriskt lika med uttrycket w + (Spr - Spa) / q.
Låt oss överväga ett koncept som är identiskt med we - specifik dragkraftsimpuls. Specifik betyder att hänföra sig till något. I det här fallet handlar det om jordens gravitation. För att göra detta, i formeln ovan, multipliceras högersidan och divideras med g (9,81 m/s2):
F=weq=(we / g)qg eller F=I ud qg
Detta värde mäts Isp i Ns/kg eller vad som helstsamma m/s. Med andra ord, den specifika dragkraftsimpulsen mäts i hastighetsenheter.
Tsiolkovskys formel
Som du lätt kan gissa, förutom motorns dragkraft, verkar många andra krafter på raketen: jordens attraktion, gravitationen hos andra objekt i solsystemet, atmosfäriskt motstånd, lätt tryck, etc. Var och en av dessa krafter ger sin egen acceleration till raketen, och summan från aktionen påverkar den slutliga accelerationen. Därför är det bekvämt att introducera begreppet jetacceleration eller ar=Ft / M, där M är raketens massa i en viss tidsperiod. Jetacceleration är den acceleration med vilken raketen skulle röra sig i frånvaro av yttre krafter som verkar på den. Uppenbarligen kommer accelerationen att öka när massan förbrukas. Därför finns det en annan bekväm egenskap - den initiala jetaccelerationen ar0=FtM0, där M 0 är raketens massa i början av rörelsen.
Det skulle vara logiskt att fråga vilken hastighet en raket kan utvecklas i ett sådant tomt utrymme efter att den har förbrukat en del av den arbetande kroppens massa. Låt raketens massa ändras från m0 till m1. Då kommer raketens hastighet efter den enhetliga förbrukningen av massa upp till värdet m1 kg att bestämmas av formeln:
V=wln(m0 / m1)
Detta är inget annat än formeln för rörelsen hos kroppar med variabel massa eller Tsiolkovskys ekvation. Det kännetecknar raketens energiresurs. Och hastigheten som erhålls med denna formel kallas ideal. Kan skrivasdenna formel i en annan identisk version:
V=Iudln(m0 / m1)
Det är värt att notera användningen av Tsiolkovsky-formeln för att beräkna bränsle. Närmare bestämt massan på bärraketen, som kommer att krävas för att föra en viss vikt in i jordens omloppsbana.
I slutändan bör det sägas om en så stor vetenskapsman som Meshchersky. Tillsammans med Tsiolkovsky är de astronautikens förfäder. Meshchersky gav ett stort bidrag till skapandet av teorin om rörelse för föremål med variabel massa. Meshcherskys och Tsiolkovskys formel är särskilt följande:
m(dv / dt) + u(dm / dt)=0, där v är hastigheten för materialpunkten, u är hastigheten för den kastade massan i förhållande till raketen. Denna relation kallas också Meshchersky differentialekvation, sedan erhålls Tsiolkovsky-formeln från den som en speciell lösning för en materiell punkt.
