Cosmonautics behaal gereeld verstommende sukses. Kunsmatige satelliete van die Aarde vind voortdurend meer en meer uiteenlopende toepassings. Om 'n ruimtevaarder in 'n wentelbaan naby die aarde te wees, het alledaags geword. Dit sou onmoontlik gewees het sonder die hoofformule van ruimtevaartkunde – die Tsiolkovsky-vergelyking.
In ons tyd gaan die studie van beide planete en ander liggame van ons sonnestelsel (Venus, Mars, Jupiter, Uranus, Aarde, ens.) en verafgeleë voorwerpe (asteroïdes, ander stelsels en sterrestelsels) voort. Die gevolgtrekkings oor die kenmerke van die kosmiese beweging van Tsiolkovsky se liggame het die grondslag gelê vir die teoretiese grondslae van ruimtevaartkunde, wat gelei het tot die uitvinding van dosyne modelle van elektriese straalenjins en uiters interessante meganismes, byvoorbeeld 'n sonseil.
Belangrikste probleme van ruimteverkenning
Drie areas van navorsing en ontwikkeling in wetenskap en tegnologie word duidelik geïdentifiseer as probleme van ruimteverkenning:
- Vlieg om die aarde of bou kunsmatige satelliete.
- Maanvlugte.
- Planetêre vlugte en vlugte na die voorwerpe van die sonnestelsel.
Tsiolkovsky se vergelyking vir straalaandrywing het daartoe bygedra dat die mensdom wonderlike resultate in elk van hierdie gebiede behaal het. En ook, baie nuwe toegepaste wetenskappe het verskyn: ruimtegeneeskunde en biologie, lewensondersteuningstelsels op 'n ruimtetuig, ruimtekommunikasie, ens.
prestasies in ruimtevaartkunde
Die meeste mense het vandag gehoor van groot prestasies: die eerste landing op die maan (VSA), die eerste satelliet (USSR) en dies meer. Benewens die bekendste prestasies waarvan almal hoor, is daar baie ander. Die USSR behoort veral aan:
- eerste wentelbaanstasie;
- eerste verbyvlug van die maan en foto's van die ander kant;
- eerste landing op die maan van 'n outomatiese stasie;
- eerste vlugte van voertuie na ander planete;
- eerste landing op Venus en Mars, ens.
Baie mense besef nie eens hoe groot die prestasies van die USSR op die gebied van ruimtevaartkunde was nie. As daar iets was, was hulle aansienlik meer as net die eerste satelliet.
Maar die Verenigde State het nie minder bygedra tot die ontwikkeling van ruimtevaartkunde nie. In die VSA gehou:
- Alle groot vordering in die gebruik van Aarde-baan (satelliete en satellietkommunikasie) vir wetenskaplike doeleindes en toepassings.
- Baie sendings na die maan, verkenning van Mars, Jupiter, Venus en Mercurius vanaf verbyvliegafstande.
- Stelwetenskaplike en mediese eksperimente uitgevoer in nul swaartekrag.
En alhoewel die prestasies van ander lande op die oomblik vaal in vergelyking met die USSR en die VSA, maar China, Indië en Japan het aktief by die verkenning van die ruimte in die tydperk ná 2000 aangesluit.
Die prestasies van ruimtevaartkunde is egter nie beperk tot die boonste lae van die planeet en hoë wetenskaplike teorieë nie. Sy het ook 'n groot invloed op die eenvoudige lewe gehad. As gevolg van ruimteverkenning het sulke dinge in ons lewens gekom: weerlig, klittenband, Teflon, satellietkommunikasie, meganiese manipuleerders, draadlose gereedskap, sonpanele, 'n kunsmatige hart, en nog baie meer. En dit was Tsiolkovsky se snelheidsformule, wat gehelp het om gravitasie-aantrekkingskrag te oorkom en bygedra het tot die ontstaan van ruimtepraktyk in die wetenskap, wat dit alles help bereik het.
Die term "kosmodinamika"
Tsiolkovsky se vergelyking het die basis van kosmodinamika gevorm. Hierdie term moet egter in meer besonderhede verstaan word. Veral in die kwessie van begrippe na aan dit in betekenis: ruimtevaartkunde, hemelmeganika, sterrekunde, ens. Ruimtekunde word uit Grieks vertaal as "swem in die Heelal." In die gewone geval verwys hierdie term na die massa van alle tegniese vermoëns en wetenskaplike prestasies wat die studie van ruimte en hemelliggame moontlik maak.
Ruimtevlugte is waarvan die mensdom al eeue lank gedroom het. En hierdie drome het in werklikheid verander, van teorie tot wetenskap, en alles te danke aan die Tsiolkovsky-formule vir vuurpylspoed. Uit die werke van hierdie groot wetenskaplike weet ons dat die teorie van ruimtevaartkunde op drie staanpilare:
- Teorie wat die beweging van ruimtetuie beskryf.
- Elektro-vuurpyl-enjins en hul produksie.
- Astronomiese kennis en verkenning van die Heelal.
Soos voorheen opgemerk, het baie ander wetenskaplike en tegniese dissiplines in die ruimte-era verskyn, soos: ruimtetuigbeheerstelsels, kommunikasie- en data-oordragstelsels in die ruimte, ruimtenavigasie, ruimtegeneeskunde en nog baie meer. Dit is opmerklik dat daar nie eens 'n radio as sodanig was ten tyde van die geboorte van die grondslae van ruimtevaartkunde nie. Die studie van elektromagnetiese golwe en die oordrag van inligting oor lang afstande met hul hulp het net begin. Daarom het die stigters van die teorie ligseine - die son se strale wat na die Aarde gereflekteer word - ernstig oorweeg as 'n manier om data oor te dra. Vandag is dit onmoontlik om kosmonautika voor te stel sonder al die verwante toegepaste wetenskappe. In daardie verre tye was die verbeelding van 'n aantal wetenskaplikes werklik verstommend. Benewens kommunikasiemetodes, het hulle ook onderwerpe soos die Tsiolkovsky-formule vir 'n multi-stadium vuurpyl aangeraak.
Is dit moontlik om enige dissipline as die belangrikste een onder al die verskeidenheid uit te sonder? Dit is die teorie van beweging van kosmiese liggame. Dit is sy wat as die hoofskakel dien, waarsonder ruimtevaartkunde onmoontlik is. Hierdie gebied van wetenskap word kosmodinamika genoem. Alhoewel dit baie identiese name het: hemel- of ruimteballistiek, ruimtevlugmeganika, toegepaste hemelmeganika, die wetenskap van die beweging van kunsmatige hemelliggame enens. Hulle verwys almal na dieselfde studierigting. Formeel betree kosmodinamika hemelse meganika en gebruik sy metodes, maar daar is 'n uiters belangrike verskil. Hemelmeganika bestudeer net wentelbane; dit het geen keuse nie, maar kosmodinamika is ontwerp om die optimale bane te bepaal om sekere hemelliggame met ruimtetuie te bereik. En die Tsiolkovsky-vergelyking vir straalaandrywing laat skepe toe om presies te bepaal hoe hulle die vlugbaan kan beïnvloed.
Kosmodinamika as 'n wetenskap
Sedert K. E. Tsiolkovsky die formule afgelei het, het die wetenskap van die beweging van hemelliggame stewig gest alte gekry as kosmodinamika. Dit laat ruimtetuie toe om metodes te gebruik om die optimale oorgang tussen verskillende wentelbane te vind, wat wentelbeweging genoem word, en is die basis van die teorie van beweging in die ruimte, net soos aërodinamika die basis van atmosferiese vlug is. Dit is egter nie die enigste wetenskap wat hierdie kwessie hanteer nie. Benewens dit is daar ook vuurpyldinamika. Beide hierdie wetenskappe vorm 'n stewige grondslag vir moderne ruimtetegnologie, en albei is ingesluit in die afdeling van hemelmeganika.
Cosmodynamics bestaan uit twee hoofafdelings:
- Die teorie van die beweging van die traagheidsentrum (massa) van 'n voorwerp in die ruimte, of die teorie van trajekte.
- Die teorie van die beweging van 'n kosmiese liggaam relatief tot sy traagheidsentrum, of die teorie van rotasie.
Om uit te vind wat die Tsiolkovsky-vergelyking is, moet jy 'n goeie begrip van meganika hê, dit wil sê Newton se wette.
Newton se eerste wet
Enige liggaam beweeg eenvormig en reglynig of is in rus totdat eksterne kragte wat daarop toegepas word, dit dwing om hierdie toestand te verander. Met ander woorde, die snelheidsvektor van sodanige beweging bly konstant. Hierdie gedrag van liggame word ook traagheidsbeweging genoem.
Enige ander geval waarin enige verandering in die snelheidsvektor plaasvind, beteken dat die liggaam versnelling het. 'n Interessante voorbeeld in hierdie geval is die beweging van 'n materiële punt in 'n sirkel of enige satelliet in 'n wentelbaan. In hierdie geval is daar eenvormige beweging, maar nie reglynig nie, want die snelheidsvektor verander voortdurend van rigting, wat beteken dat die versnelling nie gelyk is aan nul nie. Hierdie verandering in snelheid kan bereken word deur die formule v2 / r te gebruik, waar v die konstante snelheid is en r die radius van die wentelbaan is. Die versnelling in hierdie voorbeeld sal na die middel van die sirkel by enige punt van die liggaam se baan gerig word.
Gegrond op die definisie van die wet, kan slegs krag 'n verandering in die rigting van 'n wesenlike punt veroorsaak. In sy rol (vir die geval met 'n satelliet) is die planeet se swaartekrag. Die aantrekkingskrag van planete en sterre, soos jy maklik kan raai, is van groot belang in kosmodinamika in die algemeen en wanneer die Tsiolkovsky-vergelyking in die besonder gebruik word.
Newton se tweede wet
Versnelling is direk eweredig aan krag en omgekeerd eweredig aan liggaamsmassa. Of in wiskundige vorm: a=F / m, of meer algemeen - F=ma, waar m die proporsionaliteitsfaktor is, wat die maat verteenwoordigvir liggaamstraagheid.
Aangesien enige vuurpyl voorgestel word as die beweging van 'n liggaam met 'n veranderlike massa, sal die Tsiolkovsky-vergelyking elke eenheid van tyd verander. In die bostaande voorbeeld van 'n satelliet wat om die planeet beweeg, met kennis van sy massa m, kan jy maklik die krag uitvind waaronder dit in 'n wentelbaan roteer, naamlik: F=mv2/r. Uiteraard sal hierdie krag na die middel van die planeet gerig word.
Die vraag ontstaan: hoekom val die satelliet nie op die planeet nie? Dit val nie, aangesien sy baan nie met die oppervlak van die planeet sny nie, omdat die natuur dit nie dwing om langs die werking van die krag te beweeg nie, omdat slegs die versnellingsvektor daarnatoe gerig is, en nie die snelheid nie.
Daar moet ook op gelet word dat in toestande waar die krag wat op die liggaam inwerk en sy massa bekend is, dit moontlik is om die versnelling van die liggaam uit te vind. En daarvolgens bepaal wiskundige metodes die pad waarlangs hierdie liggaam beweeg. Hier kom ons by twee hoofprobleme waarmee kosmodinamika te doen het:
- Openbarende kragte wat gebruik kan word om die beweging van 'n ruimteskip te manipuleer.
- Bepaal die beweging van hierdie skip as die kragte wat daarop inwerk bekend is.
Die tweede probleem is 'n klassieke vraag vir hemelse meganika, terwyl die eerste een die uitsonderlike rol van kosmodinamika toon. Daarom is dit in hierdie area van fisika, benewens die Tsiolkovsky-formule vir straalaandrywing, uiters belangrik om Newtoniaanse meganika te verstaan.
Newton se derde wet
Die oorsaak van 'n krag wat op 'n liggaam inwerk, is altyd 'n ander liggaam. Maar waarook die teenoorgestelde. Dit is die kern van Newton se derde wet, wat bepaal dat daar vir elke aksie 'n aksie van gelyke grootte, maar teenoorgestelde in rigting is, wat reaksie genoem word. Met ander woorde, as liggaam A met krag F op liggaam B inwerk, dan tree liggaam B in op liggaam A met krag -F.
In die voorbeeld met 'n satelliet en 'n planeet, lei Newton se derde wet ons tot die begrip dat met watter krag die planeet die satelliet aantrek, dieselfde satelliet die planeet aantrek. Hierdie aantrekkingskrag is verantwoordelik vir die versnelling van die satelliet. Maar dit gee ook versnelling aan die planeet, maar sy massa is so groot dat hierdie verandering in spoed vir hom weglaatbaar is.
Tsiolkovsky se formule vir straalaandrywing is heeltemal gebaseer op die begrip van Newton se laaste wet. Dit is immers juis as gevolg van die uitgeworpe massa gasse dat die hoofliggaam van die vuurpyl versnelling verkry, wat dit toelaat om in die regte rigting te beweeg.
'n Bietjie oor verwysingstelsels
Wanneer enige fisiese verskynsels oorweeg word, is dit moeilik om nie so 'n onderwerp as 'n verwysingsraamwerk aan te raak nie. Die beweging van 'n ruimtetuig, soos enige ander liggaam in die ruimte, kan in verskillende koördinate vasgestel word. Daar is geen verkeerde verwysingstelsels nie, daar is net geriefliker en minder. Byvoorbeeld, die beweging van liggame in die sonnestelsel word die beste beskryf in 'n heliosentriese verwysingsraamwerk, dit wil sê in koördinate wat met die Son geassosieer word, ook genoem die Kopernikaanse raam. Die beweging van die Maan in hierdie stelsel is egter minder gerieflik om te oorweeg, daarom word dit in geosentriese koördinate bestudeer - die telling is relatief totAarde, dit word die Ptolemaïese stelsel genoem. Maar as die vraag is of’n asteroïde wat naby vlieg die Maan sal tref, sal dit geriefliker wees om weer heliosentriese koördinate te gebruik. Dit is belangrik om alle koördinaatstelsels te kan gebruik en uit verskillende oogpunte na die probleem te kan kyk.
Rocket movement
Die belangrikste en enigste manier om in die buitenste ruimte te reis, is 'n vuurpyl. Vir die eerste keer is hierdie beginsel, volgens die Habr-webwerf, deur die Tsiolkovsky-formule in 1903 uitgedruk. Sedertdien het ruimtevaartingenieurs tientalle soorte vuurpylenjins uitgevind wat 'n wye verskeidenheid tipes energie gebruik, maar hulle is almal verenig deur een werkingsbeginsel: die uitstoot van 'n deel van die massa uit die reserwes van die werksvloeistof om versnelling te verkry. Die krag wat as gevolg van hierdie proses opgewek word, word die trekkrag genoem. Hier is 'n paar gevolgtrekkings wat ons sal toelaat om tot die Tsiolkovsky-vergelyking en die afleiding van sy hoofvorm te kom.
Natuurlik sal die trekkrag toeneem na gelang van die volume massa wat uit die vuurpyl uitgestoot word per tydseenheid en die spoed wat hierdie massa dit regkry om te rapporteer. So word die verband F=wq verkry, waar F die trekkrag is, w die spoed van die gegooide massa (m/s) en q die massa verbruik per tydseenheid (kg/s) is. Dit is die moeite werd om afsonderlik te let op die belangrikheid van die verwysingstelsel wat spesifiek met die vuurpyl self verband hou. Andersins is dit onmoontlik om die stootkrag van 'n vuurpylmotor te karakteriseer as alles relatief tot die Aarde of ander liggame gemeet word.
Navorsing en eksperimente het getoon dat die verhouding F=wq slegs geldig bly vir gevalle waar die uitgeworpe massa 'n vloeistof of 'n vaste stof is. Maar vuurpyle gebruik 'n straal warm gas. Daarom moet 'n aantal regstellings in die verhouding ingebring word, en dan kry ons 'n addisionele term van die verhouding S(pr - pa), wat by die oorspronklike wq gevoeg word. Hier is pr die druk wat deur die gas by die spuitpuntuitgang uitgeoefen word; pa is atmosferiese druk en S is spuitpuntarea. Die verfynde formule sal dus so lyk:
F=wq + Spr - Spa.
Waar jy kan sien dat soos die vuurpyl klim, die atmosferiese druk minder sal word, en die stootkrag sal toeneem. Fisici hou egter van gerieflike formules. Daarom word 'n formule soortgelyk aan sy oorspronklike vorm dikwels gebruik F=weq, waar we die effektiewe massa-uitvloeisnelheid is. Dit word eksperimenteel bepaal tydens die toets van die aandrywingstelsel en is numeries gelyk aan die uitdrukking w + (Spr - Spa) / q.
Kom ons oorweeg 'n konsep wat identies is aan we - spesifieke stukragimpuls. Spesifiek beteken dat dit betrekking het op iets. In hierdie geval is dit die swaartekrag van die Aarde. Om dit te doen, in die formule hierbo, word die regterkant vermenigvuldig en gedeel deur g (9,81 m/s2):
F=weq=(we / g)qg of F=I ud qg
Hierdie waarde word gemeet Isp in Ns/kg of wat ook aldieselfde m/s. Met ander woorde, die spesifieke stootimpuls word gemeet in spoedeenhede.
Tsiolkovsky se formule
Soos jy maklik kan raai, werk baie ander kragte benewens die dryfkrag van die enjin op die vuurpyl in: die aantrekkingskrag van die Aarde, die swaartekrag van ander voorwerpe in die sonnestelsel, atmosferiese weerstand, ligte druk, ens. Elkeen van hierdie kragte gee sy eie versnelling aan die vuurpyl, en die totaal van die aksie beïnvloed die finale versnelling. Daarom is dit gerieflik om die konsep van straalversnelling of 'nr=Ft / M bekend te stel, waar M die massa van die vuurpyl in 'n sekere periode van tyd. Straalversnelling is die versnelling waarmee die vuurpyl sou beweeg in die afwesigheid van eksterne kragte wat daarop inwerk. Namate die massa bestee word, sal die versnelling natuurlik toeneem. Daarom is daar nog 'n gerieflike eienskap - die aanvanklike straalversnelling ar0=FtM0, waar M 0 is die massa van die vuurpyl aan die begin van beweging.
Dit sal logies wees om te vra watter spoed 'n vuurpyl in so 'n leë ruimte kan ontwikkel nadat dit 'n mate van die massa van die werkende liggaam opgebruik het. Laat die massa van die vuurpyl verander van m0 na m1. Dan sal die spoed van die vuurpyl na die eenvormige verbruik van massa tot by die waarde m1 kg bepaal word deur die formule:
V=wln(m0 / m1)
Dit is niks anders as die formule vir die beweging van liggame met veranderlike massa of die Tsiolkovsky-vergelyking nie. Dit kenmerk die energiebron van die vuurpyl. En die spoed wat deur hierdie formule verkry word, word ideaal genoem. Kan geskryf wordhierdie formule in 'n ander identiese weergawe:
V=Iudln(m0 / m1)
Dit is die moeite werd om te let op die gebruik van die Tsiolkovsky Formule vir die berekening van brandstof. Meer presies, die massa van die lanseervoertuig, wat nodig sal wees om 'n sekere gewig in die Aarde se wentelbaan te bring.
Op die ou end moet dit gesê word oor so 'n groot wetenskaplike soos Meshchersky. Saam met Tsiolkovsky is hulle die voorvaders van ruimtevaartkunde. Meshchersky het 'n groot bydrae gelewer tot die skepping van die teorie van beweging van voorwerpe met veranderlike massa. Die formule van Meshchersky en Tsiolkovsky is veral soos volg:
m(dv / dt) + u(dm / dt)=0, waar v die spoed van die materiaalpunt is, u die spoed van die gegooide massa relatief tot die vuurpyl is. Hierdie verband word ook die Meshchersky-differensiaalvergelyking genoem, dan word die Tsiolkovsky-formule daaruit verkry as 'n bepaalde oplossing vir 'n materiële punt.
