Cosmonautics boekt regelmatig verbluffende successen. Kunstmatige satellieten van de aarde vinden voortdurend meer en meer diverse toepassingen. Een astronaut zijn in een bijna-baan om de aarde is gemeengoed geworden. Dit zou onmogelijk zijn geweest zonder de hoofdformule van de ruimtevaart - de Tsiolkovsky-vergelijking.
In onze tijd gaat de studie van zowel planeten als andere lichamen van ons zonnestelsel (Venus, Mars, Jupiter, Uranus, Aarde, enz.) en verre objecten (asteroïden, andere systemen en sterrenstelsels) door. De conclusies over de kenmerken van de kosmische beweging van de lichamen van Tsiolkovsky legden de basis voor de theoretische grondslagen van de ruimtevaart, wat leidde tot de uitvinding van tientallen modellen van elektrische straalmotoren en uiterst interessante mechanismen, bijvoorbeeld een zonnezeil.
Belangrijkste problemen bij verkenning van de ruimte
Drie gebieden van onderzoek en ontwikkeling op het gebied van wetenschap en technologie zijn duidelijk geïdentificeerd als problemen bij de verkenning van de ruimte:
- Vliegen rond de aarde of kunstmatige satellieten bouwen.
- Maanvluchten.
- Planetaire vluchten en vluchten naar de objecten van het zonnestelsel.
Tsiolkovsky's vergelijking voor straalaandrijving heeft ertoe bijgedragen dat de mensheid op elk van deze gebieden verbazingwekkende resultaten heeft bereikt. En ook zijn er veel nieuwe toegepaste wetenschappen verschenen: ruimtegeneeskunde en biologie, levensondersteunende systemen op een ruimtevaartuig, ruimtecommunicatie, enz.
Prestaties in de ruimtevaart
De meeste mensen hebben tegenwoordig gehoord van grote prestaties: de eerste landing op de maan (VS), de eerste satelliet (USSR) en dergelijke. Naast de meest bekende prestaties waar iedereen over hoort, zijn er nog vele andere. De USSR behoort in het bijzonder toe aan:
- eerste baanstation;
- eerste vlucht langs de maan en foto's van de andere kant;
- eerste landing op de maan van een geautomatiseerd station;
- eerste vluchten van voertuigen naar andere planeten;
- eerste landing op Venus en Mars, enz.
Veel mensen realiseren zich niet eens hoe groot de prestaties van de USSR op het gebied van kosmonauten waren. Ze waren in ieder geval aanzienlijk meer dan alleen de eerste satelliet.
Maar de Verenigde Staten hebben niet minder bijgedragen aan de ontwikkeling van de ruimtevaart. In de VS gehouden:
- Alle belangrijke ontwikkelingen in het gebruik van de baan om de aarde (satellieten en satellietcommunicatie) voor wetenschappelijke doeleinden en toepassingen.
- Veel missies naar de maan, verkenning van Mars, Jupiter, Venus en Mercurius vanaf flyby-afstanden.
- Setwetenschappelijke en medische experimenten uitgevoerd zonder zwaartekracht.
En hoewel op dit moment de prestaties van andere landen verbleken in vergelijking met de USSR en de VS, hebben China, India en Japan zich in de periode na 2000 actief aangesloten bij de verkenning van de ruimte.
De prestaties van de ruimtevaart zijn echter niet beperkt tot de bovenste lagen van de planeet en hoge wetenschappelijke theorieën. Ze had ook een grote invloed op het eenvoudige leven. Als gevolg van ruimteverkenning zijn zulke dingen in ons leven gekomen: bliksem, klittenband, teflon, satellietcommunicatie, mechanische manipulatoren, draadloze gereedschappen, zonnepanelen, een kunsthart en nog veel meer. En het was de snelheidsformule van Tsiolkovsky, die hielp de aantrekkingskracht van de zwaartekracht te overwinnen en bijdroeg aan de opkomst van ruimtevaartpraktijken in de wetenschap, die dit alles hielp bereiken.
De term "kosmodynamica"
Tsiolkovsky's vergelijking vormde de basis van de kosmodynamica. Deze term moet echter in meer detail worden begrepen. Vooral als het gaat om concepten die er qua betekenis dicht bij liggen: ruimtevaart, hemelmechanica, astronomie, enz. Kosmonautiek wordt uit het Grieks vertaald als 'zwemmen in het heelal'. In het gebruikelijke geval verwijst deze term naar de massa van alle technische mogelijkheden en wetenschappelijke prestaties die de studie van de ruimte en hemellichamen mogelijk maken.
Ruimtevluchten zijn waar de mensheid al eeuwen van droomt. En deze dromen werden werkelijkheid, van theorie tot wetenschap, en dat allemaal dankzij de Tsiolkovsky-formule voor raketsnelheid. Uit de werken van deze grote wetenschapper weten we dat de theorie van de ruimtevaart op drie staat:pijlers:
- Theorie die de beweging van ruimtevaartuigen beschrijft.
- Elektro-raketmotoren en hun productie.
- Astronomische kennis en verkenning van het heelal.
Zoals eerder opgemerkt, verschenen er veel andere wetenschappelijke en technische disciplines in het ruimtetijdperk, zoals: besturingssystemen voor ruimtevaartuigen, communicatie- en datatransmissiesystemen in de ruimte, ruimtenavigatie, ruimtegeneeskunde en nog veel meer. Het is vermeldenswaard dat er op het moment van de geboorte van de fundamenten van de ruimtevaart niet eens een radio als zodanig was. De studie van elektromagnetische golven en de overdracht van informatie over lange afstanden met hun hulp was nog maar net begonnen. Daarom hebben de grondleggers van de theorie lichtsignalen - de zonnestralen die naar de aarde worden gereflecteerd - serieus overwogen als een manier om gegevens over te dragen. Tegenwoordig is het onmogelijk om de kosmonautiek voor te stellen zonder alle gerelateerde toegepaste wetenschappen. In die verre tijden was de verbeeldingskracht van een aantal wetenschappers echt geweldig. Naast communicatiemethoden raakten ze ook onderwerpen aan zoals de Tsiolkovsky-formule voor een meertrapsraket.
Is het mogelijk om een discipline te onderscheiden als de belangrijkste van alle variëteiten? Het is de bewegingstheorie van kosmische lichamen. Zij is het die als de belangrijkste schakel dient, zonder welke ruimtevaart onmogelijk is. Dit wetenschapsgebied wordt kosmodynamica genoemd. Hoewel het veel identieke namen heeft: hemel- of ruimteballistiek, ruimtevluchtmechanica, toegepaste hemelmechanica, de wetenschap van de beweging van kunstmatige hemellichamen enetc. Ze verwijzen allemaal naar hetzelfde vakgebied. Formeel gaat de kosmodynamica de hemelmechanica binnen en gebruikt haar methoden, maar er is een uiterst belangrijk verschil. Hemelmechanica bestudeert alleen banen; het heeft geen keus, maar kosmodynamica is ontworpen om de optimale banen te bepalen om bepaalde hemellichamen per ruimtevaartuig te bereiken. En met de Tsiolkovsky-vergelijking voor straalaandrijving kunnen schepen precies bepalen hoe ze de vliegroute kunnen beïnvloeden.
Kosmodynamica als wetenschap
Sinds K. E. Tsiolkovsky de formule afleidde, heeft de wetenschap van de beweging van hemellichamen stevig vorm gekregen als kosmodynamica. Het stelt ruimtevaartuigen in staat om methoden te gebruiken om de optimale overgang tussen verschillende banen te vinden, wat orbitaal manoeuvreren wordt genoemd, en is de basis van de bewegingstheorie in de ruimte, net zoals aerodynamica de basis is van atmosferische vlucht. Het is echter niet de enige wetenschap die zich met dit probleem bezighoudt. Daarnaast is er ook raketdynamiek. Beide wetenschappen vormen een solide basis voor moderne ruimtetechnologie en beide zijn opgenomen in de sectie hemelmechanica.
Cosmodynamics bestaat uit twee hoofdsecties:
- De theorie van de beweging van het traagheidscentrum (massa) van een object in de ruimte, of de theorie van banen.
- De theorie van de beweging van een kosmisch lichaam ten opzichte van zijn traagheidscentrum, of de theorie van rotatie.
Om erachter te komen wat de Tsiolkovsky-vergelijking is, moet je een goed begrip hebben van mechanica, dat wil zeggen de wetten van Newton.
De eerste wet van Newton
Elk lichaam beweegt uniform en rechtlijnig of is in rust totdat externe krachten erop worden uitgeoefend, het dwingen deze toestand te veranderen. Met andere woorden, de snelheidsvector van een dergelijke beweging blijft constant. Dit gedrag van lichamen wordt ook wel traagheidsbeweging genoemd.
Elk ander geval waarin een verandering in de snelheidsvector optreedt, betekent dat het lichaam versnelling heeft. Een interessant voorbeeld in dit geval is de beweging van een materieel punt in een cirkel of een satelliet in een baan om de aarde. In dit geval is er een uniforme beweging, maar niet rechtlijnig, omdat de snelheidsvector constant van richting verandert, wat betekent dat de versnelling niet gelijk is aan nul. Deze verandering in snelheid kan worden berekend met de formule v2 / r, waarbij v de constante snelheid is en r de straal van de baan. De versnelling in dit voorbeeld wordt op elk punt van het traject van het lichaam naar het middelpunt van de cirkel geleid.
Gebaseerd op de definitie van de wet, kan alleen kracht een verandering in de richting van een materieel punt veroorzaken. In zijn rol (voor het geval met een satelliet) is de zwaartekracht van de planeet. De aantrekkingskracht van planeten en sterren, zoals je gemakkelijk kunt raden, is van groot belang in de kosmodynamica in het algemeen en bij het gebruik van de Tsiolkovsky-vergelijking in het bijzonder.
De tweede wet van Newton
Versnelling is recht evenredig met kracht en omgekeerd evenredig met lichaamsmassa. Of in wiskundige vorm: a=F / m, of meer algemeen - F=ma, waarbij m de evenredigheidsfactor is, die de maat vertegenwoordigtvoor lichaamstraagheid.
Aangezien elke raket wordt weergegeven als de beweging van een lichaam met een variabele massa, zal de Tsiolkovsky-vergelijking elke tijdseenheid veranderen. In het bovenstaande voorbeeld van een satelliet die rond de planeet beweegt en zijn massa m kent, kun je gemakkelijk de kracht bepalen waaronder hij in zijn baan draait, namelijk: F=mv2/r. Het is duidelijk dat deze kracht naar het centrum van de planeet zal worden gericht.
De vraag rijst: waarom v alt de satelliet niet op de planeet? Het v alt niet, omdat zijn baan het oppervlak van de planeet niet kruist, omdat de natuur het niet dwingt om langs de werking van de kracht te bewegen, omdat alleen de versnellingsvector er op is gericht, en niet de snelheid.
Er moet ook worden opgemerkt dat in omstandigheden waarbij de kracht die op het lichaam inwerkt en de massa bekend zijn, het mogelijk is om de versnelling van het lichaam te achterhalen. En volgens het, bepalen wiskundige methoden het pad waarlangs dit lichaam beweegt. Hier komen we bij twee hoofdproblemen waar de kosmodynamica mee te maken heeft:
- Onthullende krachten die kunnen worden gebruikt om de beweging van een ruimteschip te manipuleren.
- Bepaal de beweging van dit schip als de krachten die erop werken bekend zijn.
Het tweede probleem is een klassieke vraag voor hemelmechanica, terwijl het eerste de uitzonderlijke rol van kosmodynamica laat zien. Daarom is het op dit gebied van de fysica, naast de Tsiolkovsky-formule voor straalaandrijving, uiterst belangrijk om de Newtoniaanse mechanica te begrijpen.
De derde wet van Newton
De oorzaak van een kracht die op een lichaam inwerkt, is altijd een ander lichaam. Maar waarook het tegenovergestelde. Dit is de essentie van de derde wet van Newton, die stelt dat er voor elke actie een actie is die even groot is, maar tegengesteld van richting, reactie genoemd. Met andere woorden, als lichaam A met kracht F inwerkt op lichaam B, dan werkt lichaam B op lichaam A met kracht -F.
In het voorbeeld met een satelliet en een planeet, leidt de derde wet van Newton ons tot het inzicht dat met welke kracht de planeet de satelliet aantrekt, dezelfde satelliet de planeet aantrekt. Deze aantrekkingskracht is verantwoordelijk voor het geven van versnelling aan de satelliet. Maar het geeft ook versnelling aan de planeet, maar zijn massa is zo groot dat deze verandering in snelheid voor hem verwaarloosbaar is.
Tsiolkovsky's formule voor straalaandrijving is volledig gebaseerd op het begrip van de laatste wet van Newton. Het is immers juist door de uitgestoten massa aan gassen dat het hoofdlichaam van de raket versnelling krijgt, waardoor het in de goede richting kan bewegen.
Een beetje over referentiesystemen
Bij het overwegen van fysieke verschijnselen is het moeilijk om zo'n onderwerp als referentiekader niet aan te raken. De beweging van een ruimtevaartuig kan, net als elk ander lichaam in de ruimte, in verschillende coördinaten worden vastgelegd. Er zijn geen verkeerde referentiesystemen, er zijn alleen handiger en minder. De beweging van lichamen in het zonnestelsel kan bijvoorbeeld het best worden beschreven in een heliocentrisch referentiekader, dat wil zeggen in coördinaten die verband houden met de zon, ook wel het Copernicaanse frame genoemd. De beweging van de maan in dit systeem is echter minder handig om te overwegen, dus het wordt bestudeerd in geocentrische coördinaten - de telling is relatief ten opzichte vanAarde, dit wordt het Ptolemeïsche systeem genoemd. Maar als het de vraag is of een nabij vliegende asteroïde de maan zal raken, is het handiger om weer heliocentrische coördinaten te gebruiken. Het is belangrijk om alle coördinatenstelsels te kunnen gebruiken en het probleem vanuit verschillende gezichtspunten te kunnen bekijken.
Raketbeweging
De belangrijkste en enige manier om door de ruimte te reizen is een raket. Volgens de Habr-website werd dit principe voor het eerst uitgedrukt door de Tsiolkovsky-formule in 1903. Sindsdien hebben astronautische ingenieurs tientallen soorten raketmotoren uitgevonden die een grote verscheidenheid aan soorten energie gebruiken, maar ze zijn allemaal verenigd door één werkingsprincipe: een deel van de massa uit de reserves van de werkvloeistof verwijderen om versnelling te verkrijgen. De kracht die daarbij ontstaat, wordt de trekkracht genoemd. Hier zijn enkele conclusies die ons in staat zullen stellen tot de Tsiolkovsky-vergelijking en de afleiding van zijn hoofdvorm te komen.
Het is duidelijk dat de trekkracht zal toenemen, afhankelijk van het volume van de massa die per tijdseenheid uit de raket wordt geworpen en de snelheid die deze massa weet te rapporteren. Zo wordt de relatie F=wq verkregen, waarbij F de trekkracht is, w de snelheid van de geworpen massa (m/s) en q de per tijdseenheid verbruikte massa (kg/s). Het is de moeite waard om apart te wijzen op het belang van het referentiesysteem dat specifiek verband houdt met de raket zelf. Anders is het onmogelijk om de stuwkracht van een raketmotor te karakteriseren als alles wordt gemeten ten opzichte van de aarde of andere lichamen.
Onderzoek en experimenten hebben aangetoond dat de verhouding F=wq alleen geldig blijft voor gevallen waarin de uitgestoten massa een vloeistof of een vaste stof is. Maar raketten gebruiken een straal heet gas. Daarom moeten er een aantal correcties in de verhouding worden aangebracht, en dan krijgen we een extra term van de verhouding S(pr - pa), die wordt toegevoegd aan de oorspronkelijke wq. Hierin is pr de druk die wordt uitgeoefend door het gas bij de uitgang van het mondstuk; pa is de atmosferische druk en S is het mondstukoppervlak. De verfijnde formule zou er dus als volgt uitzien:
F=wq + Spr - Spa.
Waar je kunt zien dat naarmate de raket stijgt, de atmosferische druk minder wordt en de stuwkracht toeneemt. Natuurkundigen houden echter van handige formules. Daarom wordt vaak een formule gebruikt die lijkt op zijn oorspronkelijke vorm F=weq, waarbij we de effectieve massa-uitstroomsnelheid is. Het wordt experimenteel bepaald tijdens het testen van het voortstuwingssysteem en is numeriek gelijk aan de uitdrukking w + (Spr - Spa) / q.
Laten we een concept bekijken dat identiek is aan we - specifieke stuwkrachtimpuls. Specifiek betekent met betrekking tot iets. In dit geval is het de zwaartekracht van de aarde. Om dit te doen, wordt in de bovenstaande formule de rechterkant vermenigvuldigd en gedeeld door g (9,81 m/s2):
F=weq=(we / g)qg of F=I ud qg
Deze waarde wordt gemeten Isp in Ns/kg of wat dan ookzelfde m/s. Met andere woorden, de specifieke stuwkrachtimpuls wordt gemeten in eenheden van snelheid.
Tsiolkovsky's formule
Zoals je gemakkelijk kunt raden, werken er naast de stuwkracht van de motor nog vele andere krachten op de raket: de aantrekkingskracht van de aarde, de zwaartekracht van andere objecten in het zonnestelsel, atmosferische weerstand, lichte druk, enz. Elk van deze krachten geeft zijn eigen versnelling aan de raket, en het totaal van de actie heeft invloed op de uiteindelijke versnelling. Daarom is het handig om het concept van jetversnelling of ar=Ft / M te introduceren, waarbij M de massa van de raket in een bepaalde periode. Straalversnelling is de versnelling waarmee de raket zou bewegen zonder externe krachten die erop inwerken. Het is duidelijk dat naarmate de massa wordt verbruikt, de versnelling toeneemt. Daarom is er nog een ander handig kenmerk: de initiële straalversnelling ar0=FtM0, waarbij M 0 is de massa van de raket aan het begin van de beweging.
Het zou logisch zijn om te vragen welke snelheid een raket kan ontwikkelen in zo'n lege ruimte nadat deze een deel van de massa van het werkende lichaam heeft opgebruikt. Laat de massa van de raket veranderen van m0 naar m1. Dan wordt de snelheid van de raket na het uniforme verbruik van massa tot de waarde m1 kg bepaald door de formule:
V=wln(m0 / m1)
Dit is niets anders dan de formule voor de beweging van lichamen met variabele massa of de Tsiolkovsky-vergelijking. Het kenmerkt de energiebron van de raket. En de snelheid die met deze formule wordt verkregen, wordt ideaal genoemd. kan worden geschrevendeze formule in een andere identieke versie:
V=Iudln(m0 / m1)
Het is vermeldenswaard het gebruik van de Tsiolkovsky-formule voor het berekenen van brandstof. Om precies te zijn, de massa van het lanceervoertuig, die nodig is om een bepaald gewicht in de baan van de aarde te brengen.
Uiteindelijk moet het gezegd worden over zo'n grote wetenschapper als Meshchersky. Samen met Tsiolkovsky zijn zij de voorouders van de ruimtevaart. Meshchersky heeft een enorme bijdrage geleverd aan de totstandkoming van de bewegingstheorie van objecten met variabele massa. In het bijzonder is de formule van Meshchersky en Tsiolkovsky als volgt:
m(dv / dt) + u(dm / dt)=0, waar v de snelheid van het materiële punt is, u de snelheid van de gegooide massa ten opzichte van de raket. Deze relatie wordt ook wel de Meshchersky-differentiaalvergelijking genoemd, waarna de Tsiolkovsky-formule wordt verkregen als een bepaalde oplossing voor een materieel punt.
